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(1)骨切削用最適工具の設計と試作および性能評価
人工関節置換術において、切除される骨の切削抵抗による力学的負担と切削熱による熱的損傷を軽減し、加工精度と加工効率の高い加工方法を実現するためには、近い将来、骨再生効果を最大にするような生体組織のナノマシニング加工を実現する必要があり、そのためには今後骨の材質や組織構造に応じた加工方法を検討しなければならない。
そこで、現在用いられているボーンソーやエンドミルなどに代わる新しい加工方法を開発するための基礎検討として、骨組織構造からみた加工メカニズムを明らかにした。具体的には、生体組織や細胞への損傷回避、生体に対する低侵襲加工、といった点に着目し、「骨の組織構造と微小切削現象」「実用的骨加工に関連したフライス加工特性」「切削温度測定と骨細胞の熱損傷回避」の3つの観点から、人工関節置換術に関わる骨加工の挙動を明らかにした。
(2)骨切除断面決定および最適工具経路生成可能なCAD/CAMシステムの構築
最小侵襲手術に適応するためには、狭い開創部から工具を進入させ、計画された骨領域を切除する必要がある。この時、安全性を保ちながら骨切除を遂行するためには、正確に骨と工具の位置関係を把握すること、温存すべき組織と工具が干渉しないこと、つまり所定の切除領域のみ切除することが必要とされる。そのために、骨切除ロボットに冗長制御軸を実装し、骨切除の姿勢を確定した後、この冗長軸を用いて工具姿勢を制御することで、最小侵襲機能を実現する。
開発した医用CAD/CAMソフトウェアでは、術前に人工関節の設置位置および切除領域を計画する。次に、術中ソフトウェアにおいて、レジストレーション作業で骨位置を認識するとともに、皮切位置を指定することで最小侵襲手術に対応させた工具経路を生成する。
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