Noninvasive measurements of piezoelectric signals in cancellous bone generated by ultrasound irradiation

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令和４年度の研究では、超音波照射によって海綿骨で生じる圧電信号に関して、数値シミュレーションと実験の準備を行った。数値シミュレーションについては、まず、大容量モデルに対応できるように、計算サーバの整備およびシミュレーションプログラムの改善（メモリ使用の効率化）を行った。次に、実験試料のX線μCTイメージから作成した骨モデルを用いて数値シミュレーションを行った。そのシミュレーション結果より、圧電信号は骨梁構造に対して敏感に変化するため、骨モデル（試料）の個体差が原因で微細構造の影響について検討することが困難であることが判明した。そこで、当初の研究計画を変更して、画像処理技術を用いて疑似的に骨梁構造を変化させるプログラムの作成を行った。このプログラムによって骨梁構造を規則的に変化させて、骨梁構造に対する圧電信号の変化について検討することが容易になった。骨モデルの骨梁要素を間隙要素に変換する浸食処理を三通りの浸食方向（ランダムな方向、主要な骨梁配向に平行・垂直な方向）で行ったそれぞれの骨モデルに対して、超音波照射を主要な骨梁配向に平行・垂直な方向の二通りで行った（計六通りの数値シミュレーションを行った）。これらのシミュレーション結果を解析した結果、超音波照射方向に関係なく、照射方向に垂直な骨梁要素が圧電信号の発生に大きく関連することが示唆された。実験の準備については、海綿骨だけの試料および海綿骨と皮質骨が混在する試料の作製を行った。さまざまな骨梁構造および海綿骨と皮質骨の割合の試料とするために、さまざまな箇所から骨片を切り出した。骨試料のX線μCTイメージの撮影を行って、骨梁構造を解析した（このX線μCTイメージから、数値シミュレーション用の骨モデルを作成した）。また、骨試料を圧電素子とみなした超音波センサ「圧電セル」を作製するための各種部品の設計・加工を行った。