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

无创测量超声辐射产生的松质骨中的压电信号

• 批准号: 21K12638
• 负责人: 細川 篤
• 金额: $ 2.5万
• 依托单位: Akashi National College of Technology
• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K12638/
• 关键词: 海綿骨; 圧電信号; 超音波; 数値シミュレーション; 非侵襲測定

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。

The study conducted in 2010 and 2014 was aimed at preparing for the development of high voltage electrical signals in spongy bone by ultrasonic irradiation. The number of different types of solutions is different, the number of solutions is different, and the number of solutions is different. In the next step, the X-ray CT image of the test sample was prepared. As a result, it is difficult to identify the cause of the individual difference of the sample due to the sensitivity of the voltage signal to the structure of the beam and the influence of the microstructure. The original research plan was revised, and the image processing technology was used to transform the suspected bone beam structure. This is an easy way to change the structure of the beam and the voltage signal. The immersion treatment of the bone beam element changes the immersion direction of the bone beam element in three ways (vertical direction, parallel direction), and the ultrasonic irradiation in two ways (parallel direction, vertical direction). The results of the analysis, the relationship between the direction of ultrasonic irradiation, the relationship between the vertical beam elements and the generation of voltage signals are shown. The preparation of the sample was carried out in the presence of sponge and cortical bone. The structure of the bone beam and the cutting of the sponge bone and the cortical bone are cut out. The X-ray CT images of bone samples were analyzed, and the bone beam structure was analyzed. The design and processing of various parts of the ultrasonic system are carried out in the following ways:

项目成果

Bone Quantitative Ultrasound: New Horizons

• DOI: 10.1007/978-3-030-91979-5
• 发表时间: 2022
• 期刊: Bone Quantitative Ultrasound

Effect of Pore Fluid on Piezoelectric Signal in Cancellous Bone Generated by Ultrasound Irradiation

孔隙流体对超声辐照松质骨压电信号的影响

• DOI: 10.1109/laus53676.2021.9639095
• 发表时间: 2021
• 期刊: 2021 IEEE UFFC-S Latin America Ultrasonics Symposium (LAUS) proceedings
• 作者: Tsujii Shigehiro;Serada Satoshi;Fujimoto Minoru;Uemura Sunao;Namikawa Tsutomu;Nomura Taisei;Murakami Ichiro;Hanazaki Kazuhiro;Naka Tetsuji;Hosokawa Atsushi
• 通讯作者: Hosokawa Atsushi

超音波によって海綿骨で生じる圧電信号の微細骨梁構造に伴う変化

由于松质骨中的微小小梁结构，超声波引起的压电信号的变化

• 发表时间: 2023
• 作者: 山﨑陽一;藤原大志;長田典子;細川 篤
• 通讯作者: 細川 篤

生体組織の超音波計測

生物组织的超声波测量

• 发表时间: 2022
• 作者: 日本音響学会;松川 真美;山口 匡;長谷川 英之;斎藤 繁実;西條 芳文;細川 篤;長谷 芳樹;蜂屋 弘之;神山 直久;吉田 憲司;金井 浩;椎名 毅;山越 芳樹;梅村 晋一郎;工藤 信樹
• 通讯作者: 工藤 信樹

超音波によって海綿骨で生じる圧電信号の数値シミュレーション －骨梁構造の影響－

超声在松质骨中产生压电信号的数值模拟 - 小梁骨结构的影响 -

• 发表时间: 2022
• 作者: Tanioka Nobuhisa;Maeda Hiromichi;Shimizu Shigeto;Munekage Masaya;Uemura Sunao;Hanazaki Kazuhiro;Atsushi Hosokawa;細川 篤
• 通讯作者: 細川 篤