人工関節置換術の骨切削における低温加工システムの研究

• Project/Area Number: 18760092
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Production engineering/Processing studies
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 杉田 直彦 The University of Tokyo, 工学(系)研究科(研究院), 助手 (70372406)
• Project Period (FY): 2007 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2007: ¥1,600,000 (Direct Cost: ¥1,600,000); Fiscal Year 2006: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
• Keywords: 骨切除 / 人工関節 / 切削温度 / 切削抵抗 / 低エネルギー加工 / 細胞壊死 / 医用工具 / 動的観察

Research Abstract

1.低エネルギー加工に基づく低切削温度を実現する加工法の開発
人工関節置換術において、切除される骨を低エネルギー加工することによって熱的損傷を軽減し、骨再生効果を高めるために切削温度を50℃以下に抑えるような加工方法の実現が望まれている。そのためには、骨の材質や組織構造に応じた加工法を検討しなければならない。この時、骨の再生効果を向上させるためには、切削温度を低くすることで骨細胞の熱損傷を最小に抑えることが必要となる。切削温度を低く保つには、(1)低エネルギー加工を実現すること、および、(2)温度が上昇しない加工環境を整えるということが重要である。
現在、人工関節置換術における加工具としては、鋸刃状のボーンソーもしくは、ロボット・サージェリで用いられているエンドミルなどの回転工具が主として用いられているが、筆者は、これらに代わる新しい加工方法の開発を試みた。具体的には、骨切削における組織構造に依存した加工メカニズムを明らかにするとともに、骨の材質や組織構造に立脚したき裂の発生を制御しながら低切削温度・低切削抵抗を実現する加工法を提案した。
2.骨切除装置における冷却環境の開発切削温度を常に低温に保つために加工環境を何らかの方法で冷却する必要がある。そこで、乾式冷却法として手術部の工具と骨を冷却空気で冷却する方法を試みた。具体的には、熱交換器において冷却した空気を工具と工具保護カバーの間から高圧で加工部に向かって放出し冷却する方式を用いた。乾式であるために手術部を冷却水で汚染することがないが、冷却空気の熱伝達係数は冷却水に比べて低い。このことがデメリットとなるが、切削点へのピンポイント集中冷却で改善可能であることを示唆した。

Research Products

• [Journal Article] 整形外科用骨切除装置における動的制御型加工法の提案 (2008)
  • Author(s): 杉田直彦, 中島義和, 光石衛
  • Journal Title: 計測自動制御学会論文集 44/4(accepted)
  • NAID: 10021990365
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analysis and Estimation of Cutting-Temperature Distribution during End Milling in Relation to Orthopedic Surgery (2008)
  • Author(s): Sugita, N., Osa, T., Mitsuishi, M.
  • Journal Title: Medical Engineering & Physics (Accept)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Medical CAD/CAM System for Orthopedic Surgery (2007)
  • Author(s): M. Mitsuishi, N. Sugita, K. Fujiwara, N. Abe, T. Ozaki, M. Suzuki, H. Moriya, T. Inoue, K. Kuramoto, Y. Nakashima, K. Tanimoto
  • Journal Title: Annals of CIRP 56/1 Pages: 405-410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 骨の材質と乾湿による被削特性の相違 (2007)
  • Author(s): 杉田直彦, 光石衛
  • Journal Title: 精密工学会誌 73・3 Pages: 377-382
  • NAID: 110006224650
• [Journal Article] Development of a Medical CAD/CAM System for Orthopedic Surgery (2007)
  • Author(s): Mitsuishi, M., Sugita, N., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T., et al.
  • Journal Title: Manufacturing Technology (CIRP Annals.) 56・1(Accepted)
• [Journal Article] Toolpath Optimization for a Milling Robot for Minimally Invasive Orthopedic Surgery (2007)
  • Author(s): Sugita, N., Genma, F., Nakajima, Y., Mitsuishi, M
  • Journal Title: Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation Pages: 2273-2278
• [Journal Article] Adaptive Controlled Milling Robot for Orthpedic Surgery (2007)
  • Author(s): Sugita, N., Genma, F., Nakajima, Y., Mitsuishi, M
  • Journal Title: Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation Pages: 605-610
• [Journal Article] Minimally Invasive Orthopedic Surgical System for TKA/UKA Considering the Biomedical Characteristics of the Bone (2006)
  • Author(s): Mitsuishi, M., Sugita, N
  • Journal Title: Workshop on Robotics Based Medicine in 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2006)
• [Journal Article] A Study of Biologically Compatible Processes for Joint Replacement Based on Nano-machining (2006)
  • Author(s): Mitsuishi, M., Sugita, N.
  • Journal Title: Proceedings of UT Symposium on NanoBio Integration (NANOBIO-TOKYO 2006) Pages: 113-114
• [Journal Article] 最小侵襲を特徴とした人工関節置換術ロボット・サージェリ・システムの開発 (2006)
  • Author(s): 光石衛, 割澤伸一, 中島義和, 杉田直彦, 松田長親, 阿部信寛, 藤原一夫, 守屋秀繁, 鈴木昌彦, 中島義雄, 他
  • Journal Title: ロボティクス・メカトロニクス講演会'06講演論文集
• [Journal Article] 冗長軸を用いた軟組織干渉回避機構を特徴とする骨切除ロボットの開発 (2006)
  • Author(s): 杉田直彦, 松田長親, 源馬文章, 光石衛, 阿部信寛, 藤原一夫, 尾崎敏文, 鈴木昌彦, 守屋秀繁, 他
  • Journal Title: 第15回日本コンピュータ外科学会大会論文集 Pages: 151-152
  • NAID: 10021287375
• [Journal Article] ナノ加工に基づく生体適合型人工関節置換術 (2006)
  • Author(s): 光石衛, 杉田直彦
  • Journal Title: 東京大学先端医療開発研究クラスター(第2回)・ナノバイオ・インテグレーション研究拠点合同シンポジウム Pages: 52-52
• [Journal Article] 整形外科領域における次世代骨切り支援システムの開発 (2006)
  • Author(s): 杉田直彦, 源馬文章, 光石衛
  • Journal Title: 第6回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会論文集 Pages: 694-695
• [Journal Article] ナノ加工に基づく生体適合型人工関節置換術に関する研究 (2006)
  • Author(s): 光石衛, 杉田直彦
  • Journal Title: 東京大学臨床展開研究シンポジウム Pages: 50-50
• [Presentation] A Cutting Tool System to Protect Surrounding Tissues in Robotic Assisted Surgery (2008)
  • Author(s): Sugita, N., Osa, T., Nakajima, Y., and Mitsuishi, M.
  • Organizer: International Conference on Manufacturing and Automation
  • Place of Presentation: Kobe
  • Year and Date: 2008-09-24
• [Presentation] Approach to Protect Soft Tissues in Robotic Assisted Surgery (2008)
  • Author(s): Osa, T., Sugita, N., Mitsuishi, M., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T. and Suzuki, M.
  • Organizer: Proceedings of Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS)
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain
  • Year and Date: 2008-06-25
• [Presentation] PERFORMANCE IMPROVEMENT OF A MEDICAL MILLING ROBOT (2008)
  • Author(s): Sugita, N., Genma, F., Osa, T., Nakajima, Y., Mitsuishi, M., Mori, M., Saraie, H.
  • Organizer: Proceedings of 2008 ISFA 2008 International Symposium on Flexible Automation
  • Place of Presentation: Atlanta, USA
  • Year and Date: 2008-06-02
• [Presentation] Optimization of Toolpath Generation in Medical CAM for a Machine Tool for Orthopedic Surgery (2008)
  • Author(s): Sugita, N, Osa, T., Nakajima, Y. and Mitsuishi, M.
  • Organizer: The 41^st CIRP Conference on Manufacturing Systems
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2008-05-27
• [Presentation] Deformation Analysis and Active Compensation of Surgical Milling Robot Based on System Error Evaluation (2008)
  • Author(s): Sugita, N., Osa, T., Nakajima, Y. and Mitsuishi, M.
  • Organizer: Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA'08)
  • Place of Presentation: Pasadena, USA
  • Year and Date: 2008-05-23
• [Presentation] 最小侵襲手術対応医用加工機のための工具経路決定法 (2007)
  • Author(s): 杉田直彦, 源馬文章, 長隆之, 中島義和, 光石衛, 加藤丈晴, 藤原一夫, 阿部信寛, 尾崎敏文, 鈴木昌彦
  • Organizer: 第34回日本臨床バイオメカニクス学会抄録集
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-12-07
• [Presentation] 骨切除におけるオステオン破壊挙動と亀裂進展の動的解析 (2007)
  • Author(s): 杉田直彦, 中島義和, 光石衛, 藤原一夫, 阿部信寛, 尾崎敏文, 鈴木昌彦
  • Organizer: 第34回日本臨床バイオメカニクス学会抄録集
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-12-07
• [Presentation] Minimally Invasive Orthopedic Surgery System Based on Biologically Compatible Processes (2007)
  • Author(s): Mitsuishi, M., Sugita, N.
  • Organizer: The 4th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI 2007)
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2007-11-22
• [Presentation] Cutting Tool System to Minimize Soft Tissue Damage for Robot-assisted Minimally Invasive Orthopedic Surgery (2007)
  • Author(s): Sugita, N., Osa, T., Genma, F., Nakajima, Y., Mitsuishi, M., Kawata, S., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T., Suzuki, M.
  • Organizer: 10th International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI2007)
  • Place of Presentation: Brisbane, Australia
  • Year and Date: 2007-10-29
• [Presentation] 骨切除ロボットにおける軟部組織保護に関する研究 (2007)
  • Author(s): 杉田直彦, 長隆之, 源馬文章, 中島義和, 光石衛, 川田庄作
  • Organizer: 2007年度精密工学会秋季大会学術講演会予稿
  • Place of Presentation: 旭川
  • Year and Date: 2007-09-12
• [Presentation] Bone Cutting Robot with Soft Tissue Collision Avoidance Capability by a Redundant Axis for Minimally Invasive Orthopedic Surgery (2007)
  • Author(s): Sugita, N., Genma, F., Nakajima, Y., Mitsuish, M., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T., Suzuki, M., Moriya, H., Inoue, T., Kuramoto, K., Nakashima, Y. and Tanimoto, K
  • Organizer: Proceedings of IEEE/ICME International Conference on Complex Medical Engineering (CME2007)
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2007-05-24
• [Presentation] 低侵襲人工膝関節置換術支援のための工具経路生成法に関する研究 (2007)
  • Author(s): 源馬文章, 杉田直彦, 光石 衛, 阿部信寛, 藤原一夫, 尾崎敏文, 鈴木昌彦, 守屋秀繁, 井上貴之, 藏本孝一, 中島義雄, 谷本圭司
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'07
  • Place of Presentation: 秋田
  • Year and Date: 2007-05-11
• [Presentation] Toolpath Optimization for a Milling Robot for Minimally Invasive Orthopedic Surgery (2007)
  • Author(s): Sugita, N., Genma, F. Nakajima, Y. and Mitsuishi, M.
  • Organizer: Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA'07)
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 2007-04-11
• [Presentation] Adaptive Controlled Milling Robot for Orthopedic Surgery (2007)
  • Author(s): Sugita, N., Genma, F. Nakajima, Y. and Mitsuishi, M.
  • Organizer: Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA'07)
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 2007-04-11