Development of 4D hydrodynamic stress field measurement system for specification of stress concentration in cerebral aneurysm

开发用于规范脑动脉瘤应力集中的 4D 流体动力应力场测量系统

基本信息

批准号：
20K14646
负责人：
武藤真和
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nagoya Institute of Technology (2022)Tokyo University of Agriculture and Technology (2020-2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，高速度光弾性法 (課題番号: 19K23483) により脳動脈瘤モデル内の流体応力集中部の特定を目指す．「1. 位相差と応力の校正実験」，「2. 計測対象厚さの補正係数の導出」，「3. 4D流体応力場計測システムの構築」を開発基盤として，「4. 脳動脈瘤モデルの非定常流体応力場における応力集中部の特定」を達成する．昨年度までに，流体の応力光学係数を取得し (項目1と2の達成)，矩形および円管流路を流れる模擬血液 (液体高分子) の位相差場計測を実現した．当該年度では，計測した位相差場の空間強度分布と，数値解析より求めた流体応力場のそれとを比較検証した．両分布は概ね一致したが，流路中央で完全な一致を示さず，この原因究明を試みた．結果として，流体の３次元応力場を計測する本手法では，固体を計測する従来の光弾性法で考慮されていない，カメラの光軸に沿った応力成分を考慮する必要があった．そこで，高速度偏光カメラとせん断粘度計の複合計測システムを構築することで，光軸に沿った応力成分に対応する位相差を計測し，そのデータを用いて数理モデルを導出した．本数理モデルの導入により両者の空間強度分布が高い精度で一致した (武藤ら, 日本流体力学会誌ながれ, 41, 6 ,2022)．よって，矩形および円管流路における4D流体応力場計測システムの構築 (項目３) を達成した．一方，当初の計画で掲げた項目4では，血管などの複雑流路形状の計測データに本数理モデルが対応できず，流体工学に止まらない複合的な学術的・技術的課題 (屈折率楕円体や結晶高分子凝集など) が存在することが明らかになった．そこで，レオロジー，ソフトマター，機械学習の研究者との新たな研究体制を構築し，この課題の解決に向けた新たな研究課題 (課題番号: 23H01343) を計画することに至り，引き続き調査を継続する.

在本研究中，我们的目标是使用高速光弹性方法识别脑动脉瘤模型中的流体应力集中区域（问题编号：19K23483）。基于“1.相位差和应力校准实验”，“2.测量目标厚度校正系数的推导”，“3.4D流体应力场测量系统的构建”，“4.脑动脉瘤模型。”“不稳定流体应力场中应力集中区域的识别”。到去年，我们已经获得了流体的应力光学系数（达到第1项和第2项），并实现了模拟血液（液体聚合物）流经矩形和圆形管道通道的相位差场测量。本财年，我们对实测相位差场与数值分析得到的流体应力场的空间强度分布进行了对比验证。尽管这两个分布大体匹配，但它们在流路中心并未表现出完美匹配，我们试图调查其原因。因此，在这种测量流体三维应力场的方法中，需要考虑沿相机光轴的应力分量，而这在传统的测量固体的光弹性方法中是没有考虑的。因此，通过构建由高速偏振相机和剪切粘度计组成的组合测量系统，我们测量了与沿光轴的应力分量相对应的相位差，并利用该数据导出了数学模型。通过引入这个数学模型，两者的空间强度分布都得到了高精度匹配（Muto et al., Journal of the Japanese Society of Fluid Dynamics, Nagare, 41, 6, 2022）。因此，我们实现了矩形和圆形管道通道内4D流体应力场测量系统的构建（第3项）。另一方面，原方案第4项中，该数学模型无法应对血管等复杂流路形状的测量数据，引发了一个超越流体工程的复杂学术和技术问题（折射率椭球体）已经清楚微生物的存在（例如结晶聚合物聚集体等）。因此，我们与流变学、软物质和机器学习领域的研究人员建立了新的研究结构，并决定规划一个旨在解决这个问题的新研究课题（问题编号：23H01343），并将继续我们的研究工作。