1993 Fiscal Year Annual Research Report
生体膝関節機能を有する人工膝関節の最適設計・試作・評価システムの開発
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04555038
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
村上 輝夫 九州大学, 工学部, 教授 (90091347)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
緒方 公介 福岡大学, 医学部, 教授 (40136437)
三浦 裕正 九州大学, 医学部, 助手 (10239189)
大月 伸男 九州大学, 教養部, 助教授 (60127991)
広川 俊二 九州大学, 教養部, 教授 (80150374)
日垣 秀彦 九州大学, 工学部, 助手 (00238263)
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| Keywords | 人工膝関節 / 生体関節 / 最適設計 / トライボロジー / バイオトライボロジー / バイオメカニクス / 関節シミュレータ / 医用工学 |
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| Research Abstract |
本研究では,人工関節のなかでも設計指針の確立していない人工膝関節の性能向上をめざすものであり,生体膝関節にせまる機能を有する人工膝関節を設計・試作・評価するためのシステムを開発するものである.
まず,生体本来の運動を可能にするために,生体膝大腿部の3次元形状をレーザ変位計により非接触で計測し計算機でデータ処理と曲面解析を行い,歩行時の立脚期と遊脚期で接触部位の曲率半径の差異を示すとともに,接触解析により屈曲伸展時の転がり運動の発生を指摘した.これらの結果に基づき,二円孤型人工膝関節の設計試作と評価を試みた.すなわち,パソコンに連動した数値制御加工機により円筒型の一円孤デザインと各種の二円孤デザインを試作した.大腿部は,潤滑面の可視化のためにアクリル樹脂で試作した.
動的性能評価のために,パソコン-油圧制御方式により,歩行時の脛骨軸荷重と屈曲伸展運動に加えて,前後方向力や回旋運動をも模擬できる多機能の関節シミュレータを開発した.まず,各屈曲位における接触面圧力分布を感圧紙を利用して測定し,形状による接触面積の相違を比較した.次に,実際の歩行運動時(今回は脛骨軸荷重と屈曲伸展運動のみを模擬)における人工関節の潤滑膜形成と摩擦特性の評価を行い,形状の評価を行った.また,アクリル樹脂製大腿側にCCDカメラを取り付け,潤滑面の可視化により,潤滑膜形成状態の歩行時の変化を観測した.その結果,二円孤形状の接続法の工夫により遊脚期における流体膜の回復の促進や,転がり運動による摩擦の過酷度の緩和を確認できた.今後,さらに最適設計を進める予定である.
また,骨折除去,アライメント決定法,セメントレス固定法等について,最適置換法を検討するとともに,生体膝関節の機構解明も平行的に進めており,今後の人工膝関節の設計にも反映できる.
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[Publications] T.Murakami: "Design Concept of Adaptive Multimode Lubrication in Artificial Joints" Proc.Intern.Symp.Design of Amenity. 154-155 (1993)
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[Publications] T.Murakami: "The Adaptive Multimode Lubrication in Knee Prosthese with Compliant Layer during Walking Motion" Thin Film in Tribology,Elsevier. 673-682 (1993)
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[Publications] T.Murakami: "Friction and Wear Characteristics of Sliding Pairs of Bioceramics and Polyethylene:Influence of Aging on Tribological Behavior of Tetragonal Zirconia Polycrystals" Bioceramics. vol.5. 365-372 (1992)
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[Publications] T.Murakami: "軟質摩擦面を有する人工膝関節における流体潤滑機能(続報)" 整形外科バイオメカニクス. vol.13. 371-374 (1992)
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[Publications] S.Hirokawa: "In vitro measurment of pattelar-femoral joint contact pressure during various kinds of walking" 計測自動制御学会論文集. vol.29. 940-948 (1993)
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[Publications] 大月伸男: "人工膝関節における形状と潤滑機能" 日本臨床バイオメカニクス. vol.14. 229-232 (1993)
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[Publications] 三浦裕正: "表面置換型人工股関節の力学解析(第2報)" 日本臨床バイオメカニス. vol.14. 31-35 (1993)
