2019 Fiscal Year Annual Research Report
筋骨格・骨のイメージベース力学解析の有機的連携構築と骨疾患の治療戦略抽出への展開
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19H02032
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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) |
稲葉 裕 横浜市立大学, 医学研究科, 教授 (40336574)
小野 景子 龍谷大学, 理工学部, 講師 (80550235)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 計算バイオメカニクス / 筋骨格シミュレーション / 有限要素法解析 / 変形性股関節症 / 歩行・動作解析 / 人工股関節全置換術 / 個体別モデリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，筋骨格シミュレーションから得られる各筋力，関節反力を荷重条件とする骨の有限要素法解析（FEA）・骨リモデリングシミュレーションの計算フレームワークの確立，高速・高精度なFEモデル構築のための骨のCT画像に対するセグメンテーション技術の開発，これらを用いた変形性股関節症（HOA）歩行時の筋力変化と骨の応力分布の変化の解明・術後の股関節周囲の骨リモデリング予測を目的としている．令和元年度は，特に計算フレームワーク基盤，セグメンテーション技術を開発するとともに，人工股関節全置換（THA）術前後のOA患者の歩行動作の取得を行った．研究実績は，以下の3点にまとめられる．
1．筋骨格シミュレーションシステムとしてAnybody Modeling System（AMS），骨のイメージベースFEモデリングにMechanical Finder（MF），ソルバとして大規模FEAに対応したFrontISTRを用い，これらの連携のため，各システム間のデータコンバータを開発した．また，THA術前のHOA患者2名の歩行動作を例に，構築した計算フレームワークの有用性を評価した．
2. 骨の三次元イメージベースモデル構築に不可欠でありながら，膨大な手作業を要し，現状のネックである二次元の医用画像からの特徴点の抽出と，セグメンテーション（注目領域の抽出）の高精度・高速の自動実現のため，Boostingと進化計算手法を用いたセグメンテーション支援手法を開発・提案し，そのツールの実装を行った．
3. HOA患者の歩行解析の統計分析を目的とし，横浜市立大学整形外科にてTHA術を予定したHOA患者20例に対し，術前に説明と同意を得た後，両股関節X線および，第1腰椎から大腿骨遠位端までCT画像撮影と骨密度測定, 歩行動作計測を行い，解析対象データの蓄積を進めた．
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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. 筋骨格シミュレーションとFEAの連携整備により，患者のモーションキャプチャデータと対象の骨部位のCT画像があれば，患者特有の歩行動作と，MF上で構築した骨のFEモデル形状をAMSの筋骨格シミュレーションに反映可能となった．AMSから算出された各筋力，股関節反力を骨のFEモデル上の最近傍作用点に荷重ベクトルとして与えるとともに，骨内の非均質な材料特性分布を考慮してFrontISTR上で解くことも可能となった．また，HOA患者の歩行動作解析の結果，健常者では左右対称となるはずの歩行周期時点において，左右の大腿骨内の応力・ひずみ分布は非対称となった．さらに，左右間で差が大きい荷重条件の可視化の結果，臨床上重要視される筋以外にも，疾患の重篤度の把握や疾患改善に重要な筋を新たに示すことができる可能性が示唆された．
2. Boosting手法を用いた骨のセグメンテーション手法の確立のため，数理最適化手法を用いてテスト画像の半自動作成手法の提案を行った．また，その有用性の評価のため，同一の脊椎を対象としたサンプル画像に対し，Boosting手法と，比較対象であるU-Net手法を用いた学習を実施した結果，大まかな椎体形状のセグメンテーションに成功したが，詳細部の抽出には，画像フィルタの高性能化が必要であることがわかった．
3. HOA患者の歩行動作計測は，横浜市立大学内のモーションキャプチャ，床反力計を用いて実施し，対象の20例中10例まで，術前，術後3ヵ月時，術後1年時の歩行動作を計測できた．術前後の歩行動作解析が可能であった症例では，股関節，膝関節，足関節の各種平均可動域は増加する傾向にあるが，術前の可動域と，可動域の増加は患者によるばらつきが大きく，症例の追加後に再度検証する必要性が示唆された．取得した歩行動作の2割程度を筋骨格シミュレーションによる歩行解析まで実施できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 計算フレームワークにおいて，MF上で構築した骨のFEモデル形状をAMSへ反映する際のスケーリング技術，モーフィング技術の適用時に一部手作業を要するため，この解消のための新たなツール構築・簡易システムの適用を試みる．また，筋骨格シミュレーションから得た荷重条件のFEモデル上の可視化操作を簡易化する．
2. 同一のHOA患者の術後3カ月時・1年時の歩行解析を行い，歩行姿勢の変化に伴う筋力と大腿骨内応力分布の変化の関連を分析する．この実現に重要な骨盤形状とTHA挿入位置，術後の骨密度分布の変化のモデル化に注力する．
3. THA前後の大腿骨内の広範囲領域を対象とした大規模な骨リモデリングシミュレーションの実施に向け，既存の骨リモデリング計算の並列化を進める．
4. Boosting技術によるセグメンテーション手法の性能評価をさらに進めるため，広範囲な脊椎領域を対象として性能検証を行う．また，U-Net手法におけるテスト画像の水増し方法の検討を行い，より高精度なセグメンテーション結果の取得を試みる．さらに，骨形状に加え，骨内の材料特性分布を反映したFEAへの受け渡しのため，セグメンテーションにより得られた骨形状の画像書式をCT画像書式（dicom形式）に戻すための画像変換法の構築を行う．
5. HOA患者の歩行動作計測フローの効率化・簡素化を進め，患者の計測の負担を軽減する．計測時間短縮を図ることにより，1日あたりの計測可能なHOA患者の上限数を増やす．これに伴い，筋骨格シミュレーション－FEAの連携フレームワークに受け渡す歩行のモーションキャプチャデータの増加を目指す．
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