目的人工股関節全置換術後に特に大腿骨近位部において骨密度が低下することが知られている. ステム周囲の骨量低下は無菌性ゆるみや骨折のリスクを上昇させる可能性がある. 人工股関節全置換術後の骨密度低下の原因の一つとして, 力学的環境の変化に伴う骨リモデリングが挙げられる. 今回, 我々は人工股関節全

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よしおいそみ
5 years ago
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1 学位論文内容の要旨 Comparison between mechanical stress and bone mineral density in the femur after total hip arthroplasty by using subject-specific finite element analyses ( 人工股関節置換術後の大腿骨における患者個別有限要素解析を用いたメカニカルストレスと骨密度の比較 ) Hiroyuki Ike 池裕之 Department of Orthopaedic Surgery Yokohama City University Graduate School of Medicine 横浜市立大学大学院医学研究科生体機能医科学専攻運動器病態学 Doctoral Supervisor:Tomoyuki Saito, Professor 指導教員 : 齋藤知行教授

2 目的人工股関節全置換術後に特に大腿骨近位部において骨密度が低下することが知られている. ステム周囲の骨量低下は無菌性ゆるみや骨折のリスクを上昇させる可能性がある. 人工股関節全置換術後の骨密度低下の原因の一つとして, 力学的環境の変化に伴う骨リモデリングが挙げられる. 今回, 我々は人工股関節全置換術前後の大腿骨ステム周囲における相当応力およびひずみエネルギー密度の変化を測定し, 骨密度変化との関連性を検討した. 方法対象は Zimmer 社製 Versys Fiber Metal Midcoat を用いて初回セメントレス人工股関節全置換術を施行した 24 例を対象とした. 女性 16 例, 男性 8 例で手術時年齢は平均 63 歳 (44~82) であった. 術前および術後 1 週に computed tomography(ct) を撮影した.CT 撮影は Siemens 社製 Sensation16 を使用し, 管電圧値を 140 kv, 管電流値を 300 ma, スライス厚を 2 mm, ピクセルとした. 有限要素解析ソフトは計算力学研究センター社製 Mechanical Finder Ver.6.0 を使用した.CT データから大腿骨およびステムの関心領域を抽出することにより 3 次元モデルを構築した. 一辺が 1mm~4mm の 4 節点 4 面体ソリッド要素により要素分割し, シェル要素は大腿骨の外表面に使用した. 要素数は大腿骨約 60 万, ステム約 20 万とし, ステムと大腿骨の境界条件は節点共有の固着とした. 骨組織の不均質性を考慮し Keyak ら (1994, 1998) および Keller (1994) の計算式を用いて骨組織要素の材料特性を決定した. 骨組織要素のポアソン比は 0.40 とした. インプラントはチタン合金製であり, ヤング率 109.0GPa, ポアソン比 0.28 とした. 荷重拘束条件は大腿骨遠位を完全拘束とし, 大腿骨頭より 2400N の圧縮荷重, 大転子部より 1200N の引張荷重を作用させた.Gruen の各 zone ごとに大腿骨 7 ヵ所 (zone 1~7) において半径 3mm の球に収まる要素を抽出し, 相当応力平均値およびひずみエネルギー密度平均値を測定した. 術後 1 週,3,6,12 ヵ月の大腿骨における骨密度を dual-energy X-ray absorptiometry 法を用いて Gruen の各 zone ごとに測定した. 測定機種は Hologic 社製 Hologic Discovery system を使用した. 結果有限要素解析では zone1,2,6,7 において相当応力は術前と比較してそれぞれ 22%,23%,15%,74%, ひずみエネルギー密度は 30%,45%,45%,92% の低下を認めた. また, 骨密度は大腿骨近位部において経時的に減少した. 術後 12 ヵ月において骨密度は zone3,4,5,6 では維持されていたが,zone1,2,7 で術後 1 週と比較してそれぞれ 19%,11%,27% の低下を認めた. 術後 12 ヵ月における骨密度変化と相当応力変化との間に有意な相関関係を認めた (R = 0.426, p < 0.01). 骨密度変化とひずみエネルギー密度変化との間には有意な相関関係を認めなかった (R = 0.183, p = 0.053). 考察本研究において, 術後モデルでは術前モデルと比較して, 大腿骨近位部において相当応力およびひずみエネルギー密度の有意な低下を認めた. また, 人工股関節全置換術施行後における大腿骨の骨密度は近位部において低下し, 骨密度変化と相当応力

3 変化との間に有意な相関関係を認めた. 過去の報告において,Huiskes(1987) がひずみエネルギー密度を, また Stulpner (1997) が相当ひずみを提唱したように, ひずみが骨リモデリングを制御しているとの報告が多くみられる. しかしながら, ひずみでは無く応力が骨リモデリングを制御しているとの報告も散見される.Herrera (2009) は有限要素解析における応力分布と骨密度との関連性を報告している. また,Carter (1996) は応力刺激が,Adachi (1997) は局所における応力の不均一性が骨リモデリングの駆動力であると報告している. このように, 応力とひずみのどちらが骨リモデリングの制御因子として適切かどうかは議論がある. 本研究では海綿骨を除去しプレスフィットテクニックを用いて大腿骨髄腔を占拠するようにステムを挿入しているため, 相当応力およびひずみエネルギー密度は皮質骨において測定している. 相当応力変化と骨密度変化との間に有意な相関関係を認め, 皮質骨における骨リモデリングにおいてひずみエネルギー密度と比較して相当応力が適切なパラメータである可能性が示唆された.

4 引用文献 Adachi T, Tomita Y, Sakaue H, Tanaka M Simulation of trabecular surface remodeling based on local stress uniformity. Jpn Soc Mech Eng. 40: Carter DR, Van Der Meulen MC, Beaupre GS Mechanical factors in bone growth and development. Bone. 18: 5S-10S. Herrera A, Panisello JJ, et al. Comparison between DEXA and finite element studies in the long-term bone remodeling of an anatomical femoral stem. J Biomech Eng. 131: , Huiskes R, Weinans H, Grootenboer HJ, Dalstra M, Fudala B, Slooff TJ Adaptive bone-remodeling theory applied to prosthetic-design analysis. J Biomech. 20: Keyak JH, Lee IY, Skinner HB Correlations between orthogonal mechanical properties and density of trabecular bone: use of different densitometric measures. J Biomed Mater Res. 28: Keyak JH, Rossi SA, Jones KA, Skinner HB Prediction of femoral fracture load using automated finite element modeling. J Biomech. 31: Stulpner MA, Reddy BD, Starke GR, Spirakis A A three-dimensional finite analysis of adaptive remodelling in the proximal femur. J Biomech. 30:

5 論文目録 Ⅰ 主論文 Comparison between mechanical stress and bone mineral density in the femur after total hip arthroplasty by using subject-specific finite element analyses. Hiroyuki Ike, Yutaka Inaba, Naomi Kobayashi, Yasuhide Hirata, Yohei Yukizawa, Chie Aoki, Hyonmin Choe, Tomoyuki Saito : Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. (in press) Ⅱ 副論文 Zweymuller 型ステムの形状変更が大腿骨に及ぼす影響 SL-PLUS standard stem と SL-PLUS MIA stem との比較池裕之, 稲葉裕, 小林直実, 大庭真俊, 平田康英, 齋藤知行 : 臨床バイオメカニクス第 34 巻 143 頁 ~147 頁平成 25 年 11 月発行 Ⅲ 参考論文股関節のバイオメカニクス有限要素法解析を用いたアプローチ稲葉裕, 小林直実, 池裕之, 平田康英, 齋藤知行 : Hip Joint 第 38 巻 11 頁 ~16 頁平成 25 年 8 月発行異なるステムデザイン間での人工股関節全置換術後の大腿骨側インプラント周囲の応力分布および骨密度の比較大庭真俊, 稲葉裕, 池裕之, 平田康英, 富岡政光, 齋藤知行 : 臨床バイオメカニクス第 34 巻 149 頁 ~155 頁平成 25 年 11 月発行 Comparison of mechanical stress and change in bone mineral density between two types of femoral implant using finite element analysis. Yasuhide Hirata, Yutaka Inaba, Naomi Kobayashi, Hiroyuki Ike, Hiroshi Fujimaki, Tomoyuki Saito. J Arthroplasty. Vol. 28, No. 10, , 2013 Dec.

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Microsoft PowerPoint - VCAD定例会_tawara_100901_提出用.ppt [互換モード] 再構築による骨梁形態変化を考慮した骨梁骨の力学的特性評価 V-BoneRemodeling による力学的検討細胞シミュレーションチーム客員研究員龍谷大学理工学部機械システム工学科田原大輔 Introduction ~ What is Osteoporosis ( 骨粗鬆症 )? ~ ( 日本医師会骨の微細構造の変化, 骨密度量の低下により, HP より ) 骨折の危険性が高まった病態. 骨折から,