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

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25750305
• 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 – 2017-03-31
• Keywords: バイオメカニクス / 有限要素解析 / 接地 / 足部内挙動 / 医用画像

Outline of Annual Research Achievements

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，前年度にシンプルな試作モデルを作成し，接地現象を再現してみた．有限要素解析によるシミュレーションを行う上で，モデルの妥当性検証は非常に重要であるため，当該年度には，この試作モデルを用いてモデルの妥当性検証の方法について検討した．
有限要素ソフトウェアAbaqus/CAE（ダッソー・システムズ社／本研究費で年間ライセンスを延長購入）を用いてモデルを作成し，接地局面の有限要素解析を行い，足部モデルの節点の位置座標とともに，接地中の地面反力データを出力した．足部の運動学データや地面反力データについて，有限要素解析結果を実験結果と比較することによって，有限要素モデルの妥当性を検討する．また，妥当性が検証されたモデルを用いて行った有限要素解析結果から，接地中の足部内部で生じる力学現象について検討することができる．このように有限要素モデルの作成手法および妥当性検証方法を検討することができた．
本研究を推進することで，着地，歩行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，着地衝撃応答や歩行・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．そして，この試作モデルを用いてモデルの妥当性検証の方法について検討してみた．現在は，詳細な有限要素モデルの作成に取り組む段階である．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

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計画であった．しかしながら，ハイスピードX線装置が業者の倫理の都合などで使用不可の場合，足部モデルの節点の位置座標や地面反力データを用い，有限要素解析結果を実験結果と比較することによって，有限要素モデルの妥当性検証を行いたいと考えている．
今後は，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，モデルの妥当性を確認する．その後，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．

Causes of Carryover

平成26年度の直接経費の合計933,578円の範囲内で最大限購入した有限要素ソフトウェアAbaqusの年間ライセンスの金額907,472円の差額として次年度使用額26,106円が生じた．

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成26年度の直接経費請求額のうち次年度使用額は26,106円，平成27年度の直接経費請求額は1,200,000円，これらの合計は1,226,106円である．平成27年度は，有限要素ソフトウェアAbaqusの年間ライセンスで約1,100,000円を使用する計画である．