骨の力学的再構築による適応と残留応力に関するバイオメカニクス的研究

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06855015
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 安達 泰治 神戸大学, 工学部, 助手 (40243323)
• キーワード: バイオメカニクス / 骨 / 力学的再構築 / 残留応力 / 等応力仮説 / 格子連続体 / 海綿骨 / 骨粱構造

研究概要

生体組織が,絶えず自らを成長・吸収させることにより,機能を維持・回復し,力学的環境の変化に対して適応する能力を有していることは広く認められている.骨の再構築による力学的適応モデルは,連続体としての応力やひずみを用いて現象論的に表現されることが多い.しかしながら,骨に作用する力学負荷と再構築との間には,様々な連関したメカニズムが含まれていることが予想され,モデルの詳細化においてはそれらの階層性の考慮が不可欠となる.本研究では特に力学的階層性に着目し骨粱レベルでの力学状態と巨視的力学状態とを結び付ける適応モデルの提案とシミュレーションを行った.
1.格子連続体モデルを用いて組織構造レベルでの応力調整過程としての力学的適応の現象論的数理モデルを提案した.また,骨粱構造の形態特徴量を計測し,格子連続体モデルのパラメータの決定を試みた.
2.直交格子モデルが先見的に仮定する再構築平衡状態における骨粱構造の直交性をより一般的な記述により拡張するため,斜交格子連続体モデルを提案するとともに,骨粱配向変化の再構築モデルを提案した.再構築平衡状態における最適性として骨粱表面での等応力状態を仮定することにより,先に示した直交格子モデルの再構築則が同じ形式で導かれ,せん断の有効応力を用いた形式で格子の配向変化を表現できることが示された.
3.骨粱表面再構築の直接シミュレーションモデルを提案した.骨粱表面での等応力化規範を適用することで,斜交格子連続体モデルを用いた再構築モデルの解と定性的に同じ結果が得られることが確認された.Wolffの仮説等に述べられる骨粱構造と力学的環境との関連を探る一つの手法として,提案した直接シミュレーションの有効性が期待される.また,応力均一化等の仮説の検証により骨の力学的適応性の理解が深まるものと考えられる.

研究成果

• [文献書誌] M.Tanaka,T.Adachi: "Preliminary Study on Mechanical Bone Remodeling Permitting Residual Stress." JSME International Journal. 37A-1. 87-95 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,冨田佳宏,田中正夫,恵良修二: "弾性コッセラ体有限要素法とその微視構造を有する材料の変形シミュレーシィンへの応用" 日本機械学会論文集. 60A-569. 191-197 (1994)
• [文献書誌] T.Adachi,Y.Tomita and M.Tanaka: "Cosserat Continuum Model of Bone Structure and Simulation" Proc.37th Jpn Cong.on Mat.Res.215-221 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,田中正夫,大久保忠紀: "皮膚骨・海綿骨系の不静定構造の残留応力:牛尾椎による実験的検討" 日本臨床バイオメカニクス学会誌. 15. 13-16 (1994)
• [文献書誌] 田中正夫,安達泰治,冨田佳宏: "骨組織の構造と残留応力とを考慮した力学的再構築モデル" 日本機械学会論文集. 60A-580. 2921-2927 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,田中正夫,冨田佳宏: "内部構造を有する骨の適応を模した力学構造の形成" システム/制御/情報学会. (発表予定). (1995)
• [文献書誌] 安達泰治,冨田佳宏,松井修,田中正夫: "椎体骨粱構造の特徴量計測:骨粱密度と配向性の分布" 第21回日本臨床バイオメカニクス学会学会誌. 16(発表予定). (1995)
• [文献書誌] 安達泰治,田中正夫,冨田佳宏: "海綿骨の力学特性と骨粱再構築" 日本機械学会関西支部第69期定時総会講演会論文集. 944-1. 52-54 (1994)
• [文献書誌] 田中正夫,大久保忠紀,安達泰治: "椎体内残留応力の分布:牛尾椎を用いた観察" 日本機械学会関西支部第69期定時総会講演会論文集. 944-1. 68-70 (1994)
• [文献書誌] M.Tanaka T.Adachi,Y.Tomita and T.Ohkubo: "Residual Stress in Cortical-Cancellous Bone and Equistress Hypothesis at Remodeling Equilibrium." Biomedical Engineering.Recent Developments,(Proc.13th Southern Biomedi.Engng.Conf.). 413-416 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,冨田佳宏,田中正夫,松井修: "骨粱格子連続体モデルのパラメータの決定" 日本材料学会第43期学術講演会講演論文集. 51-52 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,坂上拡,冨田佳宏: "内部成長のもたらす構造体の最適性(初期ひずみ及び密度変化による場合)" 日本機械学会第4回設計工学・システム部門講演会論文集. 940-22. 39-42 (1994)
• [文献書誌] M.Tanaka T.Adachi,Y.Tomita: "Regulation Model of Microstructural Stress in Trabecular Bone remodeling." 2nd World Cong.Biomechanics. 2. 240
• [文献書誌] M.Tanaka,T.Adachi,Y.Tomita: "Mechanical Remodeling of Bone with Microstructure:A Computational Model." 3rd World Cong.Comp.Mech.2. 1957-1958 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,松井修,冨田佳宏,田中正夫: "椎体骨粱構造の特徴量計測と力学特性の分布" 日本機械学会第6回バイオエンジニアリング部門学術講演会論文集. 940-3. 106-108 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,田中正夫,冨田佳宏: "格子連続体モデルによる椎体の力学的再構築シミュレーション" 日本機械学会第72期全国大会講演会論文集. 940-30. 53-55 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,田中正夫,冨田佳宏: "力学的再構築による骨粱構造変化(格子連続体モデルによる検討)" 日本機械学会材料力学部門講演会講演論文集. 940-37B. 287-288 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,冨田佳宏,松井修,田中正夫: "椎体骨粱構造の特徴量計測:骨粱密度と配向性の分布" 第21回日本臨床バイオメカニクス学会講演論文集. 94 (1994)
• [文献書誌] T.Adachi,Y.Tomita,M.Tanaka: "Mechanical Bone Remodeling Considering Residual Stress:A Lattice Continuum Model." ASME,Advances in Bioengineering24GF19:255-256.
• [文献書誌] 安達泰治,冨田佳宏,田中正夫: "骨粱モデルとしての斜交格子連続体" 第18回NCP研究会・機械の強度と形態研究懇話会シンポジウム講演論文集. 49-50 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,田中正夫,冨田佳宏: "骨粱構造の配向変化を考慮するための斜交格子連続体モデル" 日本機械学会第4回バイオメカニクスカンファレンス講演論文集. 95-3. 110-111 (1994)
• [文献書誌] 安達泰治,坂上拡,冨田佳宏: "表面再構築による骨粱形態変化の直接シミュレーション" 日本機械学会第4回バイオメカニクスカンファレンス講演論文集. 95-3. 112-113 (1994)