側弯症手術の低侵襲化を目指す計算機シミュレーションの高精度化

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K12595
• 研究機関: 信州大学
• 研究代表者: 小関 道彦 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (50334503)
• 研究分担者: 高橋 淳 信州大学, 学術研究院医学系, 教授 (60345741)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: バイオメカニクス / 脊椎側弯症 / 有限要素解析

研究実績の概要

本研究では、側弯症に対する外科的治療の侵襲を低減する方法について計算機シミュレーションを援用して検討し、短い固定範囲で十分な矯正効果を得る新しい手術手法を提案することを目的としている。本年度は、以下の3項目について検討を実施した。
[1] 昨年度の検討ではX線画像に基づき患者の脊椎の固さ（変形のしにくさ）を推定することは位置指定誤差が大きく推定が困難であった。そこで本年度、この誤差による影響を小さくすることを狙い、肋骨などの周囲組織を模擬した解析モデルを構築し、構造的な変形のしにくさを再現した。現段階ではまだ簡易的なモデルではあるが、肋骨の有無や肋椎関節の可動性の大きさにより、脊椎全体の変形挙動は大きく変化することが明らかとなった。
[2] 2次元的な情報であるX線画像の情報だけでは固さ推定が難しいとの昨年度の結果に基づき、本年度は脊椎形状を3次元的に把握することが可能なX線CT画像に基づき患者別の解析モデル構築を試みた。早期発症側弯症に対して強制固定術を施した症例のうち、術後に側弯の再悪化が見られたケースについて形状分析を実施したところ、固定器具の変形はほとんど見られないにも関わらず、固定範囲の上下端の成長が側弯再悪化に大きく寄与していることが明らかとなった。この知見から、矯正固定術で用いる2本のロッドの長さを左右で異なるものにすることで手術成績の向上が期待される。
[3] 脊椎模型による模擬手術実験のシステムを構築した。従来の模擬手術では、椎骨をコイルバネで牽引することで脊椎の弯曲および回旋を発生しているが、それでは模擬手術中に不適切な荷重条件になることを明らかにした。そして、脊椎模型をシリコーンでカバーすることによって側弯状態を再現し、これに対して模擬手術を実施する実験システムを構築した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

昨年度の検討では、臨床データに基づいて脊椎の固さ推定の難しさが明らかとなったが、このことに対して本年度の検討において、入力データの情報量の増加と、解析モデルの高精度化をはかった。いずれの検討でも側弯症手術の高性能化に寄与する新たな知見が得られているが、本研究の目的とする手術シミュレーションの精度向上と短い固定範囲の導出には至っていない。一方で、力学シミュレーション結果の妥当性を検証するための実験システムの構築は順調に進展している。このため、進捗状況は「やや遅れている」と評価した。

今後の研究の推進方策

本年度実施した3項目の検討内容の統合をはかりたい。すなわち、X線CT画像から構築される患者別の脊椎形状に対して胸骨を付与した解析モデルを構築し、これに対して脊椎模型による模擬手術実験で得られる力学条件を付与して体幹全体の変形状態を予測する。そして、脊椎の弯曲や回旋を最も効率的に矯正固定するための範囲を導出し、矯正範囲の狭小化を目指したい。

次年度使用額が生じた理由

研究費を効率的に活用するため、X線CT画像から解析モデルを構築するソフトウェア（mimics）を購入ではなくレンタルにより導入した。これにより予算に大幅に余裕が生じた。これにより、解析モデルの条件設定を従来ソフトウェアよりも詳細に設定可能なプリポストソフトウェア（ANSA等）を導入することが可能となり、研究を順調に進めることができた。今年度、模型実験と力学シミュレーションを並行して実施する予定であり、模型実験の材料や計測、力学シミュレーションのソフトウェア導入費として活用する予定である。