博 士 （ 工 学 ） 石 田 敏 真
学 位 論 文 題 名
人 工 股 関 節 形 状 の 多 目 的 最 適 化 ・ カ ス タ ム メ イ ド プ ロ セ ス の た め の デ ー タ ベ ー ス 構 築 に 向 け て ・
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
セ メン ト 固 定 型 全人 工 股 関 節 置 換術(Cemented Thtal Hip Replacement; THR)に おい て 最 も 危 惧 さ れ る こ と は、 セ メ ン ト の 破壊 な ど に 起 因す る 弛 み で ある 。 弛 み は 患者 に と っ て肉体 的・精 神的・
経 済 的 に 大 き な 負 担 の か か る 再 置 換 へ 繋 が る た め 、 長 寿 命 なTHRコ ン ポ ーネ ン ト の 開 発が 望 ま れ て い る が 、 未だ 「 一 度 埋 め 込め ば 一 生 そ の存 在 を 意 識 せず に 使 用 で きる 」 と い うまで には至 ってい な い 。
近 年 、 コン ピ ュ ー タ の発 展 に 伴 い 、生 体 工 学 分 野 にお い て も 実 験を 代 替 、 ある いは補 完す るもの と し てCAE(Computer‑Aided Engineering)が 贐 ん に 用 いら れ る よ う にな っ て き た 。そ の よ う な 状 況 の 中 、CAEと 連 動 し て 患 者 個 々 の 骨 形 状 に あ わ せ た 応 力 的な 最 適 形 状 を持 つ カ ス タ ムヌ イ ド 人 工 股 関 節 が 求 め ら れ る よ う に な っ て き た 。 カ ス タ ム メ イ ドTHRを 実 現 さ せる に は 、 患 者個 々 の 骨 の 状 態 に 対し 、 ど の よ うなTHR形状 が 適 し て い るの か を 個 別 に計 算 し な け れば な ら な し ゝ。 こ の 計 算 に は 多 大 な 時 間 が か か り 、 ま たTHRス テ ム 形 状 の 最 適 化 計算 手 法 そ の もの が 確 立 し てい な い の が 現 状 で あ る。
本 論 文 の 目 的 は 、 こ う し た カ ス タ ム モ デ ル ヘ 向 け たTHR設 計 に 対 す る 課 題 を 、CAEに よ り解 決 す る こ と で ある 。 そ の た め 、以 下 の よ う な研 究 を 行 っ た。
・ THRス テ ム 形 状 の 最適 化 計 算 手 法の 確 立
・ 多 目 的 最 適化 に よ る 、THR形 状 のKnowledge databaseの 構 築
・ Charnley系 ・ 非Charnley系 の 比 較 に よる 形 状 検 討 本 論 文 は全 体 で5章 から な る 。
第1章 は 「 序 論 」で あ り 、 人 工股 関 節 の 歴 史 ・適 用 疾 患 ・ 人工 股 関 節 の 現状 と 問 題 点 など に つ い て 述 べ た 後 、カ ス タ ム メ イ ド人 工 股 関 節 の必 要 性 と そ の実 用 化 に 向 けた 技 術 的 問題点 につい て概説 し 、 本 研 究 の位 置 づ け と 目 的を 明 ら か に して い る 。
第2章 は 「 セ メ ント タ イ プ 人 工股 関 節 の 最 適 化計 算 」 と 題 し、 セ メ ン ト タイ プ 人 工 股 関節 の 最 適 化 計 算 手 法 を確 立 し て い る 。
従 前 は 三 次 元 の 詳 細 モ デ ル によ る 最 適 化 計 算は 行 わ れ て いな か っ た た め、 ま ず 患 者 の大 腿 骨 の CTデ ー タ か ら 、 近 位 大 腿 骨 の 詳 細 なCADモ デ ル を 作 成 し た 。 同 じ くCAD上 で 設 計 ハ ラ 乂 ー タ を 持 た せ たス テ ム を 作 成し 、 こ れ ら を合 成 し た う えで 、 パ ラ メ 卜 リッ ク なFEMモ デ ル を 作成 し た 。 パ ラ メ ー タ を 変 化 さ せ な が らFEM解 析 を 行 う こ と で 、 骨 セ メン 卜 の 応 カ が最 も 少 な く なる 設 計 バ ラ ヌ 一 夕 を 探 し た 。 設 計 パ ラ メ ー 夕13個 の う ち 、 事 前 に 感 度解 析(DSA)を 行 っ てバ ラ メ ー 夕 変 化 に 対 す る 目 標関 数 の 変 化 量 （感 度 ） の 高 かっ た4つ の バラ メー タを選 び最 適化計 算を行 ったと ころ、
ペ ー ス と な っ たHarris Precoat Plusス テ ム より 骨 セ メ ン トの 最 大 主 応 カの 最 大 値 を 約22%減 ら す こ と が で き た。 最 大 応 カ は ステ ム 遠 位 に 観察 さ れ た が 、臨 床 観 測 に おい て も 遠 位のセ 乂ント の破壊 が み ら れ た た め 、 こ の 部 分 の 応 カ を 下 げ る こ と は 意 義 の あ る こ と で あ る と い え る 。
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第3章 は 「 セ ヌ ン ト タ イ プ 人 工 股 関 節 の 多 目 的 最 適 化 」 と 題 し 、 多 目 的 最 適 化 に よ るTHRの Knowledge databaseの構 築 に 関 し て検 討 し て い る。 人 間 の 行 動 は、 歩 く ・ 走る・ 立つ 、など 様々で あ り 、 従 って 股 関 節 に かか る 荷 重 も 様々 で あ る 。 さら に ス テ ム に 弛み が 生 じる 箇所も 様々で ある。
そ こ で 、 第2章 の 最 適 化手 法 を 拡 張 し多 変 数 ・ 多 目的 と し 、 多 目的 最 適 化 手 法 を確 立 し た 。 これ に よ ルステ ム形状 のKnowledge databaseを構 築で きる。
本 研 究 で は 、 設 計 バ ラ メ ー 夕 数 を10個 、 目 標 関 数4個の 多 目 的 最 適 化を 行 っ た 。 具体 的 に は ス テ ム の 近 位（ 心 臓 側 ） の断 面4力 所 、遠 位 （ 膝 側 ）の 断 面3力 所、 中 間 に3力所 に 設 計 パ ラメ 一 夕 を 酉 己置し 、（1）歩 行の際 の遠位 骨セヌ ント 応力、(2)同 じく歩 行時の 近位骨セメント応力、（3）階段運 動 の 際 の 遠位 骨 セ メ ン ト応 力 、(4)同 じ く 階 段 運動 時 の 近 位 セメ ン ト 応 力 、を 目 標 関 数 とし た 。 最 適 化 の 際 に は 、 多 目 的 に 適 し た 手 法 の1つ で あ る 遺 伝 ア ル ゴ リ ズ ム を 利 用 し た 。 そ の 結 果 、 近 位 の セ ヌ ン ト 破壊 を 防 ぐ 形 状 と、 遠 位 の セ メン 卜 破 壊 を 防ぐ 形 状 は 、 両立 し な い こ と が わ か っ た 。Debond(ス テ ム と セメ ン ト が 固 着 して い な い ） 条件 に お い て は、 第2章 に おい て 行 っ たBond(ス テム と セ メ ン トが 固 着 し て いる ） 条 件 と 比べ 、 遠 位 応 カ を下 げ る た め には 遠 位 の 形 状 を よ り 細く す る 必 要 があ る こ と が わか っ た 。 ま た遠 位 応 カ と 遠 位形 状 の 依存 度と比 べると 、近位 応 カ と 近 位形 状 の 依 存 度は 高 く な い こと が わ か っ た。 一 方 で 、 歩 行運 動 に 強い 形状と 、階段 運動に 強 い形状 につい ては、 両者の 傾向 はほぼ 一致し た。
こ う し た 計 算 結 果 と 知 見 の 積み 重 ね が ス テ ム形 状 に 関 す るknowledge database構 築の 第 一 歩 で あ り、本 研究に おいて 、その 完成 への道 筋を作 ること がで きた。
第4章 は 「CAEを 使 用 し た セ メ ン 卜 夕 イ プ ス テ ム 形 状 の 検 討 」 と 題 し 、 臨 床 成績 の 悪 か っ た 人 工 股 関 節 ステ ム 形 状 の 応力 状 態 に つ いて 検 討 し て いる 。Perfectaステ ム は 、骨 セメン トとの 接触 面 積 を 広 げ よ う と 考 案 さ れ た 非Chamley系 の ス テ ム で ある が 、 臨 床 成績 が 悪 く 短 期間 で の 再 置 換 例 が 多 数 報 告さ れ て い る 。そ こ で 、 第2章 で 確 立 し たセ メ ン 卜 夕 イプ 人 工 股 関 節 の最 適 化 計 算 手法 を 応 用 し て 、 こ の ス テ ム の 形 状 と 骨 セメ ン 卜 の 応 カの 関 係 を 考 察し 、 両 者 の 関 係を 明 ら か に した 。 ま ず 、 模 擬 大 腿 骨 と プ ラ ス チッ ク 製Perfectaの ス テ ム を 用意 し 、 通 常 の手 術 手 技 と 同 様に 模 擬 THRを 行 っ た 。 こ の 断 面 を カ ッ ト し 、 骨 セ ヌ ン ト の 厚 さ を 計 測 し 、 そ れを も と にFEMモ デ ル を 作 成 し 応 力 状 態 を 解 析 し た 。 同 様 の 実 験 を 臨 床 成 績の 良 か っ たNexusス テム に つ い て も行 い 、 両 者 の 比較を 行った 。
臨 床成 績 の 良 か ったNexusス テ ム と 比 較す る と 、Perfectaス テ ム はセ メ ン ト と ス テム の 固 定 カ が 強 い 間 は は骨 セ 乂 ン ト に対 す る 応カが 低かっ たが 、ひと たび固 定カが 弱ま ると、 骨セ． メン卜 に対す る 応 カ が 跳 ね 上 が り 、 こ れ が 弛 み に っ な が っ た の で は な い か と 考 え ら れ た 。 こ のよ う に 第2章で 確 立 し た 手法 が ス テ ム 最 適形 状 の 設 計 だけ で な く 、 臨床 結 果 の 説 明に も 有 用 で あるこ とが示 された 。
第5章 は 「 考 察 ・結 諭 」 で あ り、 前 章 ま で の 実験 ・ 研 究 で 得ら れ た 知 見 、結 諭 お よ び 今後 の 研 究 課 題とし て残さ れた問 題をま とめ ている 。
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学位論文審査の要旨
准教授 教授 教授 教授
村 林 清 水 平 田 三田村
学 位 論 文 題 名
俊 孝一 拓 好矩
（ 東 海 大 学理 工 学 研 究 科）
人工股関節形状の多目的最適化・カスタムメイドプロセス のためのデータベース構築に向けて・
人 工 関 節 置 換 術 は 股関 節 に 限 っ ても 日 本 で 年 間7万 例 以 上 の手 術 実 績 の あ る外 科 手 術 で ある 。 変 形 性 股関 節 症 な ど の疾 患 か ら く る痛 み な ど に よっ て 、 日 常 生 活に お い て 最 も基 本 的 な 動作で ある 歩 行 が でき な く な っ た患 者 が 、 人 工関 節 置 換 に よっ て 健 常 な 日 常を 取 り 戻 す こと が で き る。し かし 術 後10〜15年 で2割 程 度 の 患 者 が 再 置 換 術 を 受 け な け れ ば な ら な い の が 現状 で あ る 。 再置 換 術 を 受 け る こと は 患 者 に とっ て 肉 体 的 ・精 沖 的 ・ 経 済的 に 大 き な 負 担と な る 。 そ のた め 長 寿 命な人 工股 関 節 コ ンホ ー ネ ン ト の開 発 が 望 ま れて い る が 、 未だ 「 一 度 イ ン プラ ン ト す れ ば、 そ の 後 一生使 用で き る 」 とい う ま で に は至 っ て い な しゝ 。
臨 床 報 告 に よ る と 、再 置 換 の 原 因の75%が 「人 工 関 節 の 非感 染 性 ゆ る み」 で あ り 、 セメ ン ト 固 定 型 全 人 工 股 関 節 置 換 術(Cemented Thtal Hip Replacement; THR)に お い は 、局 部 応 力 集 中に よ る セ 乂 ン トの 破 壊 が ゆ るみ の 大 き な 原因 と し て 挙 げら れ て い る 。 人工 股 関 節 は 規格 品 で あ り、乂 ーカ ー に よ って サ イ ズ や 形状 が 決 ま っ てい る 。 医 師 は患 者 の 大 腿 骨 形状 な ど か ら 適し て い る と思わ れる サ イ ズ ・形 状 の 人 工 股関 節 を 選 択 する が 、 そ れ が真 に 大 腿 骨 、 骨セ メ ン ト 、 人工 股 関 節 にとっ て最 適 な 応 力環 境 を 構 成 する と は 言 い 難い っ
近 年 、 コ ン ピュ ー タ の 発 展 に伴 い よ り 、 生体 工 学 分 野 にお い て も 、 実験 を 代 替 、 あ るいは 補完す る も の と し てCAE(Computer・Aided Engineering)が さ かん に 用 い ら れる よ う に な っ てき た 。 そ の よ う な 状 況 の 中 、CAEと 連 動 し て 患 者 個 々 の 骨 形 状 に あ わ せた 応 力 的 な 最 適形 状 を 持 っ カス タ ム 乂 イ ド 人 工 股 関 節 が 求 め ら れ る よ う に な っ て き た 。 カ ス タ ム 乂 イドTHRを 実現 さ せ る に は、 患 者 個 々 の 骨 の 状 態 に 対 し 、 最 適 なTHR形 状 が 適 し て い る の か をCAEを 用 い て 計 算 す る 必 要 が あ る が 、THRス テ ム 形 状 の 最 適 化 計 算 手 法 そ の も の が 確 立 し て い な い の が 現 状 で あ る 。 以 上 を 踏 ま え て 、 本 論 文 で はTHRス テ ム 形 状 の 最 適 化 計 算 手 法 を 確 立し 、 さ ら に それ を 発 展 さ せ て 様 々 な 荷 重 条 件 の 下 で 骨 セ ヌ ン卜 各 所 の 応 カ を同 時 に 低 下 させ る 多 目 的 最適 化 手 法 を 開発 し た 。 こ れ に よ っ てTHRのKnowledge databaseが 構 築 さ れ 、 カ ス タ ム メ イ ドTHRの 臨 床 使 用 へ の 可 能 性 が 開 か れ る こ と に な り 、 独 創 的 か つ 実 用 的 な 観 点 か ら も 優 れ た 研 究 で あ る と 言 え る 。 第2章 に お い て は 三次 元 の 詳 細 モデ ル に よ る 最適 化 計 算 手 法を 確 立 し て い る。 従 前 に は 二次 元 モ デ ル また は 簡 易 な 三次 元 モ デ ル にお け る 計 算 しか な さ れ て い なか っ た 。 そ こで 本 論 文 におい ては 患 者 の 大 腿 骨CTデ ー タ か ら 、 近 位 大 腿 骨 の 詳 細 なCADモ デ ル を 作 成 し て い る 。 同 じ くCAD上 で 設 計 ′ ヾ ラ 乂 ー タ を 持 たせ た ス テ ム を 作成 し 、 こ れ らを 合 成 し た パラ メ ト リ ッ クなFEMモ デル 上 で
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査 査
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主 副
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FEM解 析 を 行 う こ と で 、 骨 セ メ ン ト の 応 カ が 最 も 少 な く なる 設 計 パ ラ メー タ を 決 定 して い る 。 そ の 上 で バ ラメ 一 夕 変 化 に対 す る 目 標 関数 の 変 化 量 （ 感度 ） の 高 か った4つ の パ ラメ ー タ を 選 び最 適 化 計 算 を 行い 、 ペ ー ス とな っ たHarris Precoat Plusステ ムより 骨セメ ン卜 の最大 主応カ の最太 値を 約22 010減 ら すこ と に 成 功 して い る 。 最 大応 カ は ス テ ム遠 位 に 観 察 さ れる が、 臨床観 測にお いて も 遠 位 の セ メン ト の 破 壊 がみ ら れ る た め、 こ の 部 分 の 応カ を 下 げ る こと は 人 工股関 節長寿 命化 に対し て 大いに 意義の あるこ とで あると 評価で きる。
第3章 に お い て は 第2章 の 最 適 化 手 法 を 拡 張 し て 多 変 数 ・ 多 目 的 と し 、 多 目 的 最適 化 手 法 を 確 立 し 、THRのKnowledge databaseの 構 築 に 関 し て 検 討 して い る 。 人 間の 行 動 は 、 歩く ・ 走 る ・ 立 つ 、 な ど 様々 で あ り 、 従っ て 股 関 節 にか か る 荷 重 も 様々 で あ る 。 さら に ス テムに 弛みが 生じ る箇所 も 様 々 で ある 。 本 問 題 を多 目 的 最 適 化問 題 と し て と らえ 、 そ の 解 決手 法 と して遺 伝アル ゴリ ズムを 採 用して いる。
本 研 究 で は 、 設 計 バ ラ メ ー 夕 数 を10個 、 目 標 関 数4個 の 多 目 的 最適 化 を 行 っ っ てい る 。 具 体 的 に は ス テ ム の 近 位 （ 心 臓 側 ） の 断 面4カ 所 、 遠 位 （ 膝 側 ） の断 面3力 所 、中 間 に3力 所に 設 計 バ ラ 乂 ータを 配置し 、（1）歩 行の際 の遠 位骨セ メント応力、(2）同じく歩行時の近位骨セメント応力、（3） 階 段 運 動 の際 の 遠 位 骨 セメ ン ト 応 力 、(4)同 じ く階 段 運 動 時 の近 位 セ メ ン ト応 力 、 を 目 標 関数 と し て いる。
最 適化 計 算 の 結 果 、近 位 の セヌ ント破 壊を防 ぐ形状 と、 遠位の セメン 卜破壊 を防 く゛形 状は、 両立 し な い こ とが 示 さ れ 、 一方 、 荷 重 条 件が 大 き く 異 な るに も か か わ らず 歩 行 運動に 強い形 状と 階段運 動 に強い 形状に ついて は一 致した 傾向を 示すこ とが明 らか になっ た。
こ う し た 計 算 結 果 と 知 見 の積 み 重 ね が ステ ム 形 状 に 関 するknowledge database構築 の 第 一 歩 で あ り 、 本 研 究 に お い て 、 そ の 完 成 へ の 道 筋 の 方 法 論 が 確 立 さ れ た こ と は 高 く 評 価 で き る 。 第4章 で は 、 臨 床 成 績 が 悪 く 短 期 間 で の 再 置 換 例 が 多 数 報 告 さ れ て い る 人 工 股 関 節 ス テ ム (Perfectaス テ ム ） 形 状の 応 力 状 態 につ い て 検 討 し ている 。そ の結果 、Perfectaス テム はセメ ントと ス テ ム の 固定 カ が 強 い 間は は 骨 セ メ ント に 対 す る 応 カが 低 い が 、 ひと た び 固定カ が弱ま ると 、骨セ メ ン ト に 対 す る 応 カ が 跳 ね 上 が り 、 こ れ が 弛 み に っ な が っ た の で は な い か と 考 察 し て い る 。 こ のよ う に 第2章で 確 立 し た 手 法が ス テ ム 最 適形 状 の 設 計 だけ で な く 、 臨床 結 果 の 説 明 にも 有 用 で あるこ とを示 してい る。
こ れを 要 す る に 、 著者 は 、 人 工 股関 節 ス テ ム の応 力 的 最 適 形状 を 得 る ため の計 算手法 を確立 し、
さ ら に そ れ を 発 展 さ せ て 様 々 な 荷重 条 件 の 下 で骨 セ メ ン ト 各所 の 応 カ を 同時 に 低 下 さ せ る多 目 的 最 適 化 手 法 を 開 発 し た 。 こ れ に よ っ てTHRのKnowledge databaseが 構 築 さ れ 、 カ ス タ ム メ イ ド THRの 臨 床 使 用 へ の 可 能 性 が 開 か れ た も の で あ り 、 生 体 医工 学 、 医 用 精密 工 学 に 対 して 貢 献 す る と こ ろ 大 なる も の が あ る。 よ っ て 著 者は 、 北 海 道 大 学博 士 （ 工 学 ）の 学 位 を授与 される 資格 あるも の と認め る。
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