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, 寝たきり 死亡を誘発させやすい. 国内の患者は 1,000 万人以上. 骨折リスクの予測が重要な課題. 健常骨 骨粗鬆症 海綿骨 : 空孔が増加. 皮質骨 : 薄くなる. 椎体圧迫骨折
Introduction ~ 骨の構造 ~ 荷重 ( 力学環境 ) 日本機械学会編 (1999), 須田ほか (1985) より引用. 壊す ( 骨吸収 ) 作る ( 骨形成 ) 骨梁形態は, 骨形成と骨吸収のバランスにより変化する. 破骨細胞骨芽細胞 骨 (http://www.aredia.jp/medical/index.html より )
Introduction ~ 骨の構造 ~ 荷重 ( 力学環境 ) 壊す 作る 日本機械学会編 (1999), 須田ほか (1985) より引用. > 骨梁形態は, 骨形成と骨吸収のバランスにより変化する. 破骨細胞骨芽細胞 骨 (http://www.aredia.jp/medical/index.html より )
Introduction ~ 骨の機能的適応 ~ 骨は力学的環境に応じ, 能動的にその構造を変化させる骨再構築 ( リモデリング ) により, 機能的に適応した形態を有する. 構造の観察と力学的解釈 海綿骨 皮質骨 Human proximal femur Schematic representation Wolff s law (1869) : Bone modify its structure to suit changes in applied loadings. 力学的機能 適応 Functional adaptation by remodeling (Roux, 1881) 安達らは 骨再構築理論による骨梁再構築シミュレーション 手法を提案 (*). (*) 例えば,T. Adachi, K. Tsubota, (2001), Journal of Biomechanical i Engineering, i 403-409. 409 再構築シミュレータとして V-BoneRemodeling を開発.
Motivation 骨粗鬆症における骨折リスクは, 骨再構築の均衡が崩れ, 骨密度が低下し, 応力状態が変化することで増大する. 骨折リスクの長期的な予測 病態の進行度と対応した骨梁形態変化を考慮した海綿骨の力学的特性の評価が必要. FEM モデル 形態変化シミュレーションシ? (V-BoneRemodeling) FEM モデル 応力分布 椎体モデル 骨梁モデル 田原ほか, 臨床バイオ, (2008), 7-14. D. Tawara et al., JMBBM (2010), 31-40.? 応力分布
Purpose of this study 骨粗鬆症を想定した骨再構築シミュ レーションにより, 骨梁骨の 形態変化の予測を行う. 得られた骨梁形態の応力解析に基づく 骨折リスク評価手法の有用性について, 基礎的検討を行う.
Rate equation of trabecular surface remodeling 骨再構築の駆動力 局所的な応力の不均一性 = ln c d Trabecular bone : x における応力 0 l c x c : d x c L = d : s s 周囲における代表応力 感知半径 w( l) ds w( l) ds 0 m 0 0 ( l x x ) m c ( 骨形成 ) ( 骨吸収 ) Uniform stress on trabecular surface 0 骨吸収 Marrow L m 0 1 w(l) l L Weight function m F( ) Schematic representation of relationship between and m u l 骨形成
V-BoneRemodeling Software 有限要素法解析 (FEM) により骨梁表面の応力不均一性を算出し, 骨構造変化をシミュレートする. 開発 : 細胞シミュレーションチーム, 普及推進チーム 骨形成骨吸収 FEM 繰り返し計算 骨吸収 応力の不均一性を基に, モデル形態を変化 骨梁 Voxel 要素の付加 除去により, 骨梁の形態変化を表現する.
Simulation of simple trabecular models 骨吸収 簡易骨梁モデルを用い, 骨吸収 ( L ) と骨形成 ( u ) の開始閾値を変化させ, シミュレーションを行う. 0 骨形成と骨吸収のバランスと, 再構築後の 骨梁形態との関連について検討する. L m L u 骨形成 u 簡易骨梁モデル サイズ :50 100 50 00 0 ( m) 格子内の X 形状 感知半径 :l L =10( m ) ヤング率 :20 GPa ( 骨梁 ) 10 MPa Case 1-0.1 01 05 0.5 Case 2-1 0.5 Case 3-0.5 0.1 FEM 繰り返し回数 :30 回 Case 4-0.5 1
Change in morphology of the models L u Step 5 Step 10 Step 20 Step 30 相当応力 (MPa) Case 1-0.1 0.5 Case 2-1 0.5 Case 3-0.5 0.1 Case 4-0.5 1 骨吸収開始閾値 ( L ) の影響 (Case 1 vs. Case 2) 骨吸収が起こりやすい Case 1 は, 骨梁が次第に減少し, 形態の連続性が失われている. 骨吸収が起こりにくい Case 2 は, 応力の不均一性が高い部位を中心に, 優先的に骨形成が進行している.
Change in morphology of the models L u Step 5 Step 10 Step 20 Step 30 相当応力 (MPa) Case 1-0.1 0.5 Case 2-1 0.5 Case 3-0.5 0.1 Case 4-0.5 1 骨形成開始閾値 ( u ) の影響 (Case 3 vs. Case 4) 骨吸収が特に起こりやすい Case 3 は, モデル内の応力不均一性が小さな部位でも 骨形成が盛んに進行した.
Change in morphology of the models L u Step 5 Step 10 Step 20 Step 30 相当応力 (MPa) Case 1-0.1 0.5 Case 2-1 0.5 Case 3-0.5 0.1 Case 4-0.5 1 いずれの Case も, 骨梁形態が荷重に対し平行になるように変化していく. 骨吸収と骨形成のバランスと, 骨梁形態の力学的適応変化との関連を確認した.
Simulation for osteoporosis case 骨吸収 m 現実的な健常例と骨粗鬆症例を想定した条件を検討する. L 得られた形態の応力解析により, 骨折リスクを評価する. 0 健常例 = -5.0, = (*) L u 4.0 (*) 安達, 坪田他,(2000), 機論,66, 1640-1647 総ボクセル数 41935 u 骨形成 骨粗鬆症 : 健常骨の骨密度値が 70% 以下である骨 ( 日本骨代謝学会基準 ) 骨吸収開始閾値 ( 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した. 骨粗鬆症例 L = -0.5, u = 4.0 総ボクセル数 24579 (58.6%)
Evaluation of fracture risk 得られた各骨梁形状において, 体軸方向と, 体軸に垂直な方向への荷重作用時の 圧縮主応力分布を評価する. 主応力分布のヒストグラムを 10MPa 10MPa 高応力側から累積表示した骨折リスクの評価手法を提案. 2.5 存在率 2 1.5 1 0.5 10MPa 10MPa 存在割合 100% 0 圧縮主応力 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 累積表示 健常例 骨粗鬆症例 0% 圧縮主応力
Stress distribution and fracture risks 10MPa 10MPa 100% : 健常例 : 骨粗鬆症例 存在 割合 10MPa 10MPa 0% 0 50 圧縮主応力 (MPa) 100% 健常例 骨粗鬆症例 0 25 50 (MPa) 存在在割合 0% 0 50 圧縮主応力 (MPa) 鬆症態化重散ず骨粗鬆症骨は, 形態変化に起因し, 荷重分散が十分にされず, 高い応力の発生により骨折リスクが高いことが示唆された.
Future works 海綿骨モデルによる再構築シミュレーションと骨折リスク評価シ 10 MPa 健常例 骨粗鬆症例 u =4.0, l =- 5.0 Voxel 数 : 196274 u =4.0, l =-0.5 Voxel 数 : 145531( 健常骨の 74%) 再構築シミュレーションにおける骨吸収 骨形成開始閾値, 感知半径の臨床的妥当性の評価 骨系細胞による実験 骨質 ( ヤング率の異方性等 ) を考慮した骨折リスクの評価
Summary V-BoneRemodeling を用い, 骨再構築理論に おける骨吸収 骨形成開始閾値の変化が, 骨梁形態変化に及ぼす影響を検討した. 骨梁骨の形態変化の予測および, その 応力解析に基づく骨折リスク評価手法が, 骨粗鬆症診断において有用となる可能性が 示唆された. 他の VCAD ソフトウエアと連携ともに, 生体 生物研究へのV-BoneRemodelingのさらなる展開が期待される.