膝十字靭帯の三次元形状変形と内部応力分布特性の測定・解析

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07650288
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 廣川 俊二 九州大学, 工学部, 教授 (80150374)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三浦 裕正 九州大学, 医学部, 講師 (10239189)
• Keywords: 膝十字靭帯 / 光弾性皮膜法 / 超弾性体 / 膝運動シミュレータ・ジグ / 透明膝モデル / ひずみ分布 / 線維束補強複合体

Research Abstract

本年度は、理論的研究として、線維束で補強された超弾性体の有限要素解析,実験的研究として、光弾性皮膜法を用いた膝靭帯のひずみ分布測定実験の双方を実施した。
理論解析では、膝十字靭帯をMooney-Rivlin材を基質とし、これにコラーゲン線維が配行している複合体の歪エネルギー関数を導出し、次いで有限要素法を用いて、膝屈曲に伴う靭帯の形状変形と応力分布を求めた。
実験研究では、次の3種類の測定実験を行った。
(1)透明膝モデルによる実験:大腿・脛骨部を透明エポキシ樹脂、靭帯部をシリコンゴムで代替した膝関節モデルを制作,ポリウレタンを皮膜剤に用いて、光弾性法により,モデル靭帯の変形とひずみ分布を同時に測定した。
(2)動物・生体靭帯への皮膜法の適用試験:ヒト腸脛靭帯切片に光弾性皮膜剤を塗布し、皮膜剤が靭帯張力特性に及ぼす影響,皮膜剤のひずみ追従性,靭帯への接着性などを検定した。また、日本白色家兎の側副靭帯に皮膜剤を塗布し、引張り試験で靭帯全域のひずみ分布を光弾性縞で計測した。
(3)ヒト膝靭帯でのin-vitro実験:膝の3次元運動を計測・再現し得るシミュレータ・ジグを使用し、まず、膝の3次元運動を計測した。次に膝の大腿骨顆を切除し、靭帯を露呈した上で、上記ジグにより、膝の3次元運動を再現しつつ、膝屈曲に伴う靭帯変形の観察と、光弾性法によるひずみ分布の測定を同時に行った。

Research Products

• [Publications] 廣川 俊二: "膝十字靭帯超弾性体の三次元有限変形解析" 計測自動制御学会論文集. 32・3. 297-305 (1996)
• [Publications] S.Hirokawa and R.Tsuruno: "Measurement/Analysis of Deformation and Strain Distribution of the Anterior Cruciate Ligament in the Human Knee" Memoirs of the Faculty of Engineering Kyushu University. 56・2. 51-68 (1996)
• [Publications] 廣川俊二,鶴野玲治: "膝十字靭帯の三次元変形とひずみ分布特性" バイオメカニズム. 13. 99-111 (1996)
• [Publications] S.Hirokawa and K.Yamamoto: "Photoelastic Study on Deformation and Strain Distribution of Anterior Cruciate Ligament" Proc.of the 18th IEEE/EMBS Conference. 124-125 (1996)
• [Publications] 廣川俊二・古賀良生・遠藤高子: "膝十字靭帯損傷膝の関節形状の検討" 計測自動制御学会論文集. 33・1. 8-16 (1997)
• [Publications] S.Hirokawa and R.Tsuruno: "Hyper-Elastic Model Analysis on Anterior Cruciate Ligament" Medical Engineering and Physics. (掲載予定). (1997)