固定・設置強度診断に向けた
生体非侵襲レーザーセンシング
近畿大学生物理工学部
医用工学科 講師
三上 勝大

Mar. 1st 2022

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技術の背景整形外科における固定・設置強度診断は骨癒合不全の抑制に重要
椎弓根スクリュー
骨癒合不全 (逸脱) の症例

椎弓根スクリュー設置術の様子 (動画)破綻

提供 慶應義塾大学医学部

術後破綻率10～20％

A. W. Kwok et al. Spine 21 (1996) 2429
S. Battula et al. Clin. Bimomech. 21 (2006) 533

提供： 慶應大学医学部

従来の設置強度は執刀医の感覚で判断簡便・高速・定量的な診断技術が重要

Mar. 1st 2022

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技術の背景健康長寿に向けて整形外科領域は重要
要介護

要支援

認定理由
第1位 脳疾患 43.2％(脳卒中18.4％ 認知症24.8％)

認定理由

第3位 脳疾患 (脳卒中) 13％
第2位 老衰 16.2％

その他 38.4％

その他 33.7％
第2位 老衰 12.1％

出典 厚生労働省
平成28年 国民生活基礎調査

平均寿命と健康寿命の推移(縦軸：年齢 横軸：年)
出典 厚生労働省
平成28年版厚生労働白書

第3位 運動器疾患 11％(骨折・転倒11％)

第1位 運動器疾患 32.4％(関節疾患17.2％ 骨折・転倒15.2％)

女性

男性

平均寿命

平均寿命
健康寿命

10年以上
平均寿命と健康寿命の差は縮まっていない

健康寿命

Mar. 1st 2022

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従来技術

従来の診断技術では1パルスの高出力レーザーを照射することで計測
実験配置図

レーザー誘起振動波診断
診断概念

ビームダンプ½ 波長板

Laser-Resonance Frequency Analysis(L-RFA)ミラー

偏光子
レーザードップラー振動計

Nd:YAGレーザー

ミラー

レンズ f = 687 mm

評価試料

ミラー

従来方式：シングルレーザー加振

ピーク周波数-42

1.2x101x10

振動減衰
時間波形

15x10周波数スペクトル-41x10

設置強度により振動が異なる

強度 (arb. unit)

加速度 (m/s2)-508x10-56x10-54x10

1-5x10FFT解析
2-1x100

レーザー照射
0.002

0.004

時間 (sec)

0.006

0.008

-52x100
2000

4000

6000

8000

10000

周波数 (Hz)レーザー加振の特徴
定量化される加振力 (レーザーエネルギー密度) によるナノ秒オーダーの加振時間 (レーザーパルス幅) による超音波領域まで至る広帯域に渡る加振が可能
Mar. 1st 2022

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従来技術

従来手法で全設置強度指標でL-RFAは良い相関関係を実証済み
評価結果

ご献体試験は慶應義塾大学 医学部 解剖学教室の管轄のもと、倫理委員会など所定の手続きを経て実施 (2017年12月)
共同研究：
慶應義塾大学医学部、量子科学技術研究開発機構
D. Nakashima et al., Laser resonance frequency analysis of pedicle screw stability: A cadaveric model bone study, J. Ortho. Res. 39 (2021) 2474.
インプラント設置強度評価方法、インプラント設置強度評価装置、およびプログラム PCT/JP2018/033978
Mar. 1st 2022

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従来技術

従来技術ではフレキシブルデバイスで高速な振動計測を実現済み
レーザー診断装置 簡易パッケージ

ペン型デバイスによる評価の様子 (動画)

加速度センサー(振動計測位置)振動伝達用金属棒

光ファイバー

振動伝達方向

診断試料

加振
レーザー

Mar. 1st 2022

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従来技術

レーザー加振により既存技術と比較して優位性を確立
他の方式との比較

••
•
•

引抜力測定

挿入トルク測定

磁気RFA

レーザーRFA

侵襲性×〇

〇

〇

安定性××〇

〇

再現性××

〇

〇

接触性
安全性××

❌

〇

RFA以外の手段は侵襲性が大きく、測定が一度きり
RFAは精度が高く、術者間よるばらつきが僅少
外科手術では、インプラントへ磁石の装着が作業性・安全性の観点で困難
整形外科インプラントは歯科よりも大型のため、磁気では加振力が不足
Mar. 1st 2022

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従来技術の課題

Class 3Bの高出力レーザー装置を使用により必要措置が多い
レーザー装置は JIS C 6802:2014でクラス分類
Class 3Bのレーザーを使用するために必要な措置
Class 3B：直接ビーム内観察は通常において危険である•••

保護具の必要性
健康管理掲示レーザー照射時の様子

保護眼鏡、皮膚露出の少ない作業衣
前眼部 (角膜・水晶体) 検査
レーザー機器管理責任者、設置表示
従来方式：シングルレーザー加振原理
レーザーアブレーション
アブレーションプルームが発生 ＝ 照射痕発生
・試料表面が僅かに損傷・デブリの発生
レーザー照射によるアブレーション痕

高出力レーザー装置を用いることは臨床用途に向けた利便性が低下
Mar. 1st 2022

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新技術の概要

新技術は熱弾性波＋共振効果を用いた低出力レーザー計測を提供
新技術と従来方式の概念
従来方式：シングルレーザー加振新技術：掃引レーザー加振

共鳴周波数加振による振動利得の増大
減衰比 0.01
減衰比 0.05
減衰比 0.1
減衰比 0.15
減衰比 0.2
減衰比 0.25
減衰比 0.3共鳴周波数 (固有振動数) で加振することで振動強度を増大
レーザー照射の繰返し周波数を掃引することでピーク振動周波数を探索
レーザー光の吸収 (加熱) による熱弾性波
アブレーション不要で計測可能
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新技術の概要

所望位置の簡易照射を実現するために光ファイバーの導入が可能
物理加振との比較
レーザー照射掃引範囲

加速度センサー(振動計測位置)

計測デバイス例
インパルスハンマー

振動伝達用金属棒

光ファイバー

振動伝達方向

診断試料

加振
レーザー

掃引レーザー加振機
試作品 (動画)

Mar. 1st 2022

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新技術の概要

生体への非侵襲性は食肉試験で確認済
評価試料

動画 4.0 W 10 sec 照射痕アリ

動画 0.7 W 10 sec 照射痕ナシ

牛肉

牛肉

牛肉

鶏ささみ

鶏レバー

※ 赤色の光は照射位置確認用のガイド光

照射痕(波長1060 nm, 繰返し5 kHz, 集光サイズ 約200 µm)
鶏ささみ
4.9 W・10 sec(0.98 mJ/pulse)

4.9 W・60 sec(0.98 mJ/pulse)

照射痕 確認できず
2.0 W・10 sec (0.40 mJ/pulse)
1.0 W・10 sec (0.20 mJ/pulse)
0.7 W・10 sec (0.14 mJ/pulse)

牛肉鶏レバー

3.9 W・10 sec(0.78 mJ/pulse)

4.9 W・25 sec(0.98 mJ/pulse)

1.9 W・10 sec(0.38 mJ/pulse)
4.9 W・10 sec(0.98 mJ/pulse)

4.0 W・10 sec
照射痕 確認できず(0.80 mJ/pulse)
1.0 W・10 sec (0.20 mJ/pulse)
0.7 W・10 sec (0.14 mJ/pulse)

2.0 W・10 sec(0.40 mJ/pulse)4.9 W・10 sec(0.98 mJ/pulse)

4.9 W・20 sec(0.98 mJ/pulse)

4.0 W・10 sec(0.80 mJ/pulse)
照射痕 確認できず
1.0 W・10 sec (0.20 mJ/pulse)
0.7 W・10 sec (0.14 mJ/pulse)

1.0 W (1000 mW) 以下で照射痕の確認なし10 mW照射では全く変質なし

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新技術の特徴・従来技術との比較

新技術は従来技術の課題を克服 低コスト・省スペースも可能
従来方式と新方式の比較
原理

新方式

従来方式

掃引照射 (熱弾性波)

高エネルギー照射 (アブレーション)

縦軸：振動強度比
横軸：周波数比

加振原理

レーザー照射周波数を掃引する
ことで共鳴周波数を探索

パルスレーザー

評価試料

力 (反作用)

レーザーアブレーション(蒸散)エネルギー

最低 0.8 µJ (0.0008 mJ)
1 mW以下 (ポインター程度) で実証済
※測定対象物に依る

計測時間

1 秒程度 ※計測条件に依る

瞬時 ※レーザー1パルス

加振レーザーコスト

最安価格で数万円

最安価格で百数十万円

加振レーザーサイズ

レーザーポインター程度も可能

レーザーヘッド＋電源が必要

S/N 比

従来方式の4桁以上改善

照射による音響・電磁ノイズあり

想定レーザークラス

レーザークラス 2もしくは3R

レーザークラス 3Bもしくは4

照射影響

完全非破壊

深さ数 μm程度の痕生成、ごく少量のデブリ解析手法

FFT不要・各照射周波数の信号強度で解析可

FFT必須

最低 数千 µJ

(数 mJ)

Mar. 1st 202212想定される用途

生体非侵襲性により幅広い医療領域、産業界にも貢献可能
代替可能な診断手法• 打音法
アクティブ加振し、生じた振動を計測・解析する技術全般
医療：整形外科インプラントの設置強度診断 (本技術の開発背景)
産業：打音検査で評価される比較的小型な検査対象物• 触診法
試料の状態によって振動が異なるような現象を利用する技術全般
医療：硬度診断、エラストグラフィ
産業：硬度診断、破断検査
上記のような原理を用いる既存技術について、非破壊、遠隔化、高速化、定量化を実現できる可能性がある。

Mar. 1st 202213

実用化に向けた課題

適応する技術対象に向けた最適化が必須 特に振動計測手法
既に実証済み内容• 掃引レーザー加振による低出力レーザーによる加振が可能• レーザー加振および物理加振の振動スペクトルが近似していることの確認
実用化に向けた課題

適応技術対象 (出口イメージ) によって最適化の方針が異なる• 装置コスト：振動計測はレーザードップラー振動計だと高額• 計測する周波数範囲：範囲が広いほどレーザー掃引時間が増加• 使用するレーザー波長：吸収が強いほど低いレーザー強度で測定可能• レーザー強度：計測対象によってはアイセーフが困難• 測定デバイス：ハンドヘルドなのか装置組み込み形式

Mar. 1st 2022

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企業様への期待装置開発の技術・新たな分野の需要をお持ちの企業様と連携を希望
振動計測部の開発

現在の振動計測方法
接触型 ：加速度センサー 「微細化、高感度化」
非接触型：レーザードップラー振動計 「光ファイバー化、低コスト化」
信号発生・計測部の開発

現在の信号部の使用機材
掃引信号発生部：ファンクショナルジェネレータ「省スペース化、低コスト化」
振動信号計測部：USB型オシロスコープ 「省スペース化、低コスト化」
新たな分野の需要

本技術が貢献可能な需要をお持ちの分野(現在進められている研究開発分野以外)

Mar. 1st 202215

本技術に関する知財情報本技術に関する知的財産権• 発明の名称

設置強度測定装置• 出願番号

PCT / JP2021 / 14198

• 出願人

近畿大学

• 発明者

三上勝大

Mar. 1st 202216

産学連携の経歴

整形外科領域での導出に向けAMEDプロジェクトを実施中
産学連携の実績• 2020年～2024年

日本医療研究開発機構 (AMED)

医療分野研究成果展開事業（先端計測分析技術・機器開発プログラム）
要素技術開発タイプに採択
・

代表機関

慶應義塾大学・分担機関

ジンマーバイオメット合同会社、近畿大学、龍谷大学

産学連携の経緯JST イノベーション・ジャパン2019

大学見本市

慶應義塾大学との共同研究技術を展示、ジンマーバイオメット社とマッチング

Mar. 1st 2022

17お問合せ先本技術に関する問い合わせ先

近畿大学

リエゾンセンター

コーディネータ

武田和也

TEL06-4307-3099

FAX

06-6721-2356

E-mailkazuya.takeda@itp.kindai.ac.jp

Mar. 1st 2022

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