2021 Fiscal Year Research-status Report
Determination of optimal design of orthodontic appliances using artificial intelligence and simulation of long-term tooth movement
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21K17188
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
ヌエン アン・チュアン 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(歯学系), 客員研究員 (60897338)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 共分散進化戦略 / 人工知能 / 有限要素法 / 歯の移動 / 骨改造 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人工知能 (AI) 技術を適用し、最適化問題を解く手法として共分散進化戦略（CMA-ES）を用い、生体での実験結果とシミュレーション結果の誤差を最小とする骨改造量、すなわち歯の移動量を計算するパラメータの最適化を行うことで骨改造現象を組み込んだ長期的な歯の移動シミュレーション法を開発することとした。
生体に近似した歯槽骨改造現象をシミュレーションするために、動物実験モデルを用い、マイクロCT画像の重ね合わせにより、歯の移動時の歯槽骨リモデリング速度を定量化し、有限要素法を用いて解析した応力との相関を明らかにした。ラットにおける3次元的な歯の移動動態を詳細に明らかにし、応力や骨密度と骨改造速度の関連を解明する必要がある。そこで、10 週齢ウィスター系ラットの第一臼歯に近心移動用コイルスプリングを装着し、実験的歯の移動を行った。牽引力は5gfおよび10gfとし、移動期間は7, 14, 21, 28日と、移動様式としては、傾斜移動と歯体移動を行った。次に、移動前後のマイクロCT画像を、３次元画像造形編集ソフトウェア（Mimics、Materialize社）を用いて3次元サーフェスデータへと変換した。移動前後のサーフェスデータをIterative Closest Point(ICP)アルゴリズムを使用して重ね合わせ、第一臼歯の3次元的な移動量（回転量・並進量）を算出した。マイクロCTデータのボクセル値から骨密度、ならびに作成した3次元有限要素モデルを対象に、矯正力負荷時の応力値を求め、長期的な歯の移動シミュレーションを行う際の骨改造のパラメータの最適化を行った。有限要素モデルに応力や骨密度が骨改造速度に与える影響を組み込み、計算からフィードバックを繰り返し、シミュレーションの精度の向上をはかった後に、生体データとの近似性を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
有限要素モデルに適用するための生体データをマウスを用いた実験的歯の移動実験により取得する必要がある。歯の移動量を計測するためには、小動物用in vivoマイクロCTを用いて、歯の移動前と移動後の撮影を行った後に、３次元構築画像の重ね合わせより、歯の移動動態を評価する必要があるが、小動物用in vivoマイクロCTに不具合が生じ、実験的歯の移動実験を行えない事態が発生したため、研究の進行に遅延が生じた。
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| Strategy for Future Research Activity |
装置デザインとして、埋伏犬歯を最終目標位置まで牽引する状況を想定し、埋伏犬歯に装着するアタッチメント位置とホールディングアーチ上の牽引用フック位置の最適な組合せ（牽引方向）を決定するシステムを開発する。すなわち、完成した長期的な歯の移動シミュレーションシステムを用いて、犬歯が埋伏したモデル上で、埋伏歯に装着するアタッチメントとホールディングアーチ上の牽引用フックを任意の位置に設定し、犬歯牽引のシミュレーションを行う予定である。
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| Causes of Carryover |
マウスを用いた実験的歯の移動実験において、小動物用in vivoマイクロCTを用いて、移動前と移動後の撮影を行った後に、３次元構築画像の重ね合わせより、歯の移動動態を評価する必要があるが、小動物用in vivoマイクロCTに不具合が生じるなどしたために、動物実験に必要な経費の執行が行えず、次年度使用額が生じた。
今後の使用計画については、研究の遅れを挽回すべく、動物実験に必要な物品、その他を購入する予定である。
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Research Products
(1 results)
