2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a knee joint ligament rupture simulator based on mechanical loads and geometric conditions
| Project/Area Number |
17K14554
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
武田 量 北海道大学, 工学研究院, 助教 (90645095)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 膝関節 / 靭帯 / 支持力 / 損傷 / 過負荷 / サイクル負荷 / 有限要素モデル |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では力学負荷条件と形状に基づいた膝関節靭帯断裂メカニズムを解析した．万能材料試験機，膝関節固定用治具，恒温高湿庫からなる膝関節靭帯断裂再現装置を作成し，膝関節代替モデルとしてブタ後膝を用いた．膝関節固定用治具に膝モデルを設置し，万能材料試験機と関節固定用治具間には力覚センサを介し荷重を測定した．材料試験機は靭帯が損傷するまで膝モデルに繰り返し変位を与え，損傷に必要な引張荷重を特定した．また，靭帯形状はMRIから靭帯部分のみを画像分割処理で抽出．靭帯の物性値と形状を基に膝靭帯の有限用解析モデルを構築し，膝の運動条件に伴う各靭帯の荷重状態を再現した．
期間中に次の研究成果が得られた：
①サイクル負荷よりも1度の過剰な力学的負荷を靭帯に与えた場合の方が著しく支持力低下，つまり靭帯損傷，を招くことが分かった．また，膝屈曲角度90degにおいてPCL(後十字靭帯)が最も損傷の影響が大きかった．これは，膝屈曲角度90degにおいてACL（前十字靭帯）は弛緩しているのに対しPCLは緊張していることが原因である．さらにPCL単体では損傷しやすいがACLと合わさることでその損傷の影響が減少した．膝屈曲度90degではPCLは後方方向のみにしか制動しないのに対しACLは前方方向のみではなく後方方向にも制動する力が存在し，それによりPCLの損傷の影響が減少した．
②靭帯の支持力を推定可能とする膝靭帯シミュレータを開発した．①で行った実験より解析に必要な材料物性値を算出し，MRIから膝関節3次元形状を抽出した．これらを組み合わせ有限要素解析モデルを作成し，膝関節引き出し試験と同様の境界条件で解析を行った．結果，ACLとPCLの両モデルの解析結果が参考実験値との差異が3N未満に収まった．よって，本シミュレータを用いて正確に主要膝靭帯の支持力が推定可能である．
|
Research Products
(3 results)
