2013 Fiscal Year Research-status Report
皮下組織内部応力評価のための力覚センサー実装型人体ダミーモデルの開発
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25350523
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
坂本 二郎 金沢大学, 機械工学系, 教授 (20205769)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
須釜 淳子 金沢大学, 保健学系, 教授 (00203307)
酒井 忍 金沢大学, 機械工学系, 助教 (80196039)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | バイオメカニクス / 生体モデリング / ひずみ計測 / 生体軟組織 / ダミーモデル / 褥瘡 |
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| Research Abstract |
本研究では，人体の皮下組織の構造・形態を模倣し，皮下組織の応力状態を評価できる人体腰部ダミーモデルの開発を行い，有限要素モデルとの比較によりその有効性を検討した．
腰部ダミーモデルは，骨盤とそれを覆う筋肉層と脂肪層の２層からなる軟組織で構成した．軟組織の材料としてはシリコンゴムVP7550（旭化成ワッカーシリコン社製）を使用し，主剤と硬化剤の重量比率を調節して，人体軟組織に近い非線形な力学特性を再現した．筋肉層の材料については，JIS K6254を参考にした圧縮試験を行い，重量比率1.0wt%のものがヒト筋と近い力学特性を示すことを明らかにした．脂肪層の接線弾性率は筋肉層に比べて約６%大きいことから，筋肉層よりもわずかに大きな重量比率とした．骨盤には硬質ウレタンフォームからなる骨盤模型（Pacific Research Lab.社製）を用いた．原型の製作には，米国立医学図書館の人体解剖データベース Visible Human Project に含まれる男性の腰部断面画像を用いた．これらをプロジェクターでスチレンボードに５㎜間隔で投影して筋肉層と脂肪層それぞれの輪郭を描き，これを60枚分繰り返して輪郭に沿って切りだし，順に重ね合わせて原型を作成した．この原型から石膏で鋳型を作り，筋肉層の型に骨盤模型を固定してシリコンゴムを流し込み，さらにこれを脂肪層の型に固定してシリコンゴムを流し込んで，生体に忠実な２層構造を有する腰部ダミーモデルを製作した．褥瘡が発生しやすい仙骨下及びその周辺に小型圧力センサを貼付し，皮下組織深部での内部圧力の計測を可能にした．
得られた腰部ダミーモデルを床に寝かせた際の内部圧力及び表面での接触圧力を計測し，それと対応する有限要素モデルを用いた解析結果と比較したところ定性的傾向の一致が見られ，腰部ダミーモデルの有効性が明らかとなった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の計画では，シリコンゴム中に埋め込んで圧縮応力だけでなくせん断応力も計測が可能な三次元力覚センサーの製作を挙げていた．しかし，生体軟組織に近い非線形な力学特性を有するシリコンゴムの作成方法の検討や，生体に忠実な２層構造を有する腰部ダミーモデルの製作手法の確立に，多くの試行錯誤を繰り返し，予想以上に期間を費やしたため，三次元力覚センサの自作までには至らなかった．また，腰部だけに対象を絞った場合でも，ダミーモデル作成に必要とされるシリコンゴム材料の量が当初の予想を大きく上回ったことも，ダミーモデル作成に多くの期間と費用を費やした理由である．
自作できなかった三次元力覚センサの代替として，内部の力学状態の計測については，褥瘡が発生しやすい仙骨下とその周辺に市販の小型圧力センサを貼付して計測を行った．この際，ダミーモデル製作の過程で骨や筋肉層に圧力センサを貼り付け，その後にさらにシリコンゴムを型に流し込んで，圧力センサを内部に埋め込んだが，幾つかのセンサにおいて信号が得られなくなる不具合が発生した．これは，シリコンゴムを流し込み硬化させる過程で，圧力センサに取り付けられた導線が大きく変形したり被覆が剥がれたりして接触不良が生じたためと考えられる．このことは，今後予定している三次元力覚センサを製作する場合でも予想される不具合であり，問題点が明らかになったという点では意義は少なくない．
さらに，製作した腰部ダミーモデルの有効性の評価においては，有限要素解析との比較において，定性的な傾向の一致に留まっている．生体軟組織に忠実な形態と材料特性を持つ腰部ダミーモデルの製作手法の確立という点では達成度は高いが，より骨の弾性率に近い模擬骨を使用し，定量的にも有効性の高いモデルが得られるような改良についても検討が必要である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は，軟組織に埋込可能な三次元力覚センサ，すなわちシリコンゴム中に埋め込んで圧縮応力だけでなくせん断応力も計測が可能な三次元力覚センサの製作を優先的に進めることとする．軟組織に対応するシリコンゴムの大きな変形にもセンサの反応が追随できるように，微小径シリコンチューブ外周に複数のひずみゲージを貼付して作製することを試みる．また，得られるひずみからチューブの変形を推定すると同時に逆解析手法を用いてチューブ周辺の応力を求める方法についても検討する．腰部ダミーモデルにおいて軟組織に埋め込んだチューブの変形を求めることができれば，それから皮下組織中の血管の変形を推定することが可能である．
三次元力覚センサを製作した後は，センサを柱状のシリコンゴムブロックに包埋し，その状態で動作して圧縮応力やせん断応力が計測できるかどうかを，単純な荷重条件下での力学試験により検証する．さらには，腰部ダミーモデルにも埋め込んで検証実験を行う．平成25年度の研究で明らかとなった導線部における接触不良等の問題点についても，その解決方法を検討する．
人体ダミーモデルの製作については，当初の計画では，腰部からさらに胴体，大腿部まで拡張したモデルを作成する予定であった．しかし，当初の予想以上に多量の材料を必要とすることから，拡張については仙骨下や腸骨下の応力状態が測定できる最小範囲に留めることとする．一方で，平成25年度には米国立医学図書館の人体解剖データベース Visible Human Project に含まれる男性の腰部断面画像に基づき腰部ダミーモデルを作成したのに対し，今年度は日本人女性の高齢者を対象として製作を行う．それと対応する有限要素モデルについても作成して内部応力状態をダミーモデルと比較し，定量的な検証を行う．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初の予想よりも物品費（材料費）が発生することが予想され，その分を謝金の利用を控えたが，結果的に物品費はほぼ当初の計画通りの額となった．また，今年度は当初計画していた三次元力覚センサの製作に至らなかったため，その分に要する謝金を使わなかった．以上の理由により，次年度使用額が生じた．
ダミーモデル作成のためのシリコンゴム材料の費用（物品費）に当初の計画よりも費用が発生することから，今回生じた次年度費用額については，物品費（具体的にはシリコンゴム材料の費用）に充てる．旅費，人件費・謝金，その他については，当初請求の計画通りとする．
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