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in vivo実験を代行する関節シミュレータによる深屈曲用人工膝関節の評価試験

研究課題

研究課題/領域番号 24300201
研究種目

基盤研究(B)

配分区分一部基金
応募区分一般
研究分野 リハビリテーション科学・福祉工学
研究機関九州大学 (2013-2014)
佐賀大学 (2012)

研究代表者

廣川 俊二  九州大学, バイオメカニクス研究センター, 特任教授 (80150374)

研究分担者 東藤 貢  九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (80274538)
木口 量夫  九州大学, 工学研究院, 教授 (90269548)
堀川 悦夫  佐賀大学, 医学部, 教授 (10155004)
藤田 君支  佐賀大学, 医学部, 教授 (80315209)
萩原 世也  佐賀大学, 工学系研究科, 教授 (80198647)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
研究課題ステータス 中途終了 (2014年度)
配分額 *注記
18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)
2014年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2013年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2012年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
キーワード関節シミュレータ / 人工関節置換術 / 筋骨格系 / コンピュータ・シミュレーション / 有限要素法 / 人工膝関節 / 深屈曲 / in vivo 実験 / 能動屈伸 / リスク分析 / QOL評価 / 動作解析 / in vivo実験
研究実績の概要

当該年度は, 動的簡易有限要素モデルを用いた人工膝関節の深屈曲動作状態での応力変動解析を行った. 解析対象とした人工膝関節モデルは, 深屈曲対応型として注目を集めるモバイルベアリング型(以下MB型)である. MB型は, 関節面を形成する通常の摺動面に加えて, 脛骨インサートと脛骨コンポーネントの間に第2摺動面を有することを特徴とする. 深屈曲解析の結果より, 第2摺動面の存在により屈曲動作中の回旋動作を容易に獲得することができ, 結果として深屈曲位での力学的抵抗を軽減できることが明らかになった. また, 第2摺動面に摩耗粉等が存在し回旋抵抗が増加すると, 応力が上昇し安全性や耐久性が低下することが示唆された. 次いで, 生体力学的により自然な屈曲動作を再現するために, バーチャル膝関節シミュレータの開発を試みた. 実験用シミュレータモデルに骨・筋肉モデルを導入することでバーチャルシミュレータを構築し, 汎用人工膝関節を組み込んで屈曲解析を行った結果, 内旋動作をともなった最大100~120度程度までの屈曲動作を再現することができた.
また, 股関節と膝関節を連動して生理的・能動的に駆動させる関節シミュレータおよびシミュレータ制御システムを開発し, 膝屈曲運動をさせた時の筋力と関節間力を計測する実験を行った. 本関節シミュレータは, 1) 自身の筋力による能動駆動方式を用いること, 2) 股関節と膝関節が連動する機構を用いること, 3) 1関節2アクチュエータ駆動であること, 4) 生理的な条件で荷重(=体重)負荷が行われること, 5) 深屈曲動作を再現できること, の条件を満たすものであり, 筋肉に模したワイヤーをモータで駆動することにより目標通りの股関節と膝関節の連動運動を生成した. また, 脛骨側人工膝関節下および膝蓋骨に設置されたカセンサにより関節間力を計測した. 開発した制御システムは, 目標通りの股関節と膝関節の連動運動を実現させるために必要な各ワイヤー張力を制御するものである. 実験の結果, 現状では生理的な運動を十分には再現することができていないものの, 静的な条件での実験によって測定された膝関節力は, 従来のシミュレーションによる計算やin vivo実験の結果と大きく異なるものではないことが分かった.

報告書

(3件)
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2015 2014 2013 2012

すべて 雑誌論文 (14件) (うち査読あり 14件) 学会発表 (21件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] 生理的・能動的膝運動が可能な新型シミュレータの開発2015

    • 著者名/発表者名
      廣川俊二, 村上輝夫, 木口量夫, 福永道彦
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 81 号: 824 ページ: 14-00488-14-00488

    • DOI

      10.1299/transjsme.14-00488

    • NAID

      130005066627

    • ISSN
      2187-9761
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dynamic finite element analysis of mobile bearing type knee prosthesis under deep flexional motion2014

    • 著者名/発表者名
      M.A. Mohd Afzan, M. Todo, R. Nagamine, S. Hirokawa
    • 雑誌名

      The Scientific World Journal

      巻: 2014 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1155/2014/586921

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] In vivo実験を代行する人工膝関節シミュレータの開発2014

    • 著者名/発表者名
      廣川俊二, 村上輝夫, 木口量夫, 福永道彦
    • 雑誌名

      臨床バイオメカニクス

      巻: 35 ページ: 181-186

    • NAID

      40020256082

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of Bearing Mobility on the Kinetics Performance of TKA During Deep Flexion: A Computational Simulation2013

    • 著者名/発表者名
      M. Afzan, M. Todo, R. Nagamine and S. Hirokawa
    • 雑誌名

      Applied Mechanics and Materials

      巻: 1 ページ: 899-906

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 膝深屈曲時の大腿下腿接触力が膝関節力に与える影響2013

    • 著者名/発表者名
      福永道彦,高口健司,廣川俊二
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 79 ページ: 459-466

    • NAID

      130003386438

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of the Knee Simulator that Reproduces the Active and Natural Motion of TKA2013

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, K. Kiguchi, M. Fukunaga and T. Murakami
    • 雑誌名

      Proc. of the 26th Annual Symposium of the International Society for Technology in Arthroplasty

      巻: なし

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Measurement of Kinematics of the Lower Limb Joints during Floor Sitting Activities2013

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, K. Kiguchi, M. Fukunaga and T. Murakami
    • 雑誌名

      Proc. of the 26th Annual Symposium of the International Society for Technology in Arthroplasty

      巻: なし

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Estimation of the Knee Joint Force during Deep Flexion2013

    • 著者名/発表者名
      M.Fukunaga, K.Koguchi and S.Hirokawa
    • 雑誌名

      International Journal of Fracture Fatigue and Wear

      巻: 1 ページ: 101-104

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Knee Joint Forces When Rising from Kneeling Positions2013

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, M. Fukunaga
    • 雑誌名

      Journal of Biomechanical Science and Engineering

      巻: 8 号: 1 ページ: 27-39

    • DOI

      10.1299/jbse.8.27

    • NAID

      130003366810

    • ISSN
      1880-9863
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 大臀筋とハムストリングスの筋力比が膝関節力に及ぼす影響2012

    • 著者名/発表者名
      福永道彦,廣川俊二
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集C編

      巻: 78 号: 788 ページ: 1192-1201

    • DOI

      10.1299/kikaic.78.1192

    • NAID

      130002051381

    • ISSN
      0387-5024, 1884-8354
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Calculation of the Forces Acting on the Knee Joint during Ascent fiom Kneeling2012

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, T. Motooka, T. Akiyama, R. Morizono, et al.
    • 雑誌名

      Journal of Bone & Joint Surgery

      巻: 94-B(online journal)

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 大臀筋とハムストリングスの筋力比が膝関節力に与える影響2012

    • 著者名/発表者名
      福永道彦,廣川俊二
    • 雑誌名

      日本臨床バイオメカニクス

      巻: 33 ページ: 193-197

    • NAID

      40019480894

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ひざまずきからの立ち上がり動作時の膝関節力の算出(上肢の介助の有無や脚位置による膝関節力の比較)2012

    • 著者名/発表者名
      廣川俊二,堀川l処夫,塚本正紹,福永道彦, 他
    • 雑誌名

      日本臨床バイオメカニクス

      巻: 33 ページ: 279-285

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 入浴時における下肢関節角度の計測2012

    • 著者名/発表者名
      廣川俊二,堀川悦夫,塚本正紹,福永道彦, 他
    • 雑誌名

      日本臨床バイオメカニクス

      巻: 33 ページ: 417-422

    • NAID

      40019481471

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Effect of Mobility of the Second Insert-Tray Articulation on the Stress State of Mobile-Bearing Knee Prosthesis2014

    • 著者名/発表者名
      Mitsugu Todo, Mohd Afzan, Mohd Anuar; Ryuji Nagamine, Shunji Hirokawa
    • 学会等名
      International Society for Technology in Arthro plasty 27^<th> Annual Conference
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2014-09-25
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Kinematics and Kinetics of the Knee Joint in High Flexion2014

    • 著者名/発表者名
      Shunji Hirokawa, Teruo Murakami, Kazuo Kiguchi, Michihiko Fukunaga
    • 学会等名
      The 15th IUMRS-International Conference in Asia (IUMRS-ICA 2014)
    • 発表場所
      福岡
    • 年月日
      2014-08-29
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] モバイルベアリング型人工膝関節脛骨インサートの応力状態に及ぼす第2摺動面可動性の影響2014

    • 著者名/発表者名
      東藤貢,モブド アヌア,モブド アフザン,長嶺隆二,廣川俊二
    • 学会等名
      第44回日本人工関節学会
    • 発表場所
      宜野湾
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Modularization of TKA for High Flexion to open up the Overseas Market2014

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, T. Murakami, K. Kiguchi and M. Fukunaga
    • 学会等名
      第2回バイオメカニクス研究センター&エレクトロニクス実装学会九州支部合同研究会
    • 発表場所
      福岡
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Novel Knee Simulator that Substitutes in-vivo Measurement Experiment2014

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, T. Murakami, K. Kiguchi and M. Fukunaga
    • 学会等名
      平成25年度生体医工学会九州支部講演会
    • 発表場所
      飯塚
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 人工膝関節の屈曲に関わる形状的要因に関する検討2014

    • 著者名/発表者名
      峰松元気,萩原世也,武富紳也,只野裕一,廣川俊二
    • 学会等名
      日本機械学会九州支部第67期総会・講演会
    • 発表場所
      飯塚
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Calculation of the Forces Acting on the Knee Joint when Rising from Kneeling Positions2013

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, M. Fukunaga
    • 学会等名
      The International Conference on Biomechanics and Biomedical Engineering
    • 発表場所
      Kualalumpur, Malaysia(招待講演)
    • 年月日
      2013-02-14
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Relation between the Ratio of Synergetic Muscle Forces and Knee Joint Force2013

    • 著者名/発表者名
      M. Fukunaga, K. Koguchi, S. Hirokawa
    • 学会等名
      The International Conference on Biomechanics and Biomedical Engineering
    • 発表場所
      Kualalumpur, Malaysia
    • 年月日
      2013-02-14
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] A Novel Knee Simulator that Reproduces the Active and Natural Knee Motion to Evaluate Kinematics and Kinetics of TKA2013

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, M. Fukunaga, Y. Hayashi
    • 学会等名
      Orthopaedic Research Society 2013 Annual Meeting
    • 発表場所
      San Antonio, USA
    • 年月日
      2013-01-26
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 座位動作における下肢関節のキネマティクスの測定2013

    • 著者名/発表者名
      廣川俊二,福永道彦
    • 学会等名
      第22回バイオメカニズムシンポジウム
    • 発表場所
      京都
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] in vivo実験を代行する膝関節シミュレータの開発2013

    • 著者名/発表者名
      廣川俊二,木口量夫,村上輝夫
    • 学会等名
      生体医工学シンポジウム2013
    • 発表場所
      福岡
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 深屈曲型人工膝関節の海外向け仕様としてのユニバーサル型人工膝関節の開発2013

    • 著者名/発表者名
      廣川俊二,萩原世也,林喜章
    • 学会等名
      生体医工学シンポジウム2013
    • 発表場所
      福岡
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Development of the Knee Simulator that Reproduces the Active and Natural Motion of TKA2013

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, K. Kiguchi, M. Fukunaga and T. Murakami
    • 学会等名
      The 26th Annual Symposium of the international Society for Technology in Arthroplasty
    • 発表場所
      Parmbeach, Florida, USA
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Measurement of Kinematics of the Lower Limb Joints during Floor Sitting Activities2013

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, K. Kiguchi, M. Fukunaga and T. Murakami
    • 学会等名
      The 26th Annual Symposium of the International Society for Technology in Arthroplasty
    • 発表場所
      Parmbeach, Florida, USA
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 床上への座位動作中の下肢関節角度の測定2013

    • 著者名/発表者名
      福永道彦,廣川俊二
    • 学会等名
      第34回バイオメカニズム学術講演会
    • 発表場所
      所沢
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 和式生活特有の座位動作中の股関節・膝関節角度の測定2013

    • 著者名/発表者名
      福永道彦,廣川俊二
    • 学会等名
      第40回日本臨床バイオメカニクス学会
    • 発表場所
      神戸
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 深屈曲型人工膝関節のバイオメカニクスの計測と評価のための新型シミュレータ2013

    • 著者名/発表者名
      廣川俊二,村上輝夫,木口量夫,福永道彦
    • 学会等名
      第40回日本臨床バイオメカニクス学会
    • 発表場所
      神戸
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 深屈曲用人工膝関節のキネテツクス・キネマテックスの計測と評価のための新型シミュレータの開発2012

    • 著者名/発表者名
      廣川俊二,福永道彦,林喜章,馬渡正明
    • 学会等名
      第39回日本臨床バイオメカニクス学会
    • 発表場所
      幕張メッセ国際会議場,千葉
    • 年月日
      2012-11-09
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Development of a Novel Knee Simulator to Evaluate Kinematics and Kinetics of TKA2012

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, M. Fukunaga, K. Kiguchi
    • 学会等名
      The 25th Annual Symposium of the International Society for the Technology in Arthroplasty
    • 発表場所
      Sydney, Australia
    • 年月日
      2012-10-04
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Effect of the Tensile Force Ratio of Gluteus Maximus and Hamstrings on the Knee Joint Force2012

    • 著者名/発表者名
      S. Hirokawa, M. Fukunaga, M. Mawatari
    • 学会等名
      The 25th Annual Symposium of the International Society for the Technology in Arthroplasty
    • 発表場所
      Sydney, Australia
    • 年月日
      2012-10-04
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Reliability of a Gap Control Technique with the Tensorbalancer During PS TKA2012

    • 著者名/発表者名
      R. Nagamine, S. Hirokawa, M. Todo, W. Chen, K. Kondo
    • 学会等名
      The 25th Annual Symposium of the International Society for the Technology in Arthroplasty.
    • 発表場所
      Sydney, Australia
    • 年月日
      2012-10-04
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [図書] バイオメカニクスの最前線2013

    • 著者名/発表者名
      佐藤正明,出口真次,安達泰治,村上輝夫,廣川俊二
    • 総ページ数
      226
    • 出版者
      共立出版
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書

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公開日: 2012-04-24   更新日: 2020-03-05  

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