次世代手術シミュレーション骨モデルの開発

2008 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18390408
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高取 吉雄 The University of Tokyo, 医学部附属病院, 特任教授 (40179461)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鄭 雄一 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (30345053) ; 茂呂 徹 東京大学, 医学部附属病院, 特任教授 (20302698) ; 大西 五三男 東京大学, 医学部附属病院, 専任講師 (70311628) ; 苅田 達郎 東京大学, 医学部附属病院, 講師 (80359611)
• Keywords: 外科 / 医療・福祉 / シミュレーション工学

Research Abstract

(1)骨モデルの作製
立体骨モデルは、あらかじめ撮影したCT画像をもとにインクジェッ粉末積層装置を用いて作製している。材料として石膏が主に使用されるが、骨モデルの作製工程が改良に伴い骨切り用のボーンソーの使用、人工股関節置換用手術器具(寛骨臼リーマー)の使用への対応が可能となった。
(2)骨モデルの特性
圧縮試験ISO604(JIS K7181)準拠の結果、圧縮応力は平均5.73MPa、圧縮ひずみ0.4%、圧縮弾性率は2400MPaであった。
(3)手術シミュレーションへの応用
同意のもとに、数十例の症例に対して術前のCT画像を元にコンピュータの仮想空間(Mimics 10 ; Materialise社製)上で手術計画を行うと同時に、実物大骨モデルを用いた手術シミュレーションを実施した。A)骨切り術については、寛骨臼の前壁欠損の強い症例や臼蓋形成不全が特に高度な症例対して、骨切りの位置や回転骨片の設置位置を再確認でき正確な手技の遂行に有用であった。B)人工関節置換術及び人工関節再置換術については、人工関節の設置位置と方法は術後の予後に大きく影響すると同時に、神経・血管などの損傷を来たさず安全に手技を遂行するためには重要であるが、実際の手術を安全に遂行するイメージの補完に有用であった。C)高度な骨変形を伴う奇形や骨系統疾患に対する矯正骨切り術は、病的に変形した骨を一旦切り離して正常に近い形に再接合するものである。骨切りの位置、手術器具の進行方向、骨切り片の大きさ、矯正の具合をシミュレーションすることが可能であった。D)骨系統疾患症例に対する人工関節手術については、既存の人工関節とカスタムメイド人工股関節の適応が適正に判断できた。
(4)外科医の技量向上のための教育ツールとしての利用
正常の解剖に比べて特に形態が異なる症例に対しては、術前シミュレーションは術者のイメージを補完し助手とイメージを共有する上で有効あった。
(5)課題
シミュレーションと同様の手術をするためのナビゲーションシステムとの連携とその効果の評価を科学的に行うことが今後の課題である。

Research Products

• [Journal Article] An analysis of interobserver reliability for radiographic staging of coxarthrosis and indexes of acetabular dysplasia. A preceding study (2010)
  • Author(s): Takatori Y, Ito K, Sofue M, Hirota Y, Itoman M, Matsumoto T, Hamada Y, Shindo H, Yamada H, Yasunaga Y, Ito H
  • Journal Title: J Orthop Sci 15 Pages: 14-19
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Manufacturing of artificial bones using 3D inkjet printing technology (2009)
  • Author(s): Chung U.
  • Journal Title: Int J Automation Technology 3 Pages: 509-513
• [Journal Article] Successful ambulation by surgical conversion in a complex form of epigastric heteropagus (2009)
  • Author(s): Haga T, Karita T, Amao R, Kanamori Y, Takatori Y
  • Journal Title: J Pediatr Orthop B November 18(6) Pages: 394-396
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wear resistance of artificial hip joints with poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine)grafted polyethylene : Comparisons with the effect of polyethylene cross-linking and ceramic femoral heads (2009)
  • Author(s): Moro T, Kawaguchi H, Ishihara K, Kyomoto M, Karita T, Ito H, Nakamura K, Takatori Y
  • Journal Title: Biomaterials Jun 30(16) Pages: 2995-3001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bone regeneration within a tailor-made tricalcium phosphate bone implant with both horizontal and vertical cylindrical holes transplanted into the skull of dogs (2009)
  • Author(s): Choi SJ, Lee JI, Igawa K, Sugimori O, Suzuki S, Mochizuki M, Nishimura R, Chung UI, Sasaki N.
  • Journal Title: J Artif Organs 12 Pages: 274-277
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Maxillofacial reconstruction using custom-made artificial bones fabricated by inkjet printing technology (2009)
  • Author(s): Saijo H, Kanno Y, Igawa K, Mori Y, Kondo K, Shimizu K, Suzuki S, Chikazu D, Iino M, Sasaki N, Anzai M
  • Journal Title: J Artif Organs 12 Pages: 200-205
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-initiated surface grafting with poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine)on poly(ether-ether-ketone) (2009)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Takatori Y, Kawaguchi H, Nakamura K, Ishihara K
  • Journal Title: Biomaterials 31(6) Pages: 017-1024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lubricity and stability of poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine)polymer layer on Co-Cr-Mo surface for hemi-arthroplasty to prevent degeneration of articular cartilage (2009)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Saiga KI, Miyaji F, Kawaguchi H, Takatori Y, Nakamura K, Ishihara K
  • Journal Title: Biomaterials 31(6) Pages: 1017-1024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superlubricious surface mimicking articular cartilage by grafting poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine)on orthopaedic metal bearings (2009)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Iwasaki Y, Miyaji F, Kawaguchi H, Takatori Y, Nakamura K, Ishihara K
  • Journal Title: J Biomed Mater Res A 91 Pages: 730-41
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of mobility/immobility of surface modification by 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine polymer on the durability of polyethylene for artificial joints (2009)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Miyaji F, Hashimoto M, Kawaguchi H, Takatori Y, Nakamura K, Ishihara K
  • Journal Title: J Biomed Mater Res A 90 Pages: 362-371
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 人工臓器 最近の進歩 人工関節 (2009)
  • Author(s): 茂呂徹, 高取吉雄, 石原一彦, 京本政之, 中村耕三, 川口浩
  • Journal Title: 人工臓器 38(3) Pages: 152-154
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine concentration on photo-induced graft polymerization of polyethylene in reducing the wear of orthopaedic bearing surface (2008)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Miyaji F, Hashimoto M, Kawaguchi H, Takatori Y, Nakamura K, Ishihara K
  • Journal Title: J Biomed Mater Res A 86(2) Pages: 439-447
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced wear resistance of orthopedic bearing due to the cross-linking of poly(MPC)graft chains induced by gamma-ray irradiation (2008)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Miyaji F, Konno T, Hashimoto M, Kawaguchi H, Takatori Y, Nakamura K, Ishihara K
  • Journal Title: Biomed Mater Res Appl Biomater 84 Pages: 320-327
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A study of disease management activities of hip osteoarthritis patients under conservative treat (2008)
  • Author(s): Koyama Y, Miyashita M, Irie S, Yamamoto M, Karita T, Moro T, Takatori Y, Kazuma K
  • Journal Title: J Orthop Nurs 12 Pages: 75-83
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 股関節痛の診断 (2008)
  • Author(s): 高取吉雄
  • Journal Title: Monthly Book Orthopaedics 21 Pages: 1-8
• [Presentation] Self-initiated surface graft polymerization of poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine)on PEEK and carbon fiber reinforced PEEK for orthopaedic and spinal applications (2010)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Takatori Y, Kawaguchi H, Nakamura K, Ishihara K
  • Organizer: 56th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society(ORS)
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 20100306-20100309
• [Presentation] Biocompatible polymer layer on Co-Cr-Mo surface for hemi-arthroplasty prevents degeneration of cartilage (2010)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Saiga K, Miyaji F, Kawaguchi H, Takatori Y, Nakamura K, Ishihara K
  • Organizer: 56th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society(ORS)
  • Place of Presentation: New Orleans, USA
  • Year and Date: 20100306-20100309
• [Presentation] シンポジウム「近未来の人工関節とは?～固定法、摺動面、デザインを科学する～」新しい摺動面への課題と展望 (2010)
  • Author(s): 高取吉雄, 茂呂徹, 石原一彦, 京本政之, 橋本雅美, 苅田達郎, 伊藤英也, 赤坂義之, 角田俊治, 雑賀健一, 川口
  • Organizer: 第40回日本人工関節学会
  • Place of Presentation: 沖縄
  • Year and Date: 20100226-20100227
• [Presentation] Metal-on-metal THAで hypersensitivity による広範な骨溶解を生じた1例 (2010)
  • Author(s): 伊藤英也, 苅田達郎, 高取吉雄, 茂呂徹, 角田俊治, 馬淵昭彦, 中村耕三
  • Organizer: 第40回日本人工関節学会
  • Place of Presentation: 沖縄
  • Year and Date: 20100226-20100227
• [Presentation] シンポジウム「医工連携の実践」医工連携―マテリアル工学と人工股関節での経験 (2009)
  • Author(s): 高取吉雄, 石原一彦, 茂呂徹, 金野智浩, 川口浩, 中村耕三
  • Organizer: 第18回日本コンピューター外科学会大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20091121-20091123
• [Presentation] ねじ込み式人工股関節寛骨臼コンポーネントに対する再置換術 (2009)
  • Author(s): 伊藤英也、苅田達郎、茂呂徹、高取吉雄
  • Organizer: 第37回日本関節病学会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20091119-20091120
• [Presentation] ねじ込み式人工股関節寛骨臼コンポーネントに対する再置換術 (2009)
  • Author(s): 伊藤英也, 苅田達郎, 茂呂徹, 高取吉雄
  • Organizer: 第36回日本股関節学会大会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20091030-20091031
• [Presentation] バイポーラー型人工骨頭置換術後に滑膜の金属症を来たした1例 (2009)
  • Author(s): 苅田達郎, 茂呂徹, 馬淵昭彦, 伊藤英也, 赤坂嘉之, 高取吉雄
  • Organizer: 第36回日本股関節学会大会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20091030-20091031
• [Presentation] Biocompatible Poly(MPC) Grafting on the Liner Surface of Artificial Hip Joints Enhances the Wear Resistance Independently of Femoral Head Material (2009)
  • Author(s): Moro T, Takatori Y, Kyomoto M, Ishihara K, Karita T, Ito H, Nakamura K, Kawaguchi H
  • Organizer: 22nd Annual conference of the European Society for Biomaterials(ESB)
  • Place of Presentation: Lausanne, Switzerland
  • Year and Date: 20090907-20090911
• [Presentation] Cross-linked brush-like structure of surface-modified layers gives high durability to joint replacement (2009)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Miyaji F, Yamawaki N, Kawaguchi H, Takatori Y, Nakamura K, Ishihara K
  • Organizer: 22nd Annual conference of the European Society for Biomaterials(ESB)
  • Place of Presentation: Lausanne, Switzerland
  • Year and Date: 20090907-20090911
• [Presentation] 前・初期股関節症に対する寛骨臼回転骨切り術の術後30年成績 (2009)
  • Author(s): 茂呂徹, 高取吉雄, 苅田達郎, 伊藤英也, 赤坂嘉之, 齊藤貴志, 中村耕
  • Organizer: 第81回日本整形外科学会学術総会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 20090514-20090517
• [Presentation] The effect of biocompatible polymer grafting onto polyethylene liner surface.Improvement of lubricity regardless of the characteristics of bearing materials (2009)
  • Author(s): Moro T, Takatori Y, Ishihara K, Kyomoto M, Karita T, Ito H, Nakamura K, Kawaguchi H
  • Organizer: 55th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society(ORS)
  • Place of Presentation: Las Vegas, U.S.A.
  • Year and Date: 20090222-20090225
• [Presentation] Brush-like structure only gives high durability to cross-linked polyethylene among various surface-modified layers with MPC polymer (2009)
  • Author(s): Kyomoto M, Moro T, Miyaji F, Kawaguchi H, Takatori Y, Nakamura K, Ishihara K
  • Organizer: 55th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society(ORS)
  • Place of Presentation: Las Vegas, U.S.A.
  • Year and Date: 20090222-20090225
• [Presentation] Observer agreement on roentgenographic stages of coxarthrosis and indexes of acetabular dysplasia. A preliminary study for the multi-center survey (2008)
  • Author(s): Takatori Y, Ito K, Sofue M, Hirota Y, Itoman M, Matsumoto T, Hamada Y, Shindo H, Yamada H
  • Organizer: 2008 World Congress on Osteoarthritis(OARSI)
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 20080918-20080921
• [Presentation] Nanometer-scale high lubricious surface modification extends the durability of artificial joint (2008)
  • Author(s): Moro T, Takatori Y, Ishihara K, Kyomoto M, Yamamoto M, Karita T, Ito H, Nakamura K, Kawaguchi H
  • Organizer: 8th World Biomaterial Congress(WBC)
  • Place of Presentation: Amsterdam, The Netherlands
  • Year and Date: 20080528-20080601
• [Presentation] Grafting of biocompatible polymer on the liner surface for extending longevity of artificial hipjoints (2008)
  • Author(s): Moro T, Takatori Y, Ishihara K, Konno T, Yamamoto M, Karita T, Ito H, Nakamura K, Kawaguchi H
  • Organizer: 8th World Biomaterial Congress(WBC)
  • Place of Presentation: Amsterdam, The Netherlands
  • Year and Date: 20080528-20080601
• [Presentation] 寛骨臼回転骨切り術後に回転寛骨臼が圧潰した症例の再検討 (2008)
  • Author(s): 高取吉雄, 苅田達郎, 茂呂徹, 馬淵昭彦, 伊藤英也, 齊藤貴志
  • Organizer: 第35回日本股関節学会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2008-12-06
• [Presentation] 実物大骨モデルを用いた手術シミュレーション-高度形態異常に対する人工股関節全置換術 (2008)
  • Author(s): 苅田達郎、高取吉雄、伊藤英也、齊藤貴志、中村耕三
  • Organizer: 第57回東日本整形災害外科学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2008-09-13
• [Book] 今日の診断指針(改訂第6版) (2010)
  • Author(s): 総編集:金澤一郎、永井良三集(共著:高取吉雄)
  • Total Pages: 2144
  • Publisher: 医学書院、東京
• [Book] 変形性股関節症診療ガイドライン (2008)
  • Author(s): 編集:日本整形外科学会診療ガイドライン委員会/変形性股関節症ガイドライン策定委員会(共著:苅田達郎)
  • Total Pages: 170
  • Publisher: 南江堂、東京