個体別モデリング手法に基づく骨体強度評価システムの開発

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11558105
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 伊能 教夫 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (70126308)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 村山 寿 呉羽化学工業株式会社, 生物医学研究所, 研究主任 ; 槇 宏太郎 昭和大学, 歯学部, 講師 (80219295) ; 宇治橋 貞幸 東京工業大学, 大学院・情報理工学研究科, 教授 (80016675) ; 小関 道彦 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助手 (50334503)
• Keywords: 骨体の頑健性 / 脊椎骨 / 固体別モデリング / CTデータ / 応力解析

Research Abstract

本研究の目的は、非侵襲の状態で骨体の構造力学的強度を評価可能なシステムを構築することである。最終年度は、平成11年度および平成12年度の研究成果を発展させ、骨体の頑健性をより的確に測定可能なシステムを構築することを目指した。開発した実験手法および解析手法は以下の通りである。
1.まず、動物の脊椎骨として昨年度に引き続き、ラットの椎体を使用した。ラットの脊椎骨は非常に小さいため、解析と試験が適切に比較できるように脊椎骨の突起部分を取り除き、椎体両端を樹脂で成形する方法を採用した。これには、昨年度開発した試験片作成装置を改良し、成形加工用の樹脂も均質に硬化する材料に変更した。
2.圧縮実験は、昨年度と同様に骨体両端に加わる荷重を上下計8個のロードセルを配置して、荷重状態を経時的に計測する装置を用いて行った。また、ロードセルに加わる荷重状態を観察し、骨折が開始したと判断される時点で試験装置を停止した。骨体の破壊箇所は、X線透視図および実体顕微鏡で確認した。
3.作成したラット脊椎骨試験片は、圧縮実験前にマイクロCT装置を用いてスライス画像を得た。この画像データを用いて筆者らが開発した個体別モデリング手法により、試験片全体の有限要素モデルを作成した。今回は、骨体部分の要素分割をより細密化するアルゴリズムを開発し、骨体部の応力解析精度を向上を目指した。
4.圧縮実験から得られた破壊時の荷重条件を境界条件として、応力解析を行い、「応力/強度」分布を求めたところ、この値の大きい部分と破壊箇所との相関が高いことを明確に示すことができた。

Research Products

• [Publications] 伊能教夫: "固体別モデリング手法による下顎骨の応力解析"第51回理論応用力学講演会講演論文集. NCTAM2002. 167-168 (2002)
• [Publications] 伊能教夫: "固体別モデリング手法による下顎骨の力学シミュレーション-複数の咬合条件による応力解析-"第14回計算力学講演会講演論文集. No.01-10. 287-288 (2001)
• [Publications] 伊能教夫: "X線CT画像に基づく固体別有限要素モデリング-部分体積効果のモデリングへの影響-"日本機械学会第12回バイオエンジニアリング学術講演会講演論文集. No.01-27. 145-146 (2001)
• [Publications] Norio INOU: "Individual Stress Analysis of the Human Mandible Under a Biting Condition"Switzerland-Japan Workshop "New Directions in Cellularand Tissue Biomechanics. 125-125 (2001)
• [Publications] 伊能教夫: "X線CT画像に基づく固体別有限要素モデリング-骨体のヤング率の算出-"日本機械学会平成13年度材料力学部門講演会講演論文集. No.01-16. 39-40 (2001)
• [Publications] 伊能教夫: "X線CT画像に基づく固体別有限要素モデリング-骨体形状の再構成手法-"日本機械学会2001年度年次大会講演論文集. No.01-1. 77-78 (2001)