Total hip arthroplasty support system using a simulator that integrates virtual and real human body model

使用集成虚拟和真实人体模型的模拟器的全髋关节置换术支持系统

• 批准号: 22K12804
• 负责人: 花房 昭彦
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Shibaura Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K12804/
• 关键词: 人工股関節置換術; 手術支援; 人体ダミーモデル; 人体仮想モデル; シミュレーション; シミュレータ; 人体モデル

牽引装置を利用する人工股関節手術を対象とし，より安全な手術を実施可能な手術支援システムの構築が研究目的である．現状，牽引操作は医師の判断と経験によって行われているが，より安全な手術のためには客観的な指標が必要であるため， 6軸の力センサを装着した牽引部の開発と製作を行い，牽引装置に搭載した．本装置は，医療機器として登録されており，手術時に使用可能である．牽引台の計測部では，回旋モーメントの計測限界が6Nmであったが，新たに30Nmまで計測可能なFFS080YS102A6S(レプトリノ社)が搭載可能となるようにブーツ牽引治具の改良を行った．また慣性センサ(TAG289N1000:多摩川精機)を治具に搭載できるようにし，牽引ブーツ部の外内旋角度，伸展・屈曲角度，外内転角度が計測可能となった．股関節部にかかる牽引力計測可能な下腿の人体ダミーモデルに関しては，人体の骨格モデルに粘土を付加して8.05kgとしたモデルを作成した．股関節部を脱臼させ，大腿直筋，縫工筋，半腱様筋を模擬した筋肉モデルを外径15mm，内径6mmのシリコンチューブで作成して接続した．またシリコンチューブの中間に張力センサ(TCLS-50L:東洋測器)を搭載し，筋モデルの張力計測可能なシステムを構築した．仮想人体モデルに関しては，動力学解析可能なPTC社のCreoを用いて構築した．ダミー人体モデルに使用された骨格モデルの三次元形状を３Dスキャナで計測し，牽引台についても寸法を計測してほぼ実寸大のCADモデルを作成した．また実物と同様の牽引，外内旋，伸展・屈曲，外内転動作が可能なように，ジョイントを定義したモデルとした．ダミーモデルと同様，大腿直筋，縫工筋，半腱様筋をバネモデルとして定義した．人体モデルの骨盤から上部を牽引モデルに搭載し，足部を牽引治具に固定することによって，牽引時の解析が行えるようにした．

本研究的目的是构建一种手术支持系统，可以使用牵引装置对髋关节手术进行更安全的手术。目前，牵引手术是根据医生的判断和经验进行的，但为了更安全的手术需要客观的指标，因此我们开发并制造了配备有6轴力传感器的牵引装置，并将其安装在牵引装置上。该设备已注册为医疗设备，可在手术期间使用。在牵引架的测量部分，旋转力矩的测量极限为6Nm，但对引导牵引夹具进行了改进，使其可以配备可测量高达30Nm的新型FFS080YS102A6S（Leptorino）。此外，还可以在夹具上安装惯性传感器（TAG289N1000：玉川精机），从而可以测量牵引靴的外/内旋转角度、伸展/弯曲角度以及外/内收角度。对于可测量施加到髋关节的牵引力的小腿人体假人模型，通过在人体骨骼模型中添加粘土来创建重8.05公斤的模型。髋关节脱位，制作模拟股直肌、缝匠肌、半腱肌的肌肉模型，并用外径15mm、内径6mm的硅胶管连接。此外，在硅管中部安装张力传感器（TCLS-50L：Toyo Sokki），构建了能够测量肌肉模型张力的系统。虚拟人体模型采用PTC的Creo构建，具有动态分析能力。使用 3D 扫描仪测量用作假人人体模型的骨骼模型的三维形状，并测量牵引平台的尺寸，以创建近乎全尺寸的 CAD 模型。此外，模型中还定义了关节，使其可以执行类似于真实物体的牵引、外旋/​​内旋、伸展/屈曲和外收/内收运动。与假人模型类似，股直肌、缝匠肌和半腱肌被定义为弹簧模型。通过将人体模型的上半部分从骨盆安装到牵引模型上并将腿部固定到牵引夹具上，可以在牵引过程中进行分析。

项目成果

Development of a total hip arthroplasty support system that includes dummy and virtual lower-limb models

开发全髋关节置换术支持系统，包括假人和虚拟下肢模型

• 发表时间: 2023
• 作者: Akihiko Hanafusa; Hiroki Kato; Syuna Hara; Aimi Kato; Shahrol Mohamaddan; Motoki Takagi; Tomonori Baba; Yasuhiro Homma; Yasuhumi Oishi
• 通讯作者: Yasuhumi Oishi

人工股関節置換術支援システムの開発－６軸力覚センサによる牽引負荷計測システムの改良―

人工髋关节置换手术支持系统的开发 - 使用6轴力传感器的牵引负荷测量系统的改进 -

• 发表时间: 2022
• 作者: 加藤拓樹;花房昭彦;Shahrol Mohamaddan;高木基樹;大石泰史;馬場智規
• 通讯作者: 馬場智規