FEMシミュレーションによる日本人大腿骨の疾患及び年齢に伴う応力形態に関する研究

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K11016
• Research Institution: Oita University
• Principal Investigator: 加来 信広 大分大学, 医学部, 准教授 (10315335)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 津村 弘 大分大学, 医学部, 教授 (30188627) ; 田畑 知法 大分大学, 医学部, 助教 (80769406)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 有限要素モデル / 骨密度 / 応力解析 / 年齢 / 関節症 / 骨折 / 大腿骨

Outline of Annual Research Achievements

患者別骨密度を忠実に再現した大腿骨の有限要素モデルを利用して、骨密度低下や皮質菲薄化が大腿骨の生理的荷重伝達に与える影響と高齢者特有の骨疾患別でそれの特徴を明らかにするため、骨塩定量ファントム付CTによって得られる患者個別の三次元骨密度分布を反映させた有限要素骨モデルを作成し、歩行状態を模擬した荷重条件と境界条件を与える。その後有限要素解析を行い、股関節臼蓋側から大腿骨骨頭方向に発生する関節反力荷重によって生じる大腿骨への荷重伝達と応力分布を計算する。大分大学医学部及びJCHO湯布院病院倫理委員会での承認を得た。大分大学医学部付属病院及び参加施設であるJCHO湯布院病院において、A変形性股関節症、B変形性膝関節症、C大腿骨頭壊死症、D大腿骨近位部骨折症例各15症例、合計60例を対象とした。術前1週時に骨塩定量ファントムB-MAS200（Kyoto Kagaku, Japan）を骨盤位置に設置し、骨盤から足底部までの範囲をCT撮影する．CT撮影条件はスライス間隔0.5mm、画像マトリクスサイズ512×512pixelsとした。骨密度を反映した大腿骨の三次元有限要素モデルを作成するため、本研究において、これの作成には三次元画像再構築ソフトMimics(Materialise,Belgium)を用いた。ソフト上にてCT画像輝度から画像ヒストグラムが計算され、骨と軟部組織を自動分割することができる機能があり、平成29年度は骨データ作成時の閾値設定のための定義を決定し、計算されるヒストグラムから本CT撮影条件に適した画像処理の最適閾値を明らかにした。その後、その閾値を用いて骨形状の抽出を、同ソフト内で大腿骨の三次元骨モデルを再構築した。しかし、まだ上記の目標症例数には達していない。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

症例のエントリーが予定よりもまだ少ないが、わずかであるため、順調と思われる。解析にも予想以上に時間を要している。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、症例のエントリーを進め、大腿骨三次元モデルに対してABAQUS（Simulia,USA）を用いてメッシュ分割を行い有限要素モデルを作成し、この骨密度を反映した有限要素モデルに対して歩行時の荷重条件をHellerの方法（Heller MO,2005）を用いて、患者の体重値から設定を行い、非線形有限要素解析を行う。解析には有限要素法解析ソフトウェアABAQUS（Simulia,USA）を用いて行い、荷重負荷によって生じる大腿骨の応力分布を段階的ステップ設定で計算しすることでまずは年代別の荷重伝達様式を独立2群間の検定により比較検討する。

Causes of Carryover

[次年度使用が生じた理由と使用計画]　申請時点では至適抗体濃度の同定に濃度依存性試験、時間依存性試験に多くの試薬を使用する予定であったが予備実験の段階で適正試薬濃度が判明したため結果として予算が余る事になった。また動物実験に関しても同様で報告できるデータが比較的早期に取得できたため申請時の予算と解離が生じた。
[使用計画]　予定していた動物モデルの数を増やすことでデータの信用性を高めるとともに再現性の得られるデータを得るための手法に改良を重ねていく。