2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of early diagnosis method of knee osteoarthritis by balanced signal analysis of lower limbs.
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17K01585
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
長尾 光雄 日本大学, 工学部, 教授 (90139064)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
見坐地 一人 日本大学, 生産工学部, 教授 (70552347)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 運動器症候群 / 変形性膝関節症 / 筋骨格数理モデル / 加齢 / 下肢 / バランス / リハビリテーション / 臨床 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（1）生活環境が異なる主に高齢な被験者の膝関節を対象に座位の姿勢からの自動と荷重屈伸した膝蓋骨と脛骨上端内外側の3ヶ所から計測した。数は下肢にトラブルを有した被験者50名、運動施設に通う被験者17名であった。解析を進めている。そこで、可動域信号のみを解析対象にするために、新たな閾値の与え方を提案した。その効果と実用性を幾つかの事例により確認した。
（2）開発した骨関節音響センサ（BJAS）で計測しており、これの無線化について協力企業との共同で試作品を開発した。これの性能確認のため摺動試験装置に載せた凹凸試料で試験した。改良点や解析の手順などの課題が見つかり解決を図っている。
（3）下肢部の筋骨格数理モデルを構築した。数理モデルの概要としては，各関節（膝，股関節）まわりの駆動モーメントをそれぞれの関節まわりの筋肉がどれくらいの寄与で筋力を発生させているかを定量的に解析できるモデルである。
（4）このモデルを用いて体格の異なる人に対し，基本動作である立ち座り時における下肢部筋肉の負担度を定量化し比較解析した。その結果，体格や利き足の違いにより下肢部筋肉の負担度が明確に違うことが分かった。
（5）下肢バランス能力評価と計測方法を検討して、市販の重心動揺計、足圧分布測定、および動作記録カメラ等を購入揃えた。計測対象と評価については臨床医師と協議しており、準備中である。さらに、膝関節周りの下肢筋骨格系モデルから膝関節周りのバイオメカニクスを自動と荷重で2次元座標系で算出した。膝蓋大腿関節力は脛骨大腿関節力の3倍以上大きく、体重の2.3倍であり、瞬間的には体重の7～10倍作用する。加えて、下肢バランス能力の優劣については、今後の進展とBJASからの信号により進める計画である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
（1）進展している点
①下肢部の筋骨格数理モデルの構築が終わり、筋骨格数理モデルを用いた地面に人が立った状態におけるその面に対する重心位置求める手法を決定した。②身体的特徴を有する被験者からデータが取得できた。③計測作業を迅速化するため無線角度計選択する検証試験を実施した。④計測作業を迅速化するため無線角度計選択する検証試験を実施した。有線式と同程度の精度を満足した角度計はなく、補正すれば有用な角度計BT型であった。⑤無線式BJASが企業の協力で試作ができた。性能試験や改良調整はこれからである。⑥信号を選別する閾値の方法について休止域信号を排除するために、休止域信号の平均値と標準偏差を用いた4種類を提案した。その中から1つが有用であった。⑦①の基本となる荷重屈伸と自動屈伸の関節面働く力を簡単な2次元筋骨格系下肢モデルに置いて、バイオメカニクス的な検討ができ、発信強度と力学の相関および関節面性状との関係性を確認した。
（2）やや遅れている、遅れている点
①下肢バランのための準備、重心動揺計、足底圧分布装置のシステムアップ等に伴うプログラム修正等で4ヶ月遅れにより、予備試験や不具合等の修正改善は次年度にずれ込んでいる。また、臨床的な診断と工学的な評価のすり合わせの試験項目について協議を継続している。②構築した下肢モデルを用いて、地面に人が立った状態におけるその面に対する重心位置の違いと下肢部筋肉の負担度の違いの相関を明確にすることを目的としたデータ測定の準備（実験計画、設備等）が約半分の進捗であり、③構築した筋骨格系モデルから膝関節面に働く屈伸時の動的な変化、過渡的な変化の条件設定等、シミュレーションについての条件設定を協議中である。④膝関節面をモデル化した幾何学的凹凸面性状の試料により、凹凸の大きさとBJAS信号は相関しており、凹凸寸法の非接触計測センサの選択を企業と相談している。
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| Strategy for Future Research Activity |
（1）健常者と罹患者の差別化の手法を提案する。目的は、膝OA関節症被験者の早期診断方法を考察する。方法は、地面に対する重心位置の差異、立ち座り動作における下肢筋肉の筋力負担度寄与の差異、立ち座り動作における各筋肉の始動タイミングの差異を予定している。
（2）下肢バランス能力の試験・調査：目的は、加齢に伴う身体的な退化特徴を有する場合を実験群として、統制群は身体的に健康な若年者とおいて、身体能力と下肢バランス能力の関係性を考察する。方法は、①下肢バランス計測、②足底圧分布計測、および③9軸センサ、④BJASを着け、荷重屈伸の繰り返しから下肢バランスの関係を調査する。
（3）下肢の筋骨格系モデルによる下肢バランス能力の推定：目的は、（2）のセンサ群等の信号から、関連筋肉群と連動する骨格系の動力能力から推定する。方法は、荷重屈伸のパイロット試験したデータを説明する下肢筋肉群個々の寄与度や退化を推定する。これよりバランス能力改善に寄与する筋骨格群が分かり、運動機能改善プログラムに発展する。また、膝OA膝と下肢バランス能力の関連に対して、膝OAに起因した信号と身体的なバランス能力の退化を考察する。方法は、膝OA罹患に起因した膝関節信号強度とバランス能力の良し悪しが相関すする強さから膝OA膝罹患の疑いを調査する。
（4）摺動面性状と発信メカニズムの解明：目的は、膝関節の発信形態が関節面に見立てた摺動面の凹凸や硬化の差異に起因していると推定しており、これを実験的に解明考察する。方法は、膝関節信号から表面性状をモデル的に推定製作した摺動試験片により臨床信号の再現を検証する。
（5）無線通信搭載センサの性能：目的は、角度と加速度から動作をトリガーする機能、膝関節信号の有線との性能比較と課題解決を目指す。理由は、動作計測の良し悪しは解析の信頼性に関わる。方法は、有線と下肢リンクモデルで検証する。
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| Remarks |
（2）2017.10.25-26、メディカルクリエーションふくしま2017（第13回医療機器展示会）にて展示、展示内容（実演、ポスター）：変形性膝関節症（膝OA）診断用音響センサー、繰返し空気噴流を負荷した柔軟物の粘弾性特性
（3）2017.8.5-6、オープンキャンパスにおいて研究室紹介テーマ：「膝関節の音を聞いてみませんか」、「9軸センサ5個でモーション計測画像の体験」
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