Development of laser resonance frequency analysis of pedicle screw stability

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K04286
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: Nishikino Masaharu 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子ビーム科学部門, 研究統括 (70370450)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長谷川 登 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主幹研究員 (50360409) ; 三上 勝大 近畿大学, 生物理工学部, 講師 (20722763)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: レーザー / 誘起振動数 / 整形外科 / インプラント / ネジ

Outline of Final Research Achievements

In order to develop a laser resonance frequency analysis (RFA) system involving a laser system to quantitatively diagnose the strength of placement in bone during surgery, the relationship between bone and implant friction was investigated for vibrations induced by laser irradiation. Based on the results obtained, a simplified model using the finite element method was examined. However, it was found that variations in the setting parameters of the foundation had a large impact on the results of the natural vibration analysis, and that there was a large variation in the construction of the simplified model and in the estimation of the installation strength by the model. Therefore, machine learning was used to extract the vibration parameters necessary to estimate the installation strength.

Free Research Field

レーザー工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

整形外科インプラントの骨への設置強度は、術後早期の緩み、逸脱である骨癒合不全に直結するため重要なパラメータである。しかし、この設置強度は研究室レベルにおいて計測可能な埋入時のトルク計測などの機械強度で定義され、評価されている。我々は、レーザー光をインプラントに照射することで誘起される振動に着目すると同時に、インプラントの埋入トルクを摩擦と軸力に分離し、レーザー計測結果の学術的な解釈を試みた。また、術中活用可能な設置強度推定を検討し、骨癒合不全の症例抑制に向けた開発を推進した。