人工関節の病状適応型最適設計システムの開発

开发适应医疗条件的人工关节优化设计系统

基本信息

批准号：
11750074
负责人：
坂本二郎
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

项目摘要

平成11年度では,人工股関節の設計に必要とされる変形性股関節症の関節部の3次元形状や骨密度分布等をCT画像やX線写真から求め定量化する方法を確立した.また,そこで得られる骨密度分布を有限要素法による力学解析モデルに反映させるための手法についても開発を行った.即ち,CT画像とと実物の骨組織とを比較して,画像上の濃淡値と骨密度の関係を求めておくことで,大腿骨上の任意の点における骨密度が明らかとなる.この関係を用いて,大腿骨の形状データより予め作成しておいた有限要素モデルの各要素重心点における骨密度を求め,各要素の力学的特性値に変換して利用する.実際の変形性股関節患者より撮影したCT画像を対象に,本手法を用いて有限要素モデルを作成して,その有効性を確認した.さらに,大腿骨近位部の髄空形状に沿うように従来の人工股関節ステムの形状を修正し,これを挿入した大腿骨の有限要素モデルを用いて周囲の骨に作用する応力を解析した.これらの解析を髄空形状の異なる大腿骨に対しても同様に行い,その影響を比較検討した.その結果,髄空形状が異なる大腿骨についても,その髄空形状に合わせて人工股関節ステムの形状を修正することで,ほぼ同様な応力分布が得られることが明らかとなった.平成12年度では,患者個別の解析モデルを速やかに作成するための方法について検討し,各CT断面間の分割作業を半自動化することで,より効率の良いモデル作成を可能とした.また,大腿骨近位部における髄腔占拠率がより高い人工股関節ステムを新たに設計し,11年度と同様の条件で応力解析を行い,その違いについて検討した.この解析より,髄腔占拠率の高いステムを有するモデルの方が大腿骨近位部における応力が一様に大きく,生体力学的にもより好ましいことが明らかとなった.以上のような結果が得られたことから,本研究で開発したシステムの有効性が確認された.

1999年，建立了一种方法来量化臀部骨关节炎关节的三维形状和骨密度分布，这是从CT图像和X射线设计人造髋关节所需的。此外，还开发了一种方法，以使用有限元方法在机械分析模型中反映其在其中获得的骨密度分布。也就是说，通过将CT图像与实际骨组织进行比较，可以确定图像和骨密度上的灰色和黑暗值之间的关系，并可以揭示骨密度。使用这种关系，计算出根据股骨的形状数据创建的有限元模型的每个元素的重心的骨密度，并将其转换为每个元素的机械特性值。该方法用于为从实际变形髋关节患者中获取的CT图像创建有限元模型并确认其有效性。此外，对常规人造髋部茎的形状进行了修饰，以遵循股骨近端的髓质形状，并使用将其插入的股骨的有限元模型用于创建周围的骨头。用相同的方式分析了作用于股骨的应力，并比较了效果并比较了效果。结果，可以发现，对于具有不同髓样形状的股骨，可以修改人造髋关节茎的形状以匹配髓质形状，并且几乎可以获得相同的应力分布。在2000年，研究了一种方法，以迅速为个别患者创建一个分析模型，并在每个CT部分之间进行半自动分裂，从而更有效。设计了一个新的髋关节茎，在股骨近端设计具有较高髓样的占用率，并在与2011年相同的条件下进行了应力分析，并检查了差异。该分析表明，股骨近端的压力在股骨近端具有均匀的压力，使其在生物力学上更加希望。获得了上述结果，并确认了本研究中发展的系统的有效性。