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2012 Fiscal Year Research-status Report

人工膝関節置換術前後の関節動態解析による高屈曲時における膝蓋大腿関節の機能解明

Research Project

Project/Area Number 24592288
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Research InstitutionKyushu Sangyo University

Principal Investigator

日垣 秀彦  九州産業大学, 工学部, 教授 (00238263)

Project Period (FY) 2012-04-01 – 2015-03-31
Keywordsイメージマッチング / 国際情報交換 / 合衆国
Research Abstract

膝関節における変形性膝関節症患者に術前にCT撮影を行い,術前と術後リハビリテーション終了後のニーリング動作とスクワット動作の動態をフラットパネルディテクターによりX線動画撮影を実施した.これらの動態に対し,術前の膝に関してはCTによる各グレースケール 3Dモデルを用いたX線透過シミュレーション画像によるイメージマッチングを行い,6自由度動態を解析する.術後の人工関節置換膝に対しては使用した人工膝関節機種のCADモデルによるパターンマッチングと膝蓋骨残部に対するイメージマッチングにより人工膝関節の3コンポーネント間の動的相対関係を解析した.その際,2肢位の動画像から人工関節と術前の生体骨に設定した座標系の変換マトリックスを,術後の大腿脛骨においてリモデリングが生じにくいと考えられる長管骨部分のイメージマッチングにより求め,術前術後の同じ骨座標系での動態比較評価も可能にした.
術前における前後十字靭帯や膝蓋靭帯の解剖学的な付着位置を仮定し,各靭帯の緊張度を解析した.術後においても後十字靭帯と膝蓋靭帯の緊張度を比較した.術前術後において後十字靭帯は手術における骨切り量に依存して緊張度が増減することが確認された.6自由度評価における大腿脛骨の座標系の接近量からも確認された.手術前後の膝蓋靭帯の緊張度に変化は確認できなかった.脛骨に対する膝蓋と大腿の相対関係は,術前後で骨のアライメントは改善されるのに対し,術前の膝蓋は大腿のグルーブと形状適合がよく,大腿骨の動態に連動する動態が確認されたが,術後の膝蓋は多くの自由度で機械的に直線的な運動をすることが新たに確認された.さらに,ヘリカルアクシスを指標に相対運動を評価したところ,術前において脛骨に対する膝蓋は屈曲伸展運動よりもティルトやローテーションが主な不安定な動きになっているのに対し,術後は屈曲伸展方向の回転が中心に変わっていた.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は生体骨と人工関節のそれぞれのマッチング技術を応用した動態解析技術を開発することを目的としていた.さらに,評価技術における座標変換ソフトや軟骨下骨間距離分布計測ソフト,ヘリカルアクシス評価,靭帯付着部間計測等の基本ソフト開発が目的であった.
全てのソフト開発を実施しており,ほぼ完成している.
システムの検証として動態解析において,繰り返し精度検定を行ったところ,人工関節の場合,大腿コンポーネントの並進運動と回転運動が0.1mm0.1度以内で脛骨コンポーネントが0.3mm0.2度,生体骨の場合,大腿骨が並進と回転運動で,それぞれ0.2mm0.3度以内,脛骨において0.2mm0.3度以内,膝蓋骨において0.2mm0.2度以内の精度が確認され,整形外科領域における診断においても十分使用できる範囲であった.変形性膝関節症と人工膝関節置換膝を対象とした術前術後の評価においても,術前の代表的な動態や手術によるアライメントの改善,人工関節における新たな動態の発見などが確認され,本年度目指した解析評価ソフトの開発は,次年度に向けた詳細な臨床解析に取って十分な精度と評価技術を有したものであることが確認できた.

Strategy for Future Research Activity

前年度までの動態解析結果や考察を基に臨床データを蓄積し,生体関節の高屈曲機能における効果的な運動様式や靭帯機能および関節形状パラメータより,PS型人工膝関節において機能再現に効果的な形状パラメータを解析し,実形状の設計を実施する.既存の人工膝関節の置換前後の動態に提案形状をインポーズし,高屈曲に影響すると考えられる膝蓋靭帯の緊張度等を推測し,既存製品に対する優位性をケーススタディーする.
これらの知見を基にCADによる各形状パラメータの詳細設計と,各形状パラメータにより誘導される動態のシミュレーションによる形状不備に関しフィードバック再設計を行い,各コンポーネントを試作する.この時,九州大学病院整形外科における術前の骨形状のデータを統計化し,日本人に最適なサイズバリエーションを検討する.さらに,歩行のような複雑な6自由度運動を完全再現可能とするために,独自に開発している膝関節6自由度トライボシミュレータにより,通常歩行や高屈曲運動において製品の故障につながる危険肢位での面圧測定等の力学試験を行い,安全性等を確認する.
試作品の加工に関しては主に九州産業大学のNCマシニングセンタや研磨設備で実施するが,人工関節材料は軟切削性材料であるため,医療機器メーカーとしての観点から研究協力者である泉工医科学工業(株)整形部の協力により,特殊な加工等にご協力いただく.さらに,手術操作性等を考慮し,接合部等の形状は臨床家と医療器メーカーの研究協力者全員とともに協議し,詳細設計を検討する.

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

該当なし

  • Research Products

    (38 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (34 results) (of which Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] ヒアルロン酸製剤のバイオトライボロジー2012

    • Author(s)
      日垣秀彦,下戸健,石川篤,三浦裕正
    • Journal Title

      MB Orthopaedics

      Volume: Vol.25, No.6 Pages: 37-41

    • DOI

      ISSN 0914-8124

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] セラミック材料への低線量γ線照射により発生した空間電化測定2012

    • Author(s)
      一木博文,春山元秀,日垣秀彦,惟永和人,石橋健二,川口俊郎,二神光次
    • Journal Title

      RADIOISOTOPES

      Volume: Vol.61, No.9 Pages: 475-479

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] CT画像に基づくX線動画像シミュレーションを用いた健常膝蓋骨の動態解析2012

    • Author(s)
      白石善孝,下戸健,日垣秀彦,石川篤,中西義孝,田代泰隆,石丸雅巳,三浦裕正,岩本幸英,原利昭
    • Journal Title

      臨床バイオメカニクス

      Volume: Vol.33 Pages: 85-192

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] CADソフトによるアライメント評価と動態解析の座標系2013

    • Author(s)
      日垣秀彦
    • Organizer
      日本CAOS研究会
    • Place of Presentation
      愛媛
    • Year and Date
      20130314-20130315
    • Invited
  • [Presentation] TKA前後のイメージマッチング動態解析技術2013

    • Author(s)
      日垣秀彦
    • Organizer
      日本CAOS研究会
    • Place of Presentation
      愛媛
    • Year and Date
      20130314-20130315
    • Invited
  • [Presentation] 人工膝関節全置換術前後における膝蓋大腿関節の動態解析2013

    • Author(s)
      池部怜,日垣秀彦,下戸健,中西義孝,白石善孝,石丸雅巳,三浦裕正
    • Organizer
      日本機械学会 九州支部 第66期総会・講演会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      20130313-20130313
  • [Presentation] PS型人工関節置換膝における膝蓋大腿関節面の接触圧力評価2013

    • Author(s)
      手島祐太朗,村上厳寛,池部怜,日垣秀彦,下戸健,川原慎也,岩本幸英
    • Organizer
      日本機械学会 九州学生会第44回学生員卒業研究発表講演会
    • Place of Presentation
      熊本
    • Year and Date
      20130305-20130306
  • [Presentation] 変形性関節症疾患膝における膝蓋大腿関節を対象としたスクワット動作時の動態解析2013

    • Author(s)
      小島崇嗣,後田康佑,池部怜,日垣秀彦,白石善孝,石丸雅巳,三浦裕正
    • Organizer
      日本機械学会 九州学生会第44回学生員卒業研究発表講演会
    • Place of Presentation
      熊本
    • Year and Date
      20130305-20130306
  • [Presentation] 股関節を対象とした6自由度動態解析の検討2013

    • Author(s)
      奈須将史,原直人,日垣秀彦,原大介,濵井敏,中島康晴,岩本幸英
    • Organizer
      日本機械学会 九州学生会第44回学生員卒業研究発表講演会
    • Place of Presentation
      熊本
    • Year and Date
      20130305-20130306
  • [Presentation] 後十字靭帯置換型人工膝関節における階段昇り動作時のポストカム機構と前方インピンジメントの機能2013

    • Author(s)
      濵井敏,岡崎賢,崎村陸,水内秀城,田代泰隆,下戸健,日垣秀彦,岩本幸英
    • Organizer
      第43回日本人工関節学会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      20130222-20130223
  • [Presentation] コンピュータシミュレーションを用いた人工膝関節置換術における脛骨後傾と大腿四頭筋力及び膝蓋大腿関節圧の関連2013

    • Author(s)
      岡本重敏,水内秀城,岡崎賢,濵井敏,崎村陸,田代泰隆,川原慎也,中原寛之,日垣秀彦,下戸健,岩本幸英
    • Organizer
      第43回日本人工関節学会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      20130222-20130223
  • [Presentation] 深屈曲動作時における人工関節置換膝と健常生体膝の動態の比較2013

    • Author(s)
      西松和穂,池部怜,日垣秀彦,下戸 健,中西義孝,白石善孝,三浦裕正,中原寛之,濱井敏,岩本幸英
    • Organizer
      日本機械学会 第25回バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      茨城
    • Year and Date
      20130109-20130111
  • [Presentation] 6自由度動態解析手法を用いたStair-climbing 動作における健常膝蓋骨の機能評価2013

    • Author(s)
      白石善孝,石丸雅巳,三浦裕正,池部怜,西松和穂,日垣秀彦,中西義孝,田代泰隆,岩本幸英
    • Organizer
      日本機械学会 第25回バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      茨城
    • Year and Date
      20130109-20130111
  • [Presentation] 生体模倣技術による潮流発電用潤滑システム2013

    • Author(s)
      中西義孝,嶋津賢了,松本保朗,甲斐慎太郎,日垣秀彦
    • Organizer
      日本機械学会 第25回バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      茨城
    • Year and Date
      20130109-20130111
  • [Presentation] プラスチック製椎体間スペーサーにおける力学試験とFEM 解析の関連性2013

    • Author(s)
      永村和真,松本保朗,瀬井章,砥上若菜,水田博志,日垣 秀彦,中西義孝
    • Organizer
      日本機械学会 第25回バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      茨城
    • Year and Date
      20130109-20130111
  • [Presentation] 髄内釘の性能評価における力学試験とFEM 解析の相互関係について2013

    • Author(s)
      松本保朗,永村和真,瀬井章,水田博志,日垣秀彦,中西義孝
    • Organizer
      日本機械学会 第25回バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      茨城
    • Year and Date
      20130109-20130111
  • [Presentation] CT画像に基づくX線動画像シミュレーションを用いた健常膝蓋骨の動態解析2012

    • Author(s)
      白石善孝,下戸健,日垣秀彦,石川篤,中西義孝,田代泰隆,石丸雅巳,三浦裕正,岩本幸英,原利昭
    • Organizer
      第39回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      千葉
    • Year and Date
      20121109-20121110
  • [Presentation] 整形外科用インプラント開発における力学試験とFME解析との関係 第二報 椎体間スペーサー開発における整合性評価2012

    • Author(s)
      永村和真,日垣秀彦,岩本幸英,水田博志,中西義孝
    • Organizer
      第39回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      千葉
    • Year and Date
      20121109-20121110
  • [Presentation] 整形外科用インプラント開発における力学試験とFME解析との関係 第一報 髄内釘開発における整合性評価2012

    • Author(s)
      松本保朗,村山伸樹,日垣秀彦,岩本幸英,水田博志,中西義孝
    • Organizer
      第39回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      千葉
    • Year and Date
      20121109-20121110
  • [Presentation] 後十字靭帯置換型人工膝関節における階段昇り動作時のポストカム機構と前方インピンジメント2012

    • Author(s)
      濱井敏,水内秀城,田代泰隆,下戸健,日垣秀彦,岩本幸英
    • Organizer
      第39回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      千葉
    • Year and Date
      20121109-20121110
  • [Presentation] 人工関節の表面研磨法が摩耗粉形態とサイトカイン産生に与える影響2012

    • Author(s)
      中西義孝,日垣秀彦,三浦裕正,水田博志,岩本幸英
    • Organizer
      第39回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      千葉
    • Year and Date
      20121109-20121110
  • [Presentation] PS型人工膝関節における階段昇り動作時のポストカム機構と前方インピンジメント2012

    • Author(s)
      濵井敏,岡崎賢,崎村陸,水内秀城,田代泰隆,下戸健,日垣秀彦,岩本幸英
    • Organizer
      第18回Fukuoka Knee Society
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      20121013-20121013
  • [Presentation] 1方向X線動画像を用いた深屈曲動作における健常膝蓋骨の機能評価2012

    • Author(s)
      白石善孝,石丸雅巳,三浦裕正,日垣秀彦,池部怜,西松和穂,中西義孝,田代泰隆,岩本幸英
    • Organizer
      日本機械学会 第23回バイオフロンティア講演会
    • Place of Presentation
      青森
    • Year and Date
      20121005-20121006
  • [Presentation] 生体関節における6自由度動態解析手法を用いた変形性関節症疾患膝の機能評価2012

    • Author(s)
      池部怜,日垣秀彦,下戸健,中西義孝,白石善孝,石丸雅巳,三浦裕正,田代泰隆,岩本幸英
    • Organizer
      日本機械学会 第23回バイオフロンティア講演会
    • Place of Presentation
      青森
    • Year and Date
      20121005-20121006
  • [Presentation] Co-Cr-Mo 合金上の表面テクスチャリングが人工関節の生体反応活性に与える影響2012

    • Author(s)
      中西義孝,嶋津賢了,伊熊駿,峠睦,日垣秀彦
    • Organizer
      2012年度 精密工学会 秋季大会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      20120914-20120916
  • [Presentation] 髄内釘開発および性能評価における力学試験とFEM 解析との相互関係2012

    • Author(s)
      松本保朗,峠  睦,日垣秀彦,中西義孝
    • Organizer
      2012年度 精密工学会 秋季大会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      20120914-20120916
  • [Presentation] 6 自由度膝動態測定器を用いたACL 不全膝の動態計測2012

    • Author(s)
      甲斐慎太郎,鬼木泰成,中村栄一,水田博志,日垣秀彦,中西義孝
    • Organizer
      日本機械学会 2012年度年次大会
    • Place of Presentation
      石川
    • Year and Date
      20120909-20120912
  • [Presentation] 人工椎体の開発過程におけるFEM 解析と力学試験の関連性2012

    • Author(s)
      嶋津賢了,中牟田侑昌,瀬井章,砥上若菜,水田博志,日垣秀彦,中西義孝
    • Organizer
      日本機械学会 2012年度年次大会
    • Place of Presentation
      石川
    • Year and Date
      20120909-20120912
  • [Presentation] 髄内釘の開発・評価におけるFEM 解析と力学試験の相互関係について2012

    • Author(s)
      松本保朗,瀬井章,水田博志,日垣秀彦,中西義孝
    • Organizer
      日本機械学会 2012年度年次大会
    • Place of Presentation
      石川
    • Year and Date
      20120909-20120912
  • [Presentation] 指屈筋腱縫合術における補助縫合方法の検討2012

    • Author(s)
      下戸健,白石善孝,石川篤,日垣秀彦,松田匡弘,光安廣倫,岩本幸英,三浦裕正
    • Organizer
      日本機械学会 2012年度年次大会
    • Place of Presentation
      石川
    • Year and Date
      20120909-20120912
  • [Presentation] 膝関節運動にともなう膝関節近位皮膚の伸長特性2012

    • Author(s)
      梅野貴俊,北川亮,日垣秀彦,中西義孝,岡野亮太
    • Organizer
      日本機械学会 2012年度年次大会
    • Place of Presentation
      石川
    • Year and Date
      20120909-20120912
  • [Presentation] 画像相関を利用したイメージマッチング法による膝蓋骨三次元動態解析2012

    • Author(s)
      石丸雅巳,下戸健,日野和典,渡邊誠治,井関康武,日垣秀彦,三浦裕正
    • Organizer
      第4回日本関節鏡・膝・スポーツ整形外科学会(4th JOSCAS)
    • Place of Presentation
      沖縄
    • Year and Date
      20120719-20120721
  • [Presentation] Co‐Cr‐Mo合金の研磨法が人工関節用超高分子量ポリエチレンの摩耗特性に与える影響2012

    • Author(s)
      伊熊駿,嶋津賢了,日垣秀彦,中西義孝
    • Organizer
      日本トライボロジー学会トライボロジー会議2012春
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      20120514-20120516
  • [Presentation] 水和材料と水系潤滑液にて構成されるすべり軸受の摩擦特性2012

    • Author(s)
      中西義孝,日垣秀彦,白石善孝
    • Organizer
      日本トライボロジー学会トライボロジー会議2012春
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      20120514-20120516
  • [Presentation] 人工関節しゅう動面の研磨法が超高分子量ポリエチレンの摩耗粉形態に与える影響2012

    • Author(s)
      中西義孝,徳永和明,松浦達己,南部拓哉,水田博志,三浦裕正,日垣秀彦,岩本幸英
    • Organizer
      第51回日本生体医工学会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      20120510-20120512
  • [Presentation] Image matching 法を用いた腰椎動態解析2012

    • Author(s)
      山岡豪大朗,下戸健,日垣秀彦,尾形直則,森野忠夫,堀内秀樹,三浦裕正
    • Organizer
      第41回日本脊椎脊髄病学会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      20120419-20120421
  • [Presentation] 屈筋腱縫合においてInterlocking cross-stitch法の力学的強度に作用する因子に関する検討2012

    • Author(s)
      松田匡弘,光安廣倫,日垣秀彦,下戸健,岩本幸英
    • Organizer
      第55回日本手外科学会学術集会
    • Place of Presentation
      神奈川
    • Year and Date
      20120419-20120420
  • [Remarks] Higaki Laboratory

    • URL

      http://www.ip.kyusan-u.ac.jp/J/kougaku/tm/higaki/

URL: 

Published: 2014-07-24  

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