CT画像併用人工関節設計システム開発および複合材料製ステムの製作

2005 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16100007
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 座古 勝 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (40170831)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉川 秀樹 大阪大学, 大学院・医学系研究科, 教授 (60191558) ; 菅野 伸彦 大阪大学, 大学院・医学系研究科, 講師 (70273620) ; 倉敷 哲生 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教授 (30294028)
• Keywords: 人工関節 / CT画像 / 有限要素モデリング / 損傷進展 / 複合材料 / 剛性評価試験 / ミクロ-マクロ連成

Research Abstract

交通事故や骨粗鬆症に起因する股関節破壊による歩行活動障害を回復するための人工股関節の高信頼性・高機能化は急務の課題である.特に,従来の人工股関節では個人の骨格形状に適合するような外形加工の実施が困難である現状にある.そこで,患者の骨形状に応じた人工関節設計システムの開発を目指し,平成17年度は下記の3点に示す項目について重点的に研究を推進した.
(1)CT画像を用いた人工股関節ステムの形状設計並びに骨・ステムのFEM解析モデルの作成
患者の大腿部CT画像から大腿骨の3次元形状を取得し,その形状を基に形状適合性に優れるステム形状の設計を行うプログラムの開発を行った.また,大腿骨・ステムの3次元形状から有限要素モデルを作成し,力学的挙動解析の実施を可能とした.
(2)ミクロ-マクロ連成損傷解析プログラム開発
有限要素モデルを多段階に重ね合わせ,スケール間の連成問題として巨視的な変形状態と微視的な力学的挙動の把握を行う手法の定式化ならびにそのプログラム開発を前年度に引き続き実施した.特に,ステムに使用される織物複合材料を対象に,織構造のメゾスケールと繊維径のミクロスケールの双方向の損傷を考慮した損傷進展解析プログラム開発を行った.
(3)光造型モデルを用いた負荷試験の実施および牛骨による骨物性値同定
人工関節模擬試験片の内部損傷等を明確にするべく,CT装置を併用した力学的試験装置の設計を行った.また,CT画像より得た3次元形状を基に光造型樹脂モデルを作成し,骨特性評価の予備試験として圧縮試験を実施した.さらに,牛骨より作成した試験片を用い,力学的特性値の測定を行った.今後は牛骨の物性値とCT画像の濃淡の関連について調査を行う予定である.

Research Products

• [Journal Article] 繊維強化プラスチックの人工股関節ステムへの適用 (2005)
  • Author(s): 座古 勝, 倉敷哲生, 吉川秀樹, 菅野伸彦, 川村 武
  • Journal Title: 日本繊維機械学会 年次大会研廃発表論文集 58 Pages: 144-145
• [Journal Article] CT画像を用いた人工股関節の設計システムに関する研究 (2005)
  • Author(s): 座古 勝, 倉敷哲生, 吉川秀樹, 菅野伸彦, 川村 武
  • Journal Title: 日本機械学会 年次大会講演論文集 4巻 Pages: 313-314
• [Journal Article] 損傷力学に基づく繊維強化プラスチックスの力学的挙動シミュレーション (2005)
  • Author(s): 座古 勝, 倉敷哲生, 井村 真
  • Journal Title: 日本繊維機滅学会 年次大会研究発表論文集 58 Pages: 128-129
• [Journal Article] M-cube法による織物複合材料の損傷進展解析手法に関する研究 (2005)
  • Author(s): 座古 勝, 倉敷哲生, 井村 真
  • Journal Title: 日本機械学会 年次大会講演論文集 1巻 Pages: 387-388
• [Journal Article] A MULTI-SCALE ANALYSIS FOR STRUCTURAL DESIGN OF FIBROUS COMPOSITES -M3 METHOD- (2005)
  • Author(s): M.Zako T.Kurashiki, F.Kubo
  • Journal Title: Proceedings of 15th International Conference on Composite Materials (CD-ROM)
• [Journal Article] A NUMERICAL SIMULATION OF WOVEN FABRIC COMPOSITES BY FEM BASED ON DAMAGE MEHCANICS (2005)
  • Author(s): M.Zako., T.Kurashiki, S.Hirosawa, M.Imura, S.V.Lomov, I.Verpoest
  • Journal Title: Proceedings of 15th International Conference on Composite Materials 15(CD-ROM)
• [Journal Article] Macro-structural effect of metal surfaces treated using computer-assisted yttriu m-aluminum-garnet laser scanning on bone-implant fixation (2005)
  • Author(s): Hirao, M., Sugamoto, K., Tamai, N., Oka, K., Yoshikawa, H., Mori, Y., Sasaki, T.
  • Journal Title: J Biomed Mater Res 73A Pages: 213-222
• [Journal Article] Does three-dimensional computer simulation improve results of scaphoid nounion surgery? (2005)
  • Author(s): Murase, T., Moritomo, H., Goto, A., Sugamoto, K., Yoshikawa, H.
  • Journal Title: Clinical Orthopaedics and Related Research 434 Pages: 143-150
• [Journal Article] Patterns of bone defect in scaphoid nonunion : A 3-dimensional and quantitative analysis. (2005)
  • Author(s): Oka, K., Murase, T., Moritomo, H., Goto, A., Sugamoto, K., Yoshikawa, H
  • Journal Title: J Hand Surg [Am] 30 Pages: 359-365
• [Journal Article] Patterns of carpal deformity in scaphoid nonunion : A 3-dimensional and quantitative analysis. (2005)
  • Author(s): Oka, K., Moritomo, H., Murase, T., Goto, Sugamoto, K., Yoshikawa, H.
  • Journal Title: J Hand Surg [Am] 30 Pages: 1136-1144
• [Journal Article] Comparison between mobile-bearing and fixed-bearing knees in bilateral total knee replacements (2005)
  • Author(s): Watanabe, T., Tomita, T., Fujii, M.Hashimoto, J., Sugamoto, K., Yoshikawa, H.
  • Journal Title: International Orthopaedics 29 Pages: 179-181
• [Journal Article] Visualization of femorotibial contact in total knee arthroplasty using X-ray fluoroscopy (2005)
  • Author(s): Yamazaki, T., Watanabe, T., Nakajima Y., Sugamoto, K., Tomita, T., Maeda, D., Sahara, W., Yoshikawa, H., Tamura, S.
  • Journal Title: Europ J Radial 53 Pages: 84-89
• [Journal Article] Soft-tissue balance evaluation system for total hip arthroplasty by intraoperative contact pressure measurement at the hip joint (2005)
  • Author(s): Otake Y, Suzuki N, Hattori A, Hayashibe M, Miki H, Yamamura M, Sugano N, Yonenobu K, Ochi T
  • Journal Title: Stud Health Technol Inform 119 Pages: 416-421
• [Journal Article] Estimation of dislocation after total hip arthroplasty by 4-dimensional (2005)
  • Author(s): Otake Y, Suzuki N, Hattori A, Miki H, Yamamura M, Nakamura N, Sugano N, Yonenobu K, Ochi T
  • Journal Title: Stud Health Technol Inform 111 Pages: 372-377
• [Journal Article] Four-dimensional model of the lower extremity after total hip arthroplasty (2005)
  • Author(s): Otake Y, Suzuki N, Hattori A, Hagio K, Sugano N, Yonenobu K, Ochi T
  • Journal Title: J Biomech. 38,12 Pages: 2397-2405
• [Journal Article] 3D-CTを用いたセメントレスカップのプレスフィット固定に必要な骨被服度の解析 (2005)
  • Author(s): 高尾正樹, 菅野伸彦, 西井孝, 三木秀宣, 小山毅, 吉川秀樹, 中村宣雄
  • Journal Title: 日本人工関節学会誌 35 Pages: 265-266
• [Journal Article] 両股関節正面X線写真は人工関節ステム術前テンプレーティングに用いることができるか?-合成X線像を用いた回旋評価- (2005)
  • Author(s): 花之内健仁, 菅野伸彦, 西井孝, 三木秀宣, 吉川秀樹, 中村宣雄, 山村在慶, 柿本明博
  • Journal Title: 日本人工関節学会誌 35 Pages: 327-328
• [Journal Article] 大腿骨頭壊死症に対するバイポーラ型人工骨頭置換術の長期成績 (2005)
  • Author(s): 高尾正樹, 菅野伸彦, 西井孝, 三木秀宣, 小山毅, 吉川秀樹
  • Journal Title: 別冊整形外科 48 Pages: 78-181