膝蓋骨ー膝蓋腱ー脛骨結節複合体の衝撃応答解析

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10650076
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 田邊 裕治 新潟大学, 工学部, 助教授 (60143020)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 古賀 良生 新潟こばり病院, 整形外科部長 (30045249) ; 坂本 信 新潟工業短期大学, 助教授 (80215657)
• Keywords: 生体力学 / スポーツ傷害 / 膝蓋骨ー膝蓋腱ー脛骨結節複合体 / 加齢 / 骨化 / 衝撃試験 / 材料特性 / 応力波

Research Abstract

スポーツ傷害の一番多い発生部位は膝関節であり,その損傷の程度は年齢により異なる。この原因として大腿四頭筋の衝撃的な牽引力によって誘起される膝蓋腱での力学的状態が加齢に伴って変化する脛骨結節部軟骨の骨化状態および膝蓋腱自身の力学的特性に依存していることが考えられる。しかしながら,加齢に伴う骨化の進行と膝蓋腱の力学的特性の変化については未だ解明されていない。そこで本研究では膝蓋骨-膝蓋腱-脛骨結節の複合体試料を対象として衝撃引張試験を実施した。そして膝蓋骨から脛骨結節への衝撃荷重伝達率を測定することにより,複合体試料各部の加齢に件う力学的特性の変化を定量的に推定した。さらに,推定した力学的特性に基づいて数値解析を行い,最大ひずみを生じる部位が加齢とともにどのように変化するかを調べた。得られた主な結果を要約すると次のようになる。
(1) 任意の静的引張荷重を予め与えた状態で衝撃引張試験が行えるホプキンソン棒法装置(衝撃応力パルス負荷装置)を試作開発した。
(2) ブタ後肢より採取した膝蓋骨-膝蓋腱-脛骨結節複合体を対象として衝撃荷重伝達率を測定した。その結果,静的引張荷重が大きくなると衝撃荷重伝達率は増加するが,逆に,加齢とともに衝撃荷重伝達率は低下することを明らかにした。
(3) 一次元弾性波伝播理論によりステップ荷重人力に対する試料各部のひずみの時刻歴を解析し,最大ひずみ発生部位を求めた。その際,準静的試験,BMD分布およびX線画像計測により試料各部の材料特性と幾何学的寸法を推定する新たな方法を考案するとともに複合体のモデル化を行った。その結果,解析的に求められた衝撃荷重伝達率は実験値とほぼ合致すること,最大ひずみの発生部位は骨化とともに変化するがその部位は臨床的傷害の頻発部位と一致することを明らかにした。

Research Products

• [Publications] 田邊裕治,坂本 信,古賀良生ほか1名: "Impact Response of Patella-Tendon-Tibial Tuberosity Complex in Conjunction with Ossification of Growing Cartilage" Abstracts of Third World Congress of Biomechanics,Sapporo,Japan. 462 (1998)
• [Publications] 田邊裕治,坂本 信,古賀良生ほか2名: "膝蓋骨ー膝蓋腱ー脛骨結節複合体の衝撃応答解析" 第25回日本臨床バイオメカニクス学会抄録集. 143 (1998)