歩行動作における人工膝関節の動的シミュレーション

歩行動作における膝関節の動きを検討するために,下肢全体,ならびに膝関節に関連している靭帯,筋肉等を2次元でモデル化し,このモデルの運動方程式をたて,歩行実験による歩行動作時の関節動作,床反力等を入力条件として,運動方程式を逆問題として解くことにより,各下肢関節の外力モーメント,膝関節の外力を算出した.さらにこれらのモーメントと外力を入力値とし,最適化手法を用いて,歩行動作時の筋力ならびに膝関節接触反力,接触位置を計算した.ただし最適化の目的関数としては,歩行動作解析に一般的に使用されている筋応力の3乗を用いた.計算された筋力は筋電計により測定されたデータと比較を行い,ほぼ妥当な結果であることを確認した.さらに人工膝関節の形状による膝関節動作への影響を検討するために,接触面のモデル形状を変更して解析,比較を行った.その結果,後十字靭帯温存型の表面置換型人工膝関節では,前十字靭帯を削除するため大腿骨を前方に残そうとする力がなくなることにより,膝関節の接触位置が生体膝と比較して後方に移動すること,またその形状の特徴となっている大腿骨脱臼防止用の前方隆起部の存在と,膝屈曲角度を大きくするために必要なロールバックム-ブメント(膝屈曲時の大腿骨の後方移動)を生じさせる後十字靭帯温存の意義を確認した.また表面置換型人工膝関節と対照的な形状を持つ円筒面型人工膝関節についても解析を行ったが,この関節においては接触面の拘束度の高さにより,表面置換型人工膝関節と比較して関節反力が高くなることがわかった.

歩行動作における膝関節の動きを検討するために,下肢全体,ならびに膝関節に関連している靭帯,筋肉等を2次元でモデル化し,このモデルの運動方程式をたて,歩行実験による歩行動作時の関節動作,床反力等を入力条件として,運動方程式を逆問題として解くことにより,各下肢関節の外力モーメント,膝関節の外力を算出した.さらにこれらのモーメントと外力を入力値とし,最適化手法を用いて,歩行動作時の筋力ならびに膝関節接触反力,接触位置を計算した.ただし最適化の目的関数としては,歩行動作解析に一般的に使用されている筋応力の3乗を用いた.計算された筋力は筋電計により測定されたデータと比較を行い,ほぼ妥当な結果であることを確認した.さらに人工膝関節の形状による膝関節動作への影響を検討するために,接触面のモデル形状を変更して解析,比較を行った.その結果,後十字靭帯温存型の表面置換型人工膝関節では,前十字靭帯を削除するため大腿骨を前方に残そうとする力がなくなることにより,膝関節の接触位置が生体膝と比較して後方に移動すること,またその形状の特徴となっている大腿骨脱臼防止用の前方隆起部の存在と,膝屈曲角度を大きくするために必要なロールバックム-ブメント(膝屈曲時の大腿骨の後方移動)を生じさせる後十字靭帯温存の意義を確認した.また表面置換型人工膝関節と対照的な形状を持つ円筒面型人工膝関節についても解析を行ったが,この関節においては接触面の拘束度の高さにより,表面置換型人工膝関節と比較して関節反力が高くなることがわかった.