2020 Fiscal Year Research-status Report

Strategies to prevent re-injury after anterior cruciate ligament reconstruction using a three-dimensional knee joint model

Research Project

Project/Area Number	20K11407
Research Institution	Hiroshima International University
Principal Investigator	加藤茂幸広島国際大学, 総合リハビリテーション学部, 准教授 (20368715)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords	前十字靱帯 / 有限要素法 / 膝関節 / スポーツ / 再受傷 / 予防
Outline of Annual Research Achievements	膝前十字靱帯（ACL）損傷はスポーツ活動中に発生する重大な外傷のひとつである。ACLを損傷した選手が再びスポーツ活動を行うためには、ACL再建術を受け約9ヶ月間のリハビリテーションを経てスポーツ復帰する。しかしながら、スポーツへ復帰した選手のACL再受傷（2度目の損傷：Secondary injury）率は低くない。健常者の受傷率と比較して非常に高いことが明らかになっている。ACL再建術を受けリハビリテーションを経てスポーツ復帰した選手が再び受傷することは避けなければならない。よって、ACL再受傷（2度目の損傷）の予防策を講じる必要がある。本研究では、再受傷が生じる原因をスポーツ動作解析と3次元膝関節モデルを組み合わせて分析し、動作中の関節内の靭帯へのストレス状況を可視化することを目的とする。初年度はノンコンタクト損傷が生じる動作のひとつであるジャンプ着地動作の解析を行った。3次元動作解析装置（VICON）にて動的下肢アライメントを測定し、床反力計（AMTI）にて着地時の床反力を測定した。ACL再建後スポーツ復帰を果たしている選手の両脚着地動作では、動作時の関節角度と床反力および着地タイミングに非対称性を認めた。ACL再建術後、スポーツ復帰時に重要視されるのは下肢の対称性であり、先述のような動作時の下肢非対称性はACL再受傷（2度目の損傷）のリスクになると考えられる。現在は、これらの動作解析データを反映させたコンピュータシミュレーションを実施するために3次元有限要素モデルの構築に取り掛かっている。有限要素モデルを用いることによって材料へ生じる負荷を算出する事が可能となる。そして、健常膝モデルとACL再建膝モデルを比較することで靭帯へ加わるストレスの差異を明確にし、2度目の損傷（Secondary injury）の原因解明へとつなげる予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究では、ACL損傷後スポーツ復帰した選手に再受傷が生じる原因をスポーツ動作解析と3次元膝関節モデルを組み合わせて分析し、動作中の関節内の靭帯へのストレス状況を可視化することを目的とする。そして、健常膝モデルとACL再建膝モデルを比較することで靭帯へ加わるストレスの差異を明確にし、2度目の損傷（Secondary injury）の原因解明へとつなげる。現在までにノンコンタクトACL損傷が生じやすい動作のひとつであるジャンプ着地動作（Drop Vertical Jump、Counter Movement Jump、Single Counter Movement Jump、Single Leg HOP）の解析を行った。ACL再建後スポーツ復帰を果たしている選手の両脚着地動作において、動作時の膝角度と床反力および着地タイミングに非対称性を認めた。次年度以降はACL再建後スポーツ復帰を果たしている選手の動作解析データを反映させた有限要素シミュレーションを実施する。なお、研究はおおむね順調に進んでいるが、コロナ禍による施設への入構制限、大学事務の財務システムトラブルや、手続きの遅延なども多少影響した。
Strategy for Future Research Activity	前年度と同様、次年度においてもモデルの構築および解析を実施するうえで工学的専門家（岡山県工業技術センター）の助言を得ながら進めてゆく。
Causes of Carryover	コロナ禍により学会への参加制限が生じた。また打ち合わせ等も直接会う事は制限された。次年度は解析ソフトウェアMarc (MSC)のアップデートに対応するための保守費用と、画像解析ソフトウェアOsiriXをOsiriX MDへのアップデート費用を計上する予定である。アップデートすることによってソフト機能の向上や不具合の修正を行うために必要である。また、工学的解析手法および結果解釈等の打合せに岡山工業技術センターまでの往復交通費を計上している。高度な専門知識を要する立体膝モデルデータを組み上げる作業においては、岡山工業技術センターからの助言および、必要に応じて解析ソフトの専門家からの助言を得る。加えて、膝モデルデータを組み上げる作業において工学的専門計算解析費用を計上している。また、ここまでの研究成果を公表および発表するため国内旅費を計上している。