1996 Fiscal Year Annual Research Report
膝関節の衝撃吸収メカニズムの解析と人工膝関節の開発に関する研究
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08457389
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
黒坂 昌弘 神戸大学, 医学部, 助教授 (70170115)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河村 庄造 神戸大学, 工学部, 助教授 (00204777)
村津 裕嗣 神戸大学, 医学部, 助手 (30273783)
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| Keywords | 膝関節 / 人工関節 / 有限要素法 / 衝撃荷重 |
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| Research Abstract |
予備実験として新鮮屍体膝を用い、大腿骨遠位10cm、脛骨近位10cmで切断し、皮膚、筋肉などは除去し、骨と関節包と靱帯が温存された試料を作製し、落錘式衝撃試験を施行した。その結果人工関節置換膝では正常膝に比べ、有意に衝撃波の伝達が大きいことが判明した。しかしこの実験系では人工関節そのものや、その周囲の骨組織などへの応力集中や、人工関節と骨の界面に生じる歪みなどの解析が困難であるため、3次元膝関節モデルを作製し動的有限要素プログラムを用い、力学的解析を行った。解析モデル作製のため、膝関節を中心とする大腿骨遠位10cm、脛骨近位10cmの3mm間隔のCT画像を元に、3次元膝関節のソリッドモデルを作製した。さらにことなるデザインの人工関節の脛骨コンポーネントのモデルを作製し、皮質骨、海面骨、軟骨、人工関節の素材など物性の違いにより要素分割した。モデルに衝撃荷重を負荷するために、衝突体に骨軸方向に8m/sの速度を与えて、これをモデルの脛骨下面に衝突させ、この後に発生する応力と歪みを解析した。その結果、正常膝と人工関節置換膝の応力分布の比較では、正常膝に比べ人工関節置換膝では、metal-bone interfaceにおける皮質骨への応力集中を認めた。一方海綿骨部分では応力遮蔽が認められ、これらの現象がlooseningの発生につながる可能性が示唆された。人工関節の脛骨コンポーネントのデザインとして、central stemを有するタイプとkeelを有するタイプを比較すると、応力分布には顕著な差は見られなかったが、荷重軸方向のmicromotionはkeel typeで小さくなっていた。
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