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多元計算解剖学と固体損傷力学の融合による骨強度予測法の開発

公募研究

研究領域医用画像に基づく計算解剖学の多元化と高度知能化診断・治療への展開
研究課題/領域番号 17H05300
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関九州大学

研究代表者

東藤 貢  九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (80274538)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2018年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2017年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
キーワードCT画像 / 有限要素法 / 骨粗鬆症 / バイオメカニクス / 損傷力学 / 骨折 / 生体工学 / 整形外科 / 損傷モデル / 整形外科学
研究実績の概要

本研究課題では、多元計算解剖学の一分野として、臨床用CT画像と有限要素法を用いたコンピュータ・シミュレーション法(CT-FEM)と損傷力学の理論を組み合わせることで、骨の強度解析法を確立し臨床応用することを目的とした。H30年度の代表的研究成果としては以下の通りである。
(1)マイクロCT画像を用いたヒト大腿骨頭海綿骨の骨梁構造を考慮した数値モデルによる解析結果と、3Dプリンターを用いて骨梁構造を模擬して作製した多孔質構造体の力学試験結果を比較検討することで、骨梁構造の微視的変形破壊機構と巨視的な弾性率等の力学特性がCT-FEMの技術で再現可能であることを確認した。
(2)外力作用下での頚椎の骨折形態としてAnderson typeが知られているが、その発生メカニズムについては未知である。本研究では年齢と骨密度が異なる2名の患者CTデータより頚椎モデルを作成し、CT-FEMで骨折解析を行ったところ、2種類の全く異なる骨折形態を示すことを明らかにした。
(3)献体大腿骨の力学試験から得られた実験データをCT-FEMで再現することを試みたところ、従来の理論モデルでは初期剛性が大きく異なることが分かった。そこで、骨密度分布と弾性率を関連付ける新しい理論式を構築しシミュレーションに導入したところ、4種類の大腿骨試験結果のすべてに対して、高精度で初期剛性を予測できることが明らかになった。
(4)脳神経外科を受診した84名の患者の脊椎CTデータより、244個の椎体モデルを作成し、CT-FEMを用いて椎体強度と骨密度指標であるYAM値の相関について調査したところ、正常な骨密度を示すが骨折危険性が高い椎体を持つ患者が少なからず存在することが明らかになった。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 4件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Biomechanical analysis of hip joint arthroplasties using CT-image based finite element method2018

    • 著者名/発表者名
      M. Todo
    • 雑誌名

      Journal of Surgery and Research

      巻: 1 ページ: 7-10

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Biomechanical alteration of stress and strain distribution associated with vertebral fracture2017

    • 著者名/発表者名
      M. H. Mazlan, M. Todo, I. Yonezawa and H. Takano
    • 雑誌名

      Journal of Mechanical Engineering

      巻: SI2 ページ: 123-133

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Prediction of damage formation in hip arthroplasties by finite element analysis using computed tomography images2017

    • 著者名/発表者名
      A.H. Abdullah, M. Todo, and Y. Nakashima
    • 雑誌名

      Medical Engineering and Physics

      巻: 44 ページ: 8-15

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] CT-FEMを用いた骨とインプラントの力学的相互作用の理解と臨床応用2018

    • 著者名/発表者名
      東藤 貢
    • 学会等名
      第38回日本骨形態計測学会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Development of bone strength prediction method using multidisciplinary computational anatomy with damage mechanics2018

    • 著者名/発表者名
      M. Todo, Y. Inaba, Y. Matsuura, M. Mawatari, D. Umebayashi
    • 学会等名
      The 5th International Symposium on Multidisciplinary Computational Anatomy
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Assessment of vertebra strength using CT-image based finite element method2018

    • 著者名/発表者名
      M. Todo
    • 学会等名
      26th Annual Meeting of European Orthopedic Research Society
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 骨密度を用いた骨の力学特性予測とCT-FEMへの応用2018

    • 著者名/発表者名
      木佐木知裕、中牟田侑昌、松浦佑介、東藤貢
    • 学会等名
      第31回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] FEMによる人工股関節のバイオメカニクス解析2018

    • 著者名/発表者名
      東藤貢、中島康晴
    • 学会等名
      第45回日本臨床バイオメカニクス学会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 脊椎解析への有限要素法の応用2018

    • 著者名/発表者名
      東藤貢、高野弘充、佐藤達哉、米澤郁穂
    • 学会等名
      第45回日本臨床バイオメカニクス学会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Development of bone strength prediction method by using multidisciplinary computational anatomy with damage mechanics2018

    • 著者名/発表者名
      Mitsugu Todo, Ikuho Yonezawa
    • 学会等名
      Fourth International Symposium on the project “Multidisciplinary Computational Anatomy”
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] CT-FEMによるBKP後の続発性圧迫骨折予測解析2017

    • 著者名/発表者名
      東藤貢
    • 学会等名
      第56回日本生体医工学会大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] CT画像を利用したシミュレーションによる続発性圧迫骨折予測の試み2017

    • 著者名/発表者名
      東藤貢
    • 学会等名
      第46回日本脊椎脊髄病学会学術集会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] CT有限要素法により評価した椎体強度とYAM値に基づく骨粗鬆症診断基準の提案2017

    • 著者名/発表者名
      東藤貢、河村健吾、梅林大督、原政人
    • 学会等名
      第19回日本骨粗鬆症学会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] CT有限要素法による単独椎体の強度評価と骨密度との相関に関する研究2017

    • 著者名/発表者名
      東藤貢、河村健吾、梅林大督
    • 学会等名
      第44回日本臨床バイオメカニクス学会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 人工股関節ステムを挿入した大腿骨の骨密度およびヤング率の経年変化2017

    • 著者名/発表者名
      東藤貢、中牟田侑昌、中島康晴
    • 学会等名
      第44回日本臨床バイオメカニクス学会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Biomechanical analysis of hip joint arthroplasties using FEA with CT-image modelling2017

    • 著者名/発表者名
      Mitsugu Todo
    • 学会等名
      5th International Conference on Advances in Mechanical Engineering
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2019-12-27  

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