１．3次元膝関節動態解析と正常関節機能人工膝関節の開発
人工膝関節置換術は変形性膝関節症に対する手術加療としては整形外科において最も頻度の高い術式の一つです。さまざまなインプラントが開発されてきましたが、コンセプト通りに機能しているかを評価することは困難でした。当教室では、X線透視画像（2次元）から生体内での空間位置（3次元）を推定する2D/3D registration法を独自に開発し、人工膝関節置換術の生体内動態解析を行っています。本技術により生体内の３次元的関節の動きを評価することにより新しい人工関節の開発に役立てています。
人工関節置換術術後のスクワット動作（左）とインプラント3次元位置（右）
２．３次元上肢動態解析
３次元の骨モデルを２次元の透視画像に濃度ベースで重ねわせることにより、上肢の詳細な３次元的運動の再現が可能となります。本技術は奈良先端科学技術大学院大学生体医用画像研究室と共同で開発し、これまで評価が不可能であった、靭帯損傷などによる関節のわずかな病的運動も定量的に評価することが可能となります。本技術を用いて上肢関節疾患の病態解明や治療法の提案を行っています。
上肢の詳細な３次元動態を再現
３．統計形状モデルを用いた3次元骨形態評価
変形性膝関節症、関節リウマチなどの関節疾患を有する場合、正常膝とは骨形態が異なることが報告されています。ＣＴ・ＭＲＩ画像より3次元骨モデル、統計形状モデルを作成することで、正常膝との骨形態の違いを推定することが可能です。これらの解析結果より、病因の理解や手術インプラントの開発に応用することを目的としています。
大腿骨（左）および脛骨・腓骨（右）の3次元統計形状モデル
４．AIを用いた３次元骨モデルの生成
２次元画像と対応する３次元画像をAIに学習させることにより、単純X線画像から未知の３次元骨モデルを生成するAIの開発を奈良先端科学技術大学院大学生体医用画像研究室（佐藤教授・大竹准教授）と共同で進めています。本技術が確立すれば、３次元モデル作成のために必要であったCT撮影が不要となり、被ばく量の低減ならびに３次元画像へのアクセスが簡便となることが期待されます。
２次元の単純X線画像からAIを用いて３次元の骨モデルを生成する技術
５．関節軟骨下骨の骨密度と応力分布変化
骨折などの外傷や先天的に骨変形が生じると変形した骨の隣接関節障害が発症することが知られています。放置すると変形性関節症が進行し、関節に過可逆的変化が生じます。このような関節変化を事前に予測する評価方法の確立し、関節障害が出現する前に関節を温存するための治療に役立てています。
正常手関節（左）と橈骨遠位端骨折後変形（右）における骨密度と関節応力分布の変化
６．骨変形に対する３次元術前評価と患者適合型手術支援部材、インプラントの開発
骨折後変形治癒に対して３次元コンピューターシミュレーション技術を用いた術前プランと手術シミュレーション通りの手術を実行するための患者適合型骨切りガイド、インプラントを用いた３次元矯正骨切り術を行っています。
