2016 Fiscal Year Research-status Report
インビボキネマティクスと接触解析に基づく関節軟骨の力学特性変化予測モデルの構築
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16K05970
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
小林 公一 新潟大学, 医歯学系, 准教授 (70296317)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田邊 裕治 新潟大学, 自然科学系, 教授 (60143020)
大森 豪 新潟医療福祉大学, 健康科学部, 教授 (70283009)
坂本 信 新潟大学, 医歯学系, 教授 (80215657)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 生体力学 / 関節軟骨 / 関節運動 / イメージマッチング / 立位下肢アライメント / 軟骨変性予測モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
運動器における機能障害の発生要因を解明し、より効果的な予防法および治療法を開発するためには、関節における荷重伝達機構についての詳細な理解が必要不可欠である。特に関節への荷重負荷様式の変化と軟骨等関節を構成する組織の変性との相関関係を明らかにすることは、軟骨変性を伴う疾患である変形性膝関節症の発生と進行機序の解明に資する。本研究の目的は膝関節の生体内キネマティクスおよび接触圧力データに基づく関節軟骨の力学特性変化予測モデルを構築することである。平成28年度は、荷重伝達機構を検討するための基礎データである立位荷重時における三次元下肢アライメントをより低被曝かつ簡便に評価するため、二方向スロット画像と関節形状モデルの2D/3Dイメージマッチングによる手法について、アライメント測定精度の実験的検証とイメージマッチングの自動化を行った。これにより同手法の実用性向上に資することができた。
また、関節軟骨の接触状態をより効率的に解析するため、接触する軟骨表面形状モデル同士の内、片方に対して予めユークリッド距離マップを作成し、もう一方の表面形状モデルがユークリッド距離マップと交差するときの距離から最近接距離を求める手法を開発した。
さらに、片側前十字靭帯損傷膝と対側健常膝を対象として、2D-3Dイメージマッチング法による膝屈曲運動解析結果を基にした軟骨モデル同士の相対速度と接触応力（当該年度では軟骨同士の干渉量を接触応力の代わりに用いる）の算出を開始した。
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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
二方向スロット撮影と2D/3Dイメージマッチングを用いた立位荷重アライメントの三次元評価法について、膝関節アライメントに加え、人工股関節設置位置評価精度の実験的検証に取り組み、単純長尺Ｘ線、ＣＴなどを用いた従来法とほぼ同様の精度であることを示した。また、二次元スロット画像と三次元骨形状モデルとの自動イメージマッチング法を開発した。従来の手動イメージマッチング法では作業に時間と労力を要しており、さらに操作者内および操作者間誤差の混入は避けられなかったが、自動イメージマッチング法の完成により、これらの問題を解決することが可能となった。
片側前十字靭帯損傷膝と対側健常膝を対象とした2D-3Dイメージマッチング法によるキネマティス解析を開始した。軟骨モデル同士の相対速度を求めるため、片方の軟骨モデルについて、モデルを構成する各節点に対し相手軟骨モデルの節点との距離が閾値以下であれば接触していると分類し、運動を記録した時系列データにおいて接触節点をトラッキングすることで相対的滑り速度を算出する手法を検討している。軟骨同士の干渉量を迅速に求めるためユークリッド距離マップを援用した高速化手法を開発した。
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| Strategy for Future Research Activity |
片側前十字靭帯損傷膝と対側健常膝を対象としたキネマティス解析では、被験者５名を対象に検討を進める。軟骨変性の指標とするため、MRIにより軟骨厚さ、水分含有量、タンパク質含有量などの軟骨物性を推測する手法を確立する。基礎的検討として、ウシまたはブタ膝関節軟骨を対象としてMRIの各種強調像から軟骨構成成分を推定する。すなわち、ウシ膝をMR撮像し、軟骨厚さの他、縦緩和時間強調像、横緩和時間強調像および拡散テンソルイメージングにより透水性、コラーゲン量、プロテオグリカン量を測定しておく。その後、対象部位を抜き取って力学試験用軟骨試験片を作成し、圧縮試験に供する。弾性特性と時間依存性を評価するため弾性率と緩和時間を測定し、軟骨厚さ、透水性、コラーゲン量、プロテオグリカン量との相関関係を検証する。最後に薬品処理（脱水処理、酵素処理）により各成分を定量することで、MR画像データによる推定量の精度を確認する。
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| Causes of Carryover |
物品費（消耗品）の繰越が生じたことによる。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成29年度の物品費（消耗品）として充当する。
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[Journal Article] External torsion in a proximal tibia and internal torsion in a distal tibia occur independently in varus osteoarthritic knees compared to healthy knees.2017
Author(s)
Mochizuki T, Tanifuji O, Koga Y, Hata R, Mori T, Nishino K, Sato T, Kobayashi K, Omori G, Sakamoto M, Tanabe Y, Endo N
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Journal Title
Journal of Orthopaedic Science
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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