2018 Fiscal Year Research-status Report
次世代型長寿命人工股関節の開発のためのインピンジメント損傷抑制に関する研究
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17K01391
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| Research Institution | The University of Kitakyushu |
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Principal Investigator |
趙 昌熙 北九州市立大学, 国際環境工学部, 准教授 (70364148)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 人工股関節 / UHMWPEライナー / インピンジメント損傷 / 有限要素法シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人工股関節の臨床寿命を短縮する主要原因の一つであるネック・ライナーインピンジメント（neck-liner impingement）発生による超高分子量ポリエチレン（以下UHMWPEと略称）ライナーの摩耗や破損などの損傷を最小限に抑制する設計改善策の提案のために、平成30年度中には、前年度中に研究協力機関の研究協力者らによって集積された36例の摘出人工股関節の寸法や幾何学的形状の実測値データに基づいて、より厳密に人工股関節の形状を再現した3次元解析モデルの作成およびこれらを用いたインピンジメントの有限要素法シミュレーションを行った。摘出された36例のすべてのUHMWPEライナーは、様々な形状と寸法のリム部を有しており、これらのリム部には、様々な角度と寸法の面取り加工が施されている点に注目し、当該年度中には、主に人工股関節UHMWPEライナーのリム部の形状パラメーターがライナーの力学的状態やインピンジメント損傷に及ぼす影響について検討を行った。その結果、UHMWPEライナーのリム部の面取り角度、面取り寸法、面取り高さ、リム高さなどの形状パラメーターがライナーの損傷形態や臨床寿命に影響を及ぼす重要な因子であることとこれらの形状パラメーターの変更によるライナーのインピンジメント損傷低減の可能性が確認できた。また、ネックと接触するUHMWPEライナーのリム部のデザインを面取りデザインからフィレット（fillet）デザインに変更することでライナーのインピンジメント損傷程度をより低減できる可能性が確認できた。さらに、当該年度中には、ネック・ライナーインピンジメントとともにアセタブラーカップのねじ穴の存在により発生するUHMWPEライナーのねじ穴の中への塑性変形がライナーの摩耗や破損などの損傷をさらに加速・増大させることが確認され、この現象の影響についても力学的解析と検討を行った。
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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
本研究課題の当初の研究計画において、当該年度（平成30年度）中に実施予定であった平成29年度中の予備解析の結果分析に基づく有限要素モデルの修正を行い、計算の収束性と効率を高めることができた。研究費の不足で当初の研究計画において当該年度中に実施予定であった生体環境チャンバーの製作やこれを用いた材料実験を行うことはできなかったが、先行研究の材料実験のデータを代用することで材料モデルの構築と解析条件の設定ができた。また、修正した2次元有限要素モデルやより厳密に人工股関節の形状を再現した3次元有限要素モデルを作成し、これらを用いた本解析の実行および解析結果の定量的・定性的評価ができた。さらに、当該年度中に実施した本解析の結果や得られた研究成果を取りまとめ、国内外の関連学会において発表および研究論文として学術雑誌に投稿ができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後本研究課題では、より厳密に人工股関節の形状と運動を再現した3次元有限要素モデルの更なる開発および改良を行う予定である。また、これらを用いたインピンジメントの有限要素法シミュレーションを行い、人工股関節におけるインピンジメント発生の原因やUHMWPEライナーの損傷に及ぼす影響を明らかにし、インピンジメント損傷抑制のための設計改善策を提示する予定である。当該年度の研究結果は、数値計算の収束性と効率を高めるために人工股関節の運動を理想化した3次元モデルで単純接触解析を行った段階での結果であり、本研究課題で摘出された36例の人工股関節の中で数例に限定される。したがって、人工股関節におけるインピンジメント損傷抑制のための設計改善策を定量化・一般化するために、今後、できるだけ多くの3次元有限要素モデルの作成およびこれを用いた解析を行う予定である。また、本研究課題の遂行中に確認されたアセタブラーカップのねじ穴の存在により発生するUHMWPEライナーのねじ穴の中への塑性変形がライナーの摩耗や破損に及ぼす影響についても更なる力学的解析と検討を行う予定である。
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