2002 Fiscal Year Annual Research Report
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14750077
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
坪田 健一 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10344045)
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| Keywords | 生体力学 / 計算力学 / 固体力学 / 骨 / 海綿骨 / 骨梁 / リモデリング / 適応 |
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| Research Abstract |
本研究では,骨リモデリング現象が本来有する階層性に着目しており,特に,海綿骨骨梁における細胞の生物学的応答から構造形成に至るプロセスについて,直接的な解明を試みるものである.本年度は,骨の構造要素形成と力学刺激との関連について以下の検討を行った.
まず,骨梁個々の力学特性と,骨梁の力学環境との関連を探るため,牛尾椎体海綿骨の骨梁の微小三点曲げ試験を行った.その結果,骨梁の力学環境は骨梁の力学特性に大きな影響を与えず,骨梁の構造特性のみが影響を受ける可能性が示唆された.次に,海綿骨の骨梁構造について,X線マイクロCTを用いて,その複雑な形態特徴を詳細にモデル化した.ここでは,CTから得られる画像データから,直接的かつ容易に,骨梁構造を詳細に表現したイメージベーストvoxelモデルを作成した.このモデルを用いた大規模有限要素シミュレーションを行い,正常な状態の骨における力学環境と骨構造変化との関連を骨梁構造レベルで明らかとした.さらに,ラット海綿骨に挿入したスクリューが,近傍の骨梁構造に与える力学的影響について検討した.その結果,スクリュー近傍における骨梁の力学環境について,同手法による評価が可能となることが示唆された.一方,これらシミュレーションの高精度化を目的として,voxelモデルに特化した大規模並列有限要素解析手法の提案を行い,そのPCクラスターシステムにおける有効性を示した.
以上の結果から,リモデリングにおける重要な力学刺激パラメータが明らかとなり,今後予定される力学刺激負荷による骨形成の実験モデル構築において,有用な指針を得た.
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[Publications] 坪田健一, 西海征志, 安達泰治, 冨田佳宏: "微小三点曲げ試験による骨梁の力学特性の評価"日本臨床バイオメカニクス学会誌. 23. 77-80 (2002)
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[Publications] T.Yamada, K.Tsubota, A.Makinouchi: "Large Scale Volume Based Analysis of Bone Microstructure on PC Cluster"Proc. of 5th World Congress on Computational Mechanics. ISBN 3-9501554-0-6 (2002)
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[Publications] K.Tsubota, T.Adachi, Y.Tomita, A.Makinouchi: "Evaluation of Mechanical Stimulus for Trabecular Surface Remodeling Using Digital Image-Based Model"Proc. CD of 4th World Congress of Biomechanics. (2002)
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[Publications] K.Tsubota, S.Nishiumi, T.Adachi, Y.Tomita: "Mechanical Properties of Single Trabeculae Measured by Micro-Three-Point Bending Test"Proc. 14th US National Congress of Theoretical and Applied Mechanics. 346-347 (2002)
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[Publications] 坪田健一, 山田知典, 安達泰治, 牧野内昭武: "ボリュームデータを用いた骨構造の大規模シミュレーションシステム"日本機械学会第15回バイオエンジニアリング講演会講演論文集. No.02-35. 395-396 (2003)
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[Publications] 坪田健一, 安達泰治: "イメージベーストモデルを用いた骨梁リモデリング則における力学刺激量の比較"日本機械学会第15回バイオエンジニアリング講演会講演論文集. No.02-35. 75-76 (2003)
