Finite element simulation for elucidation of mechanical phenomena in the foot during ground contact

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K01677
• Research Institution: Rikkyo University
• Principal Investigator: 石井 秀幸 立教大学, コミュニティ福祉学部, 特任准教授 (40534730)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: バイオメカニクス / 有限要素解析 / 接地 / 足部内挙動 / 医用画像 / 形状抽出 / シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，瞬間的な衝撃力が足部に作用する着地やスポーツ動作における接地中の足部内部で生じる力学現象を解明することを目的とした．
足部の医用画像を撮影し，足部表面，骨，アキレス腱の3次元形状を抽出した．また，モーションキャプチャシステムを用いて着地および走行動作の接地中における足部の動きを計測し，位置座標や地面反力データから有限要素モデルの妥当性検証に用いるための各変量を算出した．申請時には，X線撮影する計画であったが，倫理の都合などで使用が困難であったため，動作計測方法を変更した．足部表面，骨，アキレス腱の3次元形状データを有限要素解析ソフトウェアにインポートした．軟骨と軟組織の形状を作成し，さらに靱帯，腱，足底腱膜，皮膚をモデル化した．最終年度には，有限要素モデルの各部位に個別の材料特性を割り当てるとともに，摩擦の定義，荷重の定義などを行った．材料特性の値，荷重の定義は最終年度末においても試行錯誤の状態である．
足部の有限要素モデルの作成は難易度が高く，有限要素モデル作成の各工程において，試行錯誤しながら適当な方法を検討する必要があった．申請時の研究計画より進捗は遅れたが，研究期間全体で研究を進展させることができたと考える．
今後は，最終年度末において試行錯誤の状態であった足部の有限要素モデルの作成を進め，モデルの妥当性を確認する．その後，材料特性などを変化させて接地のシミュレーションを行う．
本研究を推進することで，着地および走行動作の接地中における足部の骨の3次元的な挙動とそこで生じる力学現象を明らかにできる可能性がある．さらにシミュレーションによって，材料特性などの変化が，着地衝撃応答や走行動作に影響を及ぼすメカニズムを検討することも可能である．これらの結果は，障害発生予防，パフォーマンス向上，製品開発に寄与する可能性があるという点で意義のあるものと考える．