| 研究課題/領域番号 |
19K22829
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| 研究機関 | 龍谷大学 |
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研究代表者 |
田原 大輔 龍谷大学, 理工学部, 准教授 (20447907)
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| 研究分担者 |
二宮 早苗 大阪医科大学, 看護学部, 講師 (70582146)
岡山 久代 筑波大学, 医学医療系, 教授 (90335050)
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| 研究期間 (年度) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| キーワード | バイオメカニクス / 腹圧性尿失禁 / サポート下着 / 有限要素法 / 軟組織 / 材料特性計測 / 最適設計 / MRI |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，女性の尿失禁改善用サポート下着における経験と勘が支配的な開発方法に代わり，生体モデルによる実験と計算力学シミュレーションによる骨盤周囲の力学的挙動の評価方法を確立し，生体力学的に裏付けされた下着の最適設計戦略を提示することを目的としている．令和元年度の研究実績は，以下の3点にまとめられる．
1. 先行研究で構築した日本人女性被験者の臀部のMRIイメージベース有限要素（FE）モデルを基に，臀部周囲の軟組織の非線形な材料特性を考慮して下着のサポート力分布と膀胱挙上量の関係を評価するため，軟組織の超弾性特性をモデル化し，効果的なサポート力分布を探索した．女性被験者の臀部軟組織に対する押し込み試験の荷重-変位特性を用い，骨盤周辺の軟組織の超弾性特性の定義を試みるとともに，超弾性特性の考慮の有無でモデルの挙動を比較し，その影響を評価した．
2. サポート下着の設計戦略提示後に行う試作検討時に，被験者の複数回の試着と着圧測定の負担を軽減する1つの方法として，生体類似特性を持つ臀部ダミーモデルを用いた下着の着圧分布評価手法の適用を計画している．これを見据え，本研究グループが保有する生体材料製造技術により，ポリビニルアルコール（PVA）とシリコンを主成分とした剛性の異なる予備検討用の材料試験片を作成した．また，これらに押し込み試験を行って荷重－変位特性を取得し，被験者の臀部の軟組織に類似する剛性を有する材料成分を探索した．
3. 高い膀胱挙上量を達成するサポート下着の設計戦略を具体化する方法を検討した．繊維の特徴的な編み方，生地の特性から目的を達成するアプローチを探るため，これらの技術を持つ新たな下着メーカーの探索を行い，技術の適用について集中的に議論を行った．また，別手法として，生地材料の剛性の異方性の組み合わせ方のバリエーションを提示し，それらの製作実現可能性について考察した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
1. 臀部FEモデルの軟組織の超弾性特性の定義のため，Mooney-Rivlin，Ogdenのモデルを導入した．被験者の臀部の複数領域における押し込み試験の荷重-変位特性を用い，両モデルの材料特性パラメータを決定した．次に，臀部FEモデルの4ケースの着圧分布（既存下着着圧を付与，腹部着圧を上昇，会陰後方から尾骨付近の着圧上昇，腹部・臀部の着圧低下と股下から尾骨付近の着圧上昇）下で，超弾性の考慮の有無でFE解析を行い，膀胱頚部の挙上量を評価した．その結果，超弾性を考慮したモデルでは，挙上絶対量は低くなったが，着圧分布に対する挙上傾向は超弾性の考慮のないモデルと同様だった．超弾性の反映により軟組織の見かけの剛性が低くなり，下着のサポート力が軟組織内で吸収されやすくなったことで，低い挙上量が得られたと考えられる．軟組織の超弾性特性の考慮は膀胱頚部の挙上に影響するが，下着の着圧分布を検討する設計上流の視点からは，超弾性を考慮しない簡易モデルでも代替可能であることが示唆された．
2. PVAとシリコンを主成分とし，臀部の軟組織に似せて試作した剛性の異なる材料試験片に対し，フォースゲージとYAWASA試験機による押し込み実験系を構築し，各試験により荷重－変位特性を取得した．その結果，試作した試験片の剛性はいずれも女性被験者の臀部軟組織の剛性よりも高かったが，構築した実験系から得られる荷重－変位特性，推定されるヤング率を指針として，試験片の軟組織との類似特性は十分評価できることがわかった．得られた知見を材料試験片の試作にフィードバックできる．
3. 特徴的な繊維の編み方，生地特性技術を有するメーカーとの議論の結果，オーダーメイド製造の可能性を見出すことができた．生地材料の剛性の異方性の組み合わせについては，概念設計段階に留まっている．
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| 今後の研究の推進方策 |
1. 臀部FEモデルへの下着の繊維の編み方・生地剛性の異方性の組み合わせの変化を反映し，その影響を評価する．編み方の変化を材料の収縮度の差異として，生地の剛性の異方性を直交異方性モデルによる各方向の剛性の差異としてモデル化する．また，これらのモデル化を反映したFE解析を基に，現状のサポート下着の概念設計を詳細設計へと落とし込み，高い膀胱挙上量が得られると期待される下着の試作を行う．
2. 臀部ダミーモデルの製作のため，臀部FEモデルの外形状の型枠を3Dプリンタにより製作し，予備検討中のPVA・シリコンを含む生体模擬材料を用いて，計算モデルと同じ形状・剛性を持つ骨盤，膀胱の実モデルをそれぞれ製作する．型枠内の空間にそれらの骨盤，膀胱の実モデルを挿入した状態で，軟組織に相当する剛性を持つ生体模擬材料で固定して完成させる．
3. 項目2で製作したダミーモデルの力学的挙動の妥当性評価のため，モデルへの下着着用・非着用時の膀胱の変位位置をMRI撮影し，過去のその被験者の下着着用時の膀胱の挙動位置と比較する．また，ダミーモデル上の着圧センサーから得られる着圧分布の比較も同様に行い，その妥当性を評価する．
4. 項目1で製作する下着の試作品を項目3で構築するダミーモデルに履かせた時の評価のため，下着試作品をダミーへ着用させてMRI撮影するとともに，着圧分布と膀胱挙上量から，製造の実現性を評価する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初の計画では，膀胱挙上量が高いサポート指針の設計戦略の抽出途中段階と平行して下着試作に着手する予定だったが，特徴的な繊維の編み方・生地特性の技術を有する下着メーカーとの技術融合の議論に時間を要した．このため，臀部ダミーモデルの試作・製作とその評価に関する研究項目にやや遅れが生じ，試作・製作の必要物品や，着圧センサー等の評価機器の導入を遅らせた．当初計画している物品導入等は変更ないものとし，令和2年度中に研究進捗を当初の計画通りのペースに戻すように注力する．
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