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Development of prediction model of mechanical property change of articular cartilage based on in vivo kinematics and articular contact behavior

Research Project

Project/Area Number 16K05970
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Research Field Materials/Mechanics of materials
Research InstitutionNiigata University

Principal Investigator

Kobayashi Koichi  新潟大学, 医歯学系, 准教授 (70296317)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田邊 裕治  新潟大学, 自然科学系, 教授 (60143020)
大森 豪  新潟医療福祉大学, 健康科学部, 教授 (70283009)
坂本 信  新潟大学, 医歯学系, 教授 (80215657)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords医用工学 / 生体力学 / 筋骨格系 / 膝関節 / 関節軟骨 / キネマティクス / 接触力学 / 滑り / 前十字靭帯 / イメージマッチング / MRI / 力学的特性 / 関節運動 / 生体内評価 / 立位下肢アライメント / 軟骨変性予測モデル / 医工学 / 機械材料・材料力学 / 生物・生体工学
Outline of Final Research Achievements

An increase in mechanical load due to changes in joint alignment and muscle strength balance greatly affects the contact behavior of articular cartilage, resulting in a change in mechanical characteristics of articular cartilage. In this research subject, to predict the change in mechanical characteristics leading to degeneration of articular cartilage, we examined the kinematics of the knee and sliding behavior between cartilage contact surfaces in the joint before and after anterior cruciate ligament (ACL) injury of the same subject. We found that sliding increased after ACL injury. Since ACL damage is a factor of osteoarthritis accompanied by changes in mechanical properties of cartilage, it is suggested that a change in sliding amount and a change in mechanical properties would be associated. We also developed an automatic image matching method to evaluate standing joint alignment in three dimensions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

同一被験者のACL損傷前後の運動パターンと接触挙動を研究した例はほとんどなく、学術的意義は非常に大きい。ACL不全膝では2次性変形性関節症の発生リスクが増大するので、本研究で示されたACL損傷前後での運動パターン変化と関節面における滑り挙動変化を基に、関節軟骨の変性に繋がる力学的特性変化の予測が可能となれば臨床的意義は極めて大きい。
また、自動イメージマッチングの所要時間は約1分となり、従来法の手動操作にくらべ10分の1になった。これより実用性が向上した。

Report

(4 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • 2016 Research-status Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2018 2017 2016

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 3 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] 大腿脛骨軟骨間の接触動態と相対滑り量の検討2018

    • Author(s)
      中原大輔、小林公一、坂本信、佐藤卓、渡邉聡、大森豪、古賀良生、プラムディタ ジョナス アディティア、田邊裕治
    • Journal Title

      臨床バイオメカニクス

      Volume: 39 Pages: 299-303

    • NAID

      40021703551

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 二方向スロットラジオグラフィを用いた自動イメージマッチング法の開発2018

    • Author(s)
      岡庭大祐、中原大輔、小林公一、坂本信、田邊裕治、プラムディタ ジョナス アディティア、佐藤卓、大森豪、湊泉、古賀良生
    • Journal Title

      臨床バイオメカニクス

      Volume: 39 Pages: 143-148

    • NAID

      40021703086

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Correlation between posterior tibial slope and sagittal alignment under weight-bearing conditions in osteoarthritic knees2018

    • Author(s)
      Mochizuki Tomoharu, Tanifuji Osamu, Koga Yoshio, Sato Takashi, Kobayashi Koichi, Watanabe Satoshi, Fujii Toshihide, Yamagiwa Hiroshi, Katsumi Ryota, Koga Hiroshi, Omori Go, Endo Naoto
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 13(9) Issue: 9 Pages: e0202488-e0202488

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0202488

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 二方向スロットラジオグラフィを用いた自動イメージマッチング法の開発2018

    • Author(s)
      岡庭大祐 中原大輔小林公一坂本信 田邊裕治 プラムディタ ジョナス アディティヤ 佐藤卓 大森豪 湊泉 古賀良生
    • Journal Title

      臨床バイオメカニクス

      Volume: 39

    • NAID

      40021703086

    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 二方向スロットラジオグラフィによる人工股関節三次元設置位置評価法2017

    • Author(s)
      岡庭大祐、中原大輔、小林公一、坂本信、田邊裕治、佐藤卓、大森豪、湊泉、古賀良生
    • Journal Title

      臨床バイオメカニクス

      Volume: 38 Pages: 291-298

    • NAID

      40021346128

    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] External torsion in a proximal tibia and internal torsion in a distal tibia occur independently in varus osteoarthritic knees compared to healthy knees.2017

    • Author(s)
      Mochizuki T, Tanifuji O, Koga Y, Hata R, Mori T, Nishino K, Sato T, Kobayashi K, Omori G, Sakamoto M, Tanabe Y, Endo N
    • Journal Title

      Journal of Orthopaedic Science

      Volume: 印刷中 Issue: 3 Pages: 501-505

    • DOI

      10.1016/j.jos.2017.01.002

    • Related Report
      2016 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 2方向スロットラジオグラフィと3次元形状モデルによる人工膝関節アライメントと人工関節設置位置評価法2016

    • Author(s)
      小林 公一, 高橋匠, 岡庭大祐, 坂本信, 田邊裕治, 佐藤卓, 大森豪, 古賀良生
    • Journal Title

      実験力学

      Volume: 16 Pages: 134-139

    • NAID

      130005165137

    • Related Report
      2016 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 2方向スロットラジオグラフィによる立位3次元下肢アライメント評価法2016

    • Author(s)
      高橋匠,岡庭大祐,小林公一,坂本信, 田邊裕治,佐藤卓,大森豪,古賀良生
    • Journal Title

      臨床バイオメカニクス

      Volume: 37 Pages: 143-148

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      2016 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Articular Sliding Contact Behavior at Tibiofemoral Joint During In Vivo Dynamic Activity2018

    • Author(s)
      Koichi Kobayashi, Daisuke Nakahara, Makoto Sakamoto, Yuji Tanabe, Takashi Sato, Satoshi Watanabe, Go Omori, Yoshio Koga
    • Organizer
      8th World Congress of Biomechanics
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 大腿脛骨関節における立位屈曲初期での骨相対運動と軟骨接触挙動2018

    • Author(s)
      中原大輔、小林公一、坂本信、佐藤卓、渡邉聡、大森豪、古賀良生、プラムディタ ジョナス アディティア、田邊裕治
    • Organizer
      第45会日本臨床バイオメカニクス学会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 大腿脛骨関節における相対滑り挙動の生体内評価2018

    • Author(s)
      中原大輔、小林公一、プラムディタ ジョナス アディティア、坂本信、田邊裕治
    • Organizer
      2018年度日本機械学会年次大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 3次元下肢アライメント評価システムについて2017

    • Author(s)
      小林公一、坂本信, 田邊裕治,佐藤卓,大森豪,湊泉、古賀良生
    • Organizer
      第11回日本CAOS研究会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • Year and Date
      2017-03-09
    • Related Report
      2016 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 相対滑り速度による膝関節接触動態の検討2017

    • Author(s)
      中原大輔 小林公 坂本信 佐藤卓 渡邉聡 古賀良生 田邊裕治
    • Organizer
      第44回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] 2方向スロットラジオグラフィを用いた自動イメージマッチング法の開発2017

    • Author(s)
      岡庭大祐 中原大輔 小林公 坂本信 田邊裕治 佐藤卓 大森豪 湊泉 古賀良生
    • Organizer
      第44回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] QUANTITATIVE EVALUATION OF 3D WEIGHT-BEARING LOWER EXTREMITY ALIGNMENT AND IMPLANT POSITION USING BIPLANAR SLOT RADIOGRAPHY AND 3D SURFACE MODELS2017

    • Author(s)
      Koichi Kobayashi, Daisuke Okaniwa, Daisuke Nakahara, Makoto Sakamoto, Yuji Tanabe
    • Organizer
      XXVI CONGRESS OF THE INTERNATIONAL SOCIETY OF BIOMECHANICS
    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 三次元形状モデルを用いた関節接触の生体内評価2017

    • Author(s)
      小林公一,風間清子,坂本信,田邊裕治
    • Organizer
      日本実験力学会第16回バイオメカニクス分科会講演会
    • Place of Presentation
      名古屋大学東山キャンパス(愛知県名古屋市)
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] 2方向スロットラジオグラフィによる人工股関節3次元設置位置評価法2016

    • Author(s)
      岡庭大祐,中原大輔、小林公一,坂本信, 田邊裕治,佐藤卓,大森豪,古賀良生
    • Organizer
      第43回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      北海道立道民活動センター(北海道札幌市)
    • Year and Date
      2016-10-08
    • Related Report
      2016 Research-status Report
  • [Presentation] Biplanar slot-scan radiography for evaluation of weight-bearing alignment of lower extremity and implant position in 3D2016

    • Author(s)
      Koichi Kobayashi, Daisuke Okaniwa, Makoto Sakamoto, Yuji Tanabe, Takashi Sato, Go Omori, Yoshio Koga
    • Organizer
      International Society for Technology in Arthroplasty - ISTA2016 Boston
    • Place of Presentation
      ボストン、米国
    • Year and Date
      2016-10-05
    • Related Report
      2016 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2016-04-21   Modified: 2020-03-30  

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