| 研究課題/領域番号 |
15K05699
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| 研究機関 | 龍谷大学 |
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研究代表者 |
辻上 哲也 龍谷大学, 理工学部, 教授 (80243179)
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| 研究分担者 |
田原 大輔 龍谷大学, 理工学部, 講師 (20447907)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 整形外科手術シミュレータ / 模擬骨・模擬臓器 / トルク試験 / 骨ドリリング特性 / マイクロフォーカスX線CT / 均質化法 / 柔さ試験 / テクスチャ試験 |
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| 研究実績の概要 |
１．模擬骨の内部構造を考慮した機械的特性を評価するため，ノイズの少ない高解像度のマイクロフォーカスX線CT画像の取得方法を検討し，密度の異なる2種類の新規模擬骨のボクセルモデルを用いて均質化解析を行った。その結果，ヤング率は異方性を示したが，圧縮試験により求めたヤング率と同程度の結果が得られた。高解像でノイズ処理を行ったCT画像に適切な骨梁部の物性値と解析範囲を設定することで，ボクセルモデルを用いた均質化解析により，内部構造を考慮した特性評価が可能であることが示唆された。
２．模擬骨の空孔分布とドリリング特性の関連を明らかにするため，空孔の形態分析とドリリング荷重の有限要素解析を行った。マイクロフォーカスX線CT装置で撮像した既存・新規模擬骨を三次元ボクセルモデル化し，空孔の形態分析と有限要素解析を行った。既存模擬骨は, 空孔分布が正規分布し，ドリリング荷重は一定になったが，新規模擬骨は，大小の空孔が特徴的に分布し，ドリリング荷重が顕著に変化した。大小の空孔の分布は，ドリリング時にドリル先端に接触する模擬骨のミクロな構造の不均一性を増すため，模擬骨のドリリング特性において，空孔分布の差は重要な因子であることがわかった。
３．模擬臓器材料に対する機械的特性評価手法の確立を行うため，柔さ試験によるヤング率とテクスチャ試験のパラメータとの関連性の検討を行った。柔さ試験により，水分量の異なる3種類のPVAシートに対してヤング率測定を行った結果，水分量が少なくなるほど大きくなる結果が得られた。また，食感の数値化に使用されるテクスチャ試験を実施し，そのパラメータの一つである「硬さ」が，ヤング率と同様の傾向を示し，強い相関性があることが示された。これらの結果から，これらの試験は，軟材料の特性の定量化が可能であり，模擬臓器の評価手法として有効であることが示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
１．密度の異なる2種類の新規模擬骨に対してボクセルモデルを作成し，均質化解析を行った結果，実験と同程度のヤング率が得られることがわかったが，異方性を示した。模擬骨の空孔が楕円形状のものがあることや，解析範囲に含まれる空孔部分が対称的でないためと考えられるが，原因がはっきりしていない。模擬骨の製造にとって異方性の制御は重要であるため，異方性の程度や発生原因について解明する必要がある。
２．模擬骨に対する空孔の形態分析とドリリング荷重の有限要素解析の結果，ミクロな大小の空孔分布がドリリング特性に影響を与えることが示され，より実骨に近い模擬骨の製造には，大小の空孔の適切な分布が重要であることが示唆された。今後，実際のドリリング荷重との比較を行う必要がある。
３．軟材料の特性評価手法として，柔さ試験およびテクスチャ試験は，模擬臓器材料の評価手法として有効であることが示唆された。しかしながら，実験の値にばらつきが大きく，有意差が明確にでないパラメータも多く，さらなる試験方法の検討と評価パラメータの抽出が必要である。
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| 今後の研究の推進方策 |
１．模擬骨のマイクロフォーカスX線CTスキャンによるイメージベース計算モデルによる均質化解析が異方性を示す原因究明として，模擬骨と実骨を用いた内部構造分析の比較を行い，また，等方性や異方性を人工的に制御できる幾何学的モデルを用いた検討を行う。
２．模擬骨材料に対するマイクロフォーカスX線CTスキャンを基に，微細構造を反映した模擬骨材料の3Dプリンティングに挑戦し，そのトルク試験とねじ押し抜き試験を行う。得られた特性と，元の模擬骨材料に対するトルク試験・ねじ押し抜き試験結果を比較し，材料の微細構造がドリリング荷重に与える影響を評価する。
３．柔さ試験およびテクスチャ試験におけるばらつきの抑制方法の検討と切除や縫合に対する力学的パラメータの抽出と柔さ特性とテクスチャ解析との関連性について調査する。さらに，PVA由来の人工臓器材料の超弾性物性値との関連性を調査する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
購入物品のテクスチャ試験器の納入価格が，請求時の予定価格より10万円程度安くなったため。
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| 次年度使用額の使用計画 |
模擬骨材料や実骨のモデリングやドリリング試験を実施するにあたり，試験片の調達が必要になる。また，解析ソフトの調達やその保守料，また，成果報告のための出張費や論文作成費として使用予定である。
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