ヒトの歩行時の下肢関節のコンプライアンス制御と脚の接地形態に関する研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08650302
• 研究機関: 久留米工業大学
• 研究代表者: 田川 善彦 久留米工業大学, 工学部, 教授 (70122835)
• 研究分担者: 松尾 重明 久留米工業大学, 工学部, 助手 (70258599) ; 山本 俊彦 久留米工業大学, 工学部, 助教授 (50182639) ; 山本 耕之 久留米工業大学, 工学部, 助教授 (40158275)
• キーワード: 大腿骨 / ストレス・シールディング / 有限要素法 / 三次元モデル / 免荷装具 / 光弾性皮膜法 / 靭帯 / 内力

研究概要

1.大腿骨の三次元モデルを構築し,表面置換型人工股関節の応力解析を行った.
2.1.のモデルにおいて内部の応力分布を計算したところ,ストレス・シールディングは骨頭近位部で顕著であり,ペグ先端より以下の骨内部の応力分布は正常なモデルとほとんど差異がなかった。ペグは海綿骨に圧縮力と引っ張り力をさせるため,境界面において骨破壊が生じ,人工関節のル-スニングを引き起こす可能性が指摘された。
3.歩行周期の代表的な支持相での応力解析を行い比較・検討したところ,蹴り出し期の応力はより大きな値を示した。
4.計算機モデルと実験結果を比較・検討するため,ヒトの大腿骨物性に近いコンポジット・モデルを用いて,ヒトの立位支持期における関節力を模擬できるシミュレータを製作した。現在,光弾性皮膜法により,荷重時の表面歪分布を検証している。
5.また透過型の大腿骨コンポジット・モデルを作成する作業のルーチン化を行った。
6.光弾性皮膜法を用いて,関節運動時の靭帯の大域的挙動を捕らえることに成功した。
7.6.により靭帯の断裂の解明に寄与できた。
8.骨形状を三次元的にとらえることができるレーザー三次元計測システムを製作し,その有用性を確認した。
9.運動療法時に作用する関節問力を推定し,従来から行っている運動の内容が場合によっては関節に大きな力を作用させる結果となることを示した。
10.股関節免荷装具を米国(Mayo Clinicリハビリテーション)と共同して研究開発することとした。
今後,(1)靭帯・筋の特性を考慮した総合的なヒトの運動解析システムの開発,(2)弛緩あるいは痙性麻捧筋群への機能的電気刺激の強度,タイミングや強調制御の検討,(3)仮想リハビリテーション・システムの開発,(4)骨切術後の応力解析用モデルの開発など計画している。

研究成果

• [文献書誌] 廣川俊二: "Photoelastic Study of Deformation and Strain Disribution of Anterior Cruciate Ligament" Abstract book of the 18th Annual International Conference I-EEE Eng.60-61 (1997)
• [文献書誌] 宮崎憲一郎: "Impact Loading on the Foot and Ankle at Heel Strike and its Attenuation during Level Walking" Trans.of the 43rd Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society. 2. 687 (1997)
• [文献書誌] 前田貴司: "着地時の下肢衝撃伝搬について" 九州スポーツ医・科学会誌. 9. 63-66 (1997)
• [文献書誌] 川上篤志: "高齢者歩行の立脚期における力学特性" 靴の医学. 10. 69-75 (1997)
• [文献書誌] 渡部裕一: "表面置換型人工股関節の力学的解析-Adaptive P法を用いて-" 日本臨床バイオメカニクス学会誌. 18. 91-94 (1997)
• [文献書誌] 松尾重明: "有限要素を用いた股関節モーメント低減装置の設計" 日本臨床バイオメカニクス学会誌. 18. 107-110 (1997)
• [文献書誌] 中村英智: "変形性股関節症の歩行解析" 日本臨床バイオメカニクス学会誌. 18. 387-390 (1997)
• [文献書誌] 川田高士: "光弾性皮膜法を用いた靱帯の応力-ひずみ分布解析-皮膜材が靱帯の機械的特性に及ぼす影響とひずみ測定-" 日本臨床バイオメカニクス学会誌. 18. 547-553 (1997)
• [文献書誌] 山本耕之: "光弾性皮膜法による膝靱帯のひずみ分布特性-皮膜法を膝靱帯モデルに適用した場合-" 日本臨床バイオメカニクス学会誌. VII. 261-266 (1997)
• [文献書誌] 山本耕之: "Photoelestic Strain Measurement of Anterior Cruciate Ligament" Proc.of XIV IMEKO World Congress. VII. 569-573 (1997)
• [文献書誌] 山本耕之: "Stress and Strain Measurement for Orthopaedical Investigations" Proc.of XIV IMEKO World Congress. VII. 267-272 (1997)
• [文献書誌] 松尾重明: "Designing an Orthosis for Hip Joint by Finite Element Analysis" Proc.of ISMM'97,International Symposium Machine and Mechanics. 1-4 (1997)
• [文献書誌] 松尾重明: "Designing a Hip Joint Moment Reduction Brace by Using Finite Element Method" Abract of the 8th World Congress of the International Rehabilitation Medicine Association. 397 (1997)
• [文献書誌] 宮崎憲一郎: "Impact Loading on the Foot and Ankle during Level Walking and Effect of the Ankle Fixation Using Common Ankle Foot Orthosis" Abract of the 8th World Congress of the International Rehabilitation Medicine Association. 400 (1997)
• [文献書誌] 山本耕之: "An ACL Model Simulating Real Strain State:A Photoelastic Study" Trans.of the 8th World Congress of the International Rehabilitation Medicine Association. 1229-1234 (1997)
• [文献書誌] 松尾重明: "Designing a New Type Brace by Using Finite Element Method and Follow-up Check" Abract of World Congress on Medical Physics and Biological Engineering. 35. 662 (1997)
• [文献書誌] 山本耕之: "Photoelastic Study of Strain Distribution in the Anterior Cruciate Ligament of the Knee:An Application to Measuring Strains on an Actual Ligament" Abstract of World Congress on Medical Physics and Biological Engineering. 35. 284 (1997)
• [文献書誌] 廣川俊二: "Photoelastic Study of Strain Distribution in the Anterior Cruciate Ligament of the Knee:A Study Done on a Model Knee Joint" Abract of World Congress on Medical Physics and Biological Engineer ing. 35. 285 (1997)
• [文献書誌] 川田高士: "Analysis of Stress-Strain Distribution on the Surface of Ligament Using Photoelastic Coating Method" Abstract of World Congress on Medical Physics and Biological Engineering. 35. 294 (1997)
• [文献書誌] 川田高士: "Analysis of Strain Distribution in Ligaments Photoelastic Coating Method:The Influence of Photoelastic Material on the Mechanical Properties of Ligament" Abstract of the XVIth Congress of the International Society of Biomechanics. 413 (1997)
• [文献書誌] 山本耕之: "Analysis of Strain Distribution in Ligaments Photoelastic Coating Method:Study on Simulated Knee Model" Abstract of the XVIth Congress of the International Society of Biomechanics. 414 (1997)
• [文献書誌] 川田高士: "膝内側側副靱帯損傷の生体力学的検討-光弾性皮膜性を用いて-" 日本整形外科学会雑誌. 71. S1491 (1997)
• [文献書誌] 志波直人: "Hip Abductor Muscle Force before and after Pelvic Osteotomy" Trans.of the 44th Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society. (in press). (1998)
• [文献書誌] 田川善彦: "Application of Gait Analysis for Clinical Evaluation" Proc.of ICMMB-10,10th International Conference on Mechanics in Medicine and Biology. (in press). (1998)
• [文献書誌] 廣川俊二: "光弾性法皮膜法を用いたヒト前十字靱帯のひずみ分布測定" バイオメカニズム 14. (印刷中).
• [文献書誌] 廣川俊二: "Measurement of Strain Distribution in the Ligament Using Photolasticity:A Study Done on a Model Knee Ligament" Journal for the Society of Experimental Stress Analysis. (in press).
• [文献書誌] 志波直人: "Biomechanical Effect and Clinical Application of Hip Joint Moment Reduction Brace" Clinical Orthop.(in press).