2014 Fiscal Year Research-status Report
変形性膝関節症の早期予防を目指した診断支援システム用センサおよび計測装置の開発
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25350541
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
長尾 光雄 日本大学, 工学部, 准教授 (90139064)
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2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 骨関節 / 周波数応答特性 / センサー / 計測 / 音響 / 生体工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
中高齢者が歩行や運動機能に障害（ロコモティブシンドローム）をもたらす進行性疾患の一つに変形性膝関節症（膝OA）があり，これの早期診断を支援する計測システムの構築を目指しており，これらに用いる計測センサ部の試作開発が目的である。
次に成果の内容を述べる。
(1) 骨関節音響センサ（BJAS ; Bone-Joint Acoustic Sensor）と呼び，これの表皮を介した際の周波数応答関数特性について加速度センサを対照に試験し，この類似性からその特性を確認した。試験はインパクト加振試験であり，伝達系は金属盤上の伝播と金属盤の上に豚足表皮を介した伝達系からBJASの信号応答特性を確かめた。BJASよりは減衰が大きく，加速度センサが優位であった。 (2) 同じく，これを22歳の被験者に対して，座位の膝関節脛骨外側に着けて，自動と荷重の屈伸試験を行った。膝関節ではBJASが1kHz～16kHzまで計測しており，加速度センサは1.0kHz以下であった。 (3) 発信源は摺動面に形成された凹凸が擦れることで起き，発信の強弱もこれの粗さ（高低差）によるものと考えた試料を用意した。この試料の上に載せるスライダーに凸部を設けた往復摺動試験機を試作した。これらにより，加速度センサを対照としたBJASの段差信号特性を確認した。これに合わせて膝関節角度計の試作も試みた。 (4) 信号送信コードが付いた複数のBJASと膝関節角度計を接着することは，信号コードの混線と下肢動作の妨げになるため，BJAS信号送信の無線化を検討した。 (5) 連携研究者である医大から臨床データ提供のプロセスを進めたが，容易ではない状況にあった。 (6) 隣国住民の変形性膝関節症発症とその予防医療との関連を調査するため，医工学部教授の研究室を訪問した。また，国際医療機器展示会にて，これをデモ展示し連携研究開発者を求めた。
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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
研究実績の概要でも述べたように，当初の計画以上に進展した項目とその反対に遅延している項目もあり，おおむね順調とした。これらについて，以下に述べる。
(1) 信号を数値化する提案としては，しきい値の考え方を取り入れた。方法は，インパクト振動試験の結果を参考にした周波数領域で4領域，この領域における信号振幅強度にしきい値を取り入れた。これまで定性的なであった評価が数値化できた。 (2) これと同時に，試作した膝関節角度計との同期も試みたことで，屈伸動作時間と角度の連携から発信の繰返し精度も確認できたことは，発信源特定の可能性が見えてきた。 (3) 発信源を凹凸の粗さ（高低差）の度合と凹凸の間隔（ピッチ）を付けた試料を仮作成した。これを試作した往復摺動試験に載せた試験からは，高低差の信号強度とピッチに相当する信号強度が確認できた。 (4) 前記の(1)～(3)により，疾患の発症と進行が摺動面の凹凸の発生，これの進行が凹凸分布の拡大とその高低差の拡大によって起きているものと想定すれば，数値から発症の有無や進行状態が推測可能になる。 (5) 無線化は，日本や国際展示会で意見された事項であり，見た目と取り扱いにおいて改良の方策が進められた。 (6) 臨床データを取得するプロセスには遅延がある。 (7) BJASを隣国主催の国際医療機器展示会にて出展した反響は大きく，研究進展の期待と有益な意見を頂いた。同時に，「医療機器の世界シェア拡大戦略」と「日韓共同医療機器開発のために」と題した提案も行った。延世大学原州キャンパス医工学部教授と本研究等について意見交換とBJASの試し試験も行えた。 (8) 連携研究者と研究協力者の意見や協力は研究の推進にもなっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度の成果と進展状況，および改善点から，最終年度は研究計画に示した成果が得られるように，次の推進方策を掲げる。
(1) 連携研究者である医科大学から臨床データ提供と計測プロセスの遅延改善を進め，症状と相関する発信の特定因子の解明に努める。これが数値の大小との相関について検討を進め，症状の診断につながる絞り込みとその応用について進める。 (2) 発信源の特定のために，往復摺動試験装置を用いて豚の膝関節を上下に分割して固定する。関節部を露出した部分にBJASを設置し，これらを摺動させ，摺動面の変化と発信の変化から相関の因子を探索する。また，外的な要因に負荷の変動や摺動面に形成した凹凸の粗さ条件を与えた試験からは，その要因に応じた発信が見込めるのか確かめる。 (3) 上記の往復摺動による発信時間から発信位置が推定可能か確かめ，これが膝関節屈伸角度に適用可能であれば，昨年度試作した膝関節角度計の完成度を高めて適用させたい。これが発信源の位置特定に成り得るのか，その精度と繰返し精度等について検討する。 (4) BJASを用いた膝OA膝とスポーツ膝の発信パターンの区別は，現状の解析手法からは困難である。一方で，膝OA膝や高齢者の膝は屈伸動作時に不安定な搖動運動が確認できており，この信号を加速度センサで計測できる。これをBJASと一体化するハイブリットセンサも試み，信号区別が可能かも確かめたい。 (5) 無線化の設計試作を進めて，操作性の簡便化を図り被験者の負担も軽減したい。これは外部の協力者と連携して進める。 (6) 連携研究者と研究協力者の意見や協力を得ながら進める。 (7) 国内国外の展示会に出展し，研究の継続性と社会貢献のためにも協力者探しも進める。
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| Causes of Carryover |
試作センサに付随する膝関節角度計を試案した。その試作部品費の見積を合算した場合に，当該年度の予算を超えたため，次年度に繰り越した。新年度に入って発注は済ましている。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
理由でも述べたように膝関節屈伸時の角度を市販のゴニオメーターでは，再現性と精密さに問題がありこれの換わりになる角度計を本研究に付随して手作りした。これを計測用に改良して試作することにした。他の計画は，今後の研究の推進方策で述べている。
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