JP2002065708A - 骨組織再生のための代替物構造設計支援方法とその装置 - Google Patents
骨組織再生のための代替物構造設計支援方法とその装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 欠損骨を再生または修復するために損傷部に
埋め込まれる骨代替物の構造を最適に設計することを支
援する方法、とそのための装置を提供する。 【解決手段】 欠損した骨の再生または修復に使用され
る骨代替物の構造を最適に設計することを支援する骨組
織再生のための代替物構造設計支援方法であって、２次
元または３次元の解析領域において、骨代替物の吸収お
よび劣化による力学的特性の変化をシミュレーション
し、次いで、骨または骨代替物表面における骨の形成過
程をシミュレーションすることで、最終的に再生または
修復される骨の力学的特性および形状を算出する。
埋め込まれる骨代替物の構造を最適に設計することを支
援する方法、とそのための装置を提供する。 【解決手段】 欠損した骨の再生または修復に使用され
る骨代替物の構造を最適に設計することを支援する骨組
織再生のための代替物構造設計支援方法であって、２次
元または３次元の解析領域において、骨代替物の吸収お
よび劣化による力学的特性の変化をシミュレーション
し、次いで、骨または骨代替物表面における骨の形成過
程をシミュレーションすることで、最終的に再生または
修復される骨の力学的特性および形状を算出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、骨組織再
生のための代替物構造設計支援方法とその装置に関する
ものである。さらに詳しくは、欠損した骨の再生または
修復の際に代替物として使用されるスカフォールド（ｓ
ｃａｆｆｏｌｄ）の最適な構造設計を支援する代替物構
造設計支援方法とそのための装置に関するものである。
生のための代替物構造設計支援方法とその装置に関する
ものである。さらに詳しくは、欠損した骨の再生または
修復の際に代替物として使用されるスカフォールド（ｓ
ｃａｆｆｏｌｄ）の最適な構造設計を支援する代替物構
造設計支援方法とそのための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】近年、人工的な骨代替物を利
用することで、事故などにより欠損した骨の再生または
修復を行う新たな治療法が実用化されつつある。この治
療法によれば、損傷を受けた組織を除去し、損傷部に骨
代替物を埋め込む。この骨代替物は、スカフォールド
（足場）と呼ばれており、生分解性高分子やコラーゲン
を原料とし、ポーラスな構造を有する。スカフォールド
は、時間の経過とともに、加水分解などにより劣化し、
体内に吸収される。一方で、スカフォールド周辺の細胞
活動により、骨の形成が行われ、形成される骨組織とス
カフォールドとが入れ替わることで、骨の再生または修
復がなされる。すなわち、スカフォールドは、細胞の運
搬体および足場としての機能と骨細胞組織形成のための
空間としての機能とを併せ持ち、骨細胞組織が形成する
ためのガイド役として作用する。
用することで、事故などにより欠損した骨の再生または
修復を行う新たな治療法が実用化されつつある。この治
療法によれば、損傷を受けた組織を除去し、損傷部に骨
代替物を埋め込む。この骨代替物は、スカフォールド
（足場）と呼ばれており、生分解性高分子やコラーゲン
を原料とし、ポーラスな構造を有する。スカフォールド
は、時間の経過とともに、加水分解などにより劣化し、
体内に吸収される。一方で、スカフォールド周辺の細胞
活動により、骨の形成が行われ、形成される骨組織とス
カフォールドとが入れ替わることで、骨の再生または修
復がなされる。すなわち、スカフォールドは、細胞の運
搬体および足場としての機能と骨細胞組織形成のための
空間としての機能とを併せ持ち、骨細胞組織が形成する
ためのガイド役として作用する。
【０００３】以上で示した手法は、新たな欠損骨の治療
法として注目されている。損傷部へスカフォールドを埋
め込む際には、損傷部の位置、大きさ、損傷の度合いな
ど様々な条件に応じて、最適なスカフォールドの外形形
状および内部構造を選択する必要があることは言うまで
もない。しかしながら、スカフォールドを構成する高分
子の吸収劣化と骨組織の形成過程との相互作用など、明
らかになっていない点も多く、長時間に渡る試行錯誤的
な実験を経て、スカフォールドの設計がなされているの
が現状である。このため、スカフォールドの効率的な設
計支援方法が望まれていた。
法として注目されている。損傷部へスカフォールドを埋
め込む際には、損傷部の位置、大きさ、損傷の度合いな
ど様々な条件に応じて、最適なスカフォールドの外形形
状および内部構造を選択する必要があることは言うまで
もない。しかしながら、スカフォールドを構成する高分
子の吸収劣化と骨組織の形成過程との相互作用など、明
らかになっていない点も多く、長時間に渡る試行錯誤的
な実験を経て、スカフォールドの設計がなされているの
が現状である。このため、スカフォールドの効率的な設
計支援方法が望まれていた。
【０００４】この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑
みてなされたものであり、欠損骨を再生または修復する
ために損傷部に埋め込まれる骨代替物の構造を最適に設
計することを支援する方法と、そのための装置を提供す
ることを課題としている。
みてなされたものであり、欠損骨を再生または修復する
ために損傷部に埋め込まれる骨代替物の構造を最適に設
計することを支援する方法と、そのための装置を提供す
ることを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、欠損した骨の再生または
修復に使用される骨代替物の構造を最適に設計すること
を支援する骨組織再生のための代替物構造設計支援方法
であって、２次元または３次元の解析領域において、骨
代替物の吸収および劣化による力学的特性の変化をシミ
ュレーションし、次いで、骨または骨代替物表面におけ
る骨の形成過程をシミュレーションすることで、最終的
に再生または修復される骨の力学的特性および形状を算
出することを特徴とする骨組織再生のための代替物構造
設計支援方法を第１の態様として提供する。
の課題を解決するものとして、欠損した骨の再生または
修復に使用される骨代替物の構造を最適に設計すること
を支援する骨組織再生のための代替物構造設計支援方法
であって、２次元または３次元の解析領域において、骨
代替物の吸収および劣化による力学的特性の変化をシミ
ュレーションし、次いで、骨または骨代替物表面におけ
る骨の形成過程をシミュレーションすることで、最終的
に再生または修復される骨の力学的特性および形状を算
出することを特徴とする骨組織再生のための代替物構造
設計支援方法を第１の態様として提供する。
【０００６】また、この出願の発明は、第２の態様とし
て、第１のステップとして、欠損した骨の再生または修
復に使用される骨代替物の構造を最適に設計することを
支援する骨組織再生のための代替物構造シミュレーショ
ン方法であって、２次元または３次元の解析領域におい
て、生体内に骨代替物を埋め込んだ時点での生体内にお
ける力学的特性および形状を初期値として設定し、第２
のステップとして、生体細胞への吸収による骨代替物の
力学的特性をシミュレーションし、第３のステップとし
て、解析領域における応力分布より骨または骨代替物表
面における骨の形成過程をシミュレーションすること
で、最終的に再生または修復される骨の力学的特性およ
び形状を算出し、第４のステップとして、第３のステッ
プにて算出された再生または修復される骨の力学的特性
より力学的特性評価量を、また、形状より形状評価量を
算出し、第５のステップとして、第４のステップで算出
された力学的評価量および形状評価量が予め決定されて
いた目標の範囲内にあるか否かを判断し、第６のステッ
プとして、第４のステップにて算出された再生または修
復される骨の力学的特性評価量および形状評価量が予め
決定されていた目標の範囲内にない場合には生体内に骨
代替物を埋め込んだ時点での力学的特性および形状を新
たな初期値として再設定し前記の第２〜６のステップを
実行する第７のステップと、から構成されることを特徴
とする骨組織再生のための代替物構造設計支援方法を提
供する。
て、第１のステップとして、欠損した骨の再生または修
復に使用される骨代替物の構造を最適に設計することを
支援する骨組織再生のための代替物構造シミュレーショ
ン方法であって、２次元または３次元の解析領域におい
て、生体内に骨代替物を埋め込んだ時点での生体内にお
ける力学的特性および形状を初期値として設定し、第２
のステップとして、生体細胞への吸収による骨代替物の
力学的特性をシミュレーションし、第３のステップとし
て、解析領域における応力分布より骨または骨代替物表
面における骨の形成過程をシミュレーションすること
で、最終的に再生または修復される骨の力学的特性およ
び形状を算出し、第４のステップとして、第３のステッ
プにて算出された再生または修復される骨の力学的特性
より力学的特性評価量を、また、形状より形状評価量を
算出し、第５のステップとして、第４のステップで算出
された力学的評価量および形状評価量が予め決定されて
いた目標の範囲内にあるか否かを判断し、第６のステッ
プとして、第４のステップにて算出された再生または修
復される骨の力学的特性評価量および形状評価量が予め
決定されていた目標の範囲内にない場合には生体内に骨
代替物を埋め込んだ時点での力学的特性および形状を新
たな初期値として再設定し前記の第２〜６のステップを
実行する第７のステップと、から構成されることを特徴
とする骨組織再生のための代替物構造設計支援方法を提
供する。
【０００７】そして、上記の骨組織再生のための代替物
構造設計支援方法について、この出願の発明は、第３の
態様として、２次元または３次元の解析領域において、
第１のステップとして解析領域を構成する複数の要素の
それぞれについて含水率を算出し、第２のステップとし
て第１のステップで算出された含水率より求められる分
子量変化率からそれぞれの要素について分子量を算出
し、第３のステップとして第２のステップで算出された
分子量から力学的特性を算出することで、骨代替物の吸
収および劣化による力学的特性の変化をシミュレーショ
ンすることを特徴とする請求項１または２の骨組織再生
のための代替物構造設計支援方法を提供し、さらに、第
４の態様として、２次元または３次元の解析領域におい
て、第１のステップとして解析領域を構成する複数の要
素のそれぞれに骨または骨代替物の力学的特性を初期値
として設定することで応力解析により各要素の応力を算
出し、第２のステップのステップとして第１のステップ
で算出された応力から骨または骨代替物の表面に対応す
る表面要素について骨形成駆動力を算出し、第３のステ
ップとして第２のステップで算出された表面要素につい
て骨形成速度を算出し、さらに、第４のステップとして
第３のステップで算出された骨形成速度から表面要素に
おける骨の状態を形成、吸収、または、休止の３状態に
判別し、第５のステップとして第４のステップで表面要
素における骨の状態に応じて表面要素の付加または除去
を行うことにより骨または骨代替物の形状を変更するこ
とで、骨または骨代替物表面の骨形成過程をシミュレー
ションすることを特徴とする骨組織再生のための代替物
構造設計支援方法を提供する。
構造設計支援方法について、この出願の発明は、第３の
態様として、２次元または３次元の解析領域において、
第１のステップとして解析領域を構成する複数の要素の
それぞれについて含水率を算出し、第２のステップとし
て第１のステップで算出された含水率より求められる分
子量変化率からそれぞれの要素について分子量を算出
し、第３のステップとして第２のステップで算出された
分子量から力学的特性を算出することで、骨代替物の吸
収および劣化による力学的特性の変化をシミュレーショ
ンすることを特徴とする請求項１または２の骨組織再生
のための代替物構造設計支援方法を提供し、さらに、第
４の態様として、２次元または３次元の解析領域におい
て、第１のステップとして解析領域を構成する複数の要
素のそれぞれに骨または骨代替物の力学的特性を初期値
として設定することで応力解析により各要素の応力を算
出し、第２のステップのステップとして第１のステップ
で算出された応力から骨または骨代替物の表面に対応す
る表面要素について骨形成駆動力を算出し、第３のステ
ップとして第２のステップで算出された表面要素につい
て骨形成速度を算出し、さらに、第４のステップとして
第３のステップで算出された骨形成速度から表面要素に
おける骨の状態を形成、吸収、または、休止の３状態に
判別し、第５のステップとして第４のステップで表面要
素における骨の状態に応じて表面要素の付加または除去
を行うことにより骨または骨代替物の形状を変更するこ
とで、骨または骨代替物表面の骨形成過程をシミュレー
ションすることを特徴とする骨組織再生のための代替物
構造設計支援方法を提供する。
【０００８】そして、この出願の発明は、第５の態様と
して、前記第２の態様の発明として提供される骨組織再
生のための代替物構造設計支援方法において、評価に用
いられる力学的特性評価量が、解析領域全体の見掛けの
応力／解析領域全体の見掛けの歪み／解析領域全体の見
掛けの剛性であることを特徴とする骨組織再生のための
代替物構造設計支援方法を提供し、第６の態様として、
前記第２の態様の発明として提供される骨組織再生のた
めの代替物構造設計支援方法において、評価に用いられ
る骨の形状評価量が、解析領域全体に対する骨の平均体
積分率／骨の平均厚さ／単位体積あたりの骨梁数である
ことを特徴とする骨組織再生のための代替物構造設計支
援方法を提供する。また、第７の態様として、前記第２
の態様の発明として提供される骨組織再生のための代替
物構造設計支援方法において、２次元または３次元の解
析領域を構成する要素モデルを、ＭＲＩ／Ｘ線ＣＴ／超
音波ＣＴにより取得される医療用計測画像から作成する
ことを特徴とする骨組織再生のための代替物構造設計支
援方法を提供する。
して、前記第２の態様の発明として提供される骨組織再
生のための代替物構造設計支援方法において、評価に用
いられる力学的特性評価量が、解析領域全体の見掛けの
応力／解析領域全体の見掛けの歪み／解析領域全体の見
掛けの剛性であることを特徴とする骨組織再生のための
代替物構造設計支援方法を提供し、第６の態様として、
前記第２の態様の発明として提供される骨組織再生のた
めの代替物構造設計支援方法において、評価に用いられ
る骨の形状評価量が、解析領域全体に対する骨の平均体
積分率／骨の平均厚さ／単位体積あたりの骨梁数である
ことを特徴とする骨組織再生のための代替物構造設計支
援方法を提供する。また、第７の態様として、前記第２
の態様の発明として提供される骨組織再生のための代替
物構造設計支援方法において、２次元または３次元の解
析領域を構成する要素モデルを、ＭＲＩ／Ｘ線ＣＴ／超
音波ＣＴにより取得される医療用計測画像から作成する
ことを特徴とする骨組織再生のための代替物構造設計支
援方法を提供する。
【０００９】さらに、この出願の発明は、上記のいずれ
かの方法をコンピュータによるシミュレーションで可能
とすることを特徴とする骨組織再生のための代替物構造
設計支援装置を提供する。そして、この出願の発明は、
上記の骨組織再生のための代替物構造設計支援方法によ
り最適設計された骨代替物の構造を構成する要素モデル
データを光造形装置に入力し骨代替物を作成することを
特徴とする骨代替物作成方法をも提供する。
かの方法をコンピュータによるシミュレーションで可能
とすることを特徴とする骨組織再生のための代替物構造
設計支援装置を提供する。そして、この出願の発明は、
上記の骨組織再生のための代替物構造設計支援方法によ
り最適設計された骨代替物の構造を構成する要素モデル
データを光造形装置に入力し骨代替物を作成することを
特徴とする骨代替物作成方法をも提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】この出願の発明は上記のとおりの
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。
【００１１】図１は、この出願の発明に係る骨組織再生
のための代替物構造設計支援方法についての流れ図であ
る。
のための代替物構造設計支援方法についての流れ図であ
る。
【００１２】この出願の発明に係る骨組織再生のための
代替物構造設計支援方法においては、まず、２次元また
は３次元の解析領域を、複数の要素に分割し、それぞれ
の要素について初期値を設定し、また、解析領域内にお
いて境界値を設定する（ステップ（Ａ））。解析領域
は、図２（Ａ）に示すような骨または骨代替物（２１）
を、図２（Ｂ）のように、骨または骨代替物（２１）の
持つ曲線的な形状を再現できるような寸法となるよう
に、複数の要素（２２）へ分割される。
代替物構造設計支援方法においては、まず、２次元また
は３次元の解析領域を、複数の要素に分割し、それぞれ
の要素について初期値を設定し、また、解析領域内にお
いて境界値を設定する（ステップ（Ａ））。解析領域
は、図２（Ａ）に示すような骨または骨代替物（２１）
を、図２（Ｂ）のように、骨または骨代替物（２１）の
持つ曲線的な形状を再現できるような寸法となるよう
に、複数の要素（２２）へ分割される。
【００１３】以上の解析領域の要素分割は、ＭＲＩ／Ｘ
線ＣＴ／超音波ＣＴにより取得される医療用計測画像か
ら直接実施することも可能である。
線ＣＴ／超音波ＣＴにより取得される医療用計測画像か
ら直接実施することも可能である。
【００１４】次に、骨代替物が吸収されることにより力
学的特性が劣化する時間変化を、シミュレーションによ
り解析領域の各要素について算出する（ステップ
（Ｂ））。
学的特性が劣化する時間変化を、シミュレーションによ
り解析領域の各要素について算出する（ステップ
（Ｂ））。
【００１５】ステップ（Ｂ）においては、解析領域にお
いて、解析領域を構成する複数の要素のそれぞれについ
て含水率を算出する（ステップ（Ｂ１））。含水率は、
次式の方程式
いて、解析領域を構成する複数の要素のそれぞれについ
て含水率を算出する（ステップ（Ｂ１））。含水率は、
次式の方程式
【００１６】
【数１】
【００１７】具体例としては、
【００１８】
【数２】
【００１９】を解くことにより求められる。
【００２０】次いで、ステップ（Ｂ１）で算出された含
水率ｈから、解析領域のそれぞれの要素について分子量
Ｗを算出する。分子量の時間変化δＷ／δｔは、次式
水率ｈから、解析領域のそれぞれの要素について分子量
Ｗを算出する。分子量の時間変化δＷ／δｔは、次式
【００２１】
【数３】
【００２２】のように含水率ｈの単調減少関数として表
されることから、分子量Ｗは、ΔＷを積分することで求
められる（ステップ（Ｂ２））。式（III）の具体例と
しては、次式が挙げられる。
されることから、分子量Ｗは、ΔＷを積分することで求
められる（ステップ（Ｂ２））。式（III）の具体例と
しては、次式が挙げられる。
【００２３】
【数４】
【００２４】さらに、ステップ（Ｂ２）で算出された分
子量Ｗより、各要素における力学的特性が求められる。
各要素の力学的特性Ｍは、次式
子量Ｗより、各要素における力学的特性が求められる。
各要素の力学的特性Ｍは、次式
【００２５】
【数５】
【００２６】具体例として、
【００２７】
【数６】
【００２８】により算出される（ステップ（Ｂ３））。
【００２９】以上のステップ（Ｂ１）〜（Ｂ３）によ
り、骨代替物が吸収されることによる力学的特性の変化
がシミュレーションされる。
り、骨代替物が吸収されることによる力学的特性の変化
がシミュレーションされる。
【００３０】次に、骨または骨代替物表面における骨の
形成過程のシミュレーションを実行し、最終的に再生ま
たは修復される骨の力学的特性および形状を算出する
（ステップ（Ｃ））。
形成過程のシミュレーションを実行し、最終的に再生ま
たは修復される骨の力学的特性および形状を算出する
（ステップ（Ｃ））。
【００３１】ステップ（Ｃ）においては、まず、解析領
域において、骨または骨代替物の力学的特性を、解析領
域を構成する各要素の初期値として設定して応力解析を
行うことにより各要素の応力を算出する（ステップ（Ｃ
１））。
域において、骨または骨代替物の力学的特性を、解析領
域を構成する各要素の初期値として設定して応力解析を
行うことにより各要素の応力を算出する（ステップ（Ｃ
１））。
【００３２】次いで、ステップ（Ｃ１）で算出された応
力から、骨または骨代替物の表面に対応する表面要素に
ついて骨形成駆動力を求める（ステップ（Ｃ２））。表
面要素数をＮとすると、表面要素ｃに対する骨形成駆動
力Γcは、次式
力から、骨または骨代替物の表面に対応する表面要素に
ついて骨形成駆動力を求める（ステップ（Ｃ２））。表
面要素数をＮとすると、表面要素ｃに対する骨形成駆動
力Γcは、次式
【００３３】
【数７】
【００３４】で算出される。
【００３５】さらに、ステップ（Ｃ２）で算出された骨
形成駆動力から、各表面要素について骨形成速度を求め
る（ステップ（Ｃ３））。表面要素ｃにおける骨形成速
度Ｍｃは、駆動力Γｃの正負に応じて決定する。すなわ
ち、駆動力Γcが正の値を取る場合には、骨形成速度Ｍc
も正の値をとり、駆動力Γcが負の値を取る場合には、
骨形成速度Ｍcも負の値をとる。また、駆動力Γcが０で
ある場合には、骨形成速度Ｍcは０となる。このとき、
骨形成速度Ｍcの値が正であれば、表面要素ｃにおいて
新たに骨が形成されていることを意味する。一方、骨形
成速度Ｍｃの値が負であれば、表面要素ｃにおいて骨が
吸収されることを意味する。また、骨形成速度Ｍcが０
のときには、表面要素ｃにおける骨の状態変化は休止状
態にあることを意味する。
形成駆動力から、各表面要素について骨形成速度を求め
る（ステップ（Ｃ３））。表面要素ｃにおける骨形成速
度Ｍｃは、駆動力Γｃの正負に応じて決定する。すなわ
ち、駆動力Γcが正の値を取る場合には、骨形成速度Ｍc
も正の値をとり、駆動力Γcが負の値を取る場合には、
骨形成速度Ｍcも負の値をとる。また、駆動力Γcが０で
ある場合には、骨形成速度Ｍcは０となる。このとき、
骨形成速度Ｍcの値が正であれば、表面要素ｃにおいて
新たに骨が形成されていることを意味する。一方、骨形
成速度Ｍｃの値が負であれば、表面要素ｃにおいて骨が
吸収されることを意味する。また、骨形成速度Ｍcが０
のときには、表面要素ｃにおける骨の状態変化は休止状
態にあることを意味する。
【００３６】この出願の発明においては、解析領域を離
散的に分割することから、現実的には連続的な値を取る
表面移動速度は離散的となり、その決定に際しては確率
的なランダム性を導入することで離散性が補われる。例
えば、図３に示すような確率関数ＰMcを導入し、表面要
素ｃにおける骨形成速度Ｍcの値を−１、０、１の３通
りとなるように限定する。すなわち、表面移動速度は、
確率ＰMcと要素辺長との積となる。図３において、Γu
とΓlは閾値を表しており、Γl≦Γc≦０および０≦Γc
≦Γuの領域はそれぞれ確率関数ＰMcを正弦曲線で補間
している。骨または骨代替物の形状の変化が進み、表面
応力が一様化されてくると、駆動力Γcの値は０に近づ
き、骨または骨代替物表面での骨の形成が起きる確率で
あるＰMcは小さくなる。
散的に分割することから、現実的には連続的な値を取る
表面移動速度は離散的となり、その決定に際しては確率
的なランダム性を導入することで離散性が補われる。例
えば、図３に示すような確率関数ＰMcを導入し、表面要
素ｃにおける骨形成速度Ｍcの値を−１、０、１の３通
りとなるように限定する。すなわち、表面移動速度は、
確率ＰMcと要素辺長との積となる。図３において、Γu
とΓlは閾値を表しており、Γl≦Γc≦０および０≦Γc
≦Γuの領域はそれぞれ確率関数ＰMcを正弦曲線で補間
している。骨または骨代替物の形状の変化が進み、表面
応力が一様化されてくると、駆動力Γcの値は０に近づ
き、骨または骨代替物表面での骨の形成が起きる確率で
あるＰMcは小さくなる。
【００３７】以上により、骨形成速度Ｍcを求め、図４
に示すように、Ｍc＝１の場合には、骨または骨代替物
の要素（４１）の内、表面要素（４２）に新たな骨また
は骨代替物の要素を付加し、逆に、Ｍc＝−１の場合に
は、表面要素を削除することで、骨または骨代替物の表
面の再構築を行う（ステップ（Ｃ４））。
に示すように、Ｍc＝１の場合には、骨または骨代替物
の要素（４１）の内、表面要素（４２）に新たな骨また
は骨代替物の要素を付加し、逆に、Ｍc＝−１の場合に
は、表面要素を削除することで、骨または骨代替物の表
面の再構築を行う（ステップ（Ｃ４））。
【００３８】骨または骨代替物の表面の再構築により骨
の形状の変化が生じた場合には、ステップ（Ｂ）に戻
り、計算を繰り返す（ステップ（Ｄ））。ここで、骨ま
たは骨代替物の表面の再構築により骨の形状の変化が得
られない場合には、平衡状態に達したものと判断され、
次のステップ（Ｅ）へと進む。
の形状の変化が生じた場合には、ステップ（Ｂ）に戻
り、計算を繰り返す（ステップ（Ｄ））。ここで、骨ま
たは骨代替物の表面の再構築により骨の形状の変化が得
られない場合には、平衡状態に達したものと判断され、
次のステップ（Ｅ）へと進む。
【００３９】ステップ（Ｅ）において、平衡状態に達し
た骨の力学的特性評価量および形態評価量が算出され
る。骨の力学的特性評価量として、例えば、解析領域全
体の見掛けの応力、見掛けの歪み、または、見掛けの剛
性が算出される。また、骨の形態評価量として、例え
ば、解析領域全体に対する骨の平均体積分率、骨の平均
厚さ、単位体積あたりの骨梁数が算出される。
た骨の力学的特性評価量および形態評価量が算出され
る。骨の力学的特性評価量として、例えば、解析領域全
体の見掛けの応力、見掛けの歪み、または、見掛けの剛
性が算出される。また、骨の形態評価量として、例え
ば、解析領域全体に対する骨の平均体積分率、骨の平均
厚さ、単位体積あたりの骨梁数が算出される。
【００４０】次いで、ステップ（Ｆ）において、平衡状
態に達した骨の力学的特性評価量および形態評価量が、
予め決定されていた目標の範囲内にあるか否かが判断さ
れ、目標の範囲内にない場合には生体内に骨代替物を埋
め込んだ時点での生体内における力学的特性および形状
を新たな初期値として再設定し、前記のステップ（Ｂ）
以降を実行する。
態に達した骨の力学的特性評価量および形態評価量が、
予め決定されていた目標の範囲内にあるか否かが判断さ
れ、目標の範囲内にない場合には生体内に骨代替物を埋
め込んだ時点での生体内における力学的特性および形状
を新たな初期値として再設定し、前記のステップ（Ｂ）
以降を実行する。
【００４１】そして、この出願の発明においては、上記
のシミュレーションがコンピュータ（電子計算機）等に
よりなされることが特徴でもある。
のシミュレーションがコンピュータ（電子計算機）等に
よりなされることが特徴でもある。
【００４２】さらに、この出願の発明においては、以上
で詳細に説明した骨組織再生のための代替物構造設計支
援方法により最適設計された骨代替物の構造について、
要素モデルデータを用意し、この要素モデルデータを光
造形装置に入力し、骨代替物を簡便に作成することも可
能である。
で詳細に説明した骨組織再生のための代替物構造設計支
援方法により最適設計された骨代替物の構造について、
要素モデルデータを用意し、この要素モデルデータを光
造形装置に入力し、骨代替物を簡便に作成することも可
能である。
【００４３】この出願の発明は、以上の特徴を持つもの
であるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明す
る。
であるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明す
る。
【００４４】
【実施例】この出願の発明に基づき、骨代替物による骨
組織再生についてシミュレーションを行った結果を示
す。実施例１ 図５に示すような、骨代替物を縦横それぞれ１５個のＰ
ｉｘｅｌ要素に分割したモデルについてシミュレーショ
ンを行った。Ｐｉｘｅｌ要素の一辺は、１００μｍに設
定した。モデルの上端および下端に仮想的な剛体板を配
置し、上端の剛体板には上面より２ＭＰａの一様圧縮応
力を加えた。新たに形成される骨および骨代替物は、等
方線形弾性体と仮定した。骨および骨代替物の力学的特
性（ヤング率、ポアソン比）は、表１で示した値に設定
した。
組織再生についてシミュレーションを行った結果を示
す。実施例１ 図５に示すような、骨代替物を縦横それぞれ１５個のＰ
ｉｘｅｌ要素に分割したモデルについてシミュレーショ
ンを行った。Ｐｉｘｅｌ要素の一辺は、１００μｍに設
定した。モデルの上端および下端に仮想的な剛体板を配
置し、上端の剛体板には上面より２ＭＰａの一様圧縮応
力を加えた。新たに形成される骨および骨代替物は、等
方線形弾性体と仮定した。骨および骨代替物の力学的特
性（ヤング率、ポアソン比）は、表１で示した値に設定
した。
【００４５】
【表１】
【００４６】反復計算回数１０回、１５回、２０回、３
０回、５０回における骨組織の再生過程における、骨お
よび骨代替物の形状変化について、それぞれ図６（Ａ）
〜（Ｅ）に示す。再生初期（図６（Ａ））における新た
な骨の形成が行われているのは、主に、骨代替物中央部
および上下の境界近傍の３箇所である。これらの３箇所
は、いずれも高い応力を示す箇所である。これらの３箇
所において骨が成長し太くなり、同時に代替物は骨表面
から吸収劣化される（図６（Ｂ）〜（Ｄ））。このよう
な過程を経て、反復計算回数５０回においては、骨代替
物のほとんどが、新しい骨に置き換わっている（図６
（Ｅ））。
０回、５０回における骨組織の再生過程における、骨お
よび骨代替物の形状変化について、それぞれ図６（Ａ）
〜（Ｅ）に示す。再生初期（図６（Ａ））における新た
な骨の形成が行われているのは、主に、骨代替物中央部
および上下の境界近傍の３箇所である。これらの３箇所
は、いずれも高い応力を示す箇所である。これらの３箇
所において骨が成長し太くなり、同時に代替物は骨表面
から吸収劣化される（図６（Ｂ）〜（Ｄ））。このよう
な過程を経て、反復計算回数５０回においては、骨代替
物のほとんどが、新しい骨に置き換わっている（図６
（Ｅ））。
【００４７】再生過程における骨代替物のひずみエネル
ギの変化について、図７に示す。骨代替物が吸収または
劣化するにつれて、反復計算回数が増加する程、荷重支
持構造としての剛性が増し、ひずみエネルギが減少す
る。
ギの変化について、図７に示す。骨代替物が吸収または
劣化するにつれて、反復計算回数が増加する程、荷重支
持構造としての剛性が増し、ひずみエネルギが減少す
る。
【００４８】図８は、骨代替物の全分子量の変化および
骨部の全体積の変化について示したグラフである。図８
により、骨代替物が時間とともに吸収（分解）され、一
方、骨が形成され体積が増加することが示された。実施例２ 図９に示すような、骨代替物を縦横それぞれ３０個のＰ
ｉｘｅｌ要素に分割したモデルについてシミュレーショ
ンを行った。Ｐｉｘｅｌ要素の一辺は、１００μｍに設
定した。モデルの上端および下端に仮想的な剛体板を配
置し、上端の剛体板には上面より２ＭＰａの一様圧縮応
力を加えた。新たに形成される骨および骨代替物は、等
方線形弾性体と仮定した。骨および骨代替物の力学的特
性（ヤング率、ポアソン比）は、表２に示した値に設定
した。
骨部の全体積の変化について示したグラフである。図８
により、骨代替物が時間とともに吸収（分解）され、一
方、骨が形成され体積が増加することが示された。実施例２ 図９に示すような、骨代替物を縦横それぞれ３０個のＰ
ｉｘｅｌ要素に分割したモデルについてシミュレーショ
ンを行った。Ｐｉｘｅｌ要素の一辺は、１００μｍに設
定した。モデルの上端および下端に仮想的な剛体板を配
置し、上端の剛体板には上面より２ＭＰａの一様圧縮応
力を加えた。新たに形成される骨および骨代替物は、等
方線形弾性体と仮定した。骨および骨代替物の力学的特
性（ヤング率、ポアソン比）は、表２に示した値に設定
した。
【００４９】
【表２】
【００５０】反復計算回数７０回および１５０回におけ
る骨組織の再生過程における、骨および骨代替物の形状
変化について、それぞれ図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す。
反復計算回数１５０回においては、骨代替物の全てが、
新しい骨に置き換わっている。
る骨組織の再生過程における、骨および骨代替物の形状
変化について、それぞれ図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す。
反復計算回数１５０回においては、骨代替物の全てが、
新しい骨に置き換わっている。
【００５１】式（II）における定数αの値による、再生
過程の変化について検討した。式（II）においてαが大
きい値をとるほど、分子量の時間変化は大きくなる。す
なわち、αは分子量の変化の加速度に対応し、αの値が
大きいほど骨代替物が吸収劣化しやすいことを意味す
る。
過程の変化について検討した。式（II）においてαが大
きい値をとるほど、分子量の時間変化は大きくなる。す
なわち、αは分子量の変化の加速度に対応し、αの値が
大きいほど骨代替物が吸収劣化しやすいことを意味す
る。
【００５２】定数αをα＝１０００，２０００，３００
０と設定したときの再生過程における骨部および骨代替
物を合わせた全ひずみエネルギの変化について、図１１
に示す。図１１により、定数αの値が大きいときには、
早い反復回数で、全ひずみエネルギの変化があらわれ
た。また、定数αをα＝１０００，２０００，３０００
と設定したときの骨部の全体積の変化について図１２に
示す。図１２により、定数αの値が大きいときには、早
い反復回数において、骨部の全体積の変化が現われた。
０と設定したときの再生過程における骨部および骨代替
物を合わせた全ひずみエネルギの変化について、図１１
に示す。図１１により、定数αの値が大きいときには、
早い反復回数で、全ひずみエネルギの変化があらわれ
た。また、定数αをα＝１０００，２０００，３０００
と設定したときの骨部の全体積の変化について図１２に
示す。図１２により、定数αの値が大きいときには、早
い反復回数において、骨部の全体積の変化が現われた。
【００５３】以上のように、αの値を調整することで骨
代替物が吸収劣化のしやすさに対する再生過程の差異を
算出することができる。実施例３ 図１３に示すような、骨代替物を縦横それぞれ３０個の
Ｐｉｘｅｌ要素に分割したモデルについてシミュレーシ
ョンを行った。Ｐｉｘｅｌ要素の一辺は、１００μｍに
設定した。モデルの上端および下端に仮想的な剛体板を
配置し、上端の剛体板には上面より２ＭＰａの一様圧縮
応力を加えた。新たに形成される骨および骨代替物は、
等方線形弾性体と仮定した。骨および骨代替物の力学的
特性（ヤング率、ポアソン比）は、表２に示した値に設
定した。
代替物が吸収劣化のしやすさに対する再生過程の差異を
算出することができる。実施例３ 図１３に示すような、骨代替物を縦横それぞれ３０個の
Ｐｉｘｅｌ要素に分割したモデルについてシミュレーシ
ョンを行った。Ｐｉｘｅｌ要素の一辺は、１００μｍに
設定した。モデルの上端および下端に仮想的な剛体板を
配置し、上端の剛体板には上面より２ＭＰａの一様圧縮
応力を加えた。新たに形成される骨および骨代替物は、
等方線形弾性体と仮定した。骨および骨代替物の力学的
特性（ヤング率、ポアソン比）は、表２に示した値に設
定した。
【００５４】反復計算回数７０回および１５０回におけ
る骨組織の再生過程における、骨および骨代替物の形状
変化について、それぞれ図１４（Ａ）、（Ｂ）に示す。
反復計算回数１５０回においては、骨代替物の全てが、
新しい骨に置き換わっている。
る骨組織の再生過程における、骨および骨代替物の形状
変化について、それぞれ図１４（Ａ）、（Ｂ）に示す。
反復計算回数１５０回においては、骨代替物の全てが、
新しい骨に置き換わっている。
【００５５】再生過程における骨部と骨代替物それぞれ
についてのひずみエネルギ、および、骨部および骨代替
物を合わせた全ひずみエネルギの変化について、図１５
に示す。図１５より、反復計算回数の増加とともに、骨
代替物のひずみエネルギが低下し、代わりに骨のひずみ
エネルギが増加する様子が見られ、以上で示した骨再生
過程において、剛性（ひずみエネルギ）を保持しつつ、
骨代替物の吸収および劣化とあたらしい骨の形成がなさ
れていることがわかる。
についてのひずみエネルギ、および、骨部および骨代替
物を合わせた全ひずみエネルギの変化について、図１５
に示す。図１５より、反復計算回数の増加とともに、骨
代替物のひずみエネルギが低下し、代わりに骨のひずみ
エネルギが増加する様子が見られ、以上で示した骨再生
過程において、剛性（ひずみエネルギ）を保持しつつ、
骨代替物の吸収および劣化とあたらしい骨の形成がなさ
れていることがわかる。
【００５６】
【発明の効果】以上、詳しく説明した通り、この出願の
発明により、欠損骨を再生または修復するために損傷部
に埋め込まれる骨代替物の構造を最適に設計することを
支援する方法と、そのための装置が提供される。生体組
織は、部位により形態や機能も異なり、骨代替物の構造
を決定することは非常に困難であるが、この出願の発明
により、個々の症例に応じた個別モデリングやシミュレ
ーションが可能となり、骨代替物の構造設計の実用化が
実現することが強く期待される。
発明により、欠損骨を再生または修復するために損傷部
に埋め込まれる骨代替物の構造を最適に設計することを
支援する方法と、そのための装置が提供される。生体組
織は、部位により形態や機能も異なり、骨代替物の構造
を決定することは非常に困難であるが、この出願の発明
により、個々の症例に応じた個別モデリングやシミュレ
ーションが可能となり、骨代替物の構造設計の実用化が
実現することが強く期待される。
【図１】この出願の発明である骨組織再生のための代替
物構造設計支援方法の処理手順を示した流れ図である。
物構造設計支援方法の処理手順を示した流れ図である。
【図２】この出願の発明である骨組織再生のための代替
物構造設計支援方法における解析領域の要素分割につい
て示した概要図である。
物構造設計支援方法における解析領域の要素分割につい
て示した概要図である。
【図３】この出願の発明である骨組織再生のための代替
物構造設計支援方法において、表面要素ｃにおける骨形
成速度Ｍｃの値の出現確率関数ＰＭｃについて示したグ
ラフである。
物構造設計支援方法において、表面要素ｃにおける骨形
成速度Ｍｃの値の出現確率関数ＰＭｃについて示したグ
ラフである。
【図４】この出願の発明である骨組織再生のための代替
物構造設計支援方法において、骨または骨代替物の表面
の再構築について示した概要図である。
物構造設計支援方法において、骨または骨代替物の表面
の再構築について示した概要図である。
【図５】この出願の発明の実施例で与えられたモデルの
要素分割について示した概要図である。
要素分割について示した概要図である。
【図６】この出願の発明での実施例において、反復計算
回数に対する骨および骨代替物の形状変化について示し
た概要図である。
回数に対する骨および骨代替物の形状変化について示し
た概要図である。
【図７】この出願の発明での実施例において、再生過程
における骨代替物のひずみエネルギの変化について示し
たグラフである。
における骨代替物のひずみエネルギの変化について示し
たグラフである。
【図８】この出願の発明での実施例において、骨代替物
の全分子量の変化および骨部の全体積の変化について示
したグラフである。
の全分子量の変化および骨部の全体積の変化について示
したグラフである。
【図９】この出願の発明の実施例で与えられたモデルの
要素分割について示した概要図である。
要素分割について示した概要図である。
【図１０】この出願の発明での実施例において、反復計
算回数に対する骨および骨代替物の形状変化について示
した概要図である。
算回数に対する骨および骨代替物の形状変化について示
した概要図である。
【図１１】この出願の発明での実施例において、定数α
の値に対する骨部および骨代替物を合わせた全ひずみエ
ネルギの変化について示したグラフである。
の値に対する骨部および骨代替物を合わせた全ひずみエ
ネルギの変化について示したグラフである。
【図１２】この出願の発明での実施例において、定数α
の値に対する骨部の全体積の変化について示したグラフ
である。
の値に対する骨部の全体積の変化について示したグラフ
である。
【図１３】この出願の発明の実施例で与えられたモデル
の要素分割について示した概要図である。
の要素分割について示した概要図である。
【図１４】この出願の発明での実施例において、反復計
算回数に対する骨および骨代替物の形状変化について示
した概要図である。
算回数に対する骨および骨代替物の形状変化について示
した概要図である。
【図１５】この出願の発明での実施例において、再生過
程における骨部と骨代替物それぞれについてのひずみエ
ネルギ、および、骨部および骨代替物を合わせた全ひず
みエネルギの変化について示したグラフである。
程における骨部と骨代替物それぞれについてのひずみエ
ネルギ、および、骨部および骨代替物を合わせた全ひず
みエネルギの変化について示したグラフである。
２１ 骨または骨代替物 ２２ 要素 ４１ 骨または骨代替物の要素 ４２ 表面要素
Claims (9)
- 【請求項１】 欠損した骨の再生または修復に使用され
る骨代替物の構造を最適に設計することを支援する骨組
織再生のための代替物構造設計支援方法であって、２次
元または３次元の解析領域において、骨代替物の吸収お
よび劣化による力学的特性の変化をシミュレーション
し、次いで、骨または骨代替物表面における骨の形成過
程をシミュレーションすることで、最終的に再生または
修復される骨の力学的特性および形状を算出することを
特徴とする骨組織再生のための代替物構造設計支援方
法。 - 【請求項２】 第１のステップとして、欠損した骨の再
生または修復に使用される骨代替物の構造を最適に設計
することを支援する骨組織再生のための代替物構造シミ
ュレーション方法であって、２次元または３次元の解析
領域において、生体内に骨代替物を埋め込んだ時点での
生体内における力学的特性および形状を初期値として設
定し、第２のステップとして、骨代替物の吸収および劣
化による力学的特性の変化をシミュレーションし、第３
のステップとして、解析領域における応力分布より骨ま
たは骨代替物表面における骨の形成過程をシミュレーシ
ョンすることで、最終的に再生または修復される骨の力
学的特性および形状を算出し、第４のステップとして、
第３のステップにて算出された再生または修復される骨
の力学的特性より力学的特性評価量を、また、形状より
形状評価量を算出し、第５のステップとして、第４のス
テップで算出された力学的評価量および形状評価量が予
め決定されていた目標の範囲内にあるか否かを判断し、
第６のステップとして、第４のステップにて算出された
再生または修復される骨の力学的特性評価量および形状
評価量が予め決定されていた目標の範囲内にない場合に
は生体内に骨代替物を埋め込んだ時点での力学的特性お
よび形状を新たな初期値として再設定し前記の第２〜６
のステップを実行する第７のステップと、から構成され
ることを特徴とする骨組織再生のための代替物構造設計
支援方法。 - 【請求項３】 ２次元または３次元の解析領域におい
て、第１のステップとして解析領域を構成する複数の要
素のそれぞれについて含水率を算出し、第２のステップ
として第１のステップで算出された含水率より求められ
る分子量変化率からそれぞれの要素について分子量を算
出し、第３のステップとして第２のステップで算出され
た分子量から力学的特性を算出することで、骨代替物の
吸収および劣化による力学的特性の変化をシミュレーシ
ョンすることを特徴とする請求項１または２の骨組織再
生のための代替物構造設計支援方法。 - 【請求項４】 ２次元または３次元の解析領域におい
て、第１のステップとして解析領域を構成する複数の要
素のそれぞれに骨または骨代替物の力学的特性を初期値
として設定することで応力解析により各要素の応力を算
出し、第２のステップのステップとして第１のステップ
で算出された応力から骨または骨代替物の表面に対応す
る表面要素について骨形成駆動力を算出し、第３のステ
ップとして第２のステップで算出された表面要素につい
て骨形成速度を算出し、さらに、第４のステップとして
第３のステップで算出された骨形成速度から表面要素に
おける骨の状態を形成、吸収、または、休止の３状態に
判別し、第５のステップとして第４のステップで表面要
素における骨の状態に応じて表面要素の付加または除去
を行うことにより骨または骨代替物の形状を変更するこ
とで、骨または骨代替物表面の骨形成過程をシミュレー
ションすることを特徴とする請求項１または２の骨組織
再生のための代替物構造設計支援方法。 - 【請求項５】 評価に用いられる力学的特性評価量が、
解析領域全体の見掛けの応力／解析領域全体の見掛けの
歪み／解析領域全体の見掛けの剛性であることを特徴と
する請求項２記載の骨組織再生のための代替物構造設計
支援方法。 - 【請求項６】 評価に用いられる骨の形状評価量が、解
析領域全体に対する骨の平均体積分率／骨の平均厚さ／
単位体積あたりの骨梁数であることを特徴とする請求項
２記載の骨組織再生のための代替物構造設計支援方法。 - 【請求項７】 ２次元または３次元の解析領域を構成す
る要素モデルを、ＭＲＩ／Ｘ線ＣＴ／超音波ＣＴにより
取得される医療用計測画像から作成することを特徴とす
る請求項２記載の骨組織再生のための代替物構造設計支
援方法。 - 【請求項８】 請求項１ないし６のいずれかの方法をコ
ンピュータによるシミュレーションで可能とすることを
特徴とする骨組織再生のための代替物構造設計支援装
置。 - 【請求項９】 請求項１〜７の骨組織再生のための代替
物構造設計支援方法により最適設計された骨代替物の構
造を構成する要素モデルデータを光造形装置に入力し骨
代替物を作成することを特徴とする骨代替物作成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000257947A JP3782295B2 (ja) | 2000-08-28 | 2000-08-28 | 骨組織再生のための代替物構造設計支援方法とその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000257947A JP3782295B2 (ja) | 2000-08-28 | 2000-08-28 | 骨組織再生のための代替物構造設計支援方法とその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002065708A true JP2002065708A (ja) | 2002-03-05 |
| JP3782295B2 JP3782295B2 (ja) | 2006-06-07 |
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ID=18746324
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000257947A Expired - Fee Related JP3782295B2 (ja) | 2000-08-28 | 2000-08-28 | 骨組織再生のための代替物構造設計支援方法とその装置 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3782295B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009268524A (ja) * | 2008-04-30 | 2009-11-19 | Ratoc System Engineering Co Ltd | 椎体海綿骨の検査プログラムおよび検査方法 |
| JP2010131130A (ja) * | 2008-12-03 | 2010-06-17 | Univ Of Tokyo | 歯槽骨再生用生体吸収性３次元メンブレンの製造方法 |
| JP2013141477A (ja) * | 2012-01-06 | 2013-07-22 | Ryukoku Univ | 骨折リスク評価方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102055795B1 (ko) * | 2018-02-28 | 2019-12-13 | 고등기술연구원연구조합 | 골 재건을 위한 골 지지체, 이의 제조 방법 및 시스템 |
-
2000
- 2000-08-28 JP JP2000257947A patent/JP3782295B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2010131130A (ja) * | 2008-12-03 | 2010-06-17 | Univ Of Tokyo | 歯槽骨再生用生体吸収性３次元メンブレンの製造方法 |
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