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

2006 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, 助教授 (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 / 有限要素モデリング / ミクロ-マクロ達成 / 複合材料 / 剛性評価試験 / CT画像 / 生体適合性

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り,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18年度は下記の3項目について重点的に研究を推進した.
(1)ミクロ-マクロ達成解析プログラムの構築
前年度に構築した,損傷異方性を考慮したマルチスケール損傷進展解析手法に基づき,弾塑性特性を考慮した定式化を行い,ミクロ-マクロ達成解析プログラムの開発を実施した.開発プログラムを用いて,ステムに使用される織物複合材料の力学的特性の評価を行った.
(2)応力解析結果に基づくジャストフィットを考慮したステム設計
CTによる断面観察画像より,従来のステムでは骨上部でステムが接触する面積がわずかであり,荷重伝達箇所を増すためのステム形状加工も困難であることが指摘されている.そこで,上記のプログラムを用いた応力解析を実施し,荷重伝達箇所が増すような複合材料製ステムの内部形状および材料設計を行った.その結果として,荷重伝達性に関して金属製ステムとの優位性を示した.
(3)複合材料製ステムの製作と光造型骨モデルでの剛性評価試験の実施
上記の設計案に基づき,複合材料製ステムならびに光造形樹脂による骨モデルを作成し,剛性評価試験を実施した.次年度以降に実施予定である骨試験片(ドライボーン)を用いた試験ならびに骨物性の異方性評価のために必要な試験方法・条件に関する有用な知見を得た.
(4)生体適合性評価試験の実施
ステムの生体適合性評価のため,ハイドロキシアパタイトコーティングに関する実験・考察を行い,その成果を各学会誌において発表した.

Research Products

• [Journal Article] 患者の骨密度に基づくオーダーメイド人工股関節設計手法に関する研究 (2007)
  • Author(s): 座古 勝, 倉敷哲生, 中井啓晶, 吉川秀樹, 菅野伸彦, 川村 武, 蒲刈亮多, 古田隆史
  • Journal Title: 日本機械学会 関西支部第82期定時総会講演会 (印刷中)
• [Journal Article] CT画像を用いたFRP製人工股関節の力学的特性評価に関する研究 (2006)
  • Author(s): 座古 勝, 倉敷哲生, 中井啓晶, 吉川秀樹, 菅野伸彦, 川村 武, 蒲刈亮多, 古田隆史
  • Journal Title: 日本繊維機械学会 年次大会研究発表論文集 59 Pages: 96-97
• [Journal Article] 織物複合材料の有限要素モデリングに関する研究 (2006)
  • Author(s): 廣澤覚, 座古勝, 倉敷哲生, 中井啓晶
  • Journal Title: 日本繊維機械学会 年次大会研究発表論文集 59 Pages: 94-95
• [Journal Article] 織物複合材料のマルチスケール損傷進展解析に関する研究 (2006)
  • Author(s): 座古勝, 倉敷哲生, 中井啓晶, 井村真
  • Journal Title: 日本繊維機械学会 年次大会研究発表論文集 59 Pages: 92-93
• [Journal Article] FRP製人工股関節ステムの強度評価と損傷進展解析 (2006)
  • Author(s): 川村 武, 中井啓晶, 倉敷哲生, 座古 勝, 菅野伸彦, 吉川秀樹
  • Journal Title: 日本機械学会,2006年度年次大会講演論文集 Pages: 547-548
• [Journal Article] 織物複合材料の有限要素モデリングと設計支援システムの構築に関する研究 (2006)
  • Author(s): 廣澤覚, 倉敷哲生, 中井啓晶, 座古勝, S. Lomov, I. Verpoest
  • Journal Title: 日本機械学会,2006年度年次大会講演論文集 Pages: 541-542
• [Journal Article] 織物複合材料のマルチスケール損傷進展解析 (2006)
  • Author(s): 座古勝, 倉敷哲生, 中井啓晶, 井村真
  • Journal Title: 日本機械学会,2006年度年次大会講演論文集 Pages: 3413-3414
• [Journal Article] Study on a Stiffness Design Method of Femoral Prosthesis Stem using Fiber Reinforced Composites (2006)
  • Author(s): T.Kawamura, T.Kurashiki, H.Nakai, M.Zako, N.Sugano, H.Yoshikawa
  • Journal Title: Proceeding of Asian-Australasian Conference on Composite Materials (ACCM-5) 5 Pages: 1257-1260
• [Journal Article] Mechanical Behaviors for Textile Composites by FEM based on Damage Mechanics (2006)
  • Author(s): T.Kurashiki, H.Nakai, S.Hirosawa, M.Imura, M.Zako
  • Journal Title: Proceeding of Asian-Australasian Conference on Composite Materials (ACCM-5) 5 Pages: 257-260
• [Journal Article] A Multi-Scale Analysis for an Evaluation of the Mechanical Properties of Composite Materials (2006)
  • Author(s): M.Imura, T.Kurashiki, H.Nakai, M.Zako
  • Journal Title: Proceeding of Asian-Australasian Conference on Composite Materials (ACCM-5) 5 Pages: 585-588
• [Journal Article] A Multi-Scale Analysis for Textile Composite Materials to Evaluate the Mechanical Properties (2006)
  • Author(s): M.Zako, T.Kurashiki, H.Nakai, M.Imura
  • Journal Title: Proceeding of International conference on Textile Composites
• [Journal Article] A Proposal of M^3 method to Multi-scale Analysis of Fibrous Composites (2006)
  • Author(s): H.Nakai, T.Kurashiki, M.Zako, M.Imura
  • Journal Title: Proceeding of European Conference on Composite Materials
• [Journal Article] A Practical Numerical Simulation System of Mechanical Behaviors for Textile Composites (2006)
  • Author(s): T.Kurashiki, M.Zako, H.Nakai, S.Hirosawa, M.Imura, S.Lomov, I.Verpost
  • Journal Title: Proceeding of European Conference on Composite Materials
• [Journal Article] Salvage surgery for persistent femoral nonunion after total knee arthroplasty using megaprosthesis. (2006)
  • Author(s): Fujii, R., Ueda, T., Tamai, N., Yoshikawa, H
  • Journal Title: J Orthop Sci 11 Pages: 401-404
• [Journal Article] Oxygen tension regulates chondrocyte differentiation and function during endochondral ossification. (2006)
  • Author(s): Hirao, M., Tamai, N., Tsumaki, N., Yoshikawa, H., Myoui, A.
  • Journal Title: J BiolChem 281 Pages: 3179-3192
• [Journal Article] Dual hydroxyapatite composite with porous and solid parts : Experimental study using canine lumbar interbody fusion model. (2006)
  • Author(s): Kaito, T., Mukai, Y., Nishikawa, M., Ando, W., Yoshikawa, H., Myoui, A.
  • Journal Title: J Biomed Mater Res B Appl Biomater 78 Pages: 378-384
• [Journal Article] Application of femtosecond laser ablation for detaching grown protein crystals from glass capillary tube. (2006)
  • Author(s): Kashii, M., Fujisawa, R., Adachi, H., Mori, Y., Sasaki, T., Koga, Y., Takano, K., Kanaya, S., Matsumura, H., Inoue, T., Murakami, S., Sugamoto, K., Yoshikawa, H.
  • Journal Title: J Biosci Bioeng 102 Pages: 372-374
• [Journal Article] In vivo three-dimensional kinematics of the midcarpal joint of the wrist. (2006)
  • Author(s): Moritomo, H., Murase, T., Goto, A., Oka, K., Sugamoto, K., Yoshikawa, H.
  • Journal Title: J Bone Joint Surg 88A Pages: 611-621
• [Journal Article] Potential roles of bone morphogenetic proteins (BMPs) in skeletal repair and regeneration. (2006)
  • Author(s): Nakase, T., Yoshikawa, H.
  • Journal Title: J Bone Miner Metab 24 Pages: 425-433
• [Journal Article] Bone morphogenetic proteins in bone stimulate osteoclasts and osteoblasts during bone development. (2006)
  • Author(s): Okamoto, M., Murai, J., Yoshikawa, H., Tsumaki, N.
  • Journal Title: J Bone Miner Res 21 Pages: 1022-1033
• [Journal Article] Hydroxyapatite augmentation for bone atrophy in total ankle replacement in rheumatoid arthritis. (2006)
  • Author(s): Shi, K., Hayashida, K., Hashimoto, J., Sugamoto, K., Kawai, H., Yoshikawa, H.
  • Journal Title: J Foot Ankle Surg 45 Pages: 316-321
• [Journal Article] 連通気孔構造を有するハイドロキシアパタイト人工骨の臨床応用 (2006)
  • Author(s): 名井陽, 玉井宣行, 荒木信人, 藤井昌一, 冨田哲也, 古野雅彦, 吉川秀樹
  • Journal Title: 物理学的特性・臨床的特徴・問題点、日整会誌 80 Pages: 262-269
• [Journal Article] 連通多孔体ハイドロキシアパタイトを用いた腫瘍外科治療 (2006)
  • Author(s): 吉川秀樹
  • Journal Title: 関節外科 25 Pages: 999-1001
• [Journal Article] Multidetector-CT evaluation of bone substitutes remodeling after revision hip surgery. (2006)
  • Author(s): Nishii T, Sugano N, Miki H, Koyama T, Yoshikawa H
  • Journal Title: Clin Orthop Relat Res. 442 Pages: 158-164
• [Journal Article] Serious metallosis of a metal head due to fragmented ceramic screws in a cemented THA. (2006)
  • Author(s): Miki H, Sugano N, Yamamura M, Nakamura N, Nishii T, Yoshikawa H
  • Journal Title: Arch Orthop Trauma Surg. 126 Pages: 192-196
• [Journal Article] Comparison between hand-rasping and robotic milling for stem implantation in cementless total hip arthroplasty. (2006)
  • Author(s): Nishihara S, Sugano N, Nishii T, Miki H, Nakamura N, Yoshikawa H
  • Journal Title: J Arthoplasty. 21 Pages: 957-966
• [Journal Article] The custom femoral component is an effective option for congenit al hip dysplasia. (2006)
  • Author(s): Sakai T, Sugano N, Ohzono K, Lee SB, Nishii T
  • Journal Title: Clin Orthop Relat Res. 451 Pages: 146-153
• [Journal Article] 近位固定型アナトミックステムNSK1302-TTSの臨床治験の追跡期間2年の短期成績 (2006)
  • Author(s): 薮野亙平, 西井孝, 菅野伸彦, 吉川秀樹
  • Journal Title: 中部日本整形外科災害外科学会雑誌 49 Pages: 259-260
• [Journal Article] 人工股関節全置換術後患者の脱臼予防リアルタイム4次元動作指導 (2006)
  • Author(s): 三木秀宣, 菅野伸彦, 吉川秀樹, 山村在慶, 中村宣雄
  • Journal Title: Hip Joint 32 Pages: 355-358
• [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 (2006)
  • 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: 日本人工関節学会誌 36 Pages: 228-229
• [Journal Article] セラミック骨頭でポリエチレン摩耗が減らせるか (2006)
  • Author(s): 菅野伸彦, 西井孝, 三木秀宣, 小山毅, 高尾正樹, 花之内健仁, 吉川秀樹
  • Journal Title: 日本人工関節学会誌 36 Pages: 240-241
• [Journal Article] 表面形状レジストレーション法によるロボットを用いたTHAの短期成績 (2006)
  • Author(s): 中村宣雄, 菅野伸彦, 西井孝, 三木秀宣, 小山毅, 高尾正樹, 吉川秀樹, 越智隆弘, 柿本明博, 山村在慶, 花之内健仁
  • Journal Title: 日本人工関節学会誌 36 Pages: 44-45
• [Journal Article] 表面置換型人工股関節全置換術でのナビゲーションおよびレーザーガイダンスの有用性 (2006)
  • Author(s): 菅野伸彦, 西井孝, 三木秀宣, 小山毅, 高尾正樹, 花之内健仁, 山梨渉, 吉川秀樹
  • Journal Title: 日本人工関節学会誌 36 Pages: 248-249
• [Journal Article] カスタムメイド人工股関節の臨床成績 (2006)
  • Author(s): 坂井孝司, 菅野伸彦, 大園健二, 西井孝, 李勝博, 西原俊作, 三木秀宣, 吉川秀樹
  • Journal Title: 日本人工関節学会誌 36 Pages: 286-287
• [Journal Article] 手術アプローチがCT-based Navigationを用いた人工股関節全置換術の臼蓋コンポーネントの設置精度 (2006)
  • Author(s): 花之内健仁, 菅野伸彦, 西井孝, 三木秀宣, 小山毅, 高尾正樹, 吉川秀樹
  • Journal Title: 日本人工関節学会誌 36 Pages: 308-309