亀裂制御型骨切除システムの研究

2009 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

骨を切除する際において,切削温度を低下するためには,工具や骨の冷却もしくは冷却水の導入が避けられないが,手術環境を各種の汚染から守らねばならない手術現場では,必要以上の器具の使用を避けたいし,手術時間も限定されるので,冷却のための余計な作業はなるだけ避けたい.
そこで我々が提案するのが「脆性亀裂制御による昇温防止型加工システムの開発」である.我々のこれまでの研究で,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亀裂を発生することが分かっている.しかもその脆性亀裂は断熱的に発生することが指摘されていることから,発生する脆性亀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.本年度は,下記の項目を実施した.
1.脆性亀裂制御型工具の開発
平成20年度中に開発した加工法を工具および装置へと発展させるとともに,上記の亀裂制御型骨切除法をシステム化した.脆性亀裂は繰返し衝撃によって発生させることが望ましいと考えられるので,ノミ型工具に繰返し衝撃振動を与える装置の開発を試みた.最適な亀裂制御を行うためには,工具材質,工具形状,衝撃条件などの詳細な検討が必要であり,平成20年度に得られた実験データを基に装置を開発した.
2.開発した加工装置の総合評価実験
実際に人工関節置換術支援骨切除装置で人体標本等を用いた加工実験を行うことで,その有効性を評価した.具体的には,(1)本加工装置を用いることによる,加工の低加工エネルギー化による骨切除の低侵襲化の評価,(2)加工精度,加工能率からみた装置の加工特性評価,(3)臨床試験に展開するための安全性の評価を行った.

Research Products

• [Journal Article] Tool Path Generator for Bone Machining in Minimally Invasive Orthopedic Surgery (2010)
  • Author(s): Sugita, N., Nakano, T., Nakajima, Y., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T., Suzuki, M., Mitsuishi, M.
  • Journal Title: IEEE Transactions on Mechatronics (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Specifications for machining the bovine cortical bone in relation to its microstructure (2009)
  • Author(s): Sugita, N., Mitsuishi, M.
  • Journal Title: Journal of Biomechanics Vol.42 Pages: 2826-2829
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interference free tool path generation in multi-axis milling machine for orthopedic surgery (2009)
  • Author(s): Nakano, T., Sugita, N., Kato, T., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T., Suzuki, M., Mitsuishi, M.
  • Journal Title: International Journal of Automation Technology Vol.3, No.6 Pages: 514-522
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic Controlled Milling Process for Bone Machining (2009)
  • Author(s): Sugita, N., Nakano, T., Nakajima, Y., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T., Suzuki, M., Mitsuishi, M
  • Journal Title: Journal of Materials Processing Technology Vol.209, No.17 Pages: 5777-5784
  • 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., Mitsuishi, M.
  • Journal Title: CIRP Annals-Manufacturing Technology Vol.58, No.1 Pages: 113-118
  • 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., Abe, N., Ozaki, T., Suzuki, M., Mitsuishi, M.
  • Journal Title: International Journal of Automation Technology Vol.3, No.2 Pages: 185-192
  • Peer Reviewed
• [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 Vol.31 Pages: 101-107
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 材料組織構造および機械特性に立脚した硬脆材料の精密加工 (2010)
  • Author(s): 杉田直彦
  • Organizer: 日本機械学会RC240研究分科会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2010-03-30
• [Presentation] 生産加工技術の医療分野への応用 (2010)
  • Author(s): 杉田直彦
  • Organizer: 最新加工技術に関する研究会, 金沢工業大学
  • Place of Presentation: 金沢
  • Year and Date: 2010-03-02
• [Presentation] Tool Path Generation to Protect Soft Tissue with Multi-axis Milling Machine (2009)
  • Author(s): Nakano, T., Sugita, N., Nakajima, Y., Kato, T., Fujiwara, K., Abe, N., Ozaki, T., Suzuki, M., Mitsuishi, M.
  • Organizer: The 5th International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century(LEM21)
  • Place of Presentation: Osaka
  • Year and Date: 2009-12-02
• [Presentation] 低侵襲型人工膝関節置換術支援ロボットの精度評価 (2009)
  • Author(s): 藤原一夫, 阿部信寛, 西田圭一郎, 尾崎敏文, 鈴木昌彦, 斉藤季, 杉田直彦, 中島義和, 光石衛, 井上貴之, 藏本孝一, 中島義雄
  • Organizer: 第18回日本コンピュータ外科学会大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2009-11-21
• [Presentation] 工作機械技術の医療分野への応用 (2009)
  • Author(s): 杉田直彦
  • Organizer: 医工連携人材育成セミナー, 神戸産業振興財団
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2009-10-10
• [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., Nakashima, Y., Kuramoto, K., Inoue, T., Mitsuishi, M.
  • Organizer: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery
  • Place of Presentation: German, Berlin
  • Year and Date: 2009-06-24
• [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: Proceedings of the euspen International Conference
  • Place of Presentation: Spain, San Sebastian
  • Year and Date: 2009-06-02