有限要素解析を応用したヒトの大腿骨の形態進化シミュレーション

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本研究は次の3つのステップから成る。1.ヒトおよび類人猿(チンパンジーを使用)の大腿骨形状の3次元的な定量化。2.ヒトおよびチンパンジーの3次元有限要素モデルの構築。3.有限要素解析に、骨増加骨減少アルゴリズムを付加した数値計算実験。平成14年度、15年度に、1および2のステップが終了した。最終年度である平成16年度は、3のステップを行った。1.ヒトおよびチンパンジーの大腿骨形状の3次元的な定量化ヒトとチンパンジーの晒した大腿骨をスパイラルCT装置を用いて撮像した。骨の全長にわたり作成した連続CT画像から、3次元形状データを構築した。二種の大腿骨の断面形状と湾曲を定量化した。この結果、ヒトの大腿骨は、チンパンジーのそれと比較して、近位部では外側方向に大きく湾曲していた。また、骨幹中央部では、前後方向の曲げに対する大きな強度を有する断面形状を持っていることが明らかになった。これらの結果は、他の霊長類種のデータと併せて、二つの論文にまとめた。一つは受理された。一つは投稿中である。2.ヒトおよびチンパンジーの3次元有限要素モデルの構築1において構築したヒトおよびチンパンジーの大腿骨の3次元形状データを利用して、3次元有限要素モデルを構築した。モデルの単純化のために、皮質骨、海綿骨をそれぞれ一様な力学特性を有する材質と仮定した。有限要素モデルの構築には、1で設定した座標系にオルソゴナルな1mm立方のボクセルエレメントを使用した。3.有限要素解析に、骨増加骨減少アルゴリズムを付加した数値計算実験2において構築した有限要素モデルを使って、様々な荷重条件の下で、ヒトとチンパンジーの大腿骨にどのような応力分布が生じるのか、コンピューター上で数値計算を行った。