2011 Fiscal Year Annual Research Report
MRIによる膝関節3Dモデル作成システム構築および接触解析・手術管理技術への応用
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21360050
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
田邊 裕治 新潟大学, 自然科学系, 教授 (60143020)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂本 信 新潟大学, 医歯学系, 教授 (80215657)
小林 公一 新潟大学, 医歯学系, 助教 (70296317)
大森 豪 新潟大学, 研究推進機構超域学術院, 教授 (70283009)
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| Keywords | 生体力学 / THA / 3次元動作解析 / 2方向CR撮影 / CT / イメージ・マッチング / 剛体-バネモデル / 摺動面応力 |
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| Research Abstract |
前年度までの研究により膝関節に対する3次元骨-軟骨モデル再構築手法を確立した。本年度は股関節への応用と更なる展開を図った。人工股関節ではポリエチレン製ライナー(以下、ライナー)の摺動面に生じる応力分布の解析が、摩耗のメカニズムやインプラントのデザインを考える上で重要である。そこで、3次元動作分析装置Viconを用いて股関節の動作解析を行い、剛体-バネモデルを基礎とする離散要素解析により摺動面上の応力分布を求めた。
THA術後患者5名を対象として動作解析を行った。骨盤、大腿部と下腿部に計26個の反射マーカを貼付した状態で、立位2方向CR撮影とViconにより運動測定(歩行、椅子立ち上がり、同座り込みの3動作を対象)した。また予めCTにより下肢骨の3次元骨モデル(以下、骨モデル)を構築した。CR画像に対するイメージ・マッチングにより得られる骨モデルー反射マーカ間の相対位置と運動測定で得られる反射マーカの軌跡とを一致させるような最適化計算を行い、骨モデルの位置を推定した。さらに主要な38本の筋を対象者の骨形状に合わせて付加した筋骨格モデルを作成し、逆動力学により、股関節に作用する正味の関節反力を推定した。この関節反力の下、ステムおよびメタルバックを剛体、ライナーを弾性バネとする剛体-バネモデルを構築し、応力解析を行った。その際、ライナーCADモデルの摺動面を形成する3角メッシュを離散要素とし、各メッシュに仮想的に配置したバネの変形により応力を計算した。
動作サイクル中の摺動面応力や接触面積の変化をリアルタイム計算でき、屈伸動作の際に接触面積の変化に伴った大きな応力変化が観測された。本研究で展開した手法は運動測定から数値解析までの過程が簡単、また患者独自の骨モデルと運動データを使用するpatient specific解析となっていることから、有用性が高いと結論された。
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Research Products
(31 results)
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[Presentation] 膝関節における生体内接触動態解析2011
Author(s)
小林公一, 坂本信, Li GUOAN, 田邊裕治, 古賀良生, 佐藤卓, 大森豪
Organizer
第38回日本臨床バイオメカニクス学会
Place of Presentation
神戸ポートピアホテル(兵庫県)
Year and Date
2011-11-19
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[Presentation] Activities of Engineers Outside University Supporting Students and Faculties in Practical Engineering Education2011
Author(s)
Tetsuo Oka, Yuji Tanabe, Shuji Harada, Kazuhisa Abe, Takatsune Narumi, Kazuaki Yamagiwa, Takeo Maruyama, Nozomu Ishii, Shin-ya Nishimura, Masakazu Sengoku, Hideo Ohkawa
Organizer
2nd Asian Conference on Engineering Education (ACEE2011)
Place of Presentation
徳島大学(徳島県)
Year and Date
2011-10-09
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