Three-dimensional measurements using high-speed X-ray imaging and finite element analysis for elucidation of internal behavior of the foot during ground contact

2016 Fiscal Year Annual Research 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, 特任准教授 (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 / 形状抽出 / シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，瞬間的な衝撃力が足部に作用する着地やスポーツ動作における接地中の足部内部で生じる力学現象を解明することを目的とした．
当該年度には，医用画像から抽出した足部表面，骨，アキレス腱の3次元形状データを用いて，足部の内部構造を詳細に考慮した有限要素モデルの作成を進めた．また，モーションキャプチャシステムを用いて着地および走行動作の接地中における足部の動きを計測し，位置座標や地面反力データから有限要素モデルの妥当性検証に用いるための各変量を算出した．申請時には，ハイスピードX線装置を使用する計画であったが，倫理の都合などで使用が困難であったため，モーションキャプチャシステムを用いた動作計測に変更した．
申請時に計画した作業順序を変更し，前々年度までにまず有限要素足部モデルを試作し，モデルの妥当性検証の方法について検討した．また，精度の高い形状データを得るために，形状抽出に大きな労力を要した．当初の研究計画より進捗は遅れたが，いずれの工程も本研究課題の成否に関わる重要な部分であり，研究期間全体で研究を進展させることができたと考える．
今後は，有限要素モデルの作成をさらに進め，モデルの妥当性を確認する．その後，材料特性などを変化させて接地のシミュレーションを行い，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．
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，材料特性などの変化が，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．