QOL向上のための鼓膜再建用軟骨板の形状最適設計

鼓膜重建软骨板的优化形状设计以提高生活质量

基本信息

批准号：
21K03820
负责人：
呉志強
金额：
$ 2.66万
依托单位：
The University of Shiga Prefecture
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

昨年度の続き、形状最適化の手法を開発し、鼓膜の形状設計への適用を試みた。まずは、広い周波数帯域において、人間本来の聴覚特性に近い動的特性を有する鼓膜の形状設計問題を、広帯域振幅規定問題における形状最適設計問題として定式化し、形状最適化の手法を開発した。この最適化の手法には、ダンパー（内耳の蝸牛の動的特性を表現するためのもの）を考慮した。広い周波数帯域では、周波数のサンプリング数が多いため、応答および形状勾配関数を計算するには膨大な計算量が必要とするが、モード解析の結果を利用する方法を提案した。ダンパー要素を有する場合、運動方程式の非連成化ができないため、実数モード解析の結果を直接利用することが困難であったが、提案した手法では、付加の少自由度の複素連立方程式を広い周波数帯域において解くことでこの問題を解決した。この手法は今後、ダンパーを有する機械構造や、建築構造の最適設計にも有効であると考えている。そして、開発した形状最適設計の手法を簡単な機械構造の形状最適化問題に応用し、広い周波数帯域での振幅を規定の周波数応答曲線になるように、最適な形状を求めることができた。その後、この手法を昨年度に開発した中耳振動モデルに応用した。ターゲットとする周波数帯域において、聴覚特性を示すアブミ骨底板の垂直方向の変位曲線が本来の変位曲線との最小二乗差を目的関数として、鼓膜をほぼ全部軟骨板で置き換える場合の軟骨板の形状最適化を行った。結果として、形状最適化後のモデルでは、初期形状のモデルに比べ、周波数応答関数が広い周波数帯域において、健常時の曲線にある程度近づいていることが確認できた。また、改善が不十分の周波数帯域も存在するため、個別モードの調整を施し、ある程度効果があることを確認した。

从去年开始，我们开发了一种形状优化技术，并试图将其应用于耳膜的形状设计。首先，我们为耳膜制定了形状设计问题，该问题具有类似于宽频段的先天性听觉特性的动态特性，作为宽带振幅调节问题的形状最佳设计问题，并开发了一种形状优化方法。这种优化技术涉及阻尼器（代表内部耳蜗的动态特性）。在广泛的频带中，频率采样的数量很大，响应和形状梯度函数的计算需要大量计算，但是已经提出了一种方法来利用模态分析的结果。当使用阻尼器元件时，很难直接利用真实模式分析的结果，因为不可能将运动方程解除。但是，所提出的方法通过在广泛带上以较小的自由度解决复杂的同时方程来解决此问题。我们认为，将来，该技术将有效地通过阻尼器和建筑结构优化机械结构。将开发的最佳形状设计方法应用于机械结构的简单形状优化问题，并获得了最佳形状，以使宽频带上的振幅是指定的频率响应曲线。然后将此方法应用于去年开发的中耳振动模型。在目标频带中，当Stape骨中的底板的垂直位移曲线以一个目标功能代替，而在骨骨中表现出听觉特性的垂直位移曲线被优化，而几乎所有的鼓膜膜被用软骨板代替。结果，已经证实，与初始形状的模型相比，形状优化后的模型具有更接近正常曲线的频率响应函数。此外，由于没有足够的改进，因此进行了单独的模式调整以确认会有一些效果。