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

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08457389
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 黒坂 昌弘 神戸大学, 医学部, 助教授 (70170115)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 河村 庄造 神戸大学, 工学部, 助教授 (00204777) ; 野田 光昭 神戸大学, 医学部・附属病院, 助手 (30291454)
• Keywords: 膝関節 / 人工関節 / 有限要素法 / 衝撃荷重

Research Abstract

前年度までに、人工膝関節で緩みが多く発生する脛骨コンポーネントの形状評価について、応力分布やstemの中心を基準点としたtrayの相対変位による評価を行なってきた。本年度はさらに、looseningの発生につながるmicromotionの立場から、新たなmicromotionの評価法を定義し、粘弾性を考慮した衝撃解析が可能な解析用ソフトLS-DYNA3Dによる有限要素解析を行った。micromotionの評価法として、3次元膝関節モデルにおいて脛骨コンポーネントと骨の界面を接触面として扱い、衝撃荷重負荷前の初期状態ではコンポーネント側の節点に対し同じ座標の骨側の節点を設定した。これらの節点は衝撃荷重負荷後、その材料特性の相違から生じる変形に対応して相対変位を生じることになり、この相対変位をmicromotionと定義した。検討に用いた脛骨コンポーネントの形状は、central stem type,long stemtype、short stem type、two-keel type、three-keel type、thick traytypeの6種類で、それぞれについてmicromotionの平均値、時刻歴応答に対する形状の影響を検討し、さらに荷重に対するコンポーネントの安定性の評価関数を定め最適形状の評価を行った。各タイプ間の比較からステムの長さについてlong stem typeがmicromotionを抑制する傾向が認められたが、trayの厚さやkeelにはmicromotionを抑制する効果はほとんど認められなかった。また評価関数による評価でも同様の結果となった。以上衝撃吸収という観点から見た人工膝関節の形状評価には種々の要因が関与しており、総合的な評価が重要である。

Research Products

• [Publications] 松田光正,黒坂昌弘他: "人工関節置換時と骨セメントの発熱が生体組織に及ぼす影響に関する研究" 日本機械学会論文集. 64. 232-238 (1998)
• [Publications] 坂井毅,黒坂昌弘他: "人工膝関節形成術の脛骨コンポーネント設置におけるIntramedullary systemとExTramedullary Systemの比較検討" リウマチ関節外科学界誌. XII巻1号. 27-32 (1988)
• [Publications] 野田光昭,黒坂昌弘他: "人工膝関節の可動域について-術直後麻酔下の側面透視直像を用いた検証" 中部日本整災誌. 41. 447-448 (1988)