2020 Fiscal Year Research-status Report
A biomechanical analysis of multi-level reconstruction model for osteoporotic spine –investigation of optimal approach for spinal instrumentation-
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19K09546
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
出村 諭 金沢大学, 附属病院, 准教授 (00348228)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田原 大輔 龍谷大学, 理工学部, 准教授 (20447907)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 成人脊柱変形 / 骨粗鬆症 / 有限要素解析法 / 脊椎インストゥルメンテーション手術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度では第１胸椎から骨盤までの多椎体三次元有限要素の骨モデル（既存脊椎圧迫骨折のない骨粗鬆症を有している64歳女性・BMD 0.717g/cm2のCTデータを使用して作成）と、実臨床で使用する金属製インプラント（椎弓根スクリュー・S2 Alar Iliacスクリュー・ロッド）のSTLデータの作成を行ったが、今年度ではさらに実臨床で使用する横突起フックのマイクロCTデータを用いてSTLデータの追加作成を行った。
この多椎体三次元有限要素骨モデルと金属製インプラントSTLデータを用いて、前年度にはインプラントの固定範囲・脊椎アライメントの条件の違い（固定範囲：第2胸椎-仙骨と第10胸椎-仙骨の2通り、脊椎アライメント：SVA（sagittal vertical axis）Neutral、50mm、100mmの3通り）を組み合わせて合計6モデルを構築したが、今年度では固定上端のインプラント種類の違い（椎弓根スクリューと横突起フックの2通り）を新たに条件に加えることで、合計12モデルの構築を行った。
この12モデルに対して前年度と同様の荷重拘束条件（合計1200Nを各椎体上位終板の節点数に応じて分配荷重、両臼蓋部を完全に拘束）にて静弾性応力解析を行った。固定上端のインプラントが椎弓根スクリューであったモデルでは横突起フックであったモデルよりも発生する相当応力が1.7-5.9倍強く生じていた。固定上端周囲に発生する応力を低減させたい場合、固定上端のインプラント選択は有効な方法となることが示唆された。
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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
前年度はベースとなる多椎体三次元有限要素の骨モデルの作成、多椎体脊椎インストゥルメンテーション手術で使用する椎弓根スクリューなどの金属製インプラントの作成、これらを使用して有限要素解析を行うための荷重拘束条件の設定をメインに行い、合計6モデルの解析を行うことができた。
今年度は目標の一つとしていた種類の異なる金属製インプラントを作成しこれを条件に追加することで合計12モデルを構築し解析を行うことができた。解析結果から、脊椎アライメントが前屈するほど下位椎体に発生する相当応力が強くなり、またインプラント種類の違いにより固定上端周囲に発生する相当応力が異なるという結果が得られた。
骨粗鬆症患者に対する多椎体脊椎インストゥルメンテーション手術においてはインプラントトラブルや固定上端の隣接椎体骨折などの合併症報告が多数されている。このような合併症が危惧される骨粗鬆症患者に対して手術を行う場合、本研究の結果から術後の脊椎アライメントは可能な限りNeutralとなるよう設定し、選択する金属製インプラントを考慮することで発生する応力を低減させることが可能であるという結果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度および今年度では、多椎体三次元有限要素の骨モデルと金属製インプラントのSTLデータを使用し合計12モデルで有限要素解析を行い、良好な解析結果を得ることができた。
共同研究者の田原氏が、筋肉・腱・靭帯・椎間板など軟部組織の解析が可能なAnybody Modeling Systemなどの筋骨格シミュレーションモデルと、骨をベースとした有限要素解析モデルをフュージョンし解析する研究を行っている。最終年度では、2年間で作成した有限要素解析モデルを筋骨格シミュレーションモデルとフュージョンし、脊柱周囲筋・靭帯・椎間板などの姿勢維持に必要な脊柱周囲の軟部組織を付加させることで、より実際の生体に近似した条件を設定し応力解析を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
2020年度はコロナ渦の影響により、中止となった学会発表があったことや、共同研究機関である龍谷大学（京都）での出張およびデータ抽出に支障を生じたため、オンラインカンファレンスで対応を行った。2021年度は前年度に残した追加解析や、成果発表としての学会発表を計画している。
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[Journal Article] Revision surgery for instrumentation failure after total en bloc spondylectomy: a retrospective case series.2020
Author(s)
Shinmura K, Kato S, Demura S, Yokogawa N, Yonezawa N, Shimizu T, Oku N, Kitagawa R, Handa M, Annen R, Murakami H, Tsuchiya H.
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Journal Title
BMC Musculoskelet Disord. 2020 Sep 2;21(1):591.
Volume: 21
Pages: 591
DOI
Peer Reviewed
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