| 研究課題/領域番号 |
26462236
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
高橋 淳 信州大学, 学術研究院医学系(医学部附属病院), 講師 (60345741)
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| 研究分担者 |
羽二生 久夫 信州大学, 学術研究院医学系, 講師 (30252050)
小関 道彦 信州大学, 学術研究院繊維学系, 准教授 (50334503)
加藤 博之 信州大学, 学術研究院医学系, 教授 (40204490)
二木 俊匡 信州大学, 医学部附属病院, 助教(診療) (80646539)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 思春期特発性側弯症 / 後方矯正固定術 / 有限要素法 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、側弯症矯正手術で椎体に埋入するスクリューに生じる負荷を実験的・解析的に算出し、Skip Pedicle Screw Fixationにおいてskipするスクリューについて定量的な評価基準を確立することを目的として以下の実験を行った。（実験１）スクリューおよび椎体に生じる力学負荷を算出するために、有限要素法を用いた手術シミュレーションを行った。脊柱模型と同一の寸法で作った解析モデルを作成した。このモデルの一端を固定、もう一端のスクリュー部にz軸上向きの荷重与えた際にモデルに生じる相当応力を求めた。その結果、固定端に近い結合要素部分の応力が大きくなっており、解析を正しく行えることが確認できた。今後は、脊柱模型を用いた実験の結果からスクリューに生じる負荷を力学条件として与える方法について検討する。（実験２）シミュレーションの妥当性を評価するため、単純な形状と材料を用いた脊柱を模した模型を作成し、手術時と同様な力学条件を与える実験を行った。その結果、それぞれの最大主ひずみは、おおよそ両端が大きくなる傾向が見られた。臨床では経験的に、スクリューを刺入する椎骨のうち両端および中央においてスクリューへの負荷が大きいのではないかと考えられている。今回の実験結果では、両端の椎骨に大きく負荷がかかる点が同じであった。ただし、中央の椎骨の負荷は両端に比べて小さかった。今後は、実験結果を踏まえ、より手術に則した実験となるよう与える力学条件について検討する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
3年間で実施する本研究は、1年目に基礎的知識の習得、2年目に計算機シミュレーション手法の確立、3年目に人体への適用を目標にしている。
1年目に相当する本年度は、当初予定のとおり、人体脊柱の計算機シミュレーションに関し、CT画像からの形状データの取得および有限要素モデルの構築を行った。ここで、本研究の最終目的となる側弯症患者の画像情報を用いた検討では、材料の不均質性など生体組織の複雑さや、結果の妥当性の検証の難しさなどが懸念される。そこで本年度は、本研究で提案する解析手法の信頼性を確認することを目的として、脊柱を模した単純形状模型を製作し、模型実験および模型をモデル化した計算機シミュレーションを実施することを優先した。実験に用いた模型は、脊柱よりも大幅に構造を単純化しているが、模型上のスクリューに生じる応力は臨床経験に基づく知見を定量的に裏付けるものであった。この成果は、学術講演会での発表に至った（2015年9月にも発表予定）。
以上のことから本年度は、生体の骨格組織に関する実験および解析には至っていないが、側弯症矯正手術における力学状態に関して基礎的知識を習得するという当初目標をおおむね達成することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成26年度の単純模型による実験結果では、矯正範囲の両端の椎骨に大きく負荷がかかる点が臨床での治験と同じであった．また、スクリューの締結順序がスクリュー負荷に大きく影響することが示唆される実験結果となった。この点をより深く考察することにより、新しい術式の提案に至る可能性がある。実験結果のより詳しい考察を実施したい。
次に、実験結果を適切に反映した計算機シミュレーション手法を確立する。これまでの実験で計測したスクリューに生じる応力成分を力学条件とする有限要素解析で実験結果と同等な変形挙動を出力するためには、荷重条件設定および材料物性設定が重要となる。構造および材料構成が複雑な生体組織でも適用できるような仕組みについて検討したい。
そして、食用豚（または牛）の脊椎を用いた実験を実施し、それまでに確立した実験手法および解析手法を適用して、In Vitroにおける実験‐解析システムの妥当性検証を行い、人体への適用を目指したい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初計画していた豚の椎骨を使った基礎実験と解析ソフトウェアの購入を次年度に延期したため、次年度使用額が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
豚の椎骨を使った基礎実験は、平成27年度に実施することを予定している。
また、CT画像に基づく生体組織の解析ソフトウェアについては、平成27年度に購入する予定である。次年度使用額は平成27年度請求額とあわせてそれらの費用として使用する。
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