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Development of prediction method of bone strength using Multdisciplinary Computational Anatomy with solid damage mechanics

Publicly Offered Research

Project AreaMultidisciplinary computational anatomy and its application to highly intelligent diagnosis and therapy
Project/Area Number 17H05300
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

東藤 貢  九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (80274538)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
KeywordsCT画像 / 有限要素法 / 骨粗鬆症 / バイオメカニクス / 損傷力学 / 骨折 / 生体工学 / 整形外科 / 損傷モデル / 整形外科学
Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、多元計算解剖学の一分野として、臨床用CT画像と有限要素法を用いたコンピュータ・シミュレーション法(CT-FEM)と損傷力学の理論を組み合わせることで、骨の強度解析法を確立し臨床応用することを目的とした。H30年度の代表的研究成果としては以下の通りである。
(1)マイクロCT画像を用いたヒト大腿骨頭海綿骨の骨梁構造を考慮した数値モデルによる解析結果と、3Dプリンターを用いて骨梁構造を模擬して作製した多孔質構造体の力学試験結果を比較検討することで、骨梁構造の微視的変形破壊機構と巨視的な弾性率等の力学特性がCT-FEMの技術で再現可能であることを確認した。
(2)外力作用下での頚椎の骨折形態としてAnderson typeが知られているが、その発生メカニズムについては未知である。本研究では年齢と骨密度が異なる2名の患者CTデータより頚椎モデルを作成し、CT-FEMで骨折解析を行ったところ、2種類の全く異なる骨折形態を示すことを明らかにした。
(3)献体大腿骨の力学試験から得られた実験データをCT-FEMで再現することを試みたところ、従来の理論モデルでは初期剛性が大きく異なることが分かった。そこで、骨密度分布と弾性率を関連付ける新しい理論式を構築しシミュレーションに導入したところ、4種類の大腿骨試験結果のすべてに対して、高精度で初期剛性を予測できることが明らかになった。
(4)脳神経外科を受診した84名の患者の脊椎CTデータより、244個の椎体モデルを作成し、CT-FEMを用いて椎体強度と骨密度指標であるYAM値の相関について調査したところ、正常な骨密度を示すが骨折危険性が高い椎体を持つ患者が少なからず存在することが明らかになった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2018 2017

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Biomechanical analysis of hip joint arthroplasties using CT-image based finite element method2018

    • Author(s)
      M. Todo
    • Journal Title

      Journal of Surgery and Research

      Volume: 1 Pages: 7-10

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Biomechanical alteration of stress and strain distribution associated with vertebral fracture2017

    • Author(s)
      M. H. Mazlan, M. Todo, I. Yonezawa and H. Takano
    • Journal Title

      Journal of Mechanical Engineering

      Volume: SI2 Pages: 123-133

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Prediction of damage formation in hip arthroplasties by finite element analysis using computed tomography images2017

    • Author(s)
      A.H. Abdullah, M. Todo, and Y. Nakashima
    • Journal Title

      Medical Engineering and Physics

      Volume: 44 Pages: 8-15

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] CT-FEMを用いた骨とインプラントの力学的相互作用の理解と臨床応用2018

    • Author(s)
      東藤 貢
    • Organizer
      第38回日本骨形態計測学会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Development of bone strength prediction method using multidisciplinary computational anatomy with damage mechanics2018

    • Author(s)
      M. Todo, Y. Inaba, Y. Matsuura, M. Mawatari, D. Umebayashi
    • Organizer
      The 5th International Symposium on Multidisciplinary Computational Anatomy
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Assessment of vertebra strength using CT-image based finite element method2018

    • Author(s)
      M. Todo
    • Organizer
      26th Annual Meeting of European Orthopedic Research Society
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 骨密度を用いた骨の力学特性予測とCT-FEMへの応用2018

    • Author(s)
      木佐木知裕、中牟田侑昌、松浦佑介、東藤貢
    • Organizer
      第31回バイオエンジニアリング講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] FEMによる人工股関節のバイオメカニクス解析2018

    • Author(s)
      東藤貢、中島康晴
    • Organizer
      第45回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 脊椎解析への有限要素法の応用2018

    • Author(s)
      東藤貢、高野弘充、佐藤達哉、米澤郁穂
    • Organizer
      第45回日本臨床バイオメカニクス学会
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Development of bone strength prediction method by using multidisciplinary computational anatomy with damage mechanics2018

    • Author(s)
      Mitsugu Todo, Ikuho Yonezawa
    • Organizer
      Fourth International Symposium on the project “Multidisciplinary Computational Anatomy”
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] CT-FEMによるBKP後の続発性圧迫骨折予測解析2017

    • Author(s)
      東藤貢
    • Organizer
      第56回日本生体医工学会大会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] CT画像を利用したシミュレーションによる続発性圧迫骨折予測の試み2017

    • Author(s)
      東藤貢
    • Organizer
      第46回日本脊椎脊髄病学会学術集会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] CT有限要素法により評価した椎体強度とYAM値に基づく骨粗鬆症診断基準の提案2017

    • Author(s)
      東藤貢、河村健吾、梅林大督、原政人
    • Organizer
      第19回日本骨粗鬆症学会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] CT有限要素法による単独椎体の強度評価と骨密度との相関に関する研究2017

    • Author(s)
      東藤貢、河村健吾、梅林大督
    • Organizer
      第44回日本臨床バイオメカニクス学会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 人工股関節ステムを挿入した大腿骨の骨密度およびヤング率の経年変化2017

    • Author(s)
      東藤貢、中牟田侑昌、中島康晴
    • Organizer
      第44回日本臨床バイオメカニクス学会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Biomechanical analysis of hip joint arthroplasties using FEA with CT-image modelling2017

    • Author(s)
      Mitsugu Todo
    • Organizer
      5th International Conference on Advances in Mechanical Engineering
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2017-04-28   Modified: 2019-12-27  

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