2019 Fiscal Year Annual Research Report
Research on construction of mechanical model for lower extremity joints
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19H02023
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
小林 公一 新潟大学, 医歯学系, 教授 (70296317)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 達也 新潟大学, 医歯学系, 助教 (30821813)
プラムディタ ジョナス 日本大学, 工学部, 准教授 (50615458)
田邊 裕治 新潟大学, 自然科学系, 教授 (60143020)
大森 豪 新潟医療福祉大学, 健康科学部, 教授 (70283009)
坂本 信 新潟大学, 医歯学系, 教授 (80215657)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 生体力学 / 下肢関節 / アライメント / 床反力 / 関節軟膏 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
下肢関節に機能障害をもたらす疾患や損傷の発生メカニズムを解明し、より効果的な予防法や診断・治療法を確立するためには荷重下における下肢関節の力学的機能を十分に理解することが重要である。我々はこれまで健常者や変形性膝関節症患者、前十字靭帯損傷患者を対象にイメージマッチング法により関節アライメントおよび関節運動を高精度で生体内測定することで関節のキネマティスを研究してきた。本研究ではこのキネマティスデータに荷重データを加えることで関節のキネティクスを記述できる力学モデルを構築し、これを用いて下肢関節の力学的機能を評価する手法を開発することを目的とする。
２０１９年度は変形性膝関節症患者を対象に、スロットラジオグラフィ装置と二方向回転X線撮影台を用いた立位下肢全長アライメント計測と床反力を同時測定することで、下肢におけるアライメント変化と荷重作用方向の関係について調査した。
また、関節における軟骨同士の接触応力を解析するためには、軟骨の力学特性に関する情報が必要である。そこで本研究では軟骨のMRIから得られる画像情報と力学特性との相関関係を調査した。MR撮像と同時に段階的に圧縮負荷を与えられる特殊装置を開発し、ブタ膝関節を用いてMR画像から水分含有量の指標であるT2値と、圧縮負荷による軟骨の変形挙動を測定した。
さらに、人工関節置換膝を対象として、膝屈曲運動を2D-3Dイメージマッチング法により解析し，大腿骨コンポーネントと脛骨インサート同士の滑り量の指標として接触移動距離を求めた。機種の異なる人工膝関節について脛骨インサートにおける大腿骨コンポーネントの接触深さと接触点移動距離を評価した結果、機種によって接触深さと接触点移動距離の分布パターンが異なる可能性が示唆された。
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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
内反型膝関節症の対側が外反型を呈する２症例に対しスロットラジオグラフィ装置と二方向回転X線撮影台を用いた立位下肢全長アライメント計測と床反力同時測定により下肢アライメントと荷重作用方向の関係について調べた。下肢アライメントの代表的評価指標である下肢機能軸（股関節中心である大腿骨骨頭中心と足関節を結んだ軸）と床反力ベクトルの大きさおよび脛骨関節面での通過位置を評価した。両被験者とも大腿骨前捻角に左右差があり，右脚に偏った荷重割合を示した。下肢機能軸と床反力ベクトルの通過点は右脚において機能軸に比べ床反力ベクトルが大きく膝後方に位置していた。この結果から、本症において外反膝を伴う股関節疾患において指摘されている骨盤のアライメントの影響が存在すると推察された。
MR画像情報と関節軟骨の力学挙動との相関関係調査のため、ブタ膝関節を用いて圧縮負荷を加えながらMR撮像を行った。大腿骨軟骨と脛骨軟骨のMRI情報から軟骨の含有水分量の指標であるT2値を計測するとともに、圧縮負荷に伴うこれら軟骨の変形量を測定した。しかしながら、軟骨層の厚さが予想以上に薄くT2値および変形量の測定に難渋したことからより軟骨層の厚いを部位を対象にする必要があった。
人工膝関節を対象としたイメージマッチング法によるキネマティス解析を行った。大腿骨コンポーネントと脛骨インサート同士の相対的滑り量を評価するため、脛骨インサートについて、モデルを構成する各節点に対し相手大腿骨コンポーネントの節点との距離が閾値以下であれば接触していると分類し、運動を記録した時系列データにおいて接触節点をトラッキングすることで相対的滑り量を接触移動距離から推定する手法を適用した。膝屈曲運動に適用した結果、脛骨インサートにおける大腿骨コンポーネントとの接触移動距離と接触深さは人工膝関節の機種により異なった分布パターンを示すことが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
立位下肢アライメントと床反力同時測定は、引き続き変形性膝関節症患者と健常者を対象に実施する。その際、表面筋電位を測定することで筋力を推定する。得られた結果から筋骨格モデルの構築を試みる。すなわち、オープンソースの筋骨格モデル解析ソフトであるOpenSimを用いて対象者別の解析モデルの構築を行う。
MR画像情報と関節軟骨の力学挙動との相関関係調査については、軟骨層が厚い膝蓋骨軟骨を対象とする。そのため開発した圧縮負荷装置を改良し、大腿四頭筋を介して膝蓋骨軟骨に負荷を与える方式に変更する。
人工膝関節を対象とした2D-3Dイメージマッチング法によるキネマティス解析については運動拘束性の異なる機種を対象にさらに検討を行う。一般に運動拘束性が高いほど大腿骨コンポーネントと脛骨インサート間の相対的滑り量が増大するが、接触面積も大きくなるため、接触圧は減少し脛骨インサートの摩耗量も軽減すると考えられている。本研究では相対的滑り量に加え、有限要素法により接触圧も解析することで脛骨インサートにおける荷重環境についてより詳細に検討を行う。
さらに、片側前十字靭帯損傷膝と対側健常膝を対象にキネマティス解析を行う。歩行立脚期と荷重下ならびに非荷重下における膝屈曲運動を対象に、前十字靭帯の有無による脛骨に対する大腿骨の相対運動と軟骨接触挙動の差異について調査する。この結果をもとに，前十字靭帯が膝関節の力学機能においてどのような役割を担っているか定量的に解析する。
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Research Products
(4 results)
