2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of knee joint stability evaluation method considering joint synovial fluid
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19K04269
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
武田 量 北海道大学, 工学研究院, 助教 (90645095)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 膝関節 / 有限要素モデル / シミュレーション / 靭帯組織 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では関節組織の物性値測定実験，医療画像を基にした有限要素膝モデルの作成及び膝運動を模倣した運動解析を通して関節滑液が膝関節安定性に寄与するメカニズムを解明する．本年度は力学試験を通して膝関節の各組織の物性値を特定を試みた．ブタの後膝関節を膝関節代替モデルとして，任意の関節屈曲角度における前十字靭帯（ACL），後十字靭帯（PCL），内側側副靭帯（MCL），外側側副靭帯（LCL）の支持力を計測した．さらに，膝代替モデルをCTとMRで撮影を行い，その医療画像データから骨組織や靭帯組織等の3次元形状抽出に成功した．得られた各関節組織の3次元形状をCADを等して適切に処理し，汎用の有限要素解析プログラムにインポートした．ここでは各関節組織の境界条件，接触条件と実験で得られたデータより初期応力と材料物性を計算し，膝関節の正確な3次元有限要素モデルを構築した．本モデルではこれまで膝関節のシミュレーションで実施困難だった各骨組織と各靭帯組織の相互作用を考慮したものとなり，臨床現場で靭帯断裂の診断に用いられる膝関節の引出し試験の再現も可能とした．本モデルを用いて先行研究と同条件のシミュレーションを実施した結果以下の結果が得られた：
・任意の屈曲角度で靭帯組織がどのように形状が変化し荷重を受けるのかを明らかにした．屈曲角度によっては専攻結果と比較して誤差が生じた．原因として屈曲によって靭帯の初期応力が存在すると考えらえれる．
・先行結果とシミュレーションの誤差低減を目的として，靭帯の付着位置に靭帯組織の長手方向に対する初期応力を適用した場合，シミュレーション精度が向上した．
さらに再現度の高い膝関節モデルを開発するためには，靭帯の初期応力，靭帯付着面を実験や解剖を通して正確に計測する必要がある．今後は本モデルに，さらに関節滑液を導入して膝関節の安定性に寄与するメカニズムを調査してゆく．
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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
研究計画は概ね順調に進展していると考えている．本年度は研究活動の自粛制限により，課題申請時に予定していた国際学会等の中止によって研究成果発表の機会が激減した．また，研究活動が基本的にオンラインベースとなったため，予定していた関節滑液を用いた測定等の実験が延期された．その代わり，後に予定していた膝関節のシミュレーションモデルを前倒しにして実施した．その結果，任意の膝関節屈曲角度で靭帯組織がどのように形状が変化し荷重を受けるのかを明らかにするため，再現性の高い膝関節の解析モデルを開発した．本モデルを用いて十字靭帯を付着させたモデルを用いて膝関節引き出し実験を再現した解析を行い，先行研究と比較することで結果の妥当性を調査した．また屈曲角度に応じて靭帯の初期応力を考慮した解析条件を考案し，その条件を適用して解析を行った．そして初期応力を適用した前後で解析結果を比較し，張力はモデルの再現度の向上に寄与するのかを検証した．
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は研究活動の自粛制限によって延長されていた関節滑液を用いた測定実験を行う予定である．本測定で得られたデータを，今年度完成した膝関節のシミュレーションモデルに導入し，関節滑液を考慮した流体-構造連成解析を実施する予定である．完成したシミュレーションモデルを用いて関節滑液が膝関節安定性に寄与するメカニズムについて考察する．
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| Causes of Carryover |
本年度は研究活動自粛につき，申請時に予定していた学会等が中止となったため，旅費等の使用額が少なかった．次年度は速やかに研究計画通りに実施できるように，実験及びシミュレーション実施のため消耗品の購入を行う予定である．
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