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Development of the new rod for spinal instrumentation for reducing its loosening risks based on mechanical validation

Research Project

Project/Area Number 16K05993
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Research Field Materials/Mechanics of materials
Research InstitutionRyukoku University

Principal Investigator

Tawara Daisuke  龍谷大学, 理工学部, 准教授 (20447907)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 村上 英樹  名古屋市立大学, 整形外科, 教授 (70334779)
辻上 哲也  龍谷大学, 理工学部, 教授 (80243179)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2018: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2016: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords計算バイオメカニクス / 脊椎固定術 / スクリュー緩み / 有限要素法 / 骨リモデリング / 繰り返し負荷 / 引き抜き試験 / 微小破壊 / 空孔分析 / 破壊 / 緩み / 椎体 / 後方固定術 / 接触解析 / 脊椎 / 機械材料・材料力学 / リモデリング
Outline of Final Research Achievements

In order to evaluate potency of the proposed dynamic rod to suppress loosening risk of screw for spinal instrumentation in osteoporosis, we performed bone remodeling simulation around screw, computational pulling-test of screw, CT-based nonlinear fracture analyses around screw, and experimental pulling-test of screws after applying cyclic loads for spinal instrumentation model using artificial bone model. As results, first, trabecular network was dense and equably around the screw in the dynamic fixation with high reaction force to the pulling of screw, while sparse in a rigid rod. Second, the dynamic rod suppressed more failure elements under any loading conditions, especially under the rotation conditions. Third, experimental reaction force of screw was low for the rigid rod, while high for the dynamic rod with suppression of the microfracture around screw. These results indicated that the proposed dynamic rod was effective to reduce loosening risk of screw.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果は,スクリューのゆるみ抑制効果が高い新たな手術方法として,国内における脊椎固定術に対して新しい知見を提示する.1,000万人の骨粗鬆症患者がいる国内における緩みの危険性を抑制可能なロッドの適用の推進は,整形外科治療に大きなインパクトをもたらし,高い社会貢献につながる.
また,ロッドのオーダーメイド設計や,他の固定術法の安全性評価に関する新たな研究の萌芽につながることや,骨の力学的適応メカニズムの理解に加え,適応構造物の開発への発展も期待される.

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • 2016 Research-status Report
  • Research Products

    (28 results)

All 2019 2018 2017 2016

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 8 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Predicting changes in mechanical properties of trabecular bone by adaptive remodeling2017

    • Author(s)
      D. Tawara, K. Nagura
    • Journal Title

      Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering

      Volume: 20(4) Issue: 4 Pages: 415-425

    • DOI

      10.1080/10255842.2016.1238077

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      ウインクあいち
    • Year and Date
      2017-01-19
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      第46回日本脊椎脊髄病学会
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      松本悠希, 田原大輔, 辻上哲也, 藤井衛之, 出村諭, 村上英樹
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      内賀嶋勇紀, 田原大輔, 辻上哲也
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      日本機械学会第30回バイオエンジニアリング講演会
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  • [Presentation] 脊椎固定術の緩みリスク評価のための微小変位・回転を許容する可動式ロッドのモデリング2017

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      辰己琢郎, 田原大輔, 辻上哲也, 藤井衛之, 出村愉, 村上英樹
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      日本機械学会第30回バイオエンジニアリング講演会
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    • Author(s)
      D. Tawara, T. Tsujikami, H. Murakami
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      5th Japan-Switzerland Workshop on Biomechanics (JSB2017)
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  • [Presentation] 実臨床に役立つ骨粗鬆症性椎体骨折のバイオメカニクス ~腫瘍による病的骨折との鑑別を含めて~2017

    • Author(s)
      村上英樹
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      第二回脊椎からの痛み・しびれを考える会
    • Place of Presentation
      沼津リバーサイドホテル
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      川嶋輝, 田原大輔, 辻上哲也, 村上英樹
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      日本機械学会第27回バイオフロンティア講演会
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      北海道大学
    • Year and Date
      2016-10-22
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      D. Tawara, A. Kawashima, T. Tsujikami
    • Organizer
      22th Congress of the European Society of Biomechanics (ESB2016)
    • Place of Presentation
      Lyon, France
    • Year and Date
      2016-07-10
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 骨粗鬆症性椎体骨折に対するdynamic stabilizationを用いた脊椎固定術が椎体に及ぼす影響-有限要素モデルを用いた応力解析-2016

    • Author(s)
      藤井衛之, 村上英樹, 出村諭, 加藤仁志, 吉岡克人, 五十嵐峻, 米澤則隆, 高橋直樹, 土屋弘行, 田原大輔, 両角有里, 松本悠希
    • Organizer
      第45回日本脊椎脊髄病学会
    • Place of Presentation
      幕張メッセ 国際会議場
    • Year and Date
      2016-04-14
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  • [Presentation] 実臨床に役立つ骨粗鬆症性椎体骨折のバイオメカニクス2016

    • Author(s)
      村上英樹
    • Organizer
      第126回中部日本整形外科災害外科学会 家康セミナー14
    • Place of Presentation
      アクトシティ浜松
    • Year and Date
      2016-04-08
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  • [Presentation] 実臨床に役立つ骨粗鬆症性椎体骨折のバイオメカニクス2016

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      村上英樹
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      Fragility Bone & Back Pain Conference
    • Place of Presentation
      札幌プリンスホテル国際館パミール
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      Hitachi Bone and Pain Forum
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      ホテルテラスザスクエア日立
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      村上英樹
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      第1回明石整形外科懇話会
    • Place of Presentation
      西明石ホテルキャッスルプラザ
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    • Invited
  • [Book] 整形外科医のための骨のバイオメカニクス解析2017

    • Author(s)
      稲葉裕, 東藤貢
    • Total Pages
      164
    • Publisher
      メジカルビュー社
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Published: 2016-04-21   Modified: 2020-03-30  

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