JP4097192B2

JP4097192B2 - Artificial bone manufacturing method and manufacturing apparatus, and artificial bone

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Publication number: JP4097192B2
Application number: JP2002330650A
Authority: JP
Inventors: 隆弘越智
Original assignee: Covalent Materials Corp; MMT Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK; MMT Co Ltd
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: JP2004159982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工骨の製造方法及び製造装置並びに人工骨に関し、例えば欠損した骨を修復するために、セラミックス等からなる人工骨を加工形成する、人工骨の製造方法及び製造装置並びに人工骨に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、欠損した骨を修復するための人工骨として、セラミックスからなる人工骨が実用化され、それらの中でも、実際の骨の組成に近いリン酸カルシウム系セラミックスが広く用いられている。このリン酸カルシウム系セラミックスの人工骨としては、緻密体、多孔質体、また多孔質なものを破砕して顆粒状にしたものが商品化されている。
【０００３】
また、現在市販されている人工骨は、ほとんどが方形、円柱状、円筒状、三角錘状など単純な形状であり、必要に応じて手術室において医師によって応急的な加工処理が行なわれる。これは、事故等で欠損した骨の形状は複雑であり、予めその形状に合わせた人工骨を用意しておくことが困難なためである。
例えば、長管骨を欠損した場合、複数の円筒体形状の人工骨（人工骨）を直線状に配置固定すると共に、前記人工骨間（継ぎ目）の隙間を顆粒状のセラミックス等で充填し、長管骨としている。
このように単純形状の人工骨（人工骨）が用いられるため、手術直後は欠損した骨の形状と大きく異なり、術後の時間の経過と共に、これらの人工骨の周辺に本人の骨が形成され、もとの形状に徐々に近づいていく。
【０００４】
ところで、前記したように欠損した部分が、もとの形状とほぼ同じ形状に回復するまでには多くの時間を要し、患者に対して大きな負担と苦痛を与えるという問題があった。
この問題は、欠損前の骨と同形状の人工骨を用いることによって解決でき、欠損した本人の骨とほぼ同じ形状の人工骨を製造する方法や装置について種々の提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図６に、従来例の人工骨（立体模型）を製造するための工程のフロー図を示す。この図６において、例えば哺乳動物体の内部に放射エネルギーを当て（Ｓ１）、その哺乳動物体の外部で放射エネルギーレスポンスを検出する（Ｓ２）。
次いで、検出したレスポンスデータを処理することによって、所定の構造を三次元的に描くデータが得られる（Ｓ３）。次いで、ステップＳ３で得られたデータを元に人工骨を造形する工具を制御するための三次元座標データを生成する（Ｓ４）。そして、ステップ４において生成された三次元座標データに従って造形工具を追随させることにより、人工骨を生成することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特公平６−２１３７号公報（第３頁第５欄第４２行〜第６欄第３６行、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、欠損前の骨と同形状の人工骨を用いた場合には、欠損前の骨と異なる形状の人工骨を用いた場合に比べて、回復時間を短縮でき、骨の変形などによる苦痛からも開放される。
しかしながら、欠損した骨、あるいはまた骨の部位に作用する荷重が異なるため、欠損した骨とほぼ同一形状の人工骨を用いても、被加工材料の材質、強度が欠損した骨と大きく異なる場合には、破損の虞がある。
【０００８】
ところで、本発明の発明者は、セラミックスの中でも気孔率の大きな撹拌起泡によるハイドロキシアパタイト多孔体による人工骨が、内部まで血液や細胞を導入するのに優れ、ほぼその部材形状のまま、早期に自分の骨として再生できることを知見し、既に特開２００２−１７８４６号として提案している。
即ち、このような多孔体からなる人工骨を、欠損した骨の形状に最初から正確に製造しておけば、生体に埋入後、気孔内に血液や細胞が直ぐに入り込み、埋入した部材がより早期に自らの骨として利用できる。
【０００９】
しかしながら、気孔率が大きい人工骨は、気孔内に血液や細胞が直ぐに入り込み易いが、強度的に弱いという性質を有する。一方、気孔率が小さい人工骨は、気孔内に血液や細胞が直ぐに入り込み難いが、強度的に強いという性質を有する。
そのため、欠損した骨あるいはまた骨の部位に必要とされる強度（耐荷重）以上の強度を有し、かつ気孔率がより大きい被加工部材を選択し、欠損した骨の形状を正確に再現する人工骨の製造方法及び製造装置の実現が望まれていた。
【００１０】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的とするところは、生体の骨を再現する人工骨の製造方法及び製造装置並びに人工骨において、強度的に支障なく、早期に生体自身の骨として機能するための人工骨の製造方法及び製造装置並びに人工骨を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するためになされたこの発明に係る人工骨の製造方法は、被加工部材に加工処理を施すことにより、生体の骨を再現する人工骨の製造方法において、生体から骨に関する画像データを採取する工程と、前記工程において採取した画像データを記憶部に記憶させる工程と、前記記憶部に記憶された前記画像データと患者の性別、体重、身長に対応する再現する骨の基準データとから、前記被加工部材を加工するための加工データを生成する工程と、前記生成された加工データが単一の気孔率の前記被加工部材の場合には、製造する人工骨に求められる強度以上の強度を有する被加工部材の中から気孔率の大きいものを選択する工程と、前記選択された被加工部材に対して、前記加工データに従って加工処理を施すことにより人工骨を形成する工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。
また、前記記憶部に記憶された被加工部材の物質特性データに含まれる参照データを参照することによって、製造する人工骨に求められる強度以上の強度を有する被加工部材の中から気孔率の大きいものが選択されることを特徴としている。
【００１２】
前記した方法によると、前記加工データに応じた強度を有し、かつ、骨の再生に最適な気孔率を有する被加工部材を選択することにより、例えば、強度を必要としない骨には多孔体の被加工部材を選択し、強度を必要とする骨には緻密体の被加工部材を選択することができる。このように、多孔体の被加工部材を選択して使用することができれば、血液や細胞の進入が容易になるため、治療を受けた患者の回復を早めることができる。
なお、これは全体が均一な強度、均一な気孔率であることを意味しない。例えば、緻密な部材を用いて荷重を負担させ残りの空間を多孔体で形成し、全体として強度が十分で再生が早い人工骨としてもよい。
【００１３】
ここで、前記再現する骨の基準データは、少なくとも前記骨の構造データと、前記骨にかかる荷重データを含み、前記被加工部材の物質特性データは、耐荷重データ及び骨の再生しやすさを示すデータに対応する気孔率データを含み、前記加工データは、少なくとも製造する骨の三次元座標データとを含むことが望ましい。
【００１４】
前記骨の基準データに、少なくとも前記骨の構造データと、前記骨にかかる荷重データが含まれるため、加工データを生成する際、骨の構造データによって前記骨の形状を再現することが容易となり、前記骨にかかる荷重データによって被加工部材に求められる強度を予測することができる。
また、前記被加工部材の物質特性データには、耐荷重データに対応する気孔率データが含まれるため、気孔率データに夫々対応した強度データ（耐荷重データ）を参照でき、被加工部材に求められる強度データに対応する気孔率を知ることができる。すなわち、被加工部材に求められる強度データから、より最適な気孔率を有する被加工部材を選択することができる。
前述の通り、骨の再生に最適な気孔率の部分の体積が大きくなることを優先させ、荷重を支えるための強度部材を組込むように計算してもよい。
更に、前記加工データは、少なくとも製造する骨の三次元座標データが含まれるため、例えば再現する骨（骨等）に忠実に立体的な加工を施すことができる。
【００１５】
また、前記形成工程の後、形成された複数の人工骨が組み合わせによって一体となるものであることが望ましい。
このように、複数の人工骨を主に生体埋入時に組み合わせて一つの人工骨とすることができるため、従来、製造困難であった大きな人工骨を治療に用いることができる。また、従来から製造できる程度の大きさであっても、気孔率が異なる複数の人工骨を組み合わせて、より欠損した骨に近づけることができる。
また、施術時に分割体として生体に埋入できるので、大きなもの、長いもの、厚いものなど容易に生体内へ入れることができる。
【００１６】
なお、選択対象となる前記被加工部材として、セラミックス材料、金属材料を挙げることができる。特に、気孔率が６５乃至８５％の、含有気泡が互いに連通したハイドロキシアパタイトであることが好ましい。
【００１７】
また、前記した目的を達成するためになされたこの発明に係る人工骨の製造装置は、被加工部材に加工処理を施すことにより、生体の骨を再現する人工骨の製造装置において、前記生体の骨に関する画像データを採取するための生体データ採取部と、前記生体データ採取部から得られた画像データを記憶するための記憶部と、患者の性別、体重、身長に対応する再現する骨の基準データと前記記憶部に記憶された前記画像データとを解析し、再現される骨の加工データを生成する処理部と、前記処理部によって生成された加工データに基づいて、前記生成された加工データが単一の気孔率の前記被加工部材の場合には、製造する人工骨に求められる強度以上の強度を有する被加工部材の中から気孔率の大きいものを選択し、前記選択した被加工部材に対して加工処理する加工部とを具備することを特徴としている。
また、前記加工部が、前記記憶部に記憶された被加工部材の物質特性データに含まれる参照データを参照することによって、製造する人工骨に求められる強度以上の強度を有する被加工部材の中から気孔率の大きいものを選択することを特徴としている。
【００１８】
ここで、前記再現する骨の基準データは、少なくとも前記骨の構造データと、前記骨にかかる荷重データを含み、前記被加工部材の物質特性データは、耐荷重データに対応する気孔率データ及び骨の再生しやすさを示すデータを含み、前記加工データは、少なくとも製造する骨の三次元座標データとを含むことが望ましい。
【００１９】
既に前記したように、骨の基準データに、少なくとも前記骨の構造データと、前記骨にかかる荷重データが含まれるため、加工データを生成する際、骨の構造データによって前記骨の形状を再現することが容易となり、前記骨にかかる荷重データによって被加工部材に求められる強度を予測することができる。
また、前記被加工部材の物質特性データには、耐荷重データに対応する気孔率データが含まれるため、気孔率データに夫々対応した強度データ（耐荷重データ）を参照でき、被加工部材に求められる強度データに対応する気孔率を知ることができる。すなわち、被加工部材に求められる強度データ及び骨の再生しやすさを示すデータから、骨の再生に最適な気孔率を有する被加工部材を選択することができる。
更に、前記加工データは、少なくとも製造する骨の三次元座標データが含まれるため、例えば再現する骨（骨等）に忠実に立体的な加工を施すことができる。
【００２０】
また、選択対象となる前記被加工部材の中には、気孔率が６５乃至８５％の、含有気泡が互いに連通したハイドロキシアパタイトが含まれることが望ましい。
【００２１】
また、前記した目的を達成するためになされたこの発明に係る人工骨は、複数の人工骨を組み合わせて一つの人工骨とされる人工骨において、分割されて製造された人工骨に、組み合わせの目印となるマークが設けられていることを特徴としている。
本発明による人工骨は、必要があれば骨形成因子等の各種活性物質や骨髄細胞等各種細胞をあらかじめ気孔内に入れておくことにより、再生をより早めることができる。
また、本発明による人工骨を用い、体外で細胞を増殖させ、その後体内に埋入してもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる人工骨の製造方法及び製造装置の一実施の形態について、図１乃至図５を参照して説明する。なお、図１は本発明に係る人工骨の製造装置の全体ブロック図である。図２は、図１に示される処理部の内部構成を示すブロック図である。図３は本発明に係る人工骨の製造方法の工程を示すフロー図である。図４は本発明に係る人工骨の製造方法及び製造装置において、被加工部材に求められる強さ、すなわち耐荷重と気孔率との対応を示す参照テーブルである。図５は、気孔率の異なる３つの部材により構成された人工骨の断面図の一例である。
【００２３】
この実施の形態にかかる人工骨の製造装置１００は、図１に示すように、医師等の病院のスタッフが作業指示信号を入力する指示データ入力部１と、患者の治療箇所のＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)による磁気共鳴画像やＸ線ＣＴ装置によるコンピュータ断層画像等、また患者の身長、体重等のデータを採取する生体データ採取部２と、前記生体データ採取部２において採取した画像データ及び患者の身長、体重等のデータ、被加工部材の物質特性データ、生体の各骨（骨等）における基準データを少なくとも記憶する記憶部３を備えている。
【００２４】
前記記憶部３の被加工部材の物質特性データは、図４に示すように、被加工部材、例えば、複数のハイドロキシアパタイトにおける気孔率データと、その気孔率データに夫々対応する強度データ（耐荷重データ）を示した参照テーブルを含んでいる。また、この参照テーブルは、ハイドロキシアパタイト以外のセラミックス材料、あるいはセラミックス材料以外の金属材料について設けても良い。
また、前記記憶部３の生体の各骨に関する基準データは、生体の各骨（骨等）の長さ、大きさ、厚さ等の構造データや、様々な姿勢や運動時に、各骨にかかる荷重データを含んでいる。また、生体の各骨に関する基準データは、性別、体重、身長により異なるため、性別毎、体重毎、身長毎に設けられている。
これら記憶部３の被加工部材の物質特性データ、生体の各骨に関する基準データは、後述する加工データ作成工程時に利用される。
【００２５】
また、この製造装置１００は、前記記憶部３に記憶された種々のデータから被加工部材を加工するための加工データを生成すると共に、製造装置１００の全体動作の制御等を行なう処理部７と、処理部７において生成された加工データに従って加工処理を行なう加工部４とを備えている。
【００２６】
前記処理部７は、図２に示すように、接続された各部の動作制御を行なう制御部９と演算処理を行なう演算部１０とにより構成されるＣＰＵ８を備えている。
また、前記処理部７は一時的に処理に必要なデータを記憶するためのＲＡＭ１１を備え、更に被加工部材を加工するために必要となる加工データを生成する加工データ生成プログラム、製造装置１００における動作の全体制御プログラムが少なくとも格納されたＲＯＭ１２を備えている。
【００２７】
また、前記加工部４は、被加工部材を載置する被加工部材載置部５と、被加工部材載置部５に載置された被加工部材に対して加工処理を施す多関節アームロボット６を備えている。
この多関節アームロボット６のロボットアームの先端には、例えばカッター、ドリル、グラインダ等の加工ツールが夫々使用できるように構成され、その加工速度や圧力等も、被加工部材の気孔率（強度）等によって制御される。また、ロボットアームの先端に、湿式加工が可能なように無菌水を散布するノズルを備えてもよい。
【００２８】
そしてまた、これら人工骨の製造装置１００を構成する各部は、制御バスラインＢを介して接続され、電気的信号により各部における動作が指示されるように構成されている。
【００２９】
続いて、前記した図１及び図２に示した装置を用いて、人工骨（人工骨）を製造する工程を図３のフローに沿って説明する。
先ず、図３に示すステップＳ１において、患者の治療すべき骨（欠損した骨）に関する画像データ採取を行う。この工程の画像データ採取は、生体データ採取部２、例えばＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)による磁気共鳴画像やＸ線ＣＴ装置によって、コンピュータ断層画像を患者から採取する。
また、生体データ採取部２においては、前記した画像データ採取のほか、患者の氏名、性別、体重、身長等のデータを採取し、後述する加工データ生成時のパラメータとして用いる。
【００３０】
次いで、ステップＳ１において採取した画像データ、性別、体重、身長等のデータは、記憶部３に送られ、記憶部３内に記憶される（Ｓ２）。
この記憶部３は、人工骨作成のための一時的記憶だけでなく、今後、患者のカルテ等を作成するために、例えばハードディスクや不揮発性メモリであることが望ましい。ここで、ステップＳ１において採取したデータの記憶部３への記録作業は医師等の作業者による指示データ入力部１からの指示信号に従って行なわれてもよいし、バッチ処理により自動的に行なわれてもよい。
なお、前記記憶部３には、前記したようにセラミックス等の被加工部材の物質特性データと生体の各骨に関する基準データが予め記憶されている。
【００３１】
次いで、記憶部３に記憶された画像データは、処理部７のＲＡＭ１１に読み込まれる。そして処理部７において、制御部９の指示により、ＲＯＭ１２に格納された人工骨の加工データ作成プログラムがＲＡＭ１１に読み込まれて起動される。
【００３２】
次いで、作業者によって指示データ入力部１から入力された指示信号に従うかあるいはバッチ処理により自動的に、必要な生体骨に関する基準データと被加工部材の物質特性データが記憶部３からＲＡＭ１１に呼び込まれる。このとき、生体骨に関する基準データは、患者の性別、体重、身長に対応する基準データが呼び込まれる。
これら呼び込まれたデータは、起動状態の加工データ作成プログラムにより、ＲＡＭ１１に一時記憶された患者の画像データとともに解析され、製造する骨（骨部材）の三次元座標データが生成される。
なお、この三次元座標データの生成には、患者の画像データと、生体骨に関する基準データに含まれる構造データが主に用いられる。
【００３３】
また、生体骨に関する基準データに含まれるデータのうち、前記骨にかかる荷重データと、製造する骨の大きさ（生成した三次元座標データ等）から、製造する人工骨が有すべき強度（耐荷重）が演算され、加工データの一部とされる。
なお、加工データ作成プログラムによって加工データは、ＲＡＭ１１に一時記憶されると共に、記憶部３に保存されるようにしてもよい（Ｓ３）。
【００３４】
ステップＳ３の工程で作成された加工データにおいて、生成される骨部材全体が単一の気孔率の被加工部材の場合には（Ｓ４）、図４に示すような被加工部材の物質特性データに含まれる参照テーブルを参照することによって、製造する人工骨（骨部材）に求められる強度（耐荷重）以上の強度を有する被加工部材の中から、気孔率の大きなものが選択される（Ｓ５）。
なお、「骨の再生に最適な」とは被加工部材の組成を用いたときに、体の部分別に骨の再生上最も好ましい気孔率があれば、それに近づけることを意味する。これらステップＳ５における選択作業は、処理部７から加工部４に送られる選択命令に従って行なわれる。
【００３５】
加工部４においては、処理部７から送られた被加工部材の選択命令信号に従って、図示しない被加工部材選択機構により自動的に最適な気孔率を有する被加工部材が取り出され、図示しない搬送機構により被加工部材載置部５に載置される。
その後、被加工部材載置部５に載置された被加工部材は、符号６に示す多関節アームロボットによって、加工データに含まれる三次元座標データに従って加工される（Ｓ７）。
【００３６】
このようにして、欠損した骨を補うものとして最適な被加工部材が選択され、その後多関節アームロボット６によって、再現する骨（骨部材）の形状に忠実に加工処理が施され、目的とする人工骨が得られる。
【００３７】
または、前記したステップＳ４において、生成される骨部材の部位ごとに異なる気孔率が設定されていれば、その部位ごとに適した気孔率の被加工部材が選択される（Ｓ６）。
例えば、図５に示すように、気孔率が３つの部位で異なる（強度分布が３つの部位で異なる）場合には、夫々の部位に適した気孔率を有する被加工部材が選択される。
【００３８】
なお、図５（Ａ）の符号２０に示される部材は、頭蓋骨における一番外側の部材であって緻密体により構成されるのが好ましい。一方、符号２２に示される部材は頭蓋骨における一番内側の部材であって、細胞の進入が容易に行え、骨の再生に優れている多孔体により構成されるのが好ましい。また符号２１で示される部材のように、前記部材２０及び部材２２の間の気孔率を有するものを介在させてもよい。
前記多孔体の部材２１，２２は、例えば気孔率６５〜８５％で気泡が互いに連通したハイドロキシアパタイトから構成されることが望ましい。このような攪拌起泡により連球状開気孔からなる多孔体は、細胞の進入が容易であるため、骨の再生には非常に優れている。
もちろん各部材は、別々のものとされず、図５（Ｂ）に示されるように最初から気孔率の異なる部分３０（緻密体）、３１（多孔質体）同志を一体化して形成された材料から切り出してもよい。特に図５（Ｃ）に示すように、長管骨用など用途を決めて、緻密体４１を中心部分に配し、その外側に多孔質体４０を配した部材を製造すれば、あとは外形を整えるだけで患者に適用できる場合もある。
なお、このような部材は、予め複数に分割された部材であってももちろんかまわない。
【００３９】
このステップＳ６における選択作業は、処理部７から加工部４に送られる選択命令に従って行なわれる。
加工部４においては、処理部７から送られた被加工部材の選択命令信号に従って、図示しない被加工部材選択機構により自動的に適切な気孔率を有する被加工部材が取り出され、図示しない搬送機構により被加工部材載置部５に載置される。その後、被加工部材載置部５に載置された被加工部材は、符号６に示す多関節アームロボットによって、加工データに含まれる三次元座標データに従って加工される（Ｓ７）。
このように、加工処理された夫々の板状部材は、例えば符号２３に示すようなボルト等によって生体への埋入中、あるいは埋入作業後に接合処理されるとよい。このボルト２３は、金属またはアパタイト緻密体によって形成される。
【００４０】
このようにして、欠損した骨を補うものとして最適な被加工部材が選択され、その後多関節アームロボット６によって、再現する骨（骨部材）の形状に忠実に加工処理が施され、目的とする人工骨が得られる。
【００４１】
なお、前記したステップＳ７における加工後に、超音波洗浄等により加工クズを洗浄する工程を設けてもよい。加工クズ洗浄により、生体埋め入れ後の細胞導入がより容易になる効果を得ることができる。さらには、加工した部材の洗浄後に、オートクレーブ等での殺菌する工程を設けることが好ましい。
【００４２】
以上のように、加工データに含まれる三次元座標データに従ってアームロボットによる自動加工処理を施すことにより、再現する骨（骨等）形状に忠実に人工骨を製造することができる。
【００４３】
また、適切な被加工部材を選択するための気孔率データを、製造する人工骨に必要な強度（耐荷重）データに対応して設けているため、特に強度を必要としない箇所には多孔体の被加工部材が選択され、逆に、特に強度を必要とする箇所には緻密体の被加工部材が選択される。
その結果、強度を要しない箇所には、気孔率の高い人工骨が用いられ、血液や細胞の導入が容易になり、生体自身の骨として再生する期間をより短くすることができる。また、強度を要する箇所には、気孔率の低い緻密体の人工骨が用いられるため、強度的に支障が生じることもない。
【００４４】
なお、上記実施形態にあっては、気孔率が異なる被加工部材を組み合わせる場合について説明した。しかし、欠損した骨が大きく一つの被加工部材で人工骨を製造することができない場合等、分割して人工骨を製造して、それらを組み合わせて、人工骨として用いる場合にも適用することができる。
この場合、組み合わせる人工骨にマークを付けることによって、容易に、かつ間違えることなく、製造した人工骨を組み合わせることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、強度的に支障なく、早期に生体自身の骨として機能するための人工骨の製造方法及び製造装置並びに人工骨を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る人工骨の製造装置の全体ブロック図である。
【図２】図１の処理部の内部構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る人工骨の製造方法の工程を示すフロー図である。
【図４】図１の記憶部に記憶されている参照テーブルの一例である。
【図５】頭蓋骨や長管骨の一部として用いられる骨部材の断面図である。
【図６】従来例における人工骨（立体模型）を製造するための工程のフロー図である。
【符号の説明】
１指示データ入力部
２生体データ採取部
３記憶部
４加工部
５被加工部材載置部
６多関節アームロボット
７処理部
８ＣＰＵ
９制御部
１０演算部
１１ＲＡＭ
１２ＲＯＭ
２０加工部
１００人工骨の製造装置
Ｂ制御バスライン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an artificial bone manufacturing method and manufacturing apparatus, and an artificial bone, for example, an artificial bone manufacturing method, an manufacturing apparatus, and an artificial bone for processing and forming an artificial bone made of ceramics or the like in order to repair a defective bone. .
[0002]
[Prior art]
In recent years, artificial bones made of ceramics have been put to practical use as artificial bones for repairing deficient bones, and among them, calcium phosphate ceramics close to the actual bone composition are widely used. As artificial bones of this calcium phosphate ceramics, dense bodies, porous bodies, and those obtained by crushing porous bodies into granules are commercialized.
[0003]
In addition, most of the artificial bones currently on the market have a simple shape such as a square shape, a columnar shape, a cylindrical shape, and a triangular pyramid shape, and an emergency processing is performed by a doctor in an operating room as necessary. This is because the shape of a bone missing due to an accident or the like is complicated, and it is difficult to prepare an artificial bone that matches the shape in advance.
For example, when a long bone is lost, a plurality of cylindrically shaped artificial bones (artificial bones) are arranged and fixed in a straight line, and the gaps between the artificial bones (seams) are filled with granular ceramics or the like, It is a long bone.
Since artificial bones (artificial bones) of simple shape are used in this way, the shape of the bone is greatly different from the shape of the missing bone immediately after surgery, and the bones of the person are formed around these artificial bones as time passes after surgery. , Gradually approach the original shape.
[0004]
By the way, as described above, it takes a lot of time for the lost portion to recover to a shape almost the same as the original shape, and there is a problem that the patient is burdened and painful.
This problem can be solved by using an artificial bone having the same shape as that of the bone before defect, and various proposals have been made on methods and apparatuses for producing an artificial bone having substantially the same shape as the bone of the deficient person (for example, Patent Document 1).
[0005]
FIG. 6 shows a flowchart of a process for manufacturing a conventional artificial bone (three-dimensional model). In FIG. 6, for example, radiant energy is applied to the inside of a mammal body (S1), and a radiant energy response is detected outside the mammal body (S2).
Next, by processing the detected response data, data that draws a predetermined structure three-dimensionally is obtained (S3). Next, three-dimensional coordinate data for controlling a tool for modeling an artificial bone is generated based on the data obtained in step S3 (S4). And an artificial bone can be produced | generated by making a modeling tool follow according to the three-dimensional coordinate data produced | generated in step 4. FIG.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Examined Patent Publication No. 6-2137 (page 3, column 5, line 42 to column 6, line 36, Fig. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when using an artificial bone with the same shape as the bone before defect, the recovery time can be shortened compared to the case of using an artificial bone with a shape different from the bone before defect. It is also freed from the pain caused by.
However, because the load acting on the missing bone or the bone site is different, even if an artificial bone with almost the same shape as the missing bone is used, the material and strength of the material to be processed are significantly different from the missing bone. May be damaged.
[0008]
By the way, the inventor of the present invention is excellent in introducing blood and cells into the interior of the porous hydroxyapatite porous body by stirring and foaming, which has a large porosity among ceramics. Knowing that it can be regenerated as one's own bone, it has already been proposed in JP-A-2002-17846.
That is, if an artificial bone made of such a porous body is accurately manufactured in the shape of a missing bone from the beginning, blood and cells immediately enter the pores after implantation in the living body, It can be used as its own bone earlier.
[0009]
However, an artificial bone having a high porosity has a property that blood and cells easily enter the pores but is weak in strength. On the other hand, an artificial bone having a low porosity has a property that it is difficult in blood or cells to enter the pores but is strong in strength.
Therefore, select a workpiece that has strength higher than the strength (withstand load) required for the missing bone or bone part and has a higher porosity, and accurately reproduce the shape of the missing bone. Realization of a method and apparatus for manufacturing an artificial bone has been desired.
[0010]
The present invention has been made under such circumstances, and an object of the present invention is to provide an artificial bone manufacturing method and manufacturing apparatus for reproducing bones of a living body and an artificial bone at an early stage without any problem in strength. An artificial bone manufacturing method and manufacturing apparatus for functioning as a bone of a living body itself, and an artificial bone are provided.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
An artificial bone manufacturing method according to the present invention made to achieve the above-described object is an artificial bone manufacturing method for reproducing a bone of a living body by subjecting a workpiece to a processing process. A step of collecting data, a step of storing the image data collected in the step in a storage unit, and the image data stored in the storage unit and bone reference data to be reproduced corresponding to the sex, weight, and height of the patient And a step of generating processing data for processing the workpiece, and the strength required for the artificial bone to be manufactured when the generated processing data is the workpiece having a single porosity and selecting the larger of porosity from the workpiece having the above intensity, relative to the workpiece to said selected by performing processing in accordance with the machining data It is characterized in that it comprises a step of forming a factory bone, at least.
In addition, by referring to the reference data included in the material property data of the workpiece to be stored stored in the storage unit, the porosity of the workpiece having a strength higher than that required for the artificial bone to be manufactured is large. The thing is selected.
[0012]
According to the above-described method, by selecting a workpiece having a strength corresponding to the processing data and having a porosity that is optimal for bone regeneration, for example, a porous body for a bone that does not require strength. The member to be processed can be selected, and a dense member to be processed can be selected for the bone requiring strength. In this way, if a porous member to be processed can be selected and used, blood and cells can be easily entered, so that recovery of a patient who has been treated can be accelerated.
This does not mean that the whole has a uniform strength and a uniform porosity. For example, a load may be applied using a dense member, and the remaining space may be formed of a porous body, so that an artificial bone having sufficient strength and quick regeneration as a whole may be used.
[0013]
Here, the bone reference data to be reproduced includes at least the bone structure data and the load data applied to the bone, and the material property data of the workpiece includes load resistance data and ease of bone regeneration. It is preferable that porosity data corresponding to the data to be shown is included, and the processing data includes at least three-dimensional coordinate data of the bone to be manufactured.
[0014]
Since the bone reference data includes at least the bone structure data and the load data applied to the bone, when generating processing data, it becomes easy to reproduce the shape of the bone by the bone structure data, The strength required for the workpiece can be predicted from the load data applied to the bone.
In addition, since the material property data of the workpiece includes porosity data corresponding to the load bearing data, strength data (load bearing data) corresponding to the porosity data can be referred to and obtained from the workpiece. The porosity corresponding to the obtained strength data can be known. That is, a workpiece having a more optimal porosity can be selected from strength data required for the workpiece.
As described above, priority may be given to increasing the volume of the porosity portion optimal for bone regeneration, and calculation may be performed so as to incorporate a strength member for supporting the load.
Further, since the processing data includes at least three-dimensional coordinate data of the bone to be manufactured, for example, three-dimensional processing can be performed faithfully to the reproduced bone (bone etc.).
[0015]
In addition, it is desirable that the plurality of artificial bones that are formed after the forming step are integrated by combination.
In this way, since a plurality of artificial bones can be combined mainly at the time of implantation into a single artificial bone, a large artificial bone that has been difficult to manufacture can be used for treatment. Moreover, even if it is a size which can be manufactured conventionally, a plurality of artificial bones having different porosities can be combined to be closer to a deficient bone.
Moreover, since it can be embedded in a living body as a divided body at the time of treatment, it can be easily put into a living body such as a large, long or thick object.
[0016]
Examples of the workpiece to be selected include a ceramic material and a metal material. In particular, hydroxyapatite having a porosity of 65 to 85% and containing bubbles communicating with each other is preferable.
[0017]
Further, an artificial bone manufacturing apparatus according to the present invention, which has been made to achieve the above-described object, is an artificial bone manufacturing apparatus that reproduces a living body bone by performing a processing process on a member to be processed. Biological data collection unit for collecting image data related to bone, storage unit for storing image data obtained from the biological data collection unit, and bone reference to be reproduced corresponding to the sex, weight, and height of the patient analyzes and the image data stored in the data and the memory unit, a processing unit for generating processed data of the bone to be reproduced, on the basis of the processed data generated by the processing unit, the generated processed data There the case of the workpiece in a single porosity, chosen with porosity greater from the workpiece having a strength of at least strength required for the artificial bone to be produced, the pressure of said selected It is characterized by comprising a processing unit for processing with respect to member.
Further, the processing unit refers to the reference data included in the material property data of the processed member stored in the storage unit, so that the processing unit has a strength higher than that required for the artificial bone to be manufactured. It is characterized by selecting a thing with a large porosity from.
[0018]
Here, the reconstructed bone reference data includes at least the bone structure data and the load data applied to the bone, and the material property data of the workpiece includes porosity data and bone corresponding to the load bearing data. Preferably, the processing data includes at least three-dimensional coordinate data of the bone to be manufactured.
[0019]
As described above, since the bone reference data includes at least the bone structure data and the load data applied to the bone, the shape of the bone is reproduced by the bone structure data when the processing data is generated. Thus, the strength required for the workpiece can be predicted from the load data applied to the bone.
In addition, since the material property data of the workpiece includes porosity data corresponding to the load bearing data, strength data (load bearing data) corresponding to the porosity data can be referred to and obtained from the workpiece. The porosity corresponding to the obtained strength data can be known. That is, it is possible to select a workpiece having an optimal porosity for bone regeneration from strength data required for the workpiece and data indicating ease of bone regeneration.
Further, since the processing data includes at least three-dimensional coordinate data of the bone to be manufactured, for example, three-dimensional processing can be performed faithfully to the reproduced bone (bone etc.).
[0020]
In addition, it is desirable that the workpiece to be selected include hydroxyapatite having a porosity of 65 to 85% and containing contained bubbles communicated with each other.
[0021]
In addition, an artificial bone according to the present invention made to achieve the above-described object is an artificial bone obtained by combining a plurality of artificial bones into a single artificial bone. It is characterized in that a mark serving as a mark is provided.
If necessary, the artificial bone according to the present invention can be regenerated more quickly by placing various active substances such as osteogenic factors and various cells such as bone marrow cells in the pores.
In addition, the artificial bone according to the present invention may be used to proliferate cells outside the body and then implant them in the body.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of an artificial bone manufacturing method and manufacturing apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is an overall block diagram of an artificial bone manufacturing apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of the processing unit shown in FIG. FIG. 3 is a flowchart showing the steps of the artificial bone manufacturing method according to the present invention. FIG. 4 is a reference table showing the correspondence between strength required for a workpiece, that is, load resistance and porosity, in the method and apparatus for manufacturing an artificial bone according to the present invention. FIG. 5 is an example of a cross-sectional view of an artificial bone composed of three members having different porosities.
[0023]
As shown in FIG. 1, an artificial bone manufacturing apparatus 100 according to this embodiment includes an instruction data input unit 1 for inputting a work instruction signal by a hospital staff such as a doctor, and an MRI (Magnetic Resonance) of a patient's treatment site. Imaging) magnetic resonance image, computed tomography image by X-ray CT apparatus, and the like, and a biological data collection unit 2 for collecting data such as the height and weight of the patient, and the image data collected in the biological data collection unit 2 and the patient data The storage unit 3 stores at least data such as height and weight, material property data of a workpiece, and reference data for each bone (bone etc.) of a living body.
[0024]
As shown in FIG. 4, the material property data of the workpiece in the storage unit 3 includes porosity data for the workpiece, for example, a plurality of hydroxyapatites, and strength data (load resistance) corresponding to the porosity data. Data)). The reference table may be provided for a ceramic material other than hydroxyapatite or a metal material other than the ceramic material.
Further, the reference data related to each bone of the living body in the storage unit 3 is applied to each bone in the structure data such as the length, size and thickness of each bone (bone etc.) of the living body and various postures and exercises. Includes load data. Moreover, since the reference data regarding each bone of the living body varies depending on the sex, the weight, and the height, the reference data is provided for each sex, each weight, and each height.
The material property data of the member to be processed and the reference data regarding each bone of the living body in the storage unit 3 are used at the time of a processing data creation process described later.
[0025]
Further, the manufacturing apparatus 100 generates processing data for processing the workpiece from various data stored in the storage unit 3 and controls the entire operation of the manufacturing apparatus 100 and the like. The processing unit 4 performs processing according to the processing data generated in the processing unit 7.
[0026]
As shown in FIG. 2, the processing unit 7 includes a CPU 8 including a control unit 9 that controls the operation of each connected unit and a calculation unit 10 that performs calculation processing.
In addition, the processing unit 7 includes a RAM 11 for temporarily storing data necessary for processing, and further includes a processing data generation program for generating processing data necessary for processing the workpiece, and the manufacturing apparatus 100. A ROM 12 in which at least an overall control program for operation is stored is provided.
[0027]
The processing unit 4 includes a processing member mounting unit 5 on which a processing member is mounted and a multi-joint arm robot that performs processing on the processing member mounted on the processing member mounting unit 5. 6 is provided.
For example, a processing tool such as a cutter, a drill, or a grinder can be used at the tip of the robot arm of the multi-joint arm robot 6, and the processing speed, pressure, and the like can also be used for the porosity (strength) of the workpiece. Controlled by etc. Moreover, you may provide the nozzle which sprays aseptic water at the front-end | tip of a robot arm so that wet processing is possible.
[0028]
Further, the respective parts constituting the artificial bone manufacturing apparatus 100 are connected via a control bus line B, and are configured such that the operation of each part is instructed by an electrical signal.
[0029]
Next, a process of manufacturing an artificial bone (artificial bone) using the apparatus shown in FIGS. 1 and 2 will be described along the flow of FIG.
First, in step S1 shown in FIG. 3, image data relating to a bone to be treated (defected bone) of a patient is collected. Image data collection in this step is performed by collecting a computer tomographic image from a patient using a biological data collection unit 2, for example, a magnetic resonance image by MRI (Magnetic Resonance Imaging) or an X-ray CT apparatus.
In addition to the above-described image data collection, the biological data collection unit 2 collects data such as the patient's name, sex, weight, height, and the like and uses them as parameters when generating processed data to be described later.
[0030]
Next, the image data, sex, weight, height, and other data collected in step S1 are sent to the storage unit 3 and stored in the storage unit 3 (S2).
The storage unit 3 is preferably a hard disk or a non-volatile memory, for example, in order to create not only a temporary storage for creating an artificial bone but also a patient chart in the future. Here, the recording operation of the data collected in step S1 to the storage unit 3 may be performed according to an instruction signal from the instruction data input unit 1 by an operator such as a doctor or automatically performed by batch processing. Also good.
The storage unit 3 stores in advance the material characteristic data of the workpiece such as ceramics and the reference data related to each bone of the living body as described above.
[0031]
Next, the image data stored in the storage unit 3 is read into the RAM 11 of the processing unit 7. Then, in the processing unit 7, the artificial bone processing data creation program stored in the ROM 12 is read into the RAM 11 and activated by an instruction from the control unit 9.
[0032]
Next, in accordance with an instruction signal input from the instruction data input unit 1 by an operator, or automatically by batch processing, necessary reference data relating to living bones and material property data of a workpiece are loaded from the storage unit 3 into the RAM 11. It is. At this time, as the reference data regarding the living bone, reference data corresponding to the sex, weight, and height of the patient is called.
These called-in data are analyzed together with the patient image data temporarily stored in the RAM 11 by the processing data creation program in the activated state, and three-dimensional coordinate data of the bone (bone member) to be manufactured is generated.
The generation of the three-dimensional coordinate data mainly uses the patient image data and the structure data included in the reference data related to the living bone.
[0033]
In addition, among the data included in the reference data related to living bones, the strength (resistance resistance) of the artificial bone to be manufactured is determined from the load data applied to the bone and the size of the bone to be manufactured (generated three-dimensional coordinate data, etc.) Load) is calculated and used as part of the machining data.
Note that the machining data may be temporarily stored in the RAM 11 and saved in the storage unit 3 by the machining data creation program (S3).
[0034]
In the processing data created in the process of step S3, when the entire generated bone member is a workpiece having a single porosity (S4), the material property data of the workpiece as shown in FIG. By referring to the included reference table, a member having a high porosity is selected from members to be processed having a strength equal to or higher than the strength (load resistance) required for the artificial bone (bone member) to be manufactured (S5). .
Note that “optimal for bone regeneration” means that when the composition of the workpiece is used, if there is the most preferable porosity for bone regeneration for each part of the body, it is brought close to it. These selection operations in step S5 are performed according to a selection command sent from the processing unit 7 to the processing unit 4.
[0035]
In the processing unit 4, in accordance with a processing member selection command signal sent from the processing unit 7, a processing member having an optimum porosity is automatically taken out by a processing member selection mechanism (not shown), and a transport mechanism (not shown) Is mounted on the workpiece mounting portion 5.
Thereafter, the workpiece mounted on the workpiece mounting portion 5 is processed according to the three-dimensional coordinate data included in the processing data by the articulated arm robot indicated by reference numeral 6 (S7).
[0036]
In this way, the optimum workpiece to be used to supplement the missing bone is selected, and thereafter, the multi-joint arm robot 6 performs a processing process faithfully to the shape of the bone (bone member) to be reproduced. An artificial bone is obtained.
[0037]
Alternatively, if a different porosity is set for each part of the generated bone member in the above-described step S4, a workpiece to be processed having a suitable porosity for each part is selected (S6).
For example, as shown in FIG. 5, when the porosity is different in three parts (the intensity distribution is different in three parts), a workpiece to be processed having a porosity suitable for each part is selected.
[0038]
Note that the member indicated by reference numeral 20 in FIG. 5A is the outermost member of the skull, and is preferably composed of a dense body. On the other hand, the member indicated by reference numeral 22 is the innermost member in the skull, and is preferably composed of a porous body that allows easy cell entry and excellent bone regeneration. Moreover, you may interpose what has the porosity between the said member 20 and the member 22 like the member shown with the code | symbol 21. FIG.
The porous members 21 and 22 are preferably made of, for example, hydroxyapatite having a porosity of 65 to 85% and bubbles communicating with each other. A porous body composed of continuous spherical open pores by such stirring and foaming is very excellent in bone regeneration because cells can easily enter.
Of course, each member is not a separate one, and as shown in FIG. 5 (B), the parts 30 (dense body) and 31 (porous body) having different porosities from the beginning are integrally formed. You may cut out from. In particular, as shown in FIG. 5 (C), if a member having a dense body 41 arranged at the central portion and a porous body 40 arranged on the outer side is decided by using for a long bone, etc. In some cases, it can be applied to a patient simply by arranging it.
Of course, such a member may be a member previously divided into a plurality of members.
[0039]
The selection operation in step S6 is performed according to a selection command sent from the processing unit 7 to the processing unit 4.
In the processing unit 4, in accordance with a processing member selection command signal sent from the processing unit 7, a processing member having an appropriate porosity is automatically taken out by a processing member selection mechanism (not shown), and a transport mechanism (not shown) Is mounted on the workpiece mounting portion 5. Thereafter, the workpiece mounted on the workpiece mounting portion 5 is processed according to the three-dimensional coordinate data included in the processing data by the articulated arm robot indicated by reference numeral 6 (S7).
In this way, each processed plate-like member may be subjected to a bonding process, for example, with a bolt as indicated by reference numeral 23 during or after implantation in a living body. The bolt 23 is formed of a metal or apatite dense body.
[0040]
In this way, the optimum workpiece to be used to supplement the missing bone is selected, and thereafter, the multi-joint arm robot 6 performs a processing process faithfully to the shape of the bone (bone member) to be reproduced. An artificial bone is obtained.
[0041]
In addition, you may provide the process of wash | cleaning process waste by ultrasonic cleaning etc. after the process in above-mentioned step S7. By processing waste cleaning, it is possible to obtain an effect of easier cell introduction after living body implantation. Furthermore, it is preferable to provide a step of sterilizing with an autoclave after washing the processed member.
[0042]
As described above, by performing automatic processing by the arm robot according to the three-dimensional coordinate data included in the processing data, an artificial bone can be manufactured faithfully to the reproduced bone (bone etc.) shape.
[0043]
In addition, porosity data for selecting an appropriate workpiece is provided corresponding to the strength (load resistance) data required for the artificial bone to be manufactured. On the contrary, a dense member to be processed is selected particularly in a place where strength is required.
As a result, artificial bones with high porosity are used in places where strength is not required, blood and cells can be easily introduced, and the period of regeneration as living body bone can be shortened. In addition, since a dense artificial bone having a low porosity is used in a place requiring strength, there is no problem in strength.
[0044]
In addition, in the said embodiment, the case where the to-be-processed member from which a porosity differs was demonstrated. However, it can also be applied to the case where the missing bone is large and the artificial bone cannot be manufactured with one workpiece, and the artificial bone is divided and combined to be used as an artificial bone. it can.
In this case, the manufactured artificial bone can be combined easily and without error by marking the combined artificial bone.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an artificial bone manufacturing method and manufacturing apparatus and an artificial bone for functioning as a bone of a living body at an early stage without any problem in strength.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall block diagram of an artificial bone manufacturing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating an internal configuration of a processing unit in FIG. 1;
FIG. 3 is a flowchart showing the steps of a method for manufacturing an artificial bone according to the present invention.
4 is an example of a reference table stored in the storage unit of FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a bone member used as a part of a skull bone or a long bone.
FIG. 6 is a flowchart of a process for manufacturing an artificial bone (three-dimensional model) in a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Instruction data input part 2 Biological data collection part 3 Storage part 4 Processing part 5 Workpiece member mounting part 6 Articulated arm robot 7 Processing part 8 CPU
9 Control unit 10 Calculation unit 11 RAM
12 ROM
20 Processing unit 100 Artificial bone manufacturing device B Control bus line

Claims

In the method of manufacturing an artificial bone that reproduces the bone of a living body by processing the workpiece,
Collecting image data about bones from a living body;
Storing the image data collected in the step in a storage unit;
Generating processing data for processing the workpiece from the image data stored in the storage unit and the bone reference data to be reproduced corresponding to the sex, weight, and height of the patient ;
In the case where the generated processed data is the workpiece having a single porosity, a step of selecting a member having a high porosity from the workpiece having a strength equal to or higher than that required for the artificial bone to be manufactured. When,
Forming an artificial bone by applying a processing process to the selected workpiece according to the processing data;
A method for producing an artificial bone, comprising:

By referring to the reference data included in the material property data of the workpiece to be stored stored in the storage unit, there is a workpiece having a high porosity from among the workpieces having a strength higher than that required for the artificial bone to be manufactured. The method for producing an artificial bone according to claim 1, which is selected.

The bone reference data to be reproduced includes at least the bone structure data and the load data applied to the bone,
The material property data of the workpiece includes porosity data corresponding to load-bearing data and data indicating ease of bone regeneration, and the machining data includes at least three-dimensional coordinate data of bone to be manufactured. The method for producing an artificial bone according to claim 2 .

The method for manufacturing an artificial bone according to claim 1 or 2 , wherein after the forming step, the plurality of artificial bones formed are integrated by combination.

The artificial bone according to claim 1 or 2, wherein the workpiece to be selected includes hydroxyapatite in which contained bubbles having a porosity of 65 to 85% communicate with each other. Manufacturing method.

In the artificial bone manufacturing apparatus that reproduces the bone of a living body by processing the workpiece,
A biological data collection unit for collecting image data related to the bones of the biological body;
A storage unit for storing image data obtained from the biological data collection unit;
A processing unit that analyzes bone reference data to be reproduced corresponding to the sex, weight, and height of the patient and the image data stored in the storage unit, and generates bone processing data to be reproduced;
Based on the processing data generated by the processing unit, if the generated processing data is the workpiece to be processed with a single porosity, the processing has a strength greater than that required for the artificial bone to be manufactured. An artificial bone manufacturing apparatus comprising: a processing unit that selects a member having a high porosity from among the members, and processes the selected workpiece.

The processing unit refers to the reference data included in the material property data of the processed member stored in the storage unit, so that pores are selected from the processed member having a strength higher than that required for the artificial bone to be manufactured. The apparatus for producing an artificial bone according to claim 6, wherein one having a high rate is selected.

The bone reference data to be reproduced includes at least the bone structure data and the load data applied to the bone,
The material property data of the workpiece includes porosity data corresponding to load bearing data and data indicating the ease of bone regeneration, and the machining data includes at least three-dimensional coordinate data of bone to be manufactured. The artificial bone manufacturing apparatus according to claim 7 .

The artificial member according to claim 6 or 7 , wherein the workpiece to be selected includes hydroxyapatite having a porosity of 65 to 85% and containing contained bubbles communicating with each other. Bone manufacturing equipment.

An artificial bone obtained by combining a plurality of artificial bones into a single artificial bone, wherein a mark serving as a combination mark is provided on the artificial bone that is divided and manufactured.