Mathematica で設計された次世代の人工椎間板

チャレンジ

改良された脊椎円板置換法を探る.

解決方法

Mathematica を使った新しい人工椎間板の設計プロセスの探究.

脊椎間で膨らませた想像上の風船

利点

  • 患者の苦痛を取り除き可動性をアップ
  • 治療方法を劇的に向上させる画期的な成果
  • 医療現場での使用のためのオープンソースアプリケーションをさらに開発

Mathematica の強み

  • ワークフロー全体に1つの統合されたシステム
  • 業界標準のDICOMおよびSTL形式をサポート
  • 他の言語に比べてはるかにコンパクトなコード
DICOM形式のスキャン画像が Mathematica にインポートされ,必要に応じて改良され,次に Mathematica で開発された「風船」アルゴリズムを使って3次元フィットが行われます.

人口の約15〜20%の人が慢性的な背中の痛みを抱えています.股関節や膝関節の人工関節への置換手術の成功例が増えていますが,研究者たちは脊椎の椎間板を置換することで背骨の不快感にも同様の結果が得られるのではないかと期待しています.

アイントホーヘン工科大学(Eindhoven University of Technology)とオランダ応用科学研究機構(Netherlands Organization for Applied Research)は新たなアルゴリズムを開発し,Mathematica を使って人工椎間板のカスタマイズした終板を作る完全なワークフローを開発しました.椎間板を脊椎に適切に固定することは患者の予後にとって非常に重要ですが,現在の人工骨は多かれ少なかれ「フリーサイズ」になっています.並び方が不完全ですと脊柱への圧迫が増す,過剰摩耗が起る等の合併症が起ることが多くなります.

最新式の3D MRIとCTスキャンを使うと,手術をしなくてもカスタマイズした椎間板の正確な形が決定できます.これは,他の手法よりも正確で分かりやすいセグメンテーション法によって可能となりました.脊椎の間に小さな風船を入れ,それが脊椎の表面に完全に密着するまで膨らませる様子を想像してください.この時の等高線を使って必要な人工椎間板の形状を作ることができるのです.

DICOM形式のスキャン画像が Mathematica にインポートされ,必要に応じて改良され,次に Mathematica で開発された「風船」アルゴリズムを使って3次元フィットが行われます.結果はSTL形式でCNCマシンに直接エキスポートされます.CNCマシンは脊椎表面に固定できる個々の共形終板を作ります.柔軟な関節,終板の素材,生体適合性のあるコーティング等,人工骨の他の面に関する研究も進んでいます.

研究者は,将来的にはこのテクニックとこれを可能にする特化されたオープンソースの Mathematica アドオンがより広い医学コミュニティーで使えるようにしたいと思っています.このメソッドの他の可能性としては,脳,心室,骨,歯,その他の非生理学的なオブジェクトの形のセグメンテーションが考えられます.


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