研究者/開発者/スタッフ紹介
沖田 浩平 (Kohei Okita) 沖田 浩平 (Kohei Okita)


研究テーマ

強力集束超音波による低侵襲治療のためのHIFUシミュレータの開発
超音波造影剤を援用した強力集束超音波治療における加熱領域の制御に関する数値解析
符号付き距離関数を形状表現に用いた流体ソルバーの開発
多流体流れに対するモデルの構築
陽子線励起圧力波に伴うキャビテーション損傷のマイクロバブルによる低減に関する数値解析

研究内容と成果

強力集束超音波による低侵襲治療のためのHIFUシミュレータの開発

診断に用いられている超音波よりも強力な超音波を集束させ,焦点において組織を加熱凝固によって壊死させる治療法(High Intensity Focused Ultrasound:以下,HIFU)を用いた治療装置の開発が進められている.本研究では,HIFU装置の設計および制御から認可に向けた臨床試験や術前の治療計画の検討等の支援を目的として,生体中の超音波の伝播過程を再現するHIFUシミュレータの開発を行った.Fig.1のように,CT/MRIから得られる生体情報に基づいて構築された生体モデルと,CADで設計されたHIFU装置の形状を符号付き距離関数(Signed Distance Function:以下,SDF)で表現したボリュームデータを入力として,生体中の超音波伝播をシミュレーションする.この際,不均質媒体に対する質量および運動量保存式を解くことで,生体のような不均質媒体を過ぎる超音波の伝播を再現している.これまでに,脳腫瘍やFig.2のような肝腫瘍に対するHIFU治療のシミュレーションを行った結果,伝播過程における反射・屈折のために,焦点がぼやけたり,焦点位置がターゲットから外れたりするような場合においても,シミュレーションを援用した時間反転法に基づいてアレイトランスデューサを制御することによって,体外から照射した超音波をターゲットに効率的に集束させることが可能であることが分かった.


Figure 1: Schematic diagram of data flows to HIFU simulation


Figure 2: Numerical simulation of HIFU therapy for liver cancer using array transducer

符号付き距離関数を形状表現に用いた流体ソルバーの開発

ボリュームベースの形状表現に基づいた高精度な流体解析を目的に,形状表現に符号付き距離関数を用いて,Immersed Boundary法に基づいた流体ソルバーの開発を行った.非圧縮粘性流れに対する基礎方程式をSMAC法に準じて,空間2次精度中心差分で離散化した.この際,界面近傍では符号付き距離関数によって,格子と一致しない界面での境界条件を考慮して,強制速度の外挿と高精度な差分と補間を行った.Fig.3のような円管内3次元ポアゼイユ流れの振動流に対する精度検証の結果,Fig.4に示すように格子幅の減少に伴って軸方向速度誤差のL2およびL無限大ノルムが1.96次および1.89次で減少し,本研究で開発された流体ソルバーが空間2次精度であることがわかった.


Figure 3: Schematic diagram of the numerical model for the Poiseuille flow through the cylindrical pipe which is arranged in the numerical domain of Cartesian mesh.


Figure 4: Grid dependency of the error of axial velocity (Oscillating flow, Reτ=1, angle of cylinder arrangement θ = arctan(3/4) = 36.9°)

多流体流れに対するモデルの構築

Diffuse Interface Modelを基に非混和な多流体に対する自由エネルギーをモデリングし,3流体が接触する3重会合点の様子を調べた.3重会合点では,各界面に働く表面張力によって界面の成す接触角が変化する.理論的な接触角θが得られるように表面張力を設定した計算によって得られた角度をFig.5に示す.提案した非混和な多流体に対する自由エネルギーモデルによって,3流体が接触する3重会合点が定量的に妥当に再現できることを確認した.


Figure 5: The represented contact angle of the blue fluid at triple junction as function of the theoretical contact angle. Symbols are compared for the resolution of the diffuse interface.

微小重力下における2つの液滴の運動に,本研究で開発した非混和な多流体に対する計算法を適用し,Fig.6のように液滴の合体,回転,分離といった運動を3次元計算によって再現した.本研究で開発された多流体に対する自由エネルギーによって,表面張力が重要となる流れにおいて非混和な多流体の3次元運動に対する数値解析が可能になった.


(a) Rotating motion (sRG=1.0, sGB=1.0, sBR=1.0)


(b) Covering motion (sRG=0.7, sGB=1.0, sBR=0.7)

Figure 6: Gravity driven motion of the two immiscible droplets in the other immiscible fluid. The red and blue fluids are respectively lighter and heavier than the surrounding fluid.

VCAD公開ソフトウェア

V-SDFlib
SPHERE:HIFU

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論文・特許紹介

【論文】
沖田浩平,小野謙二
符号付き距離関数を形状表現に用いた流体ソルバーの精度
日本機械学会論文集B編, (submitted)

K. Okita, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto
Development of High Intensity Focused Ultrasound Simulator for Large Scale Computing
Int. J. Numerical Methods in Fluids, Vol.65, pp.43-66 (2011)

K. Okita, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto
Numerical Simulation of the Tissue Ablation in High Intensity Focused Ultrasound Therapy with Array Transducer
Int. J. Numerical Methods in Fluids, Vol.64, pp.1395-1411 (2010)

沖田浩平
強力集束超音波による腫瘍焼灼のシミュレーション
計算工学, Vol.14,No.4, pp.11-12 (2009)

K. Okita, H. Ugajin, Y. Matsumoto
Numerical Analysis of the influence of the tip clearance flows on the Unsteady Cavitating Flows in a Three-dimensional Inducer
Journal of Hydrodynamics, Ser. B, Vol.21, Issue 1, pp.34-40 (2009)

K. Okita, S. Takagi, Y. Matsumoto
Propagation of Pressure Waves, Caused by a Thermal Shock, in Liquid Metals Containing Gas Bubbles
Journal of Fluid Science and Technology, Vol.3, No.1, pp.116-128 (2008)

K. Okita, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto,
Modeling and Simulation of the Tissue Ablation in High Intensity Focused Ultrasound Therapy with Array Transducer
VPH2010, Brussels, Belgium, September 30 ? October 1, pp.178-180 (2010)

Y. Matsumoto, K. Okita, K. Ono, S. Takagi
The Tissue Ablation in High Intensity Focused Ultrasound Therapy with an Array Transducer
WCCM / APCOM 2010, Sydney, Australia, 19-23, July (2010)

K. Okita, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto
Numerical Simulation of the Tissue Ablation in High Intensity Focused Ultrasound Therapy with an Array Transducer
ECCOMAS CFD 2010, Lisbon, Portugal, June 14?17, No.1132 (2010)

K. Okita, K. Sugiyama, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto
Numerical Study on the Effective Combination of Microbubble and Ultrasound in HIFU Therapy
10th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, Tokyo, Japan, June 9-12 (2010)

N. Leduc, K. Okita, K. Sugiyama, S. Takagi, Y. Matsumoto
A TR-induced algorithm for hot spots elimination through CT-scan HIFU simulations
10th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, Tokyo, Japan, June 9-12 (2010)

T. Shimura, K. Okita, S. Takagi, Y. Matsumoto
The Effect of the Elastic Body on the Focusing of Ultrasounds in Inhomogeneous Media
10th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, Tokyo, Japan, June 9-12 (2010)

K. Okita, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto
Numerical Simulation of the Tissue Ablation in HIFU therapy with an Array Transducer
2nd Biosupercomputing symposium, Tokyo, Japan, March 18-19, p.140 (2010)

K. Okita, K. Sugiyama, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto
Numerical study on high intensity focused ultrasound therapy using array transducer
Physics Procedia, Vol. 3(1), pp.315-322 (2010)

Y. Matsumoto, K. Okita, K. Ono, S. Takagi
Numerical Simulation on High Intensity Focused Ultrasound Therapy I, II
2009 ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, November 13-19, Lake Buena Vista, Florida (2009)

K. Okita, K. Sugiyama, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto
Numerical Simulation of High Intensity Focused Ultrasound Therapy with Volume Model of Human Body
9th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, September 21-23, Aix-en Province, France, pp.371-374 (2009)

Y. Matsumoto, K. Okita, K. Ono, S. Takagi
Numerical Simulation of Therapeutic Ultrasound
FEF09, April 1-3, Tokyo, Japan (2009)

K. Okita, K. Sugiyama, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto
Numerical Study on High Intensity Focused Ultrasound Therapy using Array Transducer
International Congress on ULTRASONICS, January, 11-17, Santiago, Chile (2009)

K. Okita, H. Ugajin, Y. Matsumoto
Numerical Analysis of the Influence of the Tip Clearance Flows on the Unsteady Cavitating Flows in a Three Dimensional Inducer
Cavitation: Turbo-machinery & Medical Applications, WIMRC FORUM 2008, Warwick University, UK, 7-9 July, pp.246-250 (2008)

K. Okita, T. Tawara, K. Ono
Shape Representation by Signed Distance Function for Immersed Boundary Method
WCCM8 and ECCOMAS2008, June 31-July 5, Venice, Italy (2008)

K. Okita, K. Ono, S. Takagi, Y. Matsumoto
High Intensity Focused Ultrasound in Human Body
WCCM8 and ECCOMAS2008, June 31-July 5, Venice, Italy (2008)

K. Okita, K. Ono
Numerical Simulation of Immiscible Multiple Fluids Flow by Diffuse Interface Model
APS 60th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics, Salt Lake City, USA, Nov.(2007)

K. Okita, K. Ono
Numerical Simulation of Multiple Fluids Flow by Diffuse Interface Model
6th International Conference on Multiphase Flow ICMF2007, Leipzig, Germany, July, S1_Fri_B_66 (2007).

K. Okita, S. Takagi, M. Futakawa, Y. Matsumoto
Pressure Wave Phenomena in Liquid Metals Containing Micro Gas Bubbles
APCOM’07 in conjunction with EPMESC XI, December 3-6, Kyoto, Japan, MS20-1-1 (2007)

K. Okita, A. Fujiwara, S. Takagi, Y. Matsumoto, M. Futakawa
Numerical Study on a Mitigation Strategy Using Micro Bubbles for Cavitation Erosion Caused by a Thermal Shock in Liquid Mercury
Sixth International Symposium on Cavitation, Wageningen, Netherlands, Sep 11-15 (2006).

沖田浩平,小野謙二,高木周,松本洋一郎
強力集束超音波による低侵襲治療のためのHIFUシミュレータの開発
理研シンポジウム VCADシステム研究2010,3/2-3,pp.200-201 (2011)

沖田浩平,Nicolas Leduc,杉山和靖,高木周,松本洋一郎
不均質媒体中における強力集束超音波の焦点制御に関する数値解析
日本機械学会2010年度年次大会講演論文集, 名古屋, J0206-2-1 (2010)

志村敬彬,沖田浩平,高木周,松本洋一郎
弾性体モデルを用いた集束超音波の解析
日本機械学会2010年度年次大会講演論文集, 名古屋, J0206-2-2 (2010)

沖田浩平,小野謙二,高木周,松本洋一郎
アレイトランスデューサを用いたHIFU療法における腫瘍焼灼の数値シミュレーション
理研シンポジウム VCADシステム研究2009,3/4-5,p.94 (2010)

沖田浩平,小野謙二,?木周,松本洋一郎
組織の加熱凝固を考慮したHIFU治療シミュレーション
日本機械学会2009年次大会講演論文集,Vol.6, pp.43-44. (2009)

沖田浩平,小野謙二,杉山和靖,?木周,松本洋一郎
高密度焦点式超音波療法において組織の加熱凝固が音場に与える影響
計算工学講演会論文集, 第14巻, 第1号, pp.37-40 (2009)

沖田浩平,小野謙二,杉山和靖,?木周,松本洋一郎
高密度焦点式超音波療法の支援に向けたHIFUシミュレーションシステムの開発
2008年度理研シンポジウム「生体力学シミュレーション」, pp.72-79.(2009)

沖田浩平,杉山和靖,小野謙二,?木周,松本洋一郎
アレイトランスデューサを利用したHIFU療法に対する数値解析
バイオスーパーコンピューティングシンポジウム2008資料集, p.133 (2008)

Nicola, L.,沖田浩平,杉山和靖,小野謙二,?木周,松本洋一郎
強力集束超音波の数値解析‐焦点制御
第22回数値流体力学シンポジウム講演論文集 (2008)

沖田浩平,小野謙二
符号付き距離関数による形状表現を用いた流体ソルバーの精度
理研シンポジウムVCADシステム研究2008,和光, pp.81-84 (2008)

沖田浩平,杉山和靖,小野謙二,?木周,松本洋一郎
強力集束超音波による低侵襲治療のシミュレーション
日本機械学会第21回計算力学講演会講演論文集,F1-7 (2008)

杉山和靖,加藤光章,沖田浩平,?木周,松本洋一郎
HIFU治療シミュレーションにおける温度上昇の扱いについて
日本機械学会2008年次大会講演論文集,Vol.6, pp.107-108 (2008)

沖田浩平,小野謙二,?木周,松本洋一郎
生体情報を利用した超音波伝播シミュレータの開発
日本機械学会2008年次大会講演論文集,Vol.6, pp.105-106 (2008)

沖田浩平,小野謙二,?木周,松本洋一郎
高密度焦点式超音波療法の支援に向けたシミュレーション
計算工学講演会論文集,Vol.13,No.2,pp.609-612 (2008)

沖田浩平,小野謙二
VCADデータに基づく流体シミュレーション技術の開発
2007年度理研シンポジウム「ペタ超級のアプリケーション開発に向けて」, p.9 (2008)

沖田浩平,小野謙二,高木周,松本洋一郎
高密度焦点式超音波療法の支援に向けたシミュレーション技術開発
日本機械学会第20回計算力学講演会講演論文集, 京田辺, 11月, pp.183-184 (2007)

沖田浩平, 俵丈展, 小野謙二
熱流体解析と可視化:陰関数で表現された形状を用いた流れのシミュレーションとボリュームレンダリング
理研シンポジウムVCADシステム研究2007,和光,10月, pp.77-83 (2007)

沖田浩平
符号付き距離関数を用いた任意形状物体周りの流れの数値シミュレーション
理研シンポジウムVCADシステム研究2007,和光,10月, p.206 (2007)

沖田浩平,小野 謙二
医療用超音波発振装置の設計支援アプリケーションの開発
日本機械学会関東支部ブロック合同講演会2007さいたま/第3回埼玉ブロック大会講演論文集, さいたま, 9月, pp.97-98 (2007)

沖田浩平
Cahn-Hilliard式を用いた非混和な二流体の流れの数値シミュレーション
理研シンポジウムVCADシステム研究2006,埼玉,10月, p.163 (2006)

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