Development of minimally invasive and accurate articular cartilage hardness measurement system

膝関節軟骨は、加齢変化に加え外傷により若年者でも損傷し、膝関節痛の原因となり、就労やスポーツ能力低下を起こす。保存療法無効例には関節軟骨修復手術として種々の手法が行われ、質問紙、画像、血液学的評価などにより良好な結果が報告されている。しかし、どれも間接的な類推による評価に留まり、再生軟骨が、正常軟骨である硝子軟骨の機能的強度まで達しているかは未だ不明である。一方、動物実験レベルであるが、軟骨力学試験として非常に小さな端子を用いて小荷重を軟骨に加え、端子の変位量により軟骨の硬度や弾性を計測するナノインデンテーション法が存在する。しかし、非常に微小単位な測量であり、ヒトにおける関節軟骨を臨床評価するには繊細すぎる検査手法であるが、この手法は直接的ではあるが非破壊試験のため、ヒトの関節軟骨力学特性評価を手術時に行うために重要な手がかりとなる。従って私たちは、ナノインデンテーション法の学術的背景を応用・比較材料とするため、押し込み試験を基礎としながらも、生体関節内の複雑な軟骨形状に対応できる測量器械の新規開発に取り組んだ。今回、工業製品や食物のやわらかさを弾性係数で定量化し、品質管理目的で開発された硬度測量器械に着目し、軟骨硬度測定の課題を克服するデバイスの開発を行うことを目標とした。本研究の軟骨硬度計の開発では、ナノインデンテーション法の押し込み試験を応用し、対象部と接する圧子を10-3mmの精度で押し込み量を調整、規定した変位量で加わった荷重と、押し返される力の関係から定量化することができると考えられた。また、本研究の礎となる測量器機は、ヒトの関節軟骨の約2mmから5mmの厚さに対し、十分な力と押し込み量を確保する動力およびセンサーを有するため、精度の高い軟骨硬度測定が期待できた。

膝関節軟骨は、加齢変化に加え外傷により若年者でも損傷し、膝関節痛の原因となり、就労やスポーツ能力低下を起こす。保存療法無効例には関節軟骨修復手術として種々の手法が行われ、質問紙、画像、血液学的評価などにより良好な結果が報告されている。しかし、どれも間接的な類推による評価に留まり、再生軟骨が、正常軟骨である硝子軟骨の機能的強度まで達しているかは未だ不明である。一方、動物実験レベルであるが、軟骨力学試験として非常に小さな端子を用いて小荷重を軟骨に加え、端子の変位量により軟骨の硬度や弾性を計測するナノインデンテーション法が存在する。しかし、非常に微小単位な測量であり、ヒトにおける関節軟骨を臨床評価するには繊細すぎる検査手法であるが、この手法は直接的ではあるが非破壊試験のため、ヒトの関節軟骨力学特性評価を手術時に行うために重要な手がかりとなる。従って私たちは、ナノインデンテーション法の学術的背景を応用・比較材料とするため、押し込み試験を基礎としながらも、生体関節内の複雑な軟骨形状に対応できる測量器械の新規開発に取り組んだ。今回、工業製品や食物のやわらかさを弾性係数で定量化し、品質管理目的で開発された硬度測量器械に着目し、軟骨硬度測定の課題を克服するデバイスの開発を行うことを目標とした。本研究の軟骨硬度計の開発では、ナノインデンテーション法の押し込み試験を応用し、対象部と接する圧子を10-3mmの精度で押し込み量を調整、規定した変位量で加わった荷重と、押し返される力の関係から定量化することができると考えられた。また、本研究の礎となる測量器機は、ヒトの関節軟骨の約2mmから5mmの厚さに対し、十分な力と押し込み量を確保する動力およびセンサーを有するため、精度の高い軟骨硬度測定が期待できた。