2022 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	前十字靭帯 / 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、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。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。これまでの年度において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進め、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ことからACL再受傷（2度目の損傷）のリスクになると考えられた。当該年度は、ACL損傷の受傷機転のひとつである片脚着地動作についても解析を進め、3次元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行し、有限要素モデルにて動作時にACLや半月板等へ生じる負荷を算出し可視化した。ジャンプ着地の膝関節の外反と回旋が大きな例では靭帯と半月板への応力が高くなる傾向にあった。この外反と回旋については脛骨後方傾斜角が存在することによって、大腿骨は後方へ滑り、相対的に脛骨は前方移動することが考えられた。今後、この検証を有限要素モデルを用いて進めて行く予定である。
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している。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進め、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ことからACL再受傷（2度目の損傷）のリスクになると考えられた。次に片脚着地動作についても解析を進め、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行し、3次元有限要素モデルにて動作時にACLや半月板等へ生じる負荷を算出し可視化した。その結果、片脚着地動作の膝関節の外反と回旋を制御することが負荷を増加させない手段と考えられた。現在、ACL再建膝の3次元有限要素モデルを構築し、健常膝モデルとACL再建膝モデルを比較することでその差異を検討している。今後、具体的な予防策の考案へつなげる予定である。
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	昨年同様コロナ禍により国際学会への参加制限が生じた。また打ち合わせ等も制限された。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 MDの費用を計上する予定である。解析に必要なソフトをアップデートすることは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。また、ここまでの研究成果を公表および発表するため旅費を計上している。