2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of optimum design system for prosthesis and orthosis using gait simulation that consider personal disabilities
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18K12143
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
花房 昭彦 芝浦工業大学, システム理工学部, 教授 (10547839)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 義肢装具 / 設計システム / シミュレーション / 動的有限要素法 / 短下肢装具 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大腿義足と短下肢装具を対象として研究を進めている．大腿義足に関しては，断端を圧入する形で挿入するため，ソケットの形状を個人の断端形状に合わせて生成する必要がある．これまでに個人の特性を考慮するため，断端形状の異なる３名の被験者のMRI計測データから骨部，筋肉部，脂肪部の組織別に人体モデルを構築し，動的有限要素解析ソフトLS-DYNAを使用して，ソケットへの圧入シミュレーションを試みてきた．軟組織に超弾性体を使用し，座骨収納型ソケット(IRCソケット)の中でもUCLAソケットと採型時に手で圧迫を行うMCCTソケットの評価を進めた．挿入シミュレーションの結果，二人の被験者では両ソケット共に近位部の脂肪の割合が減少し，遠位部の脂肪の割合が増加する結果となった．圧力分布は被験者によって異なるが，解析結果と計測結果の間の相関で0.64以上の決定係数値を得た．また1名の被験者の歩行軌跡による歩行時の動的有限要素解析を行い，ソケット内の圧力変化の解析を試みた．
短下肢装具に関しては，３Dプリンタによる製造に適した形状の生成を試みている．トポロジー最適化を行うことにより，重量の軽減，通気性の改善を目指している．短下肢装具モデルのふくらはぎ部を設計領域に設定してAltair社のInspireを用いてトポロジー最適化を試みた．短下肢装具の上端に背屈力をかける，ベルト装着部に底屈力をかける２種類の荷重条件に対して，設計領域を全体の体積に対して，30%，40%，50%まで減少させる最適化を実施した．本最適化により重量比で元形状に対して，75%，80%，87%の重量にすることが可能であった．生成された形状に対して，背屈，底屈方向に荷重をかけて静解析による有限要素法解析を実施した．その結果，底屈40%の条件で最適化を行った形状は，重量を削減でき，応力集中が少なく，剛性の低下が少ない形状であった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
義足に関しては，様々な形状，組織量の構成の違う断端のモデリングを行い，また異なるタイプのソケットに圧入した時のシミュレーションを行うことができるようになった．しかし被験者により圧力分布の傾向が異なる場合があるのが課題である．また歩行時の圧力分布の解析を実施したが，ソケットへの圧入シミュレーショ未実施の状態であり，計測結果との比較が行えていない点についても課題となっている．
短下肢装具では，トポロジー最適化とシミュレーションにより，剛性をあまり低下させることなく，重量の低減可能なことがわかった．ただし，試作が次年度に持ち越しになり，試作品による検証実験がまだの状態である．また歩行状態を模擬した動的な有限要素解析は不十分であり，被験者個人の歩行の状態が考慮されていないのが課題である．
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| Strategy for Future Research Activity |
義足に関しては，歩行時のソケット内の圧力変化の状態をシミュレーションできていないので，そのシミュレーションが行えるようなモデルと方法の開発を引き続き進めて行く．歩行時のソケットと断端部の接触圧力だけでなく，せん断応力に関しても計測済みなので，その結果の比較検証を行う．また解析対象被験者についても追加する予定である．
短下肢装具に関しては，トポロジー最適化を実施した形状に関しても，３Dプリンタで造形試作し，歩行時の歪計測による評価を進めていく．また歩行シミュレーションに関しては残存能力，例えば底屈力の違いを評価できるモデルの構築を進めていく．
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| Causes of Carryover |
短下肢装具の試作を予定していたが，形状の生成と解析に時間がかかり，試作に関しては次年度にずれこんだ．
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