JP2011149943A - 生体骨若しくは模擬骨又はそれらに装着する部材の応力分布測定方法及び測定部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】生体骨、模擬骨、それらへの装着部材の応力分布を可視化するに際して、安価なシステムにより正確に、種々の態様で計測することができるようにする。
【解決手段】損傷大腿骨自体に対して、或いは損傷大腿骨の模擬骨に対して、人工股関節２の挿入支持部４を損傷大腿骨１の中空内部３に挿入するとき、その挿入支持部４が挿入される部分を含む適宜の範囲の骨材外周表面５に、予め応力発光物質薄膜６を形成しておく。このような人工股関節２の挿入過程及び挿入後の状態等において、外周側からICCDカメラ７でその応力発光物質薄膜６部分を、その全周にわたって撮影し、これをコンピュータ１１に入力し受光画像８を得る。それによりコンピュータ１１においては、受光した光の強度をそのまま画像として出力することにより、容易に受光画像８を得ることができ、特に受光した光の強度のデータをほぼそのまま応力・歪みデータとして用いることが可能となる。
【選択図】図１
【解決手段】損傷大腿骨自体に対して、或いは損傷大腿骨の模擬骨に対して、人工股関節２の挿入支持部４を損傷大腿骨１の中空内部３に挿入するとき、その挿入支持部４が挿入される部分を含む適宜の範囲の骨材外周表面５に、予め応力発光物質薄膜６を形成しておく。このような人工股関節２の挿入過程及び挿入後の状態等において、外周側からICCDカメラ７でその応力発光物質薄膜６部分を、その全周にわたって撮影し、これをコンピュータ１１に入力し受光画像８を得る。それによりコンピュータ１１においては、受光した光の強度をそのまま画像として出力することにより、容易に受光画像８を得ることができ、特に受光した光の強度のデータをほぼそのまま応力・歪みデータとして用いることが可能となる。
【選択図】図１
Description
本発明は、骨等に作用する応力・歪みの分布を容易に測定することができるようにした生体骨または模擬骨、若しくはそれらに装着する部材の応力分布測定方法及び応力分布測定用模擬骨、或いは生体骨または模擬骨に装着するインプラント等の部材に関する。
近年顕著となっている高齢化社会の問題の一つとして、身体機能の老化に伴う骨密度や骨形態の変化、及び転倒事故等による骨の損傷等、人体の骨に関する問題が注目されており、「高齢化社会における安心・安全で質の高い生活」のために、これを解決することは特に重量である。
例えば骨の損傷等による人工関節などの整形外科インプラントの装着においては、そのインプラントを装着したことによる力学的な環境変化により、条件によっては骨密度や骨形態の変化を誘発し、インプラントのゆるみの一因となる。そのため、装着したインプラントが例えば２０年以上等の所望の期間、適切な生体親和性を維持するためには、そのインプラントを装着した骨の応力分布の解析をできる限り正確に把握することはきわめて重要なことである。
骨の応力分布の解析に際して、特に表面応力分布の計測においては、従来は骨の表面に多数の歪ゲージを貼って、骨に作用する応力と各歪ゲージの出力信号により、応力分布の解析を行う、歪ゲージ法が用いられていた。しかしながら、貼り付けた歪ゲージの数には限界があり、漏れ点のない計測は不可能であった。
その対策として、近年は応力によって変化する試料の表面温度より表面応力を可視化する熱弾性応力測定法が開発された。この手法は赤外線サーモグラフィーを応用した手法であるため、人工関節装着時においてはこれを装着した大腿骨表面応力分布等を漏れ点無く画像でとらえることが可能となる。
一方、本件出願人等は、機械的エネルギーによって発光する無機材料の研究により、下記特許文献１に示すように、特にウルツ鉱山型構造の圧電体である母体材料及び発光中心からなる無機物質を原料とした材料を製造することに成功した。上記のような母体材料に、発光中心を添加すると、得られた薄膜の発光強度を飛躍的に向上させることが可能となることを見いだし、特許出願を行っている。その後更なる研究の結果、このような力によって発光する種々の無機物質を見出すとともに、この物質を各種の分野で使用する研究も進めており、例えば下記特許文献２に開示しているように、コンクリート中に応力発光材料を混合しておき、コンクリートの破壊に至る前の異常な応力を検知することを提案している。
上記のように、骨の応力・歪み分布の解析に際して、歪みゲージ法を用いた際に計測漏れ点が生じる問題点を、熱弾性応力測定法によって解決し、骨の表面応力分布を漏れ点無く可視化することができるものであるが、その手法により応力によって変化する熱を検出するためには、数mKという微小な温度変化を赤外線サーモグラフィーによって捉えなければならない。実用的な温度（応力）分布精度を得るためには、より温度分解能が高いサーモグラフィーを使用して、かつ画像積算等の画像処理システムが不可欠であり、高価なものとならざるを得ない、という問題がある。また、原理的に、計測されるのは主応力の和であり、せん断応力は計測されない、という問題がある。
したがって本発明は、生体骨または模擬骨若しくはそれらに装着する部材の応力分布を漏れ点無く可視化して測定するに際して、安価なシステムにより正確に、種々の態様で測定することができる手法を提供することを主たる目的とする。
本発明は上記課題を解決するため、前記のように本件出願人が先に開発した、上記のような機械的エネルギーによって発光する物質を用いて解決することを見いだし、本件発明に至ったものであり、より具体的には、生体骨または模擬骨の表面、若しくはそれらに装着する部材表面に応力発光物質層を設け、前記骨に作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定することにより、生体骨または模擬骨の表面、若しくはそれらに装着する部材表面の応力分布を測定することを特徴とする生体骨または模擬骨若しくはそれらに装着する部材の応力分布測定方法としたものである。
また、本発明による他の模擬骨の応力分布測定方法は、模擬骨の材料中に応力発光物質を混合し、前記骨に作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定することにより、模擬骨の表面または内部の応力分布を測定することを特徴とする。
また、本発明による他の模擬骨の応力分布測定方法は、模擬骨内部に応力発光物質層を形成し、前記骨に作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定することにより、模擬骨の表面または内部の応力分布を測定することを特徴とする。
また、本発明による他の模擬骨の応力分布測定方法は、透明材料で形成した模擬骨の内面に応力発光物質層を設け、前記骨に作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光を骨材の外側からカメラで測定することにより、模擬骨の内面の応力分布を測定することを特徴とする。
また、本発明による他の模擬骨の応力分布測定方法は、透明材料により多層に形成した模擬骨の各層間に応力発光物質層を設け、前記骨に作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定することにより、模擬骨の内部の応力分布を測定することを特徴とする。
また、本発明による模擬骨は、表面に応力発光物質層を設けたことを特徴とする。
また、本発明による他の模擬骨は、材料に応力発光物質を混合したことを特徴とする。
また、本発明による他の模擬骨は、各層間に応力発光物質層を備えた透明材料により多層に形成したことを特徴とする。
また、本発明による他の模擬骨は、材料に応力発光物質を混合したことを特徴とする。
また、本発明による他の模擬骨は、各層間に応力発光物質層を備えた透明材料により多層に形成したことを特徴とする。
また、本発明による他の模擬骨は、応力測定用テストピースの形状をなす模擬骨の表面に応力発光物質層を設けたことを特徴とする。
また、本発明による応力測定用部材は、生体骨または模擬骨に装着する部材の表面等に応力発光物質層を設けたことを特徴とする
また、本発明による応力測定用部材は、生体骨または模擬骨に装着する部材の表面等に応力発光物質層を設けたことを特徴とする
本発明は上記のように構成したので、骨の応力分布を漏れ点無く可視化して測定するに際して、安価なシステムにより正確に、種々の態様で測定することができる。
本発明は、骨の応力及び歪み（以下単に応力と称する）分布の測定に際して、従来用いられていた赤外線サーモグラフィーを用いた手法に代え、前記のような機械的エネルギーによって発光する無機物質を用いるものであり、この無機物質は上記特許文献１等に開示しているが、最初にこの物質について簡単に説明する。
本発明に用いられる応力発光材料は、無機母体材料に、機械的エネルギーによって励起された電子が基底状態に戻る場合に発光する希土類又は遷移金属の１種類以上からなる発光中心をドープしてなるものである。ここで、無機母体材料としては、メリライト構造、FeS2構造、ウルツ構造、スピネル構造、コランダム構造又はβ−アルミナ構造を有する酸化物、硫化物、炭化物又は窒化物が挙げられる。このうち、メリライト構造、FeS2構造、ウルツ構造、スピネル構造、コランダム構造又はβ−アルミナ構造を有する酸化物が好ましい。ここで、メリライト構造を有するものとしては、CaYAl3O7、Ca2Al2SiO7、Ca2(Mg,Fe)Si2O7、Ca2B2SiO7、CaNaAlSi2O7、Ca2MgSi2O7、(Ca,Na)2(Al,Mg)(Si,Al)2O7、Ca2(Mg,Al)(Al,Si)SiO7等が挙げられる。FeS2構造を有するものとしては、Sr3Al2O6、Ca3Al2O6、CaC2、CoS2、MnS2、NiS2、RuS2、NiSe2を主成分とする材料が挙げられる。ウルツ構造を有するものとしては、BeO、ZnO、ZnS、CdS、MnS、AlN、GaN、InN、TaN、NbN、α−SiCを主成分とする材料が挙げられる。スピネル構造を有するものとしては、MgAl2O4、CaAl2O4、コランダム構造を有するものとしてはAl2O3、β−アルミナ構造を有するものとしてはSrMgAl10O17などが挙げられる。
これらの無機母体材料にドープされる発光中心としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの希土類イオン、およびTi、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ta、Wの遷移金属イオンのうちの１種類またはそれ以上を用いるのが好ましい。このうち、例えば無機母体材料がゲーレナイトの場合は、希土類金属、特にCeイオンが好ましい。当該発光中心のドープ量は、発光強度、発光効率の点から、応力発光材料中に０．００１〜２０重量％、特に０．００１〜５重量％が好ましい。
本発明は上記のような応力発光物質の利用に際しては、例えば図１に示すような損傷大腿骨１に人工股関節２をインプラントするとき、その人工股関節が損傷大腿骨１の中空内部３の内壁に無理なく挿入されているかを計測するときに用いることができる。即ち、図示の例においては損傷大腿骨自体に対して、或いは損傷大腿骨の型取りを行って作成した実験試料である模擬損傷大腿骨（以下、損傷大腿骨と総称する）に対して、人工股関節２の挿入支持部４を損傷大腿骨１の中空内部３に挿入することとなるが、その挿入支持部４が挿入される部分を含む適宜の範囲の損傷大腿骨１の骨材外周表面５に、予め上記応力発光物質を塗布する等、種々の手法により応力発光物質層としての応力発光物質薄膜６を設けておく。
このような応力発光物質層の形成状態を模式的に示したものが図２であり、前記損傷大腿骨１に相当する試験材料１５の骨材外周面の全面若しくは部分面に応力発光物質からなる応力発光薄膜１６を形成している。この応力発光物質の薄膜形成手法としては種々のものが存在し、各種の手法を用いることができるが、例えば真空封入処理或いは真空熱処理によって、応力発光物質薄膜６の付着強度を大幅に向上させることができる。
図１に示すように、上記のような人工股関節２の挿入過程及び挿入後の状態において、また、更に負荷手段１２により所定の負荷を加えながら、外周側からＩＣＣＤカメラ７でその応力発光物質薄膜６部分の要部或いは全周を撮影し、これをコンピュータ１１に入力し受光画像８を得る。なお、このとき撮影するカメラは上記のようなＩＣＣＤカメラ以外に一般のＣＣＤカメラ等、種々のものを用いて撮影することができる。また、コンピュータ１１においては、従来の手法である応力により生じた熱の分布を測定し画像に表示するときのような積算等の画像処理は必ずしも必要なく、受光した光の強度をそのまま画像として出力することにより、容易に受光画像８を得ることができ、特に受光した光の強度のデータをほぼそのまま応力・歪みデータとして用いることが可能となる。動的な解析にも適した手法である。
図１に示す受光画像８においては、人工股関節２における挿入支持部４の外周面９が、損傷大腿骨１の中空内部３における内周面１０に強く当接する部分Ａ、Ｂが、受光画像８では大きな発光強度部分として表され、これらを中心とした応力分布の状態が発光強度分布として検出することができる。また、その発光強度を測定することにより、予め知られている荷重条件−発光強度相関データを参照することで、損傷大腿骨１の表面における応力分布を測定することができる。
実際にグラス充填エポキシ樹脂からなる模擬骨材料を幅２５mm、厚さ５．５ｍｍのＪＩＳ準拠形状の試験片を用いて、チャック間距離を８７ｍｍとし、荷重負荷は、MTS Minibionix858、荷重負荷を６kN/secで変化させたとき、Hamamatsu C2400-30(IICCD アナログ 8bit)によって発光検出を行い、PhotoshipCSにて差分輝度測定を行った結果を図３に示す。同図（ａ）は（荷重）−（光量差）特性を示し、（ｂ）にはこれを（荷重）２−（光量差）で表したものである。特に同図（ｂ）から明らかなように直線の特性が得られるので、光量のデータから応力・歪みの状況を正確に求めることができる。上記特性は可逆性を有するため、応力発光物質を塗布した試験片としての前記損傷大腿骨に対して、各種形状の複数の人工股関節２を適用し、最も適したものを選択する等、実用性の高い応力分布測定手法となる。
上記のような応力分布測定手法は、前記図２に示すように試験材料１５の外周面に応力発光薄膜１６を形成する以外に、図４に示すように模擬骨としての試験材料１７を合成樹脂等の透明材料で作成し、その骨材内周面に応力発光薄膜１８を形成することにより、この部分に上記のような人工股関節の挿入支持部を挿入するとき、この外周から前記と同様にＩＣＣＤカメラ等で観察すると、特定の場所に大きな力が作用している状態等、内周面の応力の分布状態を検出することができる。なお、この実施例においては、骨材内周面の応力分布を測定するに際して、骨材の外周面から容易に測定することができるように透明材料で模擬骨を作成する例を示したが、内視鏡や小型カメラを用いるならば、生体骨及び不透明な模擬骨でも、その骨材内周面に応力発光薄膜１８を形成した状態で測定することもできる。
更に、図５に示すように、模擬骨としての試験材料２０の作成に際して、その骨材材料内に応力発光物質粉末２１を混入させた状態で、所定形状の試験材料を成形してもよい。このような応力発光物質を混入した試験材料２０に対して前記と同様の人工股関節を挿入した後、外周からＩＣＣＤカメラ等で観察すると、特に試験材料２０の外周面に露出している応力発光物質が応力に応じて発光するので、試験材料２０の表面の応力分布状態を測定することができる。なお、試験材料２０として合成樹脂等の透明材料を用い、その樹脂内に前記のような応力発光物質粉末２１を混入しても良く、そのときには材料内部の発光状態も観察することができ、更にその発光位置を特定することにより材料内部のどの部分にどのような応力分布が生じているかを知ることもできる。
また、例えば図６に示すように、模擬骨としての試験材料２５を内側透明材料２６と外側透明材料２７の２層の間に応力発光物質層２８を介在する構成としても良い。このような試験材料は、例えば所定形状に形成した内側透明材料２６の外周面に応力発光物質層を被覆し、更にその外側に所定形状の外側透明材料２７を形成することにより製造することができる。このような試験材料２５に人工股関節を挿入した後、前記と同様にＩＣＣＤカメラで等観察することにより、試験材料２５の内部の発光状態を観察することによって、内部の応力分布を知ることができる。
更に、例えば図７に示すように、試験材料３０を外側透明材料３１と中間透明材料３２と内側透明材料３３とから形成し、外側透明材料３１と中間透明材料３２間に外側応力発光物質層３４を、また中間透明材料３２と内側透明材料３３間に内側応力発光物質層３５を設けることにより、前記図６に示す例においては内部の一層だけが観察できるのに対して、内部の２層について応力分布状態を観察することができるようにすることができる。このような手法により、試験材料の内部を更に多層に形成し、更に試験材料内部を詳細に観察することも可能となる。
透明材料で形成した模擬骨としての試験材料の内部に応力発光物質層を設けるに際して、上記のように内側から外側に層を形成する例を示したが、それ以外に例えば透明な試験材料を軸線と平行方向分割して表れた面に応力発光物質層を形成し、これを再び一体化した試験材料を用いても、同様の手法により内側から外側に至る面における応力分布を測定することもできる。
前記各実施例においては説明の便宜のため、人工股関節を損傷大腿骨に挿入する例で統一して説明したが、それ以外の種々の生体骨及び模擬骨の応力分布測定に用いることができ、前記各実施例のように実際の骨の形状に模した模擬骨以外に、例えば図８に示すようなテストピースの形状に製作したものを用いてもよい。このようなテストピースの形状の模擬骨４０の表面に応力発光物質薄膜４１を設け、これを応力試験装置にかけてＩＣＣＤカメラ等で観察することにより、この模擬骨の材質がどのような応力分布になるかを見ることができる。
上記実施例では、生体骨または模擬骨の表面に応力発光物質層を設けた例を示したが、例えば図１に示す人工股関節２の表面に応力発光物質層を塗布等により設け、透明な模擬骨にこれを挿入したときに生じる人工股関節２の表面応力分布を模擬骨の外側から観察することもできる。このように、応力発光物質は骨材とそれに適用する各種物体との相対的な応力の状態を観察することができるので、いずれの側に応力発光物質層を設けても良いことは明らかである。
更にこの手法は、前記実施例の人工股関節以外に、例えばあごの骨等に対する義歯の装着状態を観察するための相互間の応力分布状態の測定等、種々の生体硬組織とその生体硬組織に対応させる物質の適用状態を測定するためにも上記各実施例と同様にして使用することができる。したがって本発明における「生体骨若しくは模擬骨」はこのような生体硬組織全体を含んだ意味で用いられる。
また、上記のような応力測定手法は、単に生体硬組織とその生体硬組織に対応させる物質の適用状態を測定する以外に、例えば医療関係の教育用として、熟練技能者が模擬骨に人工股関節等の物体を装着したときの適正な応力分布の測定結果と、教育を受ける人が同じものを装着したときに応力分布の相違を観察して比較し、適切な装着が行われたか、また装着の熟練度が向上したか否かを知るために用いることもできる。
更に、例えば１０年間等の長期間、実際に使用したインプラント骨が適切に使用できていたとき、これが取り外された際にその応力分布を本発明の手法により測定し、その後他のインプラントを装着したときに測定した応力分布の状態を比較することによって、新たなインプラントが適切に装着されるか否か知ることができる等、本発明は種々の手法で広く用いることができる。なお、上記実施例の説明において、応力分布について説明したが、応力に対応して生じる歪みついても、同様に測定することができることはいうまでもない。
本発明は前記のように、生体骨自体の応力分布、その生体骨を模した模擬骨の応力分布、各種模擬骨に用いる模擬骨用骨材の応力分布特性、義歯の装着状態の観察等、生体硬組織とその生体硬組織に対応させる物質の適用状態を測定するため、種々の態様で用いることができる。また、前記のように適切なものとの比較を行うことにより、教育用、適切なインプラントの選択等に際しても使用することができる。また、本発明では、光をとおさない物質や層を併用することにより、発光箇所の特定を容易にしても良い。
１ 損傷大腿骨
２ 人工股関節
３ 中空内部
４ 挿入支持部
５ 骨材外周表面
６ 応力発光物質薄膜
７ ＩＣＣＤカメラ
８ 受光画像
９ 外周面
１０ 内周面
１１ コンピュータ
１２ 負荷手段
２ 人工股関節
３ 中空内部
４ 挿入支持部
５ 骨材外周表面
６ 応力発光物質薄膜
７ ＩＣＣＤカメラ
８ 受光画像
９ 外周面
１０ 内周面
１１ コンピュータ
１２ 負荷手段
Claims (11)
- 模擬骨の表面、内部若しくは内面、及び／又はインプラントの表面、内部若しくは内面に応力発光物質層を設け、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントに作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定し、
前記模擬骨の表面、内部若しくは内面、及び／又は前記インプラントの表面、内部若しくは内面の応力分布を測定する
ことを特徴とする、模擬骨へのインプラントの装着を計測する方法。 - 模擬骨の表面、内部若しくは内面、及び／又はインプラントの表面、内部若しくは内面に応力発光物質層を設け、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントに作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定し、
前記模擬骨の表面、内部若しくは内面、及び／又は前記インプラントの表面、内部若しくは内面の応力分布を測定する
ことを特徴とする、インプラント装着の熟練度の計測方法。 - 生体骨若しくは模擬骨の表面、内部若しくは内面、及び／又はインプラントの表面、内部若しくは内面に応力発光物質層を設け、
前記生体骨若しくは模擬骨及び／又は前記インプラントに作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定し、
前記生体骨若しくは模擬骨の表面、内部若しくは内面、及び／又は前記インプラントの表面、内部若しくは内面の応力分布を測定する
ことを特徴とする、インプラントの選択方法。 - 生体骨若しくは模擬骨の表面、内部若しくは内面、及び／又はインプラントの表面、内部若しくは内面に応力発光物質層を設け、
前記生体骨若しくは模擬骨及び／又は前記インプラントに作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定し、
前記生体骨若しくは模擬骨の表面、内部若しくは内面、及び／又は前記インプラントの表面、内部若しくは内面の応力分布を測定する
ことを特徴とする、インプラントの適用状態の計測方法。 - 前記模擬骨及び／又は前記インプラントの材料中に応力発光物質を混合し、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントに作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定し、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントの表面又は内部の応力分布を測定するものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。 - 透明材料で形成した前記模擬骨及び／又は前記インプラントの内部に応力発光物質層を設け、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントに作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定し、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントの内部の応力分布を測定するものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。 - 透明材料で形成した前記模擬骨及び／又は前記インプラントの内面に応力発光物質層を設け、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントに作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光を骨材の外側からカメラで測定し、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントの内面の応力分布を測定するものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。 - 透明材料により多層に形成した前記模擬骨及び／又は前記インプラントの各層間に応力発光物質層を設け、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントに作用する応力によって発光する前記応力発光物質の光をカメラで測定し、
前記模擬骨及び／又は前記インプラントの内部の応力分布を測定するものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。 - 前記模擬骨が模擬大腿骨であり、前記インプラントが人工股関節である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記模擬骨が模擬あご骨であり、前記インプラントが義歯である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
- その表面、内部又は内面に応力発光物質層が設けられているインプラントを含むことを特徴とする、模擬骨又は生体骨へのインプラントの装着を計測するためのキット。
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