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Effect of muscle moment arms on in-vivo 3D kinematics of the foot and ankle

Research Project

Project/Area Number 21K09256
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 56020:Orthopedics-related
Research InstitutionNara Medical University

Principal Investigator

宮本 拓馬  奈良県立医科大学, 医学部附属病院, 研究員 (10859052)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田中 康仁  奈良県立医科大学, 医学部, 教授 (30316070)
大竹 義人  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (80349563)
Project Period (FY) 2024-01-17 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords足・足関節 / 画像解析 / バイオメカニクス / 筋腱モーメントアーム / 4D‐Foot / 2D3Dレジストレーション / 筋腱セグメンテーション / 足部・足関節の動作解析 / 荷重CT / 足部・足関節 / モーメントアーム / 2D3Dレジストレーション
Outline of Research at the Start

足部・足関節周囲の筋は,アライメントやキネマティクスに大きく関与している.各筋の関節に及ぼす影響を捉えるために,各筋の筋量とモーメントアームを用いる方法がある.しかし,これまでの方法はin vitroでの研究であり,足部・足関節の機能評価として重要な荷重時の評価は出来ていない.そこで,本研究の学術的「問い」は荷重下の運動時における,筋腱モーメントアームが,足部・足関節に及ぼす影響である.そこで,荷重時CTによる筋腱セグメンテーションと,2方向X線透視動画像を用いた2D-3Dレジストレーションを,AI・深層学習を用いることにより,全自動解析を用いて検討することが,本研究の主目的である.

Outline of Annual Research Achievements

本研究においては、2方向X線透視動画像を用いた2D3Dレジストレーションによる足部・足関節の動作解析および、荷重時CTによる筋腱セグメンテーションの手法を確立し、それにより解析を行うことが重要である。
我々は共同研究者とともに、距腿関節、距舟関節、距骨下関節に対して、2方向X線透視動画像とCT画像による2D-3Dレジストレーションを全自動で解析するシステム”4D‐Foot”を開発した。これは、本手法のマニュアル操作を、深層学習を用いてAIに学習させるという方法である。また,本システムの臨床応用を行い、アーチサポートが距腿関節、距骨下関節、距舟関節の動態に与える影響を検討した。その結果、アーチサポートは距腿関節の動態を現症させ、距骨下関節、距舟関節の動態を増加させることが解明された。
これにより"4D-Foot"は距骨下関節や距舟関節のような小さな動態の関節においても、評価することが可能であることが判明した。
また、荷重時CTによる筋腱セグメンテーションの手法に関しては、下腿4筋区画(前方区画・外側区画・浅後方区画・深後方区画)に対して自動セグメンテーションを行う方法を試み、その精度を評価した。その結果、それぞれの精度は、ASD0.37、筋区画は前方区画でDC0.90、ASD1.5、外側区画でDC0.81、 ASD2.30、浅後方区画でDC0.91、ASD2.9、深後方区画でDC0.80、ASD2.5であり、全体的に精度が高かった。本研究は下腿筋区画に対して、自動セグメンテーションを行うことを可能とし、その精度は比較的高かったと考える

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Utah University/Orthopedic Resarch group(米国)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] 4D-Foot: A Fully Automated Pipeline of Four-Dimensional Analysis of the Foot Bones Using Bi-plane X-Ray Video and CT2021

    • Author(s)
      Mizoe Shuntaro、Otake Yoshito、Miyamoto Takuma、Soufi Mazen、Nakao Satoko、Tanaka Yasuhito、Sato Yoshinobu
    • Journal Title

      MICCAI2021

      Volume: ー Pages: 182-192

    • DOI

      10.1007/978-3-030-87202-1_18

    • ISBN
      9783030872014, 9783030872021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analysis of the effect of arch support for ankle, subtalar, and talonavicular joint kinematics using a fully automated pipeline “4D-Foot”2022

    • Author(s)
      Takuma Miyamoto, Yoshito Otake, Satoko Nakao, Hiroaki Kurokawa, Shinichi Kosugi, Akira Taniguchi, Mazen Soufi, Yoshinobu Sato, Yasuhito Tanaka
    • Organizer
      Orthopedic Research Society 2022 Annual Meeting
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 4D―Footによるアーチサポートの足関節・距骨下関節・距舟関節への影響の検討2022

    • Author(s)
      宮本拓馬、大竹義人、中尾哲子、小杉真一、黒川紘章、谷口晃、マーゼンスーフィー、佐藤嘉伸、田中康仁
    • Organizer
      第95回日本整形外科学会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 2D-3Dレジストレーションと深層学習を用いた足関節3次元動態の自動解析の検討2021

    • Author(s)
      宮本拓馬 小杉真一 大竹義人  溝江俊太郎  マーゼンスーフィー 黒川紘章 谷口晃 佐藤嘉伸 田中康仁
    • Organizer
      第94回日本整形外科学会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 足部・足関節領域の骨モデルを用いた2D3Dレジストレーションの精度検証2021

    • Author(s)
      宮本拓馬 中尾哲子 大竹義人 黒川紘章 谷口晃 マーゼンスーフィー 佐藤嘉伸 田中康仁
    • Organizer
      第36回日本整形外科基礎学術集会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 4D-Footを用いたアーチサポートが足関節・距骨下関節・距舟関節の動態に与える影響の検討2021

    • Author(s)
      宮本拓馬 大竹義人 中尾哲子 黒川紘章 谷口晃 マーゼンスーフィー 佐藤嘉伸 田中康仁
    • Organizer
      第48回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] AI・深層学習を用いた下腿筋自動セグメンテーションの精度評価2021

    • Author(s)
      村山平和、宮本拓馬、中尾哲子、大竹義人、黒川紘章、谷口晃、Mazen SOUFI、佐藤嘉伸、田中康仁
    • Organizer
      第47回日本足の外科学会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] AIを用いた4D footによるアーチサポートの距骨周囲関節への影響の検討2021

    • Author(s)
      宮本拓馬 大竹義人 中尾哲子 黒川紘章 谷口晃 マーゼンスーフィー 佐藤嘉伸 田中康仁
    • Organizer
      第47回日本足の外科学会
    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-09-09  

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