骨のバイオメカニクス解析

―整形外科医から―
　整形外科とは，主に骨，関節，筋肉，靱帯などの運動器を扱う診療科である。運動器疾患では，個々の病態を把握するために詳細な形態観察と力学的評価が必要であり，バイオメカニクス研究は重要な役割をもつ。整形外科分野でのバイオメカニクス研究の歴史は古く，多くの先人達の功績により貴重な知見が得られてきたが，臨床医である整形外科医にとって専門的な工学的知識や計算手法を用いて研究を行うことはハードルが高かった。また一昔前まではモデル作成や解析に膨大な時間を要し，一つの研究を行うのに多くの労力を要した。しかし近年のコンピュータ技術の進歩により，コンピュータソフトウェアを用いた新しい手法が開発され，さまざまな画像情報を用いた詳細な解析が可能となっている。20年前には1か月以上を要したモデル作成も，現在では1日もかからずより詳細なものが作成できるようになり，またソフトウェアもユーザーフレンドリーとなったため，整形外科医にとってもハードルは下がってきたようである。
　しかしこのような背景のなか，新しい問題が出現してきている。ソフトウェアは使いやすくなり複雑な解析を短時間でできるようになったが，その研究目的に適した方法に関する知識がないと正しい解析結果であるかの判断ができないのである。つまり，当然であるがバイオメカニクスに関する知識は重要であり，基本的な知識がないと素晴らしいソフトウェアを使用しても正しい研究はできないのである。しかし，今までバイオメカニクスに関する専門書は存在しても整形外科医にとっては難解で敷居が高いものが多かった。また実際の解析方法や研究の進め方について詳細に説明している成書は少なかった。
　そこで本書は，主に，これからバイオメカニクス研究を開始する，もしくは現在，バイオメカニクス研究を行っているが基礎知識が必要と考えている整形外科研究医を対象に，『骨のバイオメカニクス解析』というタイトルで，有限要素法解析に焦点を絞って作成された。バイオメカニクス研究には有限要素法解析以外にもさまざまな手法があるが，これをきっかけに他の解析手法にも興味を持っていただければ幸いである。
　本書の特徴は，工学系，医学系の研究者がお互いに，わかりやすいように具体例を提示しながら作成した点である。また研究の最終目標の一つである英文雑誌への投稿例についても記載した。整形外科医にとって，工学系研究の英文雑誌への投稿はやや敷居が高いが，本書を参考にチャレンジしていただきたい。ただし本書の内容は，あくまでも研究の具体例であり，validation（検証）の問題，実臨床との整合性の問題など今後の課題点も多い。そのような現状も本書から読み取っていただいて，今後の研究の参考になれば幸いである。
　最後に，発刊のために執筆のご努力をいただいた先生方や矢部涼子様をはじめとしたメジカルビュー社の方々に深謝いたします。

2017年2月
横浜市立大学整形外科准教授
稲葉　裕
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―工学者から―
　バイオメカニクスは，固体力学と流体力学を生体に応用する学問領域であり，固体力学に限っていうと，硬い組織を対象とする整形外科との相性がよく，特に骨のバイオメカニクスは長い歴史を有している。古くは，単純に骨のさまざまな部位に負荷を加えて，弾性率や強度のような骨のマクロな「材料定数」的データを取得する研究が主に行われていたが，顕微鏡の発達とともにミクロな組織とその複合構造が明らかになり，バイオメカニクスもミクロ化していった。さらには，骨リモデリングにおける骨関連細胞の役割が細胞生物学的に明らかになってくると，「細胞のバイオメカニクス」という新しい分野も登場するようになってきている。このように，骨のバイオメカニクスは，単純なマクロな力学挙動を対象とした研究から，細胞，組織，骨の部位，骨格を対象とするマルチスケールな研究へと拡大しており，これらのスケールが異なる力学的応答を相互に関連付ける研究の必要性がますます増している。
　さて，骨の複雑なマクロあるいはミクロな構造を考えると，実験的に観測するのは大変困難であり，さらに試験体として人の骨を用いた実験も限られた施設でしか行えず，研究を進めるのは容易ではない。一方，昨今のコンピュータの高性能化に伴い，ミクロな領域からマクロな領域まで複雑な現象をモデル化しシミュレーションすることが可能になってきており，コンピュータを利用した骨のバイオメカニクス研究は，基礎研究や臨床研究としても有用な知見を与えることが期待される。最近では，CT画像を利用した三次元的に骨構造をモデル化する方法も開発され，骨の計算バイオメカニクス研究がますます発展するものと期待される。
　このように，マルチスケール化し複雑化した骨のバイオメカニクス研究における計算バイオメカニクスの役割はますます重要となってきているが，それを実行するには，医学，生物学，固体力学，計算工学を含む広範囲な知識が必要となっているのも事実であり，骨のバイオメカニクス研究に取り組もうとする研究者にとってハードルは高いものとなっている。医学と生物学に精通した医学者には，工学的要素は荷が重く，一方，工学者にとっては，医学や生物学的な要素が大きな負担となってしまう。したがって，医学者と工学者が手を取り合い協力して骨のバイオメカニクス研究に取り組むことが理想的であるが，自分の専門分野の知識しか持ち合わせていないと，コミュニケーションをとることが難しいという問題がある。
　本書は，骨のバイオメカニクスに興味がある整形外科医の読者に，できるだけわかりやすくCT画像を利用した有限要素法（CT-FEM）の基礎を学んでもらおうという意図の下，CT-FEMを用いた骨のバイオメカニクス研究で実績がある研究者が分担で執筆しまとめたものである。医学者と工学者で担当することで，医学的にも工学的にもバランスがとれた内容となることを意識している。本書の内容をある程度理解していただければ，工学系研究者との会話もスムースに行えるようになり，共同研究が進展することが期待される。興味はあるが，これまでなかなか手を出せなかった方々も，本書がきっかけとなって，この分野に新しく参入していただくことになれば，誠にうれしい限りである。

2017年2月
九州大学応用力学研究所准教授
東藤　貢