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力学的負荷の計測・見える化・自動識別による人工股関節挿入支援システム基盤開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K28458
補助金の研究課題番号 23H03770 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分90130:医用システム関連
小区分90140:医療技術評価学関連
合同審査対象区分:小区分90130:医用システム関連、小区分90140:医療技術評価学関連
研究機関順天堂大学

研究代表者

本間 康弘  順天堂大学, 医学部, 准教授 (80732883)

研究分担者 石島 旨章  順天堂大学, 大学院医学研究科, 教授 (70365576)
馬場 智規  順天堂大学, 医学部, 先任准教授 (40317459)
佐藤 太一  東京電機大学, 工学部, 教授 (50266871)
村上 祐貴  長岡工業高等専門学校, 環境都市工学科, 教授 (70509166)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円)
2025年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
2024年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
キーワード人工股関節 / 生体音響医工学 / 人工関節 / 人工股関節全置換術 / 人工知能 / 音響工学 / 深層学習 / 聴知覚 / AI / 叩打音
研究開始時の研究の概要

人工股関節手術は、経験や主観的判断に基づき行われ、合併症発生と成績格差の存在が課題である。我々は、人工関節挿入時の力学的負荷に関する客観的情報を術者が常に把握しながら手術を行うことで課題を克服できないかと着想した。本課題は、革新的手術支援システムの基盤構築を目的とし、1)人工股関節挿入時の局所的力学的負荷環境、2)人工股関節挿入時の叩打音特性の基本原理、3)人工股関節挿入時の「力学的負荷の計測」・「見える化」・「自動識別」という医療機器に必要な要素技術の3つを明らかにする。これらの成果は、合併症の減少と手術成績の均てん化による健康寿命の延伸といった世界の多くの人々に貢献する技術開発につながる。

研究実績の概要

本課題では、人工股関節挿入時の力学的負荷計測を活用した革新的手術支援システムの基盤構築を目的とし、次の3つの項目、1)人工股関節挿入時の局所的力学的負荷環境、2)人工股関節挿入時の叩打音特性の基本原理、3)人工股関節挿入時の力学的負荷の計測・見える化・自動識別できる医療機器の要素技術、を明らかにする計画である。
2023年度においては、モデルボーンを用いた模擬手術において、ハンマリング手技に伴う被叩打物体の局所的力学的負荷指標のうち、評価に有用であると考えられる特定の指標を明らかにした。そして、実際の手術における人工股関節挿入時のインプラント叩打音を解析し、インプラントが骨に適切に嵌合された状態になった際の叩打音の音響学的特徴を明らかにした。さらには、人間の聴感に応じた音の評価指標である変動音解析により適切にインプラントが嵌合した際の叩打音の見える化を達成し、当該データを用いた深層学習によるインプラントの嵌合度合に対する自動識別アルゴリズムも開発した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画作成時の目標であった、人工股関節挿入時の力学的負荷指標の特定も達成し、実際の手術での叩打音の音響学的特性も明らかにした。そして、令和7年度に実施予定であった手術支援医療機器の要素技術開発も前倒しで実施することが可能であったため、順調に進捗していると判断した。

今後の研究の推進方策

人工股関節挿入時の力学的負荷指標の解明に関しては、引き続き模擬骨を用いた解析を継続しつつ、カダバーを活用した解析を実施していく。また、実際の手術における間接的な力学的負荷指標としての音響特性の解析は、引き続き臨床データ収集と解析を継続し、インプラントの嵌合度合いだけでなく、インプラントの挿入角度等の要素による音響学的特徴の差異も解析を行なっていく。それらの、人工関節挿入時の力学的環境の解明により得られた特徴量を用いて、より高精度な自動識別アルゴリズムの開発を行なうことで、人工股関節挿入時の手技の妥当性を自動識別できる医療機器の要素技術を開発していく。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 3件、 査読あり 5件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件、 招待講演 3件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] クリーブランドクリニック(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] パリ東大学(フランス)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] フランス国立科学研究センター(フランス)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Patients With Shorter Stature Exhibit Minimal Hammering Sound Changes During Cementless Stem Insertion in Total Hip Arthroplasty2023

    • 著者名/発表者名
      Homma Yasuhiro、Zhuang Xu、Yanagisawa Naotake、Ishii Seiya、Baba Tomonori、Ishijima Muneaki
    • 雑誌名

      Arthroplasty Today

      巻: 21 ページ: 101136-101136

    • DOI

      10.1016/j.artd.2023.101136

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cost‐effectiveness of a novel, fluoroscopy‐based robotic‐assisted total hip arthroplasty system: A Markov analysis2023

    • 著者名/発表者名
      Ong Christian B.、Buchan Graham B. J.、Acu?a Alexander J.、Hecht Christian J.、Homma Yasuhiro、Shah Roshan P.、Kamath Atul F.
    • 雑誌名

      The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery

      巻: 20 号: 1

    • DOI

      10.1002/rcs.2582

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Recent advances in the direct anterior approach to total hip arthroplasty: a surgeon’s perspective2023

    • 著者名/発表者名
      Homma Yasuhiro、Baba Tomonori、Watari Taiji、Hayashi Koju、Kobayashi Hideo、Matsumoto Mikio、Banno Sammy、Ozaki Yu、Ochi Hironori、Jinnai Yuta、Ishii Seiya、Tanabe Hiroki、Shirogane Yuichi、Zhuang Xu、Yuasa Takahito、Kaneko Kazuo、Ishijima Muneaki
    • 雑誌名

      Expert Review of Medical Devices

      巻: 20 号: 12 ページ: 1079-1086

    • DOI

      10.1080/17434440.2023.2280986

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fluoroscopy-based robotics in total hip arthroplasty mitigates laterality-based differences in acetabular cup placement when compared to the manual, fluoroscopic- assisted technique2023

    • 著者名/発表者名
      Ong Christian B.、Buchan Graham B.J.、Hecht II Christian J.、Homma Yasuhiro、Harmon Daniel J.、Kendoff Daniel O.、Petterwood Joshua、Kamath Atul F.
    • 雑誌名

      Technology and Health Care

      巻: - 号: 5 ページ: 1-9

    • DOI

      10.3233/thc-231126

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Fluoroscopy-based robotic assistance for total hip arthroplasty improves acetabular cup placement accuracy for obese patients compared to the manual, fluoroscopic- assisted technique2023

    • 著者名/発表者名
      Ong Christian B.、Buchan Graham B.J.、Hecht II Christian J.、Kendoff Daniel O.、Homma Yasuhiro、Kamath Atul F.
    • 雑誌名

      Technology and Health Care

      巻: - 号: 5 ページ: 1-10

    • DOI

      10.3233/thc-231127

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Development of artificial intelligence using hammering sound during intraoperative femoral broaching to judge the initial stability of cementless stem in total hip arthroplasty.2023

    • 著者名/発表者名
      Homma Y.
    • 学会等名
      43rd SICOT Orthopaedic World Congress
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 音響解析による人工股関節手術時の合併症予防:フランス人外科医 Lisfranc からの バトン2023

    • 著者名/発表者名
      本間康弘
    • 学会等名
      第38回日本整形外科学会基礎学術集会 (シンポジウム)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] AIと叩打音の音響解析を活用したTHA手術手技支援システム開発2023

    • 著者名/発表者名
      本間康弘
    • 学会等名
      第50回日本股関節学会学術集会 (シンポジウム)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工股関節全置換術におけるセメントレスステム挿入時の叩打音変化の定量化とその変化率に寄与する因子の解析2023

    • 著者名/発表者名
      本間康弘, 庄徐, 白銀優一, 渡泰士, 馬場智規, 金子和夫, 石島旨章.
    • 学会等名
      第96回日本整形外科学会学術総会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 次世代治療創出への挑戦:自家濃縮骨髄液局所注入療法(先進医療B) と叩打音解析AI・THA支援システム2023

    • 著者名/発表者名
      本間康弘
    • 学会等名
      第54回 関西股関節研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [産業財産権] 叩打音判定装置、叩打音判定方法、及びプログラム2023

    • 発明者名
      本間康弘、他
    • 権利者名
      学校法人順天堂
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2024-049803
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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