亀裂制御型骨切除システムの研究

2008 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20760081
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 杉田 直彦 The University of Tokyo, 大学院・工学系研究科, 准教授 (70372406)
• Keywords: 骨切除 / 加工システム / き裂制御 / 加工精度 / 切削温度 / 低侵襲性 / 切削抵抗 / 加工工具

Research Abstract

骨の機械加工において, 皮質骨は脆性的な材料であるために大きな切込において顕著な脆性き裂を発生することが分かっている. しかも, その脆性き裂は断熱的に発生することが指摘されていることから, 発生する脆性き裂の大きさや方向を自在に制御することによって加工による温度上昇を伴わない除去加工が可能になると考えられる.
1. き裂を利用した骨加工法の提案
提案した手法では, 工具の進行とともに制御した方向にき裂を生成し, 1回のき裂が形成した部分をブロック状に破壊する. それとともに工具は生成されたき裂面を僅かな切削抵抗による切削で極微細加工しながら仕上げ面を創成する. このような大切込切削では最初の脆性的き裂発生のために大きな力が必要となるうえ, そのき裂を工具進行方向に平行に発生しなければならない. そこで, 脆性的き裂の大きさと進行方向を制御するために, 工具の加工方向を衝撃振動で限定するき裂制御型加工法を提案した.
2. 皮質骨の脆性き裂発生のメカニズム解明
2次元切削を可視化することによって, 骨の組織構造との関連で亀裂発生の発端から進行方向や大きさあるいはき裂面の性状などを解明し, それを実際にき裂制御型加工にどう結びつけるかを検討した. 本研究では, 組織構造に依存しながら進展するき裂を積極的に利用するが, 刃先近傍に生じる引張り応力による斜下方向の亀裂を抑制しなければならない. そこで, 振動や衝撃を与えることによってき裂方向を制御する方法を試みた.
3. 脆性き裂発生の力学的解析
脆性き裂発生の発端となる工具刃先の応力場の解析によって亀裂の大きさや進行方向の予測を行い, その結果と実験結果を対応することによってき裂発生と制御の関係を検討した.

Research Products

• [Journal Article] Analysis and Estimation of Cutting-Temperature Distribution during End Milling in Relation to Orthopedic Surgery (2009)
  • Author(s): Sugita, N., Osa, T., Mitsuishi, M.
  • Journal Title: Medical Engineering & Physics 31 Pages: 101-107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 医用ミリング・ロボットの加工精度向上に関する研究 (2009)
  • Author(s): 杉田直彦, 源馬文章, 長隆之, 中島義和, 森雅彦, 新家秀規, 光石衛
  • Journal Title: システム制御情報学会誌 22(2) Pages: 66-73
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cutting Tool Protects for Soft Tissues in Bone-Milling Machining (2009)
  • Author(s): Sugita, N., Nakano, T., Osa, T., Nakajima, Y., Fujiwara, K., Ahe_N., Ozaki.T., Suzuki. M. and
  • Journal Title: International Journal of Automation Technology 3(2) Pages: 185-192
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A New Cutting Method for Bone Based on Its Crack Propagation Characteristics (2009)
  • Author(s): Sugita, N., Osa, T., Aoki, R. and Mitsuishi, M.
  • Journal Title: CIRP Annals-Manufacturing Technology 58(1)(in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 整形外科用骨切除装置における動的制御型加工法の提案 (2008)
  • Author(s): 杉田直彦, 中島義和, 光石衛
  • Journal Title: 計測自動制御学会論文集 44(4) Pages: 377-383
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 多軸医用加工機のための工具経路決定法 (2008)
  • Author(s): 杉田直彦, 源馬文章, 長隆之, 中島義和, 加藤丈晴, 光石衛
  • Journal Title: 日本機械学会論文集C編 74(743) Pages: 1907-1910
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 皮質骨の2次元切削におけるオステオンの破壊挙動 (2008)
  • Author(s): 杉田直彦, 光石衛
  • Journal Title: 日本臨床バイオメカニクス学会誌 29 Pages: 175-179
  • Peer Reviewed
• [Presentation] An intra-operative simulator for incision position and size in minimally invasive arthoplasty (2009)
  • Author(s): Sugita, N., Nakano, T., Nakajima, Y., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T., Suzuki, M., Mitsuishi, M.
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery 23rd International Congress and Exhibition
  • Place of Presentation: Berlin, Germany
  • Year and Date: 2009-06-23
• [Presentation] Dynamic Analysis of Osteon Fracturing and Crack Propagation for a New Bone Cutting Device (2009)
  • Author(s): Sugita, N., Osa, T., Mitsuishi, M.
  • Organizer: 9th International Conference of the European Society for Precision Engineering & Nanotechnology
  • Place of Presentation: San Sebastian, Spain
  • Year and Date: 2009-06-02
• [Presentation] A Cutting Tool System to Protect Surrounding Tissues in Robotic Assisted Surgery (2008)
  • Author(s): Sugita, N., Osa, T., Nakajima, Y., Mitsuishi, M.
  • Organizer: International Conference on Manufacturing and Automation
  • Place of Presentation: Kobe, Japan
  • Year and Date: 2008-09-24
• [Presentation] Approach to Protect Soft Tissues in Robotic Assisted Surgery (2008)
  • Author(s): Osa, T., Sugita, N., Mitsuishi, M., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T., Suzuki, M.
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery 22nd International Congress and Exhibition
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain
  • Year and Date: 2008-06-25
• [Presentation] Performance Improvement of a Medical Milling Robot (2008)
  • Author(s): Sugita, N., Genma, F., Osa, T., Nakajima, Y., Mitsuishi, M., Mori, M., Saraie, H.
  • Organizer: ASME International Symposium on Flexible Automation (ISFA2008)
  • Place of Presentation: Atlanta, USA
  • Year and Date: 2008-06-23
• [Presentation] 最小侵襲手術における軟部組織保護を目的とした工具開発 (2008)
  • Author(s): 長隆之, 杉田直彦, 中島義和, 藤原一夫, 阿部信寛, 尾崎敏文, 鈴木昌彦, 光石衛
  • Organizer: 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'08
  • Place of Presentation: 長野
  • Year and Date: 2008-06-05
• [Presentation] Optimization of Toolpath Generation in Medical CAM for a Machine Tool for Orthopedic Surgery (2008)
  • Author(s): Sugita, N, Osa, T., Nakajima, Y., Mitsuishi, M.
  • Organizer: The 41st CIRP Conference on Manufacturing Systems
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2008-05-26
• [Presentation] Deformation Analysis and Active Compensation of Surgical Milling Robot Basedon System Error Evaluation (2008)
  • Author(s): Sugita, N., Osa, T., Nakajima, Y. and Mitsuishi, M.
  • Organizer: IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA'08)
  • Place of Presentation: Pasadena, USA
  • Year and Date: 2008-05-19