高速X線撮影を用いた3次元計測と有限要素解析による接地中の足部内挙動の解明

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25750305
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Research Institution: Rikkyo University
• Principal Investigator: 石井 秀幸 立教大学, コミュニティ福祉学部, 助教 (40534730)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: バイオメカニクス / 有限要素解析 / X線撮影 / 接地 / 足部内挙動

Research Abstract

申請時においては，まず静的状態での足部のCT撮影および動作の接地中における足部のX線撮影を計画していた．しかしながら，後に作成する計画であった有限要素足部モデルの作成手法に目途を付けるために，まず試作モデルを作成し，接地現象を再現してみた．
足部の形状データを有限要素ソフトウェアAbaqus/CAE（Dassault Systemes社／本研究費で年間ライセンスを延長購入）にインポートした．この足部モデルは，4面体ソリッド要素で構成し，線形弾性体として材料特性を割り当てた．足関節には，関節間力と関節トルクを荷重した．接地直前の位置・姿勢に足部モデルを配置した．初期条件として，足部モデルに接地直前の足部速度および足部角速度を与えた．接地局面の有限要素解析を行った．なお，解析ソルバーには，Abaqus/Explicitを使用した．このように有限要素モデルの作成手法を検討するとともに，モデルの妥当性検証のために必要な変量について検討できる段階まで研究を推進することができた．
本研究を推進することで，着地および走行動作の接地中における足部の骨の3次元的な挙動とそこで生じる力学現象を明らかにできる可能性がある．さらにシミュレーションによって足部内の腱の牽引スピードや腱の材料特性が足部の骨の挙動とそこで生じる力学現象に及ぼす影響を明らかにできれば，腱を牽引する筋の収縮力や加齢による腱の材料特性の変化が，着地衝撃応答や走行動作に影響を及ぼすメカニズムを検討することも可能である．これらの結果は，障害発生予防，パフォーマンス向上，製品開発に寄与する可能性があるという点で意義のあるものと考える．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

申請時に計画した作業順序を変更し，静的状態での足部のCT撮影および動作の接地中における足部のX線撮影をする前に，まず有限要素足部モデルを試作し，接地現象を再現してみた．現在，有限要素モデルの作成手法を検討するとともに，モデルの妥当性検証のために必要な変量について検討している段階である．作業順序を変更したため，当初の研究計画とは単純に比較できないが，作業量を比較するとやや遅れていると思われる．

Strategy for Future Research Activity

有限要素モデルの作成手法を検討するとともに，モデルの妥当性検証のために必要な変量について検討を進める．そして，静的状態で足部のCT撮影を行い，CT画像から足部の骨モデルを抽出する．さらに，動作の接地中における足部の動きを，ハイスピードX線装置を用いて撮影し，X線画像にCT画像から抽出した骨モデルをマッチングさせることにより，着地および走行動作の接地中における骨の3次元的な挙動を求める．その後，足部の内部構造を詳細に考慮した有限要素モデルを作成し，地面反力および骨の挙動について，有限要素解析結果を実験結果と比較することでモデルの妥当性を確認する．足部内の腱の牽引スピードや腱の材料特性を変化させて接地のシミュレーションを行い，これらの要因が骨の挙動とそこで生じる力学現象に及ぼす影響を明らかにする．

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

申請時の計画では平成25年度にCAD変換ソフトウェアを購入する予定であったが，交付額が申請額よりも少なく，CAD変換ソフトウェアを購入することができなかったため，次年度使用額が生じた．
平成25年度の直接経費請求額のうち「次年度使用額」は133,578円，平成26年度の直接経費請求額は800,000円，これらの合計は933,578円である．平成26年度は，有限要素ソフトウェアAbaqusの年間ライセンスで約900,000円を使用する計画である．