2018 Fiscal Year Research-status Report
二方向X線透視システムと精密筋骨格モデルを用いたヒト中足部ロック機構の機能解明
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18K13732
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
伊藤 幸太 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (20816540)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ヒト中足部 / ロック機構 / 横足根関節 / 踵立方関節 / ３次元骨格動態 / X線透視計測 / 直立二足歩行 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒトの足部は多数の骨や靭帯，筋肉から構成される複雑な構造体であり，ヒト足部が歩行中に生み出す機能的変形が，安定かつ効率的な二足歩行の生成に大きく寄与していると考えられている．蹴り出し時にヒトの中足部にある横足根関節（踵骨・距骨と立方骨・舟状骨の間の関節）が踵骨の内反運動によってロックされ，効果的な蹴り出しを実現するヒト足部のロック機構もその一つであると考えられている．本研究では，蹴り出し時の足部の骨格動態計測と力学的シミュレーションを通して，このロック機構の詳細に迫ることを試みた．
足部姿勢やアキレス腱の牽引力といった，蹴り出し時の力学的条件を再現した際に，足部の骨格動態がどのように変化するのかを詳細に明らかにするために，屍体足骨格動態のＸ線透視撮影を行った．撮影は二方向Ｘ線透視システム内に屍体足標本を配置することで行った．３Ｄプリントによって作成したソケットを用いて，屍体足標本の足裏が上方を向くように標本を透視装置の床面と接続し，上からアクリル板で作成した床面を押し付けることで歩行中の床反力を再現することを試みた．腱の牽引は，屍体足標本のアキレス腱に釣り糸を通し，プーリを介しておもりを吊り下げることで再現した．これによって歩行時の蹴り出し姿勢を，屍体足を用いて再現することができた．実際にⅩ線透視撮影を行ったところ，蹴り出し姿勢における足部の骨一つ一つをうまく撮影することができた．
また，ヒト足部の関節の可動性が骨の形態的特徴によってもある程度決定づけられているという仮定の下，踵骨の形態解析手法の構築を行い，運動と形態の関係について考察した．その結果，踵骨の形態が，静荷重下における踵骨の外反量や距骨の内旋量といった骨運動量と相関することがわかった．この解析手法を用いることで，蹴り出し時における踵骨と立方骨の可動性と形態の関係についても考察することが可能であると考えている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は，屍体足を用いて蹴り出し時の足部の力学的条件を再現し，Ⅹ線透視画像によって骨格動態を観察するための計測環境を構築した．しかし，現状の試験器では実際のヒト歩行時の力学的条件を必ずしも再現することができていない．蹴り出し時にはアキレス腱におよそ2000Nの力がかかることが分かっており，実歩行の再現のためには200kgのおもりをぶら下げる必要があるが，現状の試験器では釣り糸や金属部品の強度，スペースの問題などから400N程度の力しかアキレス腱にかけることができていない．アキレス腱による張力は，ロック機構のきっかけとなる踵骨の内反運動を生成するための重要なファクターであると考えており，実歩行時に近いアキレス腱張力を発揮させるための機構を考案する必要がある．
本年度は蹴り出し時の骨格動態計測と並行して，静荷重下におけるヒトおよび類人猿屍体足の骨格動態の解析と踵骨の形態解析を行った．その結果，ヒトと類人猿の踵骨の形態差が後足部の骨格動態の違いに影響を与えていることが明らかとなり，この結果は国内学会１件で発表した．これによって得られた結果は，ロック機構を含むヒト足部の特徴的な変形動態が，筋力の作用だけでなく，骨形態によっても生成されていることを示唆しており，横足根関節面の形態に関して同様の解析を行うことで，ロック機構の機序をより詳細に明らかにできると考えている．
力学シミュレーションに関しては，成人男性１名のCT断層画像から再構築した３次元骨形状モデルを用いて，現在モデルの構築を行っている段階である．
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）蹴り出し時の中足部骨格動態の解析
これまでの試みによって，二方向Ｘ線透視システムを用いて蹴り出し時における足部の骨格動態が撮影できるようになった．今後は，複数本の釣り糸で分配してアキレス腱に力をかける機構や，試験器全体の強度を高めるなどして，より実現象に近い条件での骨格動態計測を目指す．また，撮影したＸ線透視画像とモデルマッチング手法を用いて，蹴り出し時および立脚期中期における中足部骨格動態を定量化し，歩行中の中足部においてどのような変形が生じているのかを具体的に明らかにする．
（２）筋骨格モデルを用いた有限要素解析
屍体足計測ではＸ線透視画像から骨の動きを観察することが可能であるが，実際に中足部で生じる変形によって横足根関節の接触条件がどのように変化するのかは観察することができない．そこで，今後はヒト足部の筋骨格モデルを用いた有限要素解析を並行して行う．ヒト足部構造に関わる全ての筋骨格要素を正確にモデル化することは非常に困難であるため，第一段階として後足部（踵骨・距骨）と中足部（立方骨・舟状骨）の間の横足根関節のみが可動するような筋骨格モデルを構築し，踵骨の姿勢や関節面の形態の変化によって，足先に力を与えた際の変位，すなわち足部の全体の剛性がどのように変化するのかを実証的に明らかにする．
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| Causes of Carryover |
屍体足の骨格動態計測において，当初アクチュエータを用いて腱の牽引を行うことを予定していたが，おもりを用いて簡易的に蹴り出し姿勢の再現が可能となったため，物品費の次年度使用が生じた．しかしこれにより，今後着手する有限要素解析において，計算器やソルバーだけでなくプリプロセッサー（モデル構築のためのソフトウェア）の導入が可能であると考えている．本研究課題において，横足根関節のみが自由度を持つような単純なモデルから，ヒト足部の解剖学的要素をすべて反映させた複雑なモデルまで，さまざまな筋骨格モデルを用いて計算を行うことが現象の理解につながると考えている．当初はモデル化を外部業者に委託することを考えていたが，今後は申請者自身でモデル構築を行い，段階的にモデルの複雑化を図りながら，ロック機構の詳細を徐々に明らかにすることを考えている．
また，本年度は国際学会に参加して成果を発表する機会がなく，旅費についても次年度使用が生じてしまったが，次年度は国際学会に参加し，対外的に研究発表を行うことを予定している．
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Research Products
(1 results)
