人工関節の病状適応型最適設計システムの開発

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.

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.