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2018 年度 実績報告書

軟部組織の粘弾性特性を考慮した次世代筋骨格系シミュレーション基盤の構築

研究課題

研究課題/領域番号 16H03238
研究機関立命館大学

研究代表者

長野 明紀  立命館大学, スポーツ健康科学部, 教授 (30392054)

研究分担者 栗原 俊之  立命館大学, 総合科学技術研究機構, 准教授 (10454076)
藤本 雅大  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 人間情報研究部門, 主任研究員 (10732919)
大塚 光雄  立命館大学, スポーツ健康科学部, 助教 (20611312)
伊坂 忠夫  立命館大学, スポーツ健康科学部, 教授 (30247811)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワード順動力学 / スポーツ科学 / オープンソース
研究実績の概要

身体運動のメカニズムを理解するための手段として動力学シミュレーションの技術が頻繁に用いられる。本研究では衝撃力の作用する動作に対応可能な、軟部組織の貢献を考慮した筋骨格系シミュレーションの基盤を構築する事を目指し、平成30年度は下記の成果を挙げた。
・ヒト全身の筋骨格系シミュレーションモデルを構築した。身体のリンク系の運動方程式を構築し、これに筋腱複合体のモデル及び地面反力のモデルを組み込んでシミュレーションモデルを作成した。またこれを用いて跳躍動作の研究を実施した。従来、筋骨格系のモーメントアーム(てこの長さに相当)が或る程度の範囲内で長い場合に、全体としての力学的出力が大きくなる事が知られている。また、モーメントアームが長すぎると力学的出力が低下することが知られている。ただしこれらの現象はダイナミックな状況では検証されていなかった。本研究では最もダイナミックな運動の一つである跳躍動作においてモーメントアーム長をシステマティックに変動させ、それが跳躍高に及ぼす影響を評価した。その結果、先行研究で得られてきた知見と合致する結果を得ることが出来た。
・体幹部の自由度を必要十分に考慮した筋骨格系シミュレーションモデルを構築した。またこれを用いたダイナミックな動作のシミュレーションを実施した。これまで、体幹部についてはどの様な手法でモデリングをするのが最適であるか、十分な議論がされて来ていない。そのため大まかに1つまたは2つのセグメントを用いて体幹部をモデリングしているケースが多々見られる。本研究ではこの問題に着目し、体幹部を最適にモデル化する方法論を提案した。体幹部を複数のリンクでモデル化し、そのリンク数を変更した際のモデル化誤差を評価した。赤池の情報量基準に基づいて体幹部を最適に表現するモデルを選択することとした。

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

本研究の目的の一つであったシミュレーションモデルの構築をほぼ完了させた。成果は国際誌の学術論文、国際学会のプロシーディング、国内・国際学会の抄録として既に発表している。
平成31年度は被験者を用いた検証実験も行う予定であるが、その予備実験は終了している。本実験のための準備は順調に出来ていると判断する。

今後の研究の推進方策

本年度は、これまでの3年間を通じて構築してきた筋骨格系シミュレーションモデルを、衝撃力の作用する動作に適用し妥当性を検証する。スポーツ動作を含む幅広い動作に対応できる、軟部組織を考慮したシミュレーションモデルを完成させる。更にこのモデルの汎用性を高めて公開し、多くの研究者が利用できる様にする。
より詳細には、平成31年度はダイナミックな動作課題を用いてシミュレーション結果の妥当性を検証しつつ、モデルとシミュレーションプログラムのブラッシュアップを行い、これを完成させる。具体的には垂直跳び、立幅跳び、ホッピング、歩行、走行、スプリント動作、投球動作、キック動作等の動作を対象とする。
平成31年度中に、複数の被験者について個々人にカスタマイズしたシミュレーションモデルを構築する。モデル構築に際してはMRI及び超音波画像診断装置を用いて形態データを取得し、個人にカスタマイズした、軟部組織を考慮したシミュレーションモデルを構築する。モデルの自由度の決定には赤池の情報量基準を利用する。このモデルを用いて、順動力学の手法によって上記のダイナミックな動作をシミュレーションする。シミュレーションで得られた動作パターンは、光学式モーションキャプチャーシステム及びフォースプレートを用いて得た実際の動作データと比較する。解剖学的ランドマークの位置及び関節角度等のキネマティクス、並びに地面反力・関節反力・関節発揮トルク等のキネティクスが、シミュレーションと実際の動作で合致している事を確認する。
モデルが完成した後、汎用性を高めるためにシミュレーションプログラムの整理を行う。可読性の高いプログラムコードを作成し、ライブラリとする。またこのシミュレーションモデル及びプログラムコードに関するドキュメント類を作成・整理する。完成した段階で一般に公開し、多くの研究者がこれを利用できる様にする。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 7件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Quantitative evaluation of linked rigid-body representations of the trunk.2018

    • 著者名/発表者名
      Kudo, S., Fujimoto, M., Sato, T., Nagano, A.
    • 雑誌名

      Gait and Posture

      巻: 63 ページ: 119-123

    • DOI

      10.1016/j.gaitpost.2018.04.046

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Relationship between knee extensor moment arm and long sprint performance in male 400-m sprinters.2018

    • 著者名/発表者名
      Tomita, D., Suga, T., Ueno, H., Miyake, Y., Otsuka, M., Terada, M., Nagano, A., Isaka, T.
    • 雑誌名

      Translational Sports Medicine

      巻: 1 ページ: 172-179

    • DOI

      10.1002/tsm2.33

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A pilot study on the importance of forefoot bone length in male 400-m sprinters: is there a key morphological factor for superior long sprint performance?2018

    • 著者名/発表者名
      Tomita, D., Suga, T., Tanaka, T., Ueno, H., Miyake, Y., Otsuka, M., Nagano, A., Isaka, T.
    • 雑誌名

      BMC Research Notes

      巻: 11 ページ: 583

    • DOI

      10.1186/s13104-018-3685-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Motion analysis and computer simulation of whole-body movements: recent developments and findings.2019

    • 著者名/発表者名
      Nagano, A.
    • 学会等名
      From London to Tokyo ~ the cutting edge research of Sport & Health
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 野球の投手における異なる球種投球時の動作解析.2019

    • 著者名/発表者名
      山口敦史, 佐藤隆彦, 藤本雅大, 長野明紀
    • 学会等名
      第10回東京体育学会
  • [学会発表] 全力疾走における上肢、下肢、体幹部の角運動量の変化.2019

    • 著者名/発表者名
      冨田大智, 佐藤隆彦, 工藤将馬, 藤本雅大, 長野明紀
    • 学会等名
      第10回東京体育学会
  • [学会発表] 筋骨格系シミュレーションの基礎理論と実践.2018

    • 著者名/発表者名
      長野明紀
    • 学会等名
      第23回日本基礎理学療法学会学術大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 筋骨格系シミュレーションを用いたスポーツ障害に関する検討.2018

    • 著者名/発表者名
      長野明紀
    • 学会等名
      第21回奈良スポーツ医学研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Effects of moment arm length on squat and counter movement jump height: a forward dynamics computer simulation study.2018

    • 著者名/発表者名
      Nagano, A.
    • 学会等名
      8th World Congress of Biomechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] Kinetic contribution of multi-segmental trunk during dynamic movements.2018

    • 著者名/発表者名
      Kudo, S., Fujimoto, M., Sato, T., Nagano, A.
    • 学会等名
      8th World Congress of Biomechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] The relationship between muscle tensions of the hip and knee extensors and ball speed during baseball pitching.2018

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi, A., Kudo, S., Fujimoto, M., Sato, T., Nagano, A.
    • 学会等名
      8th World Congress of Biomechanics
    • 国際学会
  • [学会発表] Step-to-step analysis of anteroposterior ground reaction force during 110M hurdle.2018

    • 著者名/発表者名
      Wakamiya, M., Shinohara, Y., Nagahara, R., Matsuo, A., Nagano, A.
    • 学会等名
      36th International Conference on Biomechanics in Sports
    • 国際学会
  • [学会発表] Determination of the optimal number of rigid-body segments to represent the trunk using Akaike’s information criterion.2018

    • 著者名/発表者名
      Kudo, S., Fujimoto, M., Sato, T., Nagano, A.
    • 学会等名
      36th International Conference on Biomechanics in Sports
    • 国際学会
  • [学会発表] The effect of hip joint muscle strength and size on hip joint angular velocity during 110M hurdling motion.2018

    • 著者名/発表者名
      Okutani, H., Suga, T., Wakamiya, M., Isaka, T., Nagano, A.
    • 学会等名
      36th International Conference on Biomechanics in Sports
    • 国際学会
  • [学会発表] The effects of wearing ankle braces on running kinetics.2018

    • 著者名/発表者名
      Kaneda, K., Sato, T., Fujimoto, M., Nagano, A.
    • 学会等名
      The British Association of Sport and Exercise Sciences Conference 2018
  • [学会発表] スプリント走およびハードル走における1歩毎の加速減速特性.2018

    • 著者名/発表者名
      若宮美咲, 篠原康男, 永原隆, 松尾彰文, 長野明紀
    • 学会等名
      第25回日本バイオメカニクス学会大会
  • [学会発表] 赤池情報量基準に基づいた体幹部の動作解析に適した剛体セグメントモデルの検討.2018

    • 著者名/発表者名
      工藤将馬, 藤本雅大, 佐藤隆彦, 長野明紀
    • 学会等名
      第25回日本バイオメカニクス学会大会
  • [学会発表] 床反力計内蔵型トレッドミルを用いたランニング動作中の床反力の変動の定量化.2018

    • 著者名/発表者名
      中川遼太, 佐藤隆彦, 藤本雅大, 長野明紀
    • 学会等名
      第25回日本バイオメカニクス学会大会
  • [学会発表] ラグビースクラムハーフ選手におけるパス動作の左右差の検討: ボール速度、動作時間、地面反力に着目して.2018

    • 著者名/発表者名
      村尾直広, 佐藤隆彦, 藤本雅大, 長野明紀
    • 学会等名
      第25回日本バイオメカニクス学会大会
  • [学会発表] 反動を用いたジャンプ動作における膝関節最大屈曲角度が跳躍パフォーマンスに与える影響.2018

    • 著者名/発表者名
      湯池敦史, 佐藤隆彦, 藤本雅大, 長野明紀
    • 学会等名
      第25回日本バイオメカニクス学会大会
  • [備考] 立命館大学の研究者情報ページ

    • URL

      http://research-db.ritsumei.ac.jp/Profiles/112/0011156/profile.html

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公開日: 2019-12-27  

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