頚部の筋緊張状態が回転運動における頭部外傷の発生リスクに及ぼす影響の解明

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K14849
• Research Institution: Ishikawa National College of Technology
• Principal Investigator: 穴田 賢二 石川工業高等専門学校, 機械工学科, 講師 (30756531)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 頭部外傷 / 筋緊張 / 実体モデル / 生体力学

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、「頚部の筋活性度」－「頭部の挙動」－「頭部外傷の発生」の関係を体系的に解明するとともに頚部筋緊張状態を変化可能な頭頚部一体型実体モデルを開発することを目的としている。また、上記目的を達成するために、以下の2つの課題を明らかにする。
・様々な衝撃レベルにおける頚部の筋活性度と頭部の回転運動の関係の明確化
・頚部の筋活性度が回転運動における頭部外傷の発生リスクに及ぼす影響の解明
今年度は、頚部の筋活性度が回転運動における頭部外傷の発生リスクに及ぼす影響を明らかにするため、頭頚部一体型実体モデルの開発に取り組んだ。頚部モデルは、筋活性度つまり頚部力を任意に変更することを可能とするため、バネおよびダンパを用いることとした。バネおよびダンパの特性ならびに取り付け位置などを決定するために、剛体運動解析シミュレーション解析を実施した。まず、これまでに開発した頭部有限要素モデルを剛体と定義し、頚部をバネおよびダンパで構築したモデルを作成した。同モデルに被験者実験から得られた加速度波形を付与し、バネ・ダンパの特性、取り付け位置および角度を変数として、被験者実験の頭部挙動と一致するようにパラメータスタディを実施した。その結果、低衝撃時の頭部挙動を再現可能なバネ・ダンパの特性、取り付け位置および角度を同定することができた。次に、同定した設計値を基に、頭頚部一体型実体モデルの開発に取り組んだ。頚部は、同定した設計値を基にバネおよびダンパを用いて製作を行った。バネの初期張力およびダンパの設定を変更することで、任意に頚部の筋緊張状態を変更することが可能である。また、頭部については、頭蓋内挙動を観測できるように、透明のポリカーボネートを材料として切削加工を行うことにより、製作を行った。最後に、頚部モデルおよび頭部モデルを組み合わせることにより、頭頚部一体型実体モデルを開発した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

開発した頭頚部一体型実体モデルは、低衝撃時の頭部挙動の生体忠実性が低い。その原因の一つとして、部品間の摺動抵抗が大きいことが考えられる。 そこで、頚部モデルの製作に3Dプリンタを導入するなどして、摺動抵抗を減らす対策に取り組む。

Strategy for Future Research Activity

まず、再度設計を見直すことで、頚部筋緊張状態を変化可能な生体忠実性の高い頭頚部一体型実体モデルを開発する。
次に、同モデルの頚部筋緊張状態を変化させるとともに様々な衝撃を付与し、その際の頭蓋内挙動を観測することで、頚部の筋活性度が回転運動における頭部外傷の発生リスクに及ぼす影響の解明に取り組む。以上の結果から、「頚部の筋活性度」－「頭部の挙動」－「頭部外傷の発生」の関係を明らかにする。

Causes of Carryover

当初購入を計画していた高速度カメラの購入を辞め（代替手段で対応）、頭頚部実体モデルの製作に必要な3Dプリンタの購入費用に充て、その差額が発生したため。