博 士 論 文 概 要
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(2) 製品開発において，機能性を向上するためには製品を検証し，検証結果を開発 にフィードバックすることが重要である．応力・ひずみは物体の剛性や強度等を 検 証 す る 評 価 項 目 で あ る ．1 9 3 0 年 代 に 開 発 さ れ た ひ ず み ゲ ー ジ は 汎 用 的 な ひ ず み 計測法で高い計測精度を有するが，計測領域は一点に限られる．その後，画像相 関法やスペックル干渉法など，物体の表面に生じる応力・ひずみ分布の計測法が 開 発 さ れ た ． DIC は ， 変 形 前 後 の 物 体 を 撮 像 し た 二 次 元 画 像 間 の 相 関 性 か ら 求 め られる移動量からひずみ分布を算出する手法である．スペックル干渉法はレーザ 干渉を利用し，レーザ光が粗面で散乱，反射してできるスペックルパターンを利 用した計測法である．これらの技術はさまざまな物体の応力・ひずみ分布計測に 用いられてきたが，計測領域は物体の表面に限定され，物体内部を含む三次元応 力・ひずみ分布計測は不可能であった． 2 0 0 0 年 以 降 の 三 次 元 画 像 撮 像 器 の 急 激 な 進 歩 に 伴 い ，従 来 ，困 難 で あ っ た 三 次 元応力・ひずみ分布計測が可能となり，研究開発が活発に行われている．三次元 応 力 ・ ひ ず み 分 布 計 測 で は ，X 線 CT や MRI と い っ た 撮 像 機 器 に よ っ て 撮 像 さ れ た三次元画像から画像相関法により応力・ひずみ分布を計測する．本研究では，. 三 次 元 画 像 相 関 法 に よ る 三 次 元 応 力 ・ ひ ず み 分 布 計 測 法 に 焦 点 を あ て る ．三 次 元 画 像 相 関 法 は ，こ れ ま で に 金 属 や 高 分 子 ，セ ラ ミ ッ ク ，岩 石 ，木 材 と い った材料に生じる応力・ひずみ分布の計測に用いられてきた．しかし，従来 の計測法は時間分解能に限界があり，動的かつ経時的に変形する対象物に生じる 応力・ひずみ分布を計測することが困難であり，計測対象は静的負荷により変形 する対象物に限られてきた．そのため，高い時間分解能が求められる動的に変形 する対象物に生じる応力・ひずみ分布の計測は三次元応力・ひずみ分布計測法の 残された課題である．本研究では，高い時間分解能を有し，動的に変形を伴う対 象物に生じる応力・ひずみ分布を経時的かつ定量的に計測可能な新規ひずみ分布 計測手法を開発することを目的とした． 本博士論文は 5 章で構成した． 第 1 章では，応力・ひずみ分布計測法に関する先行研究に関して述べた．さら に，本研究で開発する新規ひずみ分布計測法のコンセプト，本研究の位置づけや 目的を示した． 第 2 章では，高い時間分解能を有する三次元流速分布計測法の断層粒子画像流 速計測法の対象を固体のひずみに適応する新規ひずみ分布計測法を開発し，精度 に影響を及ぼすと考えられる実験条件について検討した．断層粒子画像流速計測 法は，流体中を流れるトレーサ粒子を複数のカメラで撮像した二次元粒子画像か ら，三次元画像を構築し，三次元画像相関法により粒子パターンを追跡すること で流速分布を計測する技術である．本研究では，トレーサ粒子を混合させた透明 シリコーン材料内の粒子パターンを断層粒子画像速度測定法により追跡すること No.1.
(3) で求まる移動量分布から，計測対象に生じるひずみ分布を計測するひずみ分布計 測法を開発した．三次元画像相関法での粒子パターンの最大追跡距離には上限が あり，大変形を伴う変形前後の移動量分布を一度に計測するのは困難である．そ こで，変形前後の移動量分布を複数回に分けて計測し，複数の移動量を合算する ことで求めた変形前後の移動量分布からひずみ分布を求める新規ひずみ分布計測 法を開発した． 断層粒子画像流速計測法において，高い粒子濃度では三次元再構築により生じ た実在しない粒子の影響で計測精度が低下し，また，低い粒子濃度では粒子数不 足 に よ っ て 計 測 精 度 が 低 下 す る ．検 査 領 域 は 小 さ い ほ ど 空 間 分 解 能 が 高 く な る が ， 小さすぎる検査領域は検査領域内の粒子数不足により計測精度の低下を引き起こ す．本研究では，単軸引張試験で新規ひずみ分布計測法と標線間距離から求まる 試験片の垂直ひずみを比較することで，適切な粒子濃度および検査領域を検討し た ． 計 測 対 象 は 大 動 脈 の 弾 性 管 壁 を 想 定 し て 厚 さ 2 mm の ダ ン ベ ル 2 号 試 験 片 形 状 と し ，液 状 の 透 明 シ リ コ ー ン と 粒 径 1 3 μ m の ト レ ー サ 粒 子 を 自 転 公 転 攪 拌 機 で 攪拌させた後，固化させることで製作した．製作した試験片を用いて心臓の収縮 拡 張 に 伴 う 大 動 脈 の 移 動 速 度 を 考 慮 し ， 引 張 速 度 50 mm/min で 引 張 試 験 を 行 っ た ．引 張 試 験 片 の 粒 子 画 像 を 2 台 の カ メ ラ で 撮 像 し ，移 動 量 を 分 割 計 測 す る た め ， カ メ ラ の サ ン プ リ ン グ 周 波 数 は 10 Hz と し た ．ま た ，試 験 片 壁 面 で の 屈 折 を 排 除 す る た め ， 透 明 シ リ コ ー ン の 屈 折 率 1.4096 に 合 わ せ た グ リ セ リ ン 水 溶 液 で 満 た した透明アクリルボックス内に試験片を設置した．撮像した粒子画像から新規ひ ず み 分 布 計 測 法 を 用 い て ， 引 張 試 験 片 の 幅 4 mm， 長 さ 10 mm， 厚 さ 2 mm の 垂 直 ひ ず み 分 布 を 計 測 し た ． 実 験 結 果 よ り ， 粒 子 濃 度 0.014 particle per pixel， 検 査 領 域 4 0 × 4 0 × 4 0 voxel3 が 適 切 な 条 件 と 決 定 し た ． ま た ， 新 規 ひ ず み 分 布 計測法で経時的に試験片に生じるひずみ分布を計測し，標線間距離から求まる垂 直 ひ ず み と の 相 関 値 は R2=0.99 を 超 え る 結 果 を 提 示 し ，経 時 的 に 垂 直 ひ ず み を 計 測できることを示した． 第 3 章 で は ，経 時 的 に 三 次 元 変 形 す る 弾 性 管 モ デ ル に 生 じ る 三 次 元 M i s e s 相 当 ひずみ分布を新規ひずみ分布計測法と有限要素法解析で比較することで，新規ひ ず み 分 布 計 測 法 の 妥 当 性 を 検 証 し た ． 計 測 対 象 は 大 動 脈 を 想 定 し て 内 径 25 mm， 外 形 2 9 m m の ト レ ー サ 粒 子 入 り の 弾 性 管 モ デ ル と し ，内 圧 負 荷 で 内 径 が 2 7 . 5 m m と な っ た 時 の M i s e s 相 当 ひ ず み 分 布 を 計 測 し た ．内 圧 負 荷 試 験 は 弾 性 管 モ デ ル を 密 閉 し ，シ リ ン ジ ポ ン プ で 弾 性 管 モ デ ル 内 部 に 6 0 m L / m i n で 透 明 シ リ コ ー ン の 屈 折 率 1 . 4 0 9 6 に 合 わ せ た グ リ セ リ ン 水 溶 液 を 流 入 す る こ と で 行 っ た ．2 つ の カ メ ラ を 用 い て サ ン プ リ ン グ 周 波 数 20 Hz で 撮 像 し た 弾 性 管 モ デ ル 内 部 の ト レ ー サ 粒 子 の粒子画像を用いて，新規ひずみ分布計測法により弾性管モデルの長軸方向長さ 4 mm の Mises 相 当 ひ ず み 分 布 を 計 測 し た ． 有 限 要 素 解 析 で は ， 弾 性 管 モ デ ル に No.2.
(4) 内 圧 を 負 荷 し ， 内 径 27.5 mm と な る 時 の 弾 性 管 モ デ ル に 生 じ る Mises 相 当 ひ ず み分布を解析した．新規ひずみ分布計測法の計測結果と有限要素解析結果におけ る 弾 性 管 モ デ ル に 生 じ る M i s e s 相 当 ひ ず み 分 布 は ，弾 性 管 モ デ ル 内 壁 か ら 外 壁 に 向 か う に つ れ て 線 形 的 に 小 さ く な る 同 様 の 傾 向 と な り ， Mises 相 当 ひ ず み の 平 均 値 は そ れ ぞ れ 0.155, 0.156 と ほ ぼ 同 値 で あ っ た ．ま た ，新 規 ひ ず み 分 布 計 測 法 と 解 析 結 果 で 求 め た 計 測 結 果 の 乖 離 率 は 11 . 5 % 以 下 と な り ， 新 規 ひ ず み 分 布 計 測 法 で三次元変形する弾性管モデルのひずみ分布を計測可能であることがわかった． 第 4 章では，経カテーテル大動脈弁留置術において弁輪部破裂が生じた患者の 大動脈弁を想定した大動脈弁モデルを製作し，経カテーテル大動脈弁留置で大動 脈 弁 モ デ ル 弁 輪 部 に 生 じ る M i s e s 相 当 ひ ず み 分 布 を 計 測 し ，弁 輪 部 破 裂 の 発 生 機 序を検討した．本実験は早稲田大学のヒト倫理委員会の承認を得て行った．製作 し た 大 動 脈 弁 モ デ ル を 用 い て ， バ ル ー ン 拡 張 型 経 カ テ ー テ ル 大 動 脈 弁 SAPIEN X T 2 3 m m を 臨 床 と 同 じ 拡 張 容 量 1 7 m L で 拡 張 し て 留 置 し ，大 動 脈 弁 モ デ ル に 生 じ る Mises 相 当 ひ ず み を 計 測 し た ． 経 カ テ ー テ ル 大 動 脈 弁 留 置 時 に 大 動 脈 弁 モ デ ル に 生 じ る Mises 相 当 ひ ず み 分 布 の計測結果から，大動脈弁モデル石灰化病変近傍で大きなひずみが生じることが わかった．計測結果から，大動脈弁モデル壁部に沿って分布する石灰化病変より も，外壁から内腔に突き出る形状の石灰化病変の近傍で大きなひずみが生じるこ と が わ か っ た ． ま た ， Mises 相 当 ひ ず み の 最 大 値 が 生 じ た 箇 所 と 臨 床 に お け る 弁 輪 部 破 裂 し た 箇 所 が 一 致 す る 結 果 を 得 た ．拡 張 容 量 を メ ー カ ー 推 奨 の 拡 張 容 量 1 7 mL よ り 少 な い 容 量 で 拡 張 を 行 う 低 充 満 拡 張 法 は ， 十 分 に 経 カ テ ー テ ル 大 動 脈 弁 を拡張できないことによる弁周囲逆流のリスクがある一方で，弁輪部破裂リスク の低減が期待される．低充満拡張法において，経カテーテル大動脈弁留置術で大 動脈弁モデル弁輪部に生じるひずみ分布の計測を行った．その結果，拡張容量を 小 さ く す る に し た が い 弁 輪 部 に 生 じ る Mises 相 当 ひ ず み は 小 さ く な る 傾 向 を 取 得 した．臨床の弁輪部破裂箇所と大きなひずみが計測された箇所が一致し，弾性管 壁から弾性管内腔に突き出る石灰化は弁輪部破裂の一因となることを示唆した． 拡張容量を少なくする低充満拡張法により，大動脈弁モデル弁輪部に生じるひず みが小さくなることを定量評価することができ，弁輪部破裂リスクが低減するこ とを明らかにし，本研究で開発した手法の有用性を示した． 5 章では，本研究の成果をまとめ，今後の展望を述べた．本研究で開発した新規 ひずみ分布計測法を用いることで，これまで困難であった医療機器や疾患におけ る 生 体 組 織 の 損 傷 や 破 裂 の リ ス ク の 定 量 評 価 へ の 応 用 が 期 待 さ れ る ．ま た ，本 研. 究 は ，計 測 工 学 や 医 工 学 と い っ た 学 問 領 域 の 基 盤 技 術 と し て 活 用 さ れ ，計 算 工 学 の 妥 当 性 検 証 と し て も 有 用 で あ り ，幅 広 い 学 問 領 域 へ の 貢 献 が 期 待 さ れ る． No.3.
(5) Ｎｏ.1. 早稲田大学 氏 名. 高橋 東. 博士（工学）. 学位申請. 研究業績書. 印 （2018 年 4 月. 種 類 別 論文. 論文. 口演. 口演. 題名,. 発表・発行掲載誌名,. 発表・発行年月,. 現在）. 連名者（申請者含む）. Academic papers ○ (1) A. Takahashi, S. Suzuki, Y. Aoyama, M. Umezu, K. Iwasaki, Three-dimensional strain measurement methodology in elastic transparent material using tomographic particle image velocimetry, PLOS ONE, e0184782, p 1-14, 2017.9 ○ (2) A. Takahashi, X Zhu, Y. Aoyama, M. Umezu, K. Iwasaki, Three-dimensional strain measurements of tubular elastic model using tomographic particle image velocimetry, Cardiovasc Eng Technol. s13239-018-0350-5, p 1-10, 2018.3 Conferences (3) A. Takahashi, Y Aoyama, M Umezu, K Iwasaki, A novel measurement method to evealuate the strain in the aortic vessel model, The 16th International Conference on Biomedical Engineering, 2016.12 (Singapore) (4) S.Sasuga, Y.Tanaka, A.Takahashi, K.Obama, Y.Aoyama, U.Mitsuo, S.Saito, K.Iwasaki, Japan Quantification of Incompletely-apposed Gap after Transcatheter Aortic Valve Replacement Using Patient-specific Models for Understanding the Mechanism of Paravalvular Leak, Journal of the American college of cardiology, 22nd Cardovascular summit TCTAP2017, 2017.4 (Seoul). 口演. (5) S.Sasuga, Y.Tanaka, K.Obama, A.Takahashi, Y.Aoyama, U.Mitsuo, S.Saito, K.Iwasaki, Influence of calcification shape around aortic valve annulus on paravalvular leak after TAVI: investigation using patient specific pulsatile circulation model, EURO PCR 2017 The World-Leading Course in Interventional Cardiovascular Medicine, 2017.3 (Paris). 口演. (6) 鮫島啓，岩﨑清隆，前田真宏，松橋祐輝，高橋東，山崎健二，梅津光生，チップレス 脱弾性管を用いた EVAHEART を接続した左心室内部の流れ場の可視化，第 45 回人工 心臓と補助循環懇話会，p.32，山梨，2017.2. 口演. (7) 高橋東，小浜和人，山脇理弘，青山祐介，流石朗子，梅津光生，岩﨑清隆，径カテー テル大動脈弁留置術における大動脈モデルに生じるひずみ分布の計測に関する研究， 日本機械学会第 29 回バイオエンジニアリング講演会，愛知，2017.1. 口演. (8) 鮫島啓，岩﨑清隆，松橋祐輝，高橋東，山本祥宜，鈴木砂良，青山祐介，山崎健二， 梅津光生，左心補助人工心臓用脱弾性管近傍の流れ場が脱弾性管外周の血栓形成と成 長に与える影響の検討，第 54 回日本人工臓器学会大会予稿集，第 54 回日本人工臓器 学会大会，s-90，鳥取，2016.11. 口演. (9) 高橋東，青山祐介，梅津光生，岩﨑清隆，断層粒子画像速度測定法を用いた弾性管モ デルに生じるひずみ分布の新規計測法に関する研究，第 27 回バイオフロンティア講 演会論文集，pp.83-84，北海道，2016.10. 口演. (10) K.Sameshima, K.Iwasaki, A.Takahashi, A.Aoyama, Y.Matsuhashi, Y.Yamamoto, K.Yamazaki, M.Umezu, Visualization of a flow field of the inflow cannula of EVAHEART using particle imaging velocimetry, Program & abstract book, 24th Congress of the International Society for Rotary Blood Pumps, p.114, 2016.9, (Mito).
(6) Ｎｏ.2. 早稲田大学 種 類 別. 題名,. 博士（工学） 発表・発行掲載誌名,. 学位申請 発表・発行年月,. 研究業績書 連名者（申請者含む）. 口演. (11) Y.Matsuhashi, A.Takahashi, S.Suzuki, Y.Aoyama, K.Sameshima, Y.Yamamoto, M.Hirata, M.Umezu, K.Iwasaki, Investigation of the relationship between thrombus formation and hemodynamic characteristcs at the head of sustained type hemofilter, Program & abstract book, 34th Congress of the International Society of Blood Purification, p.105, 2016.9, (Hiroshima). 口演. (12) 青山祐介，高橋東，小浜和人，鈴木砂良，田中穣，齋藤滋，梅津光生，岩﨑清隆，粒 子イメージ流速計測法を用いた経カテーテル大動脈弁の弁周囲逆流の可視化法の開 発，第 32 回ライフサポート学会大会予稿集，pp.472-473，宮城，2016.9. 口演. (13) 高橋東，松橋祐輝，鈴木砂良，青山祐介，梅津光生，岩﨑清隆，断層粒子画像速度測 定法を用いた引張試験中の弾性管モデルに生じるひずみ分布の計測手法の検討，第 44 回可視化情報学会論文集，G104，東京，2016.7. 口演. (14) 山本祥宜，岩﨑清隆，高橋東，鮫島啓，青山祐介，松橋祐輝，平田麻由紀，山崎健二， 梅津光生，粒子画像流速計測法を用いた EVAHEART 脱弾性管近傍の流れ場の可視化， 第 44 回人工心臓と補助循環懇話会学術集会・抄録集，p.117，松島,2016.3. 口演. (15) 小浜和人，福山大貴，高橋東，青山祐介，田中穣，梅津光生，齋藤滋，岩﨑清隆，経 カテーテル大動脈弁の弁周囲逆流の評価のための石灰化付大動脈弁モデルの開発：第 28 回バイオエンジニアリング講演会プログラム，1A16，第 28 回バイオエンジニアリ ング講演会，東京,2016.1. 口演. (16) 高橋東，須藤健太，戸部康貴，松橋祐輝，鈴木砂良，八木高伸，佐々木崇史，滝沢研 二，Stereo PIV を用いた大動脈弁モデル近傍の流れ場の可視化手法の開発，第 28 回バ イオエンジニアリング講演会プログラム，1E35，第 28 回バイオエンジニアリング講 演会, 東京,2016.1. 口演. (17) 高橋東，松橋祐輝，鈴木砂良，青山祐介，梅津光生，岩﨑清隆，断層粒子画像速度測 定法を用いた弾性弾性管モデルに加わるひずみの計測手法の検討，第 28 回バイオエ ンジニアリング講演会プログラム，第 28 回バイオエンジニアリング講演会，2F35, 東 京，2016.1. 口演. (18) 鈴木砂良，岩﨑清隆，高橋東，青山祐介，松橋祐輝，平田麻由紀，山本祥宜，梅津光 生，持続緩徐式血液濾過器のヘッダ形状による流速分布の違いがヘッダ内部の血栓形 成に及ぼす影響の検討，人工臓器第 53 回日本人工臓器学会大会予稿集，pp.180，東 京，2015.11. 口演. (19) 岩﨑清隆，加瀬川均，佐々木健一，関雅浩，國原孝，田中穣，齋藤滋，山脇理弘，松 村俊哉，高橋東，松橋祐輝，山本匡，梅津光生，先進的人工弁・弁膜治療法の実用化 と安全な普及を加速する非臨床評価試験法の開発，人工臓器第 53 回日本人工臓器学 会大会予稿集，pp.18, 東京，2015.11.
(7) Ｎｏ.3. 早稲田大学 種 類 別. 題名,. 博士（工学） 発表・発行掲載誌名,. 学位申請 発表・発行年月,. 研究業績書 連名者（申請者含む）. 口演. (20) 鈴木砂良，岩﨑清隆，高橋東，青山祐介，松橋祐輝，平田麻由紀，山本祥宜，梅津光 生，持続緩徐式血液濾過器ヘッダ部の流速分布がヘッダ内部の血栓形成に及ぼす影響 の検討，第 26 回日本急性血液浄化学会学術集会予稿集, pp.81, 東京，2015.10. 口演. (21) A. Takahashi, K. Iwasaki, S. Suzuki, Y. Aoyama, Y. Matsuhashi, M. Hirata, Y. Yamamoto, M. Umezu, Investigation of influences of flow field in the pert of hemofilters on thrombus formation, Biorheology The official journal of the international society of biorhelogy, pp.155, 2015.5 (Seoul).
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