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

• Project/Area Number: 14740482
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 人類学(含生理人類学)
• Research Institution: Kagoshima University
• Principal Investigator: 山中 淳之 鹿児島大学, 医歯学総合研究科, 助手 (80343367)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥3,500,000 (Direct Cost: ¥3,500,000); Fiscal Year 2004: ¥300,000 (Direct Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2003: ¥200,000 (Direct Cost: ¥200,000); Fiscal Year 2002: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000)
• Keywords: 人類進化 / 直立二足歩行 / 大腿骨 / 有限要素法 / CT / 有限要素

Research Abstract

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。

Research Products

• [Journal Article] 立体組織像構築によるジャコウネズミの歯の発生様式の研究 (2004)
  • Author(s): 山中淳之, 植村正憲
  • Journal Title: 自然人類学研究 I Pages: 55-61
• [Journal Article] 有限要素法を用いた霊長類肩甲骨の機能形態学的解析 (2003)
  • Author(s): 荻原直道, 山中淳之, 中務真人, 石田英實
  • Journal Title: 霊長類研究 19 Pages: 203-215
  • NAID: 10011970244
• [Journal Article] Comparison of expression patterns of fibroblast growth factor 8, bone morphogenetic protein 4 and sonic hedgehog in jaw development of the house shrew, Suncus murinus (2002)
  • Author(s): Ogi, H., Tabata, M.J., Yamanaka, A., Yasui, K., Uemura, M.
  • Journal Title: Cellular and Molecular Biology 48 Pages: 289-296
• [Journal Article] Curvature, length, and cross-sectional geometry of the femur and humerus in anthropoid primates
  • Author(s): Yamanaka, A., Gunji, H., Ishida, H.
  • Journal Title: American Journal of Physical Anthropology (in press)
• [Publications] Yamanaka, A., Gunji, H., Ishida, H.: "Curvature, length, and cross-sectional geometry of the femur and humerus in anthropoid primates"American Journal of Physical Anthropology. (in press).
• [Publications] 山中淳之, 植村正憲: "立体組織像構築によるジャコウネズミの歯の発生様式の研究"自然人類学研究. I. 55-61 (2004)
• [Publications] 荻原直道, 山中淳之, 中務真人, 石田英實: "有限要素法を用いた霊長類肩甲骨の機能形態学的解析"霊長類研究. 19. 203-215 (2003)
• [Publications] Ogi, N., Tabata, M.J., Yamanaka, A., Yasui, K., Uemura, M.: "Comparison of expression patterns of fibroblast growth factor 8, bone morphogenetic protein 4, and sonic hedgehog in jaw development of the house shrew, Suncus murinus."Celluar and Molecular Biology. 48. OL289-OL296 (2002)
• [Publications] Ogi H et al.: "Comparison of expression patterns of fibroblast growth factor 8, bone morphogenetic protein 4, and sonic hedgehog in jaw development of the house shrew, Suncus murinus"Celluar Molecular Biol.. 48. OL289-OL296 (2002)