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in vivo実験を代行する関節シミュレータによる深屈曲用人工膝関節の評価試験

Research Project

Project/Area Number 24300201
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypePartial Multi-year Fund
Section一般
Research Field Rehabilitation science/Welfare engineering
Research InstitutionKyushu University (2013-2014)
Saga University (2012)

Principal Investigator

廣川 俊二  九州大学, バイオメカニクス研究センター, 特任教授 (80150374)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 東藤 貢  九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (80274538)
木口 量夫  九州大学, 工学研究院, 教授 (90269548)
堀川 悦夫  佐賀大学, 医学部, 教授 (10155004)
藤田 君支  佐賀大学, 医学部, 教授 (80315209)
萩原 世也  佐賀大学, 工学系研究科, 教授 (80198647)
Project Period (FY) 2012-04-01 – 2015-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2014)
Budget Amount *help
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2014: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2013: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2012: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
Keywords関節シミュレータ / 人工関節置換術 / 筋骨格系 / コンピュータ・シミュレーション / 有限要素法 / 人工膝関節 / 深屈曲 / in vivo 実験 / 能動屈伸 / リスク分析 / QOL評価 / 動作解析 / in vivo実験
Outline of Annual Research Achievements

当該年度は, 動的簡易有限要素モデルを用いた人工膝関節の深屈曲動作状態での応力変動解析を行った. 解析対象とした人工膝関節モデルは, 深屈曲対応型として注目を集めるモバイルベアリング型(以下MB型)である. MB型は, 関節面を形成する通常の摺動面に加えて, 脛骨インサートと脛骨コンポーネントの間に第2摺動面を有することを特徴とする. 深屈曲解析の結果より, 第2摺動面の存在により屈曲動作中の回旋動作を容易に獲得することができ, 結果として深屈曲位での力学的抵抗を軽減できることが明らかになった. また, 第2摺動面に摩耗粉等が存在し回旋抵抗が増加すると, 応力が上昇し安全性や耐久性が低下することが示唆された. 次いで, 生体力学的により自然な屈曲動作を再現するために, バーチャル膝関節シミュレータの開発を試みた. 実験用シミュレータモデルに骨・筋肉モデルを導入することでバーチャルシミュレータを構築し, 汎用人工膝関節を組み込んで屈曲解析を行った結果, 内旋動作をともなった最大100~120度程度までの屈曲動作を再現することができた.
また, 股関節と膝関節を連動して生理的・能動的に駆動させる関節シミュレータおよびシミュレータ制御システムを開発し, 膝屈曲運動をさせた時の筋力と関節間力を計測する実験を行った. 本関節シミュレータは, 1) 自身の筋力による能動駆動方式を用いること, 2) 股関節と膝関節が連動する機構を用いること, 3) 1関節2アクチュエータ駆動であること, 4) 生理的な条件で荷重(=体重)負荷が行われること, 5) 深屈曲動作を再現できること, の条件を満たすものであり, 筋肉に模したワイヤーをモータで駆動することにより目標通りの股関節と膝関節の連動運動を生成した. また, 脛骨側人工膝関節下および膝蓋骨に設置されたカセンサにより関節間力を計測した. 開発した制御システムは, 目標通りの股関節と膝関節の連動運動を実現させるために必要な各ワイヤー張力を制御するものである. 実験の結果, 現状では生理的な運動を十分には再現することができていないものの, 静的な条件での実験によって測定された膝関節力は, 従来のシミュレーションによる計算やin vivo実験の結果と大きく異なるものではないことが分かった.

Report

(3 results)
  • 2014 Annual Research Report
  • 2013 Annual Research Report
  • 2012 Annual Research Report
  • Research Products

    (36 results)

All 2015 2014 2013 2012

All Journal Article (14 results) (of which Peer Reviewed: 14 results) Presentation (21 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Development of the novel simulator that reproduces physiological and active knee motion2015

    • Author(s)
      廣川俊二, 村上輝夫, 木口量夫, 福永道彦
    • Journal Title

      Transactions of the JSME (in Japanese)

      Volume: 81 Issue: 824 Pages: 14-00488-14-00488

    • DOI

      10.1299/transjsme.14-00488

    • NAID

      130005066627

    • ISSN
      2187-9761
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      2014 Annual Research Report
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    • Author(s)
      M.A. Mohd Afzan, M. Todo, R. Nagamine, S. Hirokawa
    • Journal Title

      The Scientific World Journal

      Volume: 2014 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1155/2014/586921

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      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In vivo実験を代行する人工膝関節シミュレータの開発2014

    • Author(s)
      廣川俊二, 村上輝夫, 木口量夫, 福永道彦
    • Journal Title

      臨床バイオメカニクス

      Volume: 35 Pages: 181-186

    • NAID

      40020256082

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  • [Journal Article] Effect of Bearing Mobility on the Kinetics Performance of TKA During Deep Flexion: A Computational Simulation2013

    • Author(s)
      M. Afzan, M. Todo, R. Nagamine and S. Hirokawa
    • Journal Title

      Applied Mechanics and Materials

      Volume: 1 Pages: 899-906

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      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 膝深屈曲時の大腿下腿接触力が膝関節力に与える影響2013

    • Author(s)
      福永道彦,高口健司,廣川俊二
    • Journal Title

      日本機械学会論文集

      Volume: 79 Pages: 459-466

    • NAID

      130003386438

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  • [Journal Article] Development of the Knee Simulator that Reproduces the Active and Natural Motion of TKA2013

    • Author(s)
      S. Hirokawa, K. Kiguchi, M. Fukunaga and T. Murakami
    • Journal Title

      Proc. of the 26th Annual Symposium of the International Society for Technology in Arthroplasty

      Volume: なし

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  • [Journal Article] Measurement of Kinematics of the Lower Limb Joints during Floor Sitting Activities2013

    • Author(s)
      S. Hirokawa, K. Kiguchi, M. Fukunaga and T. Murakami
    • Journal Title

      Proc. of the 26th Annual Symposium of the International Society for Technology in Arthroplasty

      Volume: なし

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  • [Journal Article] Estimation of the Knee Joint Force during Deep Flexion2013

    • Author(s)
      M.Fukunaga, K.Koguchi and S.Hirokawa
    • Journal Title

      International Journal of Fracture Fatigue and Wear

      Volume: 1 Pages: 101-104

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      2013 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Knee Joint Forces When Rising from Kneeling Positions2013

    • Author(s)
      S. Hirokawa, M. Fukunaga
    • Journal Title

      Journal of Biomechanical Science and Engineering

      Volume: 8 Issue: 1 Pages: 27-39

    • DOI

      10.1299/jbse.8.27

    • NAID

      130003366810

    • ISSN
      1880-9863
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      2012 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Effect of the Tensile Force Ratio of Gluteus Maximus and Hamstrings on the Knee Joint Force2012

    • Author(s)
      福永道彦,廣川俊二
    • Journal Title

      TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS Series C

      Volume: 78 Issue: 788 Pages: 1192-1201

    • DOI

      10.1299/kikaic.78.1192

    • NAID

      130002051381

    • ISSN
      0387-5024, 1884-8354
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      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Calculation of the Forces Acting on the Knee Joint during Ascent fiom Kneeling2012

    • Author(s)
      S. Hirokawa, T. Motooka, T. Akiyama, R. Morizono, et al.
    • Journal Title

      Journal of Bone & Joint Surgery

      Volume: 94-B(online journal)

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      2012 Annual Research Report
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  • [Journal Article] 大臀筋とハムストリングスの筋力比が膝関節力に与える影響2012

    • Author(s)
      福永道彦,廣川俊二
    • Journal Title

      日本臨床バイオメカニクス

      Volume: 33 Pages: 193-197

    • NAID

      40019480894

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      2012 Annual Research Report
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  • [Journal Article] ひざまずきからの立ち上がり動作時の膝関節力の算出(上肢の介助の有無や脚位置による膝関節力の比較)2012

    • Author(s)
      廣川俊二,堀川l処夫,塚本正紹,福永道彦, 他
    • Journal Title

      日本臨床バイオメカニクス

      Volume: 33 Pages: 279-285

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      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 入浴時における下肢関節角度の計測2012

    • Author(s)
      廣川俊二,堀川悦夫,塚本正紹,福永道彦, 他
    • Journal Title

      日本臨床バイオメカニクス

      Volume: 33 Pages: 417-422

    • NAID

      40019481471

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      2012 Annual Research Report
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  • [Presentation] Effect of Mobility of the Second Insert-Tray Articulation on the Stress State of Mobile-Bearing Knee Prosthesis2014

    • Author(s)
      Mitsugu Todo, Mohd Afzan, Mohd Anuar; Ryuji Nagamine, Shunji Hirokawa
    • Organizer
      International Society for Technology in Arthro plasty 27^<th> Annual Conference
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      2014-09-25
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  • [Presentation] Kinematics and Kinetics of the Knee Joint in High Flexion2014

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      Shunji Hirokawa, Teruo Murakami, Kazuo Kiguchi, Michihiko Fukunaga
    • Organizer
      The 15th IUMRS-International Conference in Asia (IUMRS-ICA 2014)
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      2014-08-29
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  • [Presentation] モバイルベアリング型人工膝関節脛骨インサートの応力状態に及ぼす第2摺動面可動性の影響2014

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      東藤貢,モブド アヌア,モブド アフザン,長嶺隆二,廣川俊二
    • Organizer
      第44回日本人工関節学会
    • Place of Presentation
      宜野湾
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Modularization of TKA for High Flexion to open up the Overseas Market2014

    • Author(s)
      S. Hirokawa, T. Murakami, K. Kiguchi and M. Fukunaga
    • Organizer
      第2回バイオメカニクス研究センター&エレクトロニクス実装学会九州支部合同研究会
    • Place of Presentation
      福岡
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    • Author(s)
      S. Hirokawa, T. Murakami, K. Kiguchi and M. Fukunaga
    • Organizer
      平成25年度生体医工学会九州支部講演会
    • Place of Presentation
      飯塚
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      峰松元気,萩原世也,武富紳也,只野裕一,廣川俊二
    • Organizer
      日本機械学会九州支部第67期総会・講演会
    • Place of Presentation
      飯塚
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  • [Presentation] Calculation of the Forces Acting on the Knee Joint when Rising from Kneeling Positions2013

    • Author(s)
      S. Hirokawa, M. Fukunaga
    • Organizer
      The International Conference on Biomechanics and Biomedical Engineering
    • Place of Presentation
      Kualalumpur, Malaysia(招待講演)
    • Year and Date
      2013-02-14
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  • [Presentation] Relation between the Ratio of Synergetic Muscle Forces and Knee Joint Force2013

    • Author(s)
      M. Fukunaga, K. Koguchi, S. Hirokawa
    • Organizer
      The International Conference on Biomechanics and Biomedical Engineering
    • Place of Presentation
      Kualalumpur, Malaysia
    • Year and Date
      2013-02-14
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    • Author(s)
      S. Hirokawa, M. Fukunaga, Y. Hayashi
    • Organizer
      Orthopaedic Research Society 2013 Annual Meeting
    • Place of Presentation
      San Antonio, USA
    • Year and Date
      2013-01-26
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  • [Presentation] 座位動作における下肢関節のキネマティクスの測定2013

    • Author(s)
      廣川俊二,福永道彦
    • Organizer
      第22回バイオメカニズムシンポジウム
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      京都
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  • [Presentation] in vivo実験を代行する膝関節シミュレータの開発2013

    • Author(s)
      廣川俊二,木口量夫,村上輝夫
    • Organizer
      生体医工学シンポジウム2013
    • Place of Presentation
      福岡
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  • [Presentation] 深屈曲型人工膝関節の海外向け仕様としてのユニバーサル型人工膝関節の開発2013

    • Author(s)
      廣川俊二,萩原世也,林喜章
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      生体医工学シンポジウム2013
    • Place of Presentation
      福岡
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  • [Presentation] Development of the Knee Simulator that Reproduces the Active and Natural Motion of TKA2013

    • Author(s)
      S. Hirokawa, K. Kiguchi, M. Fukunaga and T. Murakami
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      The 26th Annual Symposium of the international Society for Technology in Arthroplasty
    • Place of Presentation
      Parmbeach, Florida, USA
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      2013 Annual Research Report
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      S. Hirokawa, K. Kiguchi, M. Fukunaga and T. Murakami
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      The 26th Annual Symposium of the International Society for Technology in Arthroplasty
    • Place of Presentation
      Parmbeach, Florida, USA
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  • [Presentation] 床上への座位動作中の下肢関節角度の測定2013

    • Author(s)
      福永道彦,廣川俊二
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      第34回バイオメカニズム学術講演会
    • Place of Presentation
      所沢
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  • [Presentation] 和式生活特有の座位動作中の股関節・膝関節角度の測定2013

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      福永道彦,廣川俊二
    • Organizer
      第40回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      神戸
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  • [Presentation] 深屈曲型人工膝関節のバイオメカニクスの計測と評価のための新型シミュレータ2013

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      廣川俊二,村上輝夫,木口量夫,福永道彦
    • Organizer
      第40回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      神戸
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 深屈曲用人工膝関節のキネテツクス・キネマテックスの計測と評価のための新型シミュレータの開発2012

    • Author(s)
      廣川俊二,福永道彦,林喜章,馬渡正明
    • Organizer
      第39回日本臨床バイオメカニクス学会
    • Place of Presentation
      幕張メッセ国際会議場,千葉
    • Year and Date
      2012-11-09
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  • [Presentation] Development of a Novel Knee Simulator to Evaluate Kinematics and Kinetics of TKA2012

    • Author(s)
      S. Hirokawa, M. Fukunaga, K. Kiguchi
    • Organizer
      The 25th Annual Symposium of the International Society for the Technology in Arthroplasty
    • Place of Presentation
      Sydney, Australia
    • Year and Date
      2012-10-04
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  • [Presentation] Effect of the Tensile Force Ratio of Gluteus Maximus and Hamstrings on the Knee Joint Force2012

    • Author(s)
      S. Hirokawa, M. Fukunaga, M. Mawatari
    • Organizer
      The 25th Annual Symposium of the International Society for the Technology in Arthroplasty
    • Place of Presentation
      Sydney, Australia
    • Year and Date
      2012-10-04
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  • [Presentation] Reliability of a Gap Control Technique with the Tensorbalancer During PS TKA2012

    • Author(s)
      R. Nagamine, S. Hirokawa, M. Todo, W. Chen, K. Kondo
    • Organizer
      The 25th Annual Symposium of the International Society for the Technology in Arthroplasty.
    • Place of Presentation
      Sydney, Australia
    • Year and Date
      2012-10-04
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Book] バイオメカニクスの最前線2013

    • Author(s)
      佐藤正明,出口真次,安達泰治,村上輝夫,廣川俊二
    • Total Pages
      226
    • Publisher
      共立出版
    • Related Report
      2012 Annual Research Report

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Published: 2012-04-24   Modified: 2020-03-05  

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