2017 Fiscal Year Research-status Report
力学的検証に基づく脊椎固定術用スクリューの緩み抑制を狙った固定ロッドの開発
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16K05993
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| Research Institution | Ryukoku University |
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Principal Investigator |
田原 大輔 龍谷大学, 理工学部, 准教授 (20447907)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村上 英樹 金沢大学, 医学系, 准教授 (70334779)
辻上 哲也 龍谷大学, 理工学部, 教授 (80243179)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 計算バイオメカニクス / 椎体 / 後方固定術 / 骨リモデリング / 有限要素法 / 接触解析 / 繰り返し負荷 / 引き抜き試験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脊椎固定術の術後に好発するスクリューの緩みの抑制を狙い，本研究グループが提案するダンパ相当機構を導入した可動式ロッドに対し，本研究では，緩みの抑制効果の評価とメカニズムの解明を行い，さらなる構造最適設計を目指すことを目的としている．平成29年度は，平成28年度に実施した基礎的な計算シミュレーションと実験をふまえ，ダンパ相当部におけるロッドの微小変位と微小回転後に固定に寄与する挙動を反映した詳細な計算モデリング，模擬骨を用いた固定術試験片に対する繰り返し負荷後の引き抜き試験における実験条件とスクリューの引き抜き荷重との関連の定量化，スクリュー周囲の骨リモデリングによる固定性の低下の検討のための計算モデルの大規模化を目指した．研究実績は，以下の3点にまとめられる．
1．可動式ロッドの微小挙動後に固定に寄与するロッドの構造と脊椎内応力の関係の解明のため，複雑なダンパ相当部の詳細な有限要素モデリングを行うとともに，可動式ロッドの引張・圧縮・曲げの負荷実験と解析の双方を有機的に用い，ダンパ相当部の見かけの剛性を同定した．
2．提案ロッドの緩み抑制効果の検討のために平成28年度に提案した繰り返し負荷後のスクリューの引き抜き試験による実験において，スクリューの固定性の低下を引き起こす繰り返し負荷の条件を見出すため，試験片への繰り返し負荷回数に着目し，負荷回数と引き抜き荷重の関連を定量評価した．
3．スクリュー周囲の骨リモデリングによる固定性の低下の評価のため，平成28年度に行った椎体部分をモデル化した基礎的解析をふまえ，手術でスクリュー固定の重要部位とされる椎弓根を含んだ椎体を新たにモデル化し，骨リモデリングシミュレーションとスクリューの引き抜き試験を想定した応力解析により，可動式ロッドの緩み抑制効果を評価した．
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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
1. 可動式ロッドを2つのリング，上部・下部ロッドに分けてモデル化し，接触条件の定義により微小な挙動の反映を可能とした．また，ロッドに対し引張・圧縮・曲げ試験を行い，最大可動変位である0.4 mmの作用時の荷重を計測するとともに，実験と同様の境界条件を設定し，リングの見かけの剛性を変化させながら解析を行った結果，10 MPaが得られた．この剛性を用いて脊椎固定時の境界条件下で解析を行った結果，ロッドの引張・圧縮・曲げ状態におけるリング内の応力発生が確認され，固定ロッドの複雑な力学的挙動のモデル化に成功した．
2. 従来の強固な固定式，可動式ロッドによる固定術を模擬骨に施した後，疲労試験機による変位量 2 mm，周波数 3 Hzの繰り返し負荷後，万能試験機によるスクリューの引き抜き試験を行った．繰り返し負荷回数を変更して実験を行った結果，引き抜き荷重は，いずれの試験片・実験条件に対しても，負荷を付与していない場合より有意に低下した．また，繰り返し負荷回数が103回以降は，引き抜き荷重に大きな変化が見られなかった．実験を継続中であるが，繰り返し負荷における初期段階の破壊に注目することが重要であることがわかった．
3. 椎弓根を含む椎体とスクリュー挿入部のモデル化を行い，ダンパ相当部の見かけの剛性を変化させて骨リモデリングシミュレーションを行った結果，可動式ロッドでは，スクリュー周囲に密な骨梁形態が形成された．ダンパ相当部の変位の許容により，スクリュー周囲の骨梁に荷重が伝達され，骨形成が活発化したためと考えられる．また，骨リモデリング後の固定術モデルに対し，スクリュー引き抜き試験を想定した解析を行った結果，可動式ロッドでは，強固な固定式ロッドより11.8%高い節点反力が示され，スクリュー周囲の密な骨梁形態がスクリュー引き抜きの抵抗となっていることが示された．
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 詳細なスクリュー周囲の骨リモデリングシミュレーションには後方固定術モデルの3次元化と複数椎体のモデル化が必要であるが，計算コストが予想よりも大幅にかかることも見えてきた．このため，準2次元での複数椎体のモデル化を検討し，強固な固定式ロッド，可動式ロッド間のスクリュー周囲の骨梁形態変化の差について比較を行う．
2. 模擬骨を用いた固定術試験片に対する繰り返し負荷後の引き抜き試験手法について，繰り返し負荷の変位量と周波数が引き抜き荷重に与える影響の評価に着手しており，これを継続する．また，試験片に用いる模擬骨材料の密度特性を変化させ，骨粗鬆症の進行を想定した条件下での可動式ロッドの緩み抑制効果を評価する．さらに，初期の繰り返し負荷回数が重要であることを平成29年度に示したが，繰り返し回数をさらに大幅に増加させた時の挙動を観察し，適切な実験条件の確定を目指す．
3. スクリュー周囲の微小破壊による損傷程度について，マイクロCT観察，SEM観察画像，画像処理を基にした画像の差分の抽出による損傷程度の評価の検討に着手しており，これを継続する．
4. 平成29年度に構築できたダンパ相当部の複雑な力学的挙動を表現できる可動式ロッドの計算モデルを脊椎に挿入した後方固定術モデルを作成した上で，骨の材料非線形を考慮した荷重増分解析により，スクリュー周囲の微小破壊の発生について，両ロッド間で比較を行う．
5. 可動式ロッドの抑制効果の有無を明らかにし，その効果を最大限に引き出すための最適設計指針について検討を開始する．
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| Causes of Carryover |
＜理由＞ 本研究で構築中のモデルの計算シミュレーションのコストが当初の予想よりも上回ったことをふまえ，これを支援する計算機の導入の検討のため，必要なスペックを研究成果の進捗と合わせて見極める段階にあり，研究費の使用を抑制するように努めたため．また，平成30年度に開催予定の国際会議にて研究協力者である学生を参加させるための出張費の確保が必要と判断し，平成30年度の使用額を確保したため．
＜使用計画＞ 国際会議参加のための出張費に充当する．また，必要な計算機性能の検討を継続し，計算機の導入を判断する．
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