2020 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 – 2022-03-31
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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 / トポロジー最適化 |
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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，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ている．
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，設計領域を全体の体積に対して，30%，40%，50%まで減少させるトポロジー最適化を試みた．この最適化により生成した形状の短下肢装具の３Ｄプリンタによる試作と歩行実験を進めている．またこれらの短下肢装具を下腿に装着したときの歩行シミュレーションを，動的有限要素法解析により進めている．
2020年5月26日に開催された 11th Asia Pacific Conference on Medical and Biological Engineering (APCBME2020)では，オーガナイズドセッション：Current Technology in Prosthesis, Orthosis and Rehabilitation を主催し，本研究課題に関連する研究2件を含む7件の発表をベトナム，マレーシアの大学から発表いただいた．また本研究による短下肢装具最適化形状の生成については，Altair最適化コンテスト2020の最優秀賞を受賞することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2020年度は前期に学生の入構が禁止され，十分な進捗を得ることが困難であった．特に実験を実施することに支障をきたした．
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．また断端形状を整え，皮膚の保護、軟組織とソケット間の摩擦の低減が可能なライナー装着時の圧力分布の解析も進めた．新しい被験者によるデータ取得を実施することができなかった．
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．４種類の最適化形状の短下肢装具を試作し，歩行実験を実施したが，被験者１名による結果しか得られなかった．また，歩行シミュレーションに関しては，４種類の最適化形状装具装着時のものは未実施の状態である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は最適化形状の短下肢装具を中心に研究を進めていく．前年度試作した短下肢装具は，厚さ4mmで造形したが，さらに軽量化を目指して，薄型化したものを再作成する予定である．また歩行実験も充実し，被験者の増加を進めていく．歩行シミュレーションに関しては，４種類の最適化形状装具装着時のものを実施し，形状間の比較，歩行実験との比較を進めていく．
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| Causes of Carryover |
コロナウイルスの影響によって，前期は学生の大学への入構が禁止され，十分な進捗を得ることが困難であった．特に実験を実施することに支障をきたした．また学会もオンラインでの開催となり，成果発表に用意していた旅費を使用する必要が無かった．
今年度，さらに軽量化を目指した短下肢装具の試作，追加歩行実験に必要なひずみゲージとアンプなどの計測装置購入，データ処理・保存用の計算機購入に使用する予定である．また成果発表のための学会参加，投稿費にも使用する予定である，
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