4次元CT観察とマルチスケール力学・構造計測に基づく海綿骨圧縮破壊特性の発現機序

基于4维CT观察及多尺度力学和结构测量的松质骨压缩性骨折特征表达机制

• 批准号: 22K03803
• 负责人: 山田 悟史
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03803/
• 关键词: バイオメカニクス; 骨組織; 強度; 海綿骨; 骨梁; 剛性; 破壊; 4次元CT; 骨

骨折や骨疾患の正確な診断と適切な治療には、海綿骨の強度と圧縮破壊挙動の正確な予測と制御が重要であり、その発現機序の解明が重要である。本研究は、海綿骨の強度を含む圧縮破壊特性の発現機序解明のため、海綿骨のマルチスケール構造に起因すると仮定し、これらの相互作用を4次元CT観察およびマルチスケール力学・構造計測により実験的に明らかにする。そのため、以下に取り組む。（１）4次元CT観察と骨梁ネットワーク構造解析の手法開発により、圧縮破壊特性に関わる骨梁と骨梁ネットワーク構造の構造的特性を解明、（２）骨梁の片持梁曲げ試験により骨梁力学特性と海綿骨圧縮破壊特性の関係を解明、Ｘ線回折・小角散乱計測によりこれらに及ぼす分子・結晶構造の寄与を解明、（３）以上により海綿骨の圧縮破壊特性の発現機序を解明する。3ヵ年計画のうち初年度に当たる今年度は、以下の成果を得た。（１）骨組織の有機相への影響が懸念される放射光は使用せずlab-scaleのX線源を用いた高速・高分解能マイクロCT装置を用いて、圧縮破壊試験中の海綿骨試験片の微視構造を逐次観察する海綿骨に特化した4次元CT観察手法を開発した。ウシ海綿骨試験片を4次元CT撮影し、応力－ひずみ関係と変形・破壊挙動との対応を観察し、本手法の有効性を実証した。（２）骨梁の力学特性に対する加齢の影響を調査した報告は数例に限られ、個体差や年齢幅に課題があった。そこで、骨梁の片持梁曲げ試験によりウシの成熟期と高齢期における骨梁弾性率を比較し、加齢に伴う材料特性の変化を調査した。黒毛和種ウシの大腿骨海綿骨において、高齢群と成熟群の間に骨梁弾性率の顕著な差が認められないことを示した。また、骨梁の動的破壊強度の評価方法を検討した。

准确预测和控制取消骨骼强度和压缩断裂行为对于准确诊断和适当治疗骨折和骨骼疾病很重要，澄清表达机制很重要。这项研究假设取消骨的多尺度结构是由取消骨的多尺度结构引起的，并且通过4维的CT观测值和多尺度的力学和结构测量来实验揭示这些相互作用。因此，我们将在以下工作：（1）小梁骨和小梁网络结构与压缩断裂特征相关的结构特性通过4维CT观察以及小梁骨网络结构的方法的发展来阐明，这些方法与压缩骨折特征和Trare骨骼之间的关系相关（2）Trabification the Trability the Trare trabifited Trability the Trare the Trabielt cancell bore bore bore bore bore bore bore bore bore can骨骼机械性质之间的关系。小梁骨的悬臂束弯曲试验，通过X射线衍射和小角度散射测量结果阐明了分子和晶体结构对它们的贡献，并且（3）上述解释了合成骨的压缩裂缝特征的机制。 This year, the first year of the three-year plan, achieved the following results: (1) Using a high-speed, high-resolution microCT device using a lab-scale X-ray source, instead of using a radiation source that is concerned about the effects of bone tissue on the organic phase, we developed a 4-dimensional CT observation method specialized for cancellous bone, which sequentially observes the microstructure of cancellous bone specimens during compression fracture测试。进行了四维的CT扫描，进行了取消骨标本的扫描，并观察到应力 - 应变关系与变形和断裂行为之间的对应关系，证明了该方法的有效性。 （2）只有少数报告研究了衰老对小梁骨骼机械性能的影响，并且存在个人差异和年龄范围的问题。因此，我们通过悬臂梁弯曲测试比较了成熟和老年时期牛的小梁弹性模量，并研究了随着年龄的增长的材料特性的变化。这表明，在日本黑牛的股骨取消骨骼中，小梁弹性模量没有显着差异。此外，我们研究了一种评估小梁骨动态断裂强度的方法。