骨の形態・荷重支持機能の 変化の予測に基づく 骨粗鬆症の骨折 … ·...
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骨の形態・荷重支持機能の
変化の予測に基づく
骨粗鬆症の骨折リスク評価
龍谷大学 理工学部機械システム工学科
講師 田原 大輔
2016/03/03 新技術説明会
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本技術の概要
本法は,骨の医用画像を基に計算機上に構築した
モデルに対し,骨粗鬆症の重篤度に対応する
骨の再構築のバランスを設定した形態変化の
シミュレーションを行う技術である.
骨梁内の生体アパタイトの配向性を反映した
応力解析を基に,骨折リスクを評価できる.
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従来技術とその問題点
現状の骨密度診断技術は,目の前の患者の骨を評価する
方法であり,将来的な骨折リスクの予測はできない.
骨折が力学的現象であるにも関わらず,力学に基づく
評価ができていない.
骨粗鬆症における将来的な骨形態変化の予測,それに
伴う転倒時等の非日常荷重作用時の骨折リスクの評価,
骨の強度の異方性を考慮した荷重支持特性の評価が
できる新しい方法の確立が必要.
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新技術の特徴
骨粗鬆症の重篤度を考慮した骨形態の力学的・
時間的変化の予測と,骨折リスクの定量的提示が
できる.
機能的に適応していない方向からの荷重に対する
骨の脆弱性の評価と可視化ができる.
力学的な適応構造を提示可能な骨の再構築理論に
より,一般的な構造物への形状最適化等への
技術応用が期待できる.
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健常骨
骨粗鬆症
(骨粗鬆症財団HPより)
骨粗鬆症
骨折リスクの予測が重要な課題
骨密度量の低下により, 骨折リスクが高まった病態.
(日本機械学会編, コロナ社, 1999より)
骨芽細胞 破骨細胞骨梁
骨梁骨
皮質骨 海綿骨
骨梁形態は,骨再構築における
骨形成と骨吸収の活動の平衡状態
(バランス)により変化する.
骨吸収骨形成
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新技術の位置付け
田原ほか, 臨床バイオ, (2008), 7-14. D. Tawara et al., JMBBM (2010), 31-40.
FEMモデル
応力分布
骨梁骨椎体
形態の時間的変化
将来の形態
骨折リスクの提示
?
?
形態に起因する
応力分布の変化
骨再構築の平衡状態の変化
骨梁形態
(骨密度)
骨折リスク
の増大
応力
状態
形態変化を考慮した骨梁骨の
力学的特性評価が必要
骨折リスクの長期的予測骨粗鬆症
骨梁骨の力学的再構築シミュレーション手法(*) 例えば,T. Adachi, et al., (2001), J. Bio. Eng., 403-409.
新技術
従来技術
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dcΓ= ln局所的な応力の不均一性
(骨吸収)
(骨形成)
0m0Γ
0Γ 0m
における応力
周囲における平均応力cd x:cc x:
:Ll 力学刺激量感知径
骨再構築則
再構築の駆動力
s
sd dslw
dslw=
)()(
cxxl
)(lw
Ll0
1
l骨髄液 重み関数
0
再構築駆動力 と応力不均一性 の関係m Γ
uΓ Γ
lΓ
m
骨形成
骨吸収
( ))(Fm
骨梁m
開始閾値
例えば,T. Adachi, et al., (2001), J. Bio. Eng., 403-409.
骨梁骨内の応力一様化
骨梁形態変化
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骨再構築シミュレーションにおける骨梁の形態変化
応力解析に基づき,
骨梁表面の応力不均一性を算出
骨吸収骨形成
骨吸収
骨梁
ボクセル要素の
付加・除去
応力解析
応力不均一性の評価
モデル形態の変化
繰り返し
計算
形態変化
シミュレーション
形態変化
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ブタ海綿骨モデルによる解析
CT分解能:64 m
サイズ: 4.7 mm立法内の海綿骨
力学刺激量感知径:lL=10 voxel
ヤング率:20 GPa (骨梁)
ポアソン比:0.30
モデル上下に剛体板を付加
FEM繰り返し回数:30 step
骨吸収と骨形成の開始閾値 (l と u)を変化0
uΓlΓ
Γ
m
骨形成
骨吸収
l u
Case 1 -0.2 0.5
Case 2 -1.0 0.5
Case 3 -0.5 0.2
Case 4 -0.5 1.0
骨梁voxelモデル
10 MPa
骨梁形態変化を解析
xyz
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Step 10 Step 20 Step 30l u
Case1 -0.2 0.5
Case2 -1.0 0.5
Case3 -0.5 0.2
Case4 -0.5 1.0
モデルの形態変化 相当応力 (MPa)0 100
0u
l Γ
m
骨形成
骨吸収
横断面
計算step
voxe
l 数の
変化
率(%
)
30201000
25
50
75
100
125
150
Case 1
Case 2
Case 3
Case 4
モデル内voxel数の変化
骨梁骨の
力学的適応機能
初期の応力
不均一性
骨再構築に
より均一化
特徴的な形態変化パターンの取得が可能
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l = -5.0,u = 4.0(*)
(*) 安達,坪田他,(2000),機論,66, 1640-1647
骨粗鬆症を想定した骨梁形態の予測
健常例と骨粗鬆症例の再構築条件の検討
応力分布を基にした骨折リスク評価
健常例
0u
lΓ
m
骨形成
骨吸収
骨粗鬆症例
骨粗鬆症:骨密度値が成人平均の
70%以下(日本骨代謝学会基準)
総ボクセル数
骨吸収閾値(l)のみを変化させ,
健常例のボクセル数の70 %以下と
なる条件を検討.
l = -0.5,u = 4.0 1,232,163 (69.8%)
総ボクセル数
1,766,466
相当応力(MPa)0 100
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累積ヒストグラムによる評価
応力分布のヒストグラムを
高応力側からの累積表示により評価 田原ほか, 臨床バイオ, (2008), 7-14.
骨折に関連する高応力の
存在割合に着目できる.
骨粗鬆の程度により,
相対的な比較・評価が可能.
特徴 0
0.5
1
1.5
2
2.5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51
応力値
存在
割合
0%
100%
応力値
分布
累積表示
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020406080
100
0 25 50 75 100
安全域注意域危険域
020406080
100
0 25 50 75 100
骨梁形態と骨折リスク相当応力
(MPa)0 100存
在割
合(%
)
モデル内発生応力 (MPa)
存在
割合
(%)
..............................
..............................
288
1842
健常例
骨粗鬆症例
骨粗鬆症例: 形態変化に起因して荷重分散が十分に
達成されず,骨折リスクが高くなる.
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外力の負荷方向と応力分布
xyz健常例
10 MPa
骨粗鬆症例
10 MPa10 MPa
10 MPa
断面図 断面図
断面図 断面図
相当応力(MPa)0 100
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外力の負荷方向の差による高応力の存在割合の比較
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 25 50 75 100
存在
割合
(%)
モデル内発生応力 (MPa)
骨粗鬆症例(横荷重)
健常例(横荷重)
骨粗鬆症例(縦荷重)
健常例(縦荷重)
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骨粗鬆症例の体積減少に伴う高応力の存在割合の変化
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0%
存在
割合
体積(骨量)減少率
横 75MPa横 100MPa縦 75MPa縦 100MPa
骨再構築で適応した方向からの
負荷に対する高応力の発生
転倒時などの非日常荷重作用時の骨折リスクが高い.
現状の診断法である骨量増減の単純な評価のみでは,
骨折に密接に関連する高応力の存在割合を捉えられない.
高
低
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アパタイト(BAp)結晶配向を考慮した荷重支持特性の解析
マルチスケール応力解析の
統合シミュレータを開発
JST CREST (2003.10~2007.3)シミュレーション技術の革新と実用化基盤の構築『生体骨医療を目指したマルチプロフェッショナル・シュミレータ』
HE
マルチスケール応力解析
2値化処理
20
30
40
50
60
0
0.3
5
0.7
1.0
5
1.4
1.7
5
2.1
2.4
5
2.8
3.1
5
3.5
3.8
5
4.2
4.5
5
X-Direction mm
Filling r
ate
%
①②
③
モルフォロジー分析
高解像度X線CT ボクセルモデル
ユニット
セル
均質化法
重合メッシュ法
BAp 配向性(材料の異方性)
c
aa
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均質化
ミクロ応力
EH
均質化法とBAp結晶配向の反映方法
Voxelmodel
ミクロな不均質な構造の
平均化したマクロな機械的特性を
与える計算手法
Simulator: DoctorBQ(Quint Corp.)
c
aa
Load
Load
xy
z
最小主応力 1 の方向
等方性として仮定 E = 10 GPa
= 0.4
異方性モデル
E1 = 20 GPa(*), E2 = E3 = 10 GPa = 0.4
Uniaxial stress
(*) Bonfield W, et al., Nature 270, 453-454, 1977.
BAp結晶配向による
材料異方性
均質化法
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0.00E+00 4.00E+03 8.00E+03
z
y
x
マクロなヤング率 (MPa)
方向
0 4.0 103 8.0 103
健常例と骨粗鬆症例のマクロ剛性の比較
xyz
健常例 骨粗鬆症例
マクロ剛性の変化
小 x, y 方向
大 z 方向
健常例■:w/o BAp■:w/ BAp
■ : w/o BAp■ : w/ BAp骨粗鬆症例
BAp 結晶配向
骨再構築により
力学的に適応した
骨梁形態のマクロ剛性
影響
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想定される用途
現状の骨密度診断に代わる患者別の将来的な
骨折リスクの変化の予測・診断
積極的な力学刺激付与により骨形成を促進する
ための新しい治療法・機器・デバイスの開発
機械・構造物における形状・位相最適化,
設計指針探索分野への応用・展開
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実用化に向けた課題
骨再構築シミュレーションにおいて,骨粗鬆症の
重篤度に対応した骨形成・骨吸収の具体的な
バランスの同定・設定が必要.
X線マイクロCTの被曝量の観点から,現段階で
生きたヒトの骨への直接的な適用は難しい.
本法における指標と,臨床用CTから得られる
情報や骨密度量との対応付けが必要.
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企業への期待
骨用デバイスを開発する企業には,デバイスの固定性や
生体適合性と密に関連するデバイス周囲の骨再構築の
予測の評価に有用であり,共同研究への発展を希望.
積極的な力学刺激付与により骨形成を促進する医療機器を
開発する企業には,刺激付与方法の検討に本技術が有用.
骨粗鬆症等を対象とした骨形成・骨吸収抑制薬剤を
開発する製薬会社には,薬剤効果の予測に本技術が
応用できる可能性あり.
機械・構造物の最適設計を必要とする現場に,力学的
適応を達成した構造を得ることができる骨再構築則が
構造最適設計手法の1つとして応用可能.
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本技術に関する知的財産権
発明の名称 :骨折リスク評価のための
コンピュータの作動方法
特許番号 :第5829921号
出願人 :龍谷大学
発明者 :田原 大輔,堀川 武