2018 Fiscal Year Research-status Report
Inspection technique of dental implant with instantaneous frequency of ultrasonic pulse wave
| Project/Area Number |
18K04023
|
|---|
| Research Institution | Kyushu University |
|---|
Principal Investigator |
井上 卓見 九州大学, 工学研究院, 教授 (40274485)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 診断 / 超音波 / 信号処理 / 同定 / 瞬時振動数 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
歯周病等により失われた歯に代わり歯科インプラント（人工歯）が広く用いられてきている．その一方で，インプラントねじの緩みにより侵入した細菌に感染し，歯槽骨や顎骨が溶けインプラントが脱落する問題が知られている．本研究では，申請者が提案した超音波パルスの瞬時振動数変化を利用する診断技術を応用し，インプラントの締結状態を検査・評価する技術を提案する．
平成30年度は，これまでに利用してきたねじ山の表面で反射する反射パルス波ではなく，新たにインプラントねじを透過する透過超音波パルス波に着目した．実験の結果，反射パルス波を用いるよりも透過パルス波を用いる方が締結状態に対する瞬時振動数の感度が良好であり，当初の予想通りの結果を得た．ただし，予測ではパルス波の中央部で良好な感度を期待していたが，実際にはパルス波の終端部分で良好な結果を得ており，想定とは異なる結果であったためその検証を行った．
透過波が効果的である可能性として，当初は締付トルクによるねじ山の変形の影響を想定していたが，有限要素法による静解析や波動伝播シミュレーションを詳細に行った結果，ねじ山変形の影響はむしろ小さく，縦波として投射した超音波パルスがねじ山を透過する際に横波にモード変換してねじを透過し，その際に締結状態に対して非常に有効な情報を含むことがわかった．この横波がパルス波の終端部分に現れ精度のよい評価を可能とした．これは当初想定していなかった結果であり，平成30年度に明らかになった最も重要な知見である．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予想通り，これまでに利用してきた反射パルス波ではなく，インプラントねじを透過する超音波パルスが締結状態に対する瞬時振動数の感度が良好であった．ただし，当初は締付トルクによるねじ山の変形の影響が透過超音波パルスに顕著に現れると予想していたが，有限要素法による変形シミュレーションでは想定していたほどの変形量はなく，透過パルス波に顕著な影響を与えないことが判明した．
一方で波動伝播経路を調査するため波動伝播シミュレーションを実施すると，超音波パルスのねじ山透過の際に縦波から横波へのモード変換が生じ，この横波が締結力の影響が大きいねじ山圧力側フランク角を複数回通過して透過波パルスの終端部に現れることが判明した．これが，透過波パルス終端部での瞬時振動数がねじの締結状態に対して敏感に変化した理由である．
このように，当初予定とは異なる理由であるものの，透過超音波パルスの瞬時振動数が締結状態に対して高感度であることが実験およびシミュレーションから確認されたことで，おおむね順調な進捗状況と判断している．
|
| Strategy for Future Research Activity |
上述の通り，縦波からモード変換した横波がねじの締結状態に関する有効な情報を含んでおり，その瞬時振動数からねじの締結状態が精度よく評価できることがわかった．一方でモード変換した横波の振幅は小さく，横波そのものとその変化を精度よく取得することが重要になる．
当初予定では，人工歯と人工歯根を模擬した試験体に対する適用を考えていたが，上述の通りモード変換した横波が検査において効果的という新たな知見が得られたため，横波とその変化量を精度よく求める手法を考案する．
ねじ山を透過した超音波パルスには，モード変換した横波以外にも多くの経路を通ってきた超音波パルスが重なり干渉している．さらに，これらの超音波パルスの振幅は着目する横波の振幅よりも一般に大きいため測定精度を悪化させる．ここでは逆位相の超音波パルスにより，これらのいわば不要な超音波パルスをキャンセルする測定精度の向上を試みる．キャンセルはハードウェア的に行う方法，測定結果の信号処理中に行うソフトウェア的な方法が考えられる．まずは一方に限定することなく両者について試みていく．
|
| Causes of Carryover |
主たる購入品である有限要素法ソフトウェアが予定金額205万円より安価（185万円）で購入できた．また，研究発表，調査等の旅費を他経費で賄うことができたため，使用予定していた金額は次年度への繰り越しとなった．
超音波探触子は消耗品であり予想より損傷する探触子が多くなっているため，繰り越しの金額はその補充に充てたい．また，研究成果の報告等のため，学会，講演会出席も当初予定より積極的に行っていきたい
|
