2016 Fiscal Year Research-status Report
下顎骨のイメージベース動的有限要素解析法の開発と骨隆起発生原因の解明
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15K11353
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| Research Institution | Showa University |
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Principal Investigator |
中納 治久 昭和大学, 歯学部, 准教授 (80297035)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 下顎骨 / 動的有限要素解析 / 皮質骨 / 海綿骨 / 応力波伝播 / デジタル歯列模型 / 歯冠形態 / クラスター分析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（目的）本年度は、①2014年度に行った研究「ヒト下顎骨の動的有限要素解析－皮質骨と海綿骨における応力波伝播に関する考察－」に定量的な検討も加え論文作成した。
一方、CTイメージベース動的有限要素解析を臨床応用するためには、歯列模型、CT画像から歯、歯根を自動的に分離し、正確に解析モデルを作成する必要性がある。そこで、②デジタル歯列模型から歯冠形態を分析する新たな手法を開発し、クラスター分析を試みた。
（方法）①試料にはヒト下顎骨を用い、マルチスケール動的有限要素法を行った。均質化法の妥当性を定量的に検証した後、仮想的なインプラントを埋入し、上面に衝撃荷重を負荷し、皮質骨、海綿骨に伝わる応力波の伝播経路を観察した。②デジタル歯列モデルから歯冠を切り出した。歯冠の平均形状からの差異を計算し、その差異を比較することで類似度を計算した。この類似度に基づき、Ward法により歯冠のデータの形態をクラスタリングし樹形図を描いた。
（結果）①均質化法の妥当性を定量的に検証した結果、基準モデルと均質化モデルに有意差は認められなかった。また、ごく初期の応力伝播経路は、インプラントネック部から皮質骨へと、インプラント先端部から海綿骨を介して皮質骨に伝播する２経路が主経路であった。さらに、応力波は、皮質骨と同じ速度で海綿骨内を伝播することがわかった。②上顎第1大臼歯の結果を観察すると、歯冠形態は、菱形の歯冠が集まるクラスター、カラベリー結節を持つ歯冠が集まるクラスター、3咬頭の歯冠が集まるクラスター等が観察された。
（考察）①インプラント上面に与えた衝撃力が下顎頭に伝播する経路としては、インプラント先端から海綿骨を介して皮質骨に伝播する応力波が重要であると推察された。②大量のスキャンデータへ統計的な分析を行うことにより、恣意性の無い歯冠形態のクラスタリングが可能であると示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度の研究計画は、１）「ヒト下顎骨の動的有限要素解析－皮質骨と海綿骨における応力波伝播に関する考察－」に定量的な検討を加えた論文を作成する。２）平成27年度からの継続課題である、下顎骨全体のイメージベース動的有限要素解析モデルを作成する。および、下顎骨の海綿骨、歯および歯根膜を考慮した静的・動的有限要素解析モデルを作成する。さらに、３）デジタル歯列モデルを用いた歯冠形態のクラスタリング、である。
１）は、Desktop micro-CT image-based dynamic FEM analysis of stress wave pathways between mandibular trabecular bone and cortical bone with comparisons to virtual models with eliminated materials on pathways.JBSE, Vol.11(2016), No.3.DOI:10.1299/jbse.16-00313、に掲載された。３）は、デジタル歯列モデルから成人患者のデータを無作為に500件抽出し、それらのデータから各歯種の歯冠を切り出した。歯冠の平均形状を表すデータを作成し、平均の形状からの差異を各歯冠のデータ毎に計算し、その差異を各歯冠のデータ間で比較することで類似度を計算した。この類似度に基づき、Ward法により歯冠のデータの形態をクラスタリングし樹形図を描いた。２）に関しては、工業用μCTを用いて下顎骨を切断することなくCT画像を得ている。この画像を用いてイメージベース静的構造解析ソフトウェアの並列版VOXELCON（(株)くいんと）を動的解析用にカスタマイズし解析を試みている。しかし、現在の所、歯から歯根膜に掛けてのメッシュ作成が難しく、モデル作成方法を検討中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、平成27年度、28年度までに行った研究成果を参考に、１）下顎骨の海綿骨、歯および歯根膜を考慮した静的・動的有限要素解析モデルを作成する、２）イメージベース動的有限要素解析を用いて骨隆起と応力波の関係を検証する、３）下顎骨全体を解像度100μm程度のμCT撮影された高精細画像と、臨床で用いられている解像度400μm程度の低精細画像のデータから作成した静的・動的有限要素解析モデルの比較検討を行い、CT解像度の影響を検討したいと考えている。
さらに、４）デジタル歯列モデルを用いた歯冠形態のクラスタリングに関する研究をさらに発展させ、3次元データの機械学習を用いた歯冠・歯根形態のクラスタリングを行う事で、CT画像から自動的に有限要素モデルを作成するための基礎研究を進めたいと考えている。
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| Causes of Carryover |
平成28年度の直接経費交付額は1,000,000円、前年度からの繰越額を合わせると、1,100,934円であった。平成29年3月1日に歯冠，歯根のデジタル画像抽出解析関する費用（529,200円）を申請したが、書類の不備があり、まだ支払いが完了していない。
以上より、825,618円の未使用額が発生した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成29年度（研究最終年度）の直接経費交付額は500,000円、平成28年度からの繰越額を合わせると、1,325,618円を予定している。
今後の使用計画としては、平成28年度に未払いとなっている歯冠，歯根のデジタル画像抽出解析関する費用（529,200円）、静的・動的有限要素解析費用が745,200円必要となる。さらに、学会発表等の費用が掛ると見込まれる。
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