骨・海綿骨の機械的性質の推定と信頼性評価に関する研究

海綿骨の機械的性質は骨梁の体積密度、骨梁構造、骨梁骨の弾性率と強度でほぼ決定されるが、骨梁配列自体の不規則性が顕著であり実際の弾性率や強度を知ることは非常に困難である。特に強度は局所的な骨梁破壊が海綿骨全体の強度を代表するため、そのばらつきは大きい。そこで、このような構造不均一性による弾性率、強度のばらつき量考慮した海綿骨の数学モデルを作成を試みた。1.海綿骨の骨梁構造解析実際の海綿骨は板と棒状の骨梁からなっている。海綿骨の断面標本をもとに骨梁体積密度と骨梁配列方向性を定量化した。それらの値から、骨梁構造を形態学的に3つの種類に分類した。2.確率論的モデルの作成海綿骨の骨梁構造の不規則性は統計的に一様であると仮定した。骨梁構造に確率的な不均一性をもたらせた海綿骨モデルを上記の3種類の海綿骨に対して、それぞれ5個作成で、FEM解析によって弾性率と強度の平均およびそのばらつきを求めた。板・板構造および棒・棒構造はばらつき幅が板・棒構造に比べてやや大きいことがわかった。また、変形モードは曲げまたは座屈が支配的であった。これをもとにそれぞれの海綿骨構造の弾性率、強度にかんする信頼限界(p<0.01)を明らかにすることができた。3.実際の海綿骨の荷重試験結果との比較上記の海綿骨モデルの正当性を評価するために、実際の海綿骨の強度試験を行い、弾性率と強度を算出し、モデルを用いたシミュレーションの結果とばらつき量を比較した。板・板構造、棒・棒構造の海綿骨に弾性率、強度のばらつきが多くみとめられ、シミュレーションの結果に一致した。

海綿骨の機械的性質は骨梁の体積密度、骨梁構造、骨梁骨の弾性率と強度でほぼ決定されるが、骨梁配列自体の不規則性が顕著であり実際の弾性率や強度を知ることは非常に困難である。特に強度は局所的な骨梁破壊が海綿骨全体の強度を代表するため、そのばらつきは大きい。そこで、このような構造不均一性による弾性率、強度のばらつき量考慮した海綿骨の数学モデルを作成を試みた。1.海綿骨の骨梁構造解析実際の海綿骨は板と棒状の骨梁からなっている。海綿骨の断面標本をもとに骨梁体積密度と骨梁配列方向性を定量化した。それらの値から、骨梁構造を形態学的に3つの種類に分類した。2.確率論的モデルの作成海綿骨の骨梁構造の不規則性は統計的に一様であると仮定した。骨梁構造に確率的な不均一性をもたらせた海綿骨モデルを上記の3種類の海綿骨に対して、それぞれ5個作成で、FEM解析によって弾性率と強度の平均およびそのばらつきを求めた。板・板構造および棒・棒構造はばらつき幅が板・棒構造に比べてやや大きいことがわかった。また、変形モードは曲げまたは座屈が支配的であった。これをもとにそれぞれの海綿骨構造の弾性率、強度にかんする信頼限界(p<0.01)を明らかにすることができた。3.実際の海綿骨の荷重試験結果との比較上記の海綿骨モデルの正当性を評価するために、実際の海綿骨の強度試験を行い、弾性率と強度を算出し、モデルを用いたシミュレーションの結果とばらつき量を比較した。板・板構造、棒・棒構造の海綿骨に弾性率、強度のばらつきが多くみとめられ、シミュレーションの結果に一致した。