| 研究課題/領域番号 |
15K01580
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| 研究機関 | 広島国際大学 |
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研究代表者 |
加藤 茂幸 広島国際大学, 総合リハビリテーション学部, 准教授 (20368715)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 前十字靭帯 / 有限要素法 / 膝関節 / スポーツ / 外傷 / 受傷機転 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、膝関節のMR画像から関節内の骨形状および靱帯、半月板などを3次元的に構築し、それを動的にシミュレーションすることで、靭帯損傷や半月板損傷等の外傷発生時の関節内の状況を可視化することを目的とする。初年度は、効率的な有限要素モデルの構築手法を築きつつ、動的シミュレーションの手法において、非線形解析およびダイナミック解析手法の確立を実施した。
まず、対象者の膝関節のMRI（膝関節プロトン密度水平断像）を撮影した。撮影条件は先行研究に準じて位置決めを行い、2mm間隔スライス面のDICOMデータから画像解析ソフトOsiriXおよびZedViewにて水平面の輪郭を抽出し、３Dモデリングソフトによってコンピュータ上に3次元の立体膝モデルを構築した。次に、非線形解析を実施するために靭帯特性については、Mooney-Rivlin体とみなし、近似式を用いて非線形の物性値を設定した。そして、ダイナミック解析については、シミュレーション時の角速度を設定した。今回は40deg/100msとしてシミュレーションを実施した。非線形構造解析プログラムMSC.Marcにて有限要素法を用いたコンピュータシミュレーションを行った。
ダイナミック解析の結果、脛骨内旋30度にてACLには60MPaの応力が生じていた。2方向のシミュレーション条件では、脛骨内旋22度、外反8度の時点で高い応力値が観察された。3方向では、さらに早い時期に大きな応力が生じていた。よって、脛骨内旋および膝外反の2方向、また前方移動が加わること（3方向）により、靭帯自体に高いストレスが加わることがこの膝モデルにて示唆された。
動的シミュレーションの手法において、非線形解析およびダイナミック解析手法を確立できた。今後この手法を様々なスポーツの受傷場面に当てはめ実行することでスポーツ外傷発生時の関節内の状況を可視化してゆく。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究は、膝関節のMR画像から関節内の骨形状および靱帯、半月板などを3次元的に構築し、それを動的にシミュレーションすることで、靭帯損傷や半月板損傷等の外傷発生時の関節内の状況を可視化することを目的とする。初年度は、効率的な有限要素モデルの構築手法を築きつつ、解析の精度を上げるために、動的シミュレーションの手法において、非線形解析およびダイナミック解析手法の確立を実施した。次年度以降は半月板等のモデル構築と、健常者膝モデルと損傷者膝モデルの差異について検討を進めてゆく予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度と同様、次年度においてもモデルの構築および解析を実施するうえで工学的専門家（岡山県工業技術センター）の助言を得ながら進めてゆく。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
解析ソフトウェアMarc (MSC)の保守費用にてソフトウェアのアップデートが可能であったため、ソフトに関する費用がおよそ半額で済んだ。次年度は解析ソフトウェアMarc (MSC)、および画像解析ソフトウェアZedView (レキシー)のそれぞれのソフトウェアアップデートに対応するための保守費用を計上する予定である。
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| 次年度使用額の使用計画 |
解析ソフトウェアMarc (MSC)、および画像解析ソフトウェアZedView (レキシー)のそれぞれのソフトウェアのアップデートに対応するための保守費用を計上した。また、3次元膝モデルのシミュレーション結果を記録保存するハードディスクを計上している。また、工学的解析手法および結果解釈等の打合せに岡山工業技術センターまでの往復交通費を計上している。特に高度な専門知識を要する立体膝モデルデータを組み上げる作業は、岡山工業技術センターに依頼するため、工学的専門計算解析費用を計上している。また、ここまでの研究成果を公表および発表するため国内・国外旅費を計上している。
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