粘弾性体を含む流体と固体の圧縮性統一解法による爆風損傷機序の数値的解明

爆発による生体損傷のうち一次爆傷は、爆発によって空気中に生じた強力なブラスト波が生体内に伝播し、脳をはじめとする器官内の組織と干渉することで引き起こされる。本現象は一般にエネルギー密度の高い火薬等の点爆発で観察されるため、設備面や安全性から実験的研究に対する制約が極めて大きく、現象の学術的理解を阻む大きな要因となっている。そのため、数値的研究が有望な選択肢となるが、ブラスト波の照射対象となる生体組織は工学的な分類では粘弾性体であり、その学問領域は流体力学と固体力学の境界領域に位置するため、解析方法が十分に検討されていない。本研究課題では、流体力学で一般的なリーマン解法をベースに粘弾性構成則を導入して数値解法の理論的な拡張を行い、粘弾性体を含む流体および固体間の波動伝播が解析可能な統一解法を構築する。さらに、本数値解法を用いて、ブラスト波と生体組織の干渉を定量的かつ視覚的に評価し、一次爆傷の機序について工学的観点から考察を行う。研究計画の一年目となる本年度は、その中心となる数値解法について重点的に検討を行い、圧縮性混相流体計算で一般的な拡散界面モデルの線形粘弾性体への理論的拡張、ならびにそれを基にしたリーマン解法のテストコード（非定常空間1次元）の構築を行った。また、次年度以降の検証実験の準備として、ポリビニルアルコール・ハイドロゲルを主体とした模擬生体サンプルの作成と物性変化の小さい長期保存方法の検討、レーザー誘起による慣性マイクロキャビテーションレオメトリーの理論面の改良、ならびにそれを用いた高ひずみ速度領域での粘弾性物性評価を実施した。さらに、波動伝播可視化撮影用のハイスピードカメラの機種選定と導入を行い、検証実験系の整備を行った。

爆発による生体損傷のうち一次爆傷は、爆発によって空気中に生じた強力なブラスト波が生体内に伝播し、脳をはじめとする器官内の組織と干渉することで引き起こされる。本現象は一般にエネルギー密度の高い火薬等の点爆発で観察されるため、設備面や安全性から実験的研究に対する制約が極めて大きく、現象の学術的理解を阻む大きな要因となっている。そのため、数値的研究が有望な選択肢となるが、ブラスト波の照射対象となる生体組織は工学的な分類では粘弾性体であり、その学問領域は流体力学と固体力学の境界領域に位置するため、解析方法が十分に検討されていない。本研究課題では、流体力学で一般的なリーマン解法をベースに粘弾性構成則を導入して数値解法の理論的な拡張を行い、粘弾性体を含む流体および固体間の波動伝播が解析可能な統一解法を構築する。さらに、本数値解法を用いて、ブラスト波と生体組織の干渉を定量的かつ視覚的に評価し、一次爆傷の機序について工学的観点から考察を行う。研究計画の一年目となる本年度は、その中心となる数値解法について重点的に検討を行い、圧縮性混相流体計算で一般的な拡散界面モデルの線形粘弾性体への理論的拡張、ならびにそれを基にしたリーマン解法のテストコード（非定常空間1次元）の構築を行った。また、次年度以降の検証実験の準備として、ポリビニルアルコール・ハイドロゲルを主体とした模擬生体サンプルの作成と物性変化の小さい長期保存方法の検討、レーザー誘起による慣性マイクロキャビテーションレオメトリーの理論面の改良、ならびにそれを用いた高ひずみ速度領域での粘弾性物性評価を実施した。さらに、波動伝播可視化撮影用のハイスピードカメラの機種選定と導入を行い、検証実験系の整備を行った。