有限要素シミュレーションによる運動時のアキレス腱局所変形の推定：―スポーツ障害予防を目指して―

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(1)有限要素シミュレーションによる運動時のアキレス腱局所変形の推定一スポーツ障害予防を目指して一教科・領域教育学専攻生活・健康・総合内容系コース. M09215C 久野峻幸. 【竈言】. に各被験者の最大随意収縮カ（MVC）と等しい伸長. アキレス腱は、身体活動時に下腿三頭筋で発揮された張力を踵骨に伝達し，弾性によって力学エネル. 力を長軸近位方向に加えた。Kubo et aユ（2001）に. よるひずみ一応力関係の報告値を用いて，. ギーを蓄積・解放するバネ的性質をもち，効果的・効率的な身体運動の遂行に貢献している（刈eXander， 1977）。その一方，アキレス腱ば歩行や走行，スポー. Mooney−Riv1in係数を算出し，モデルの物性値として解析に使用した。計算には汎用有限要素解析ソル. ツ活動中に絶えず使用されるため、非常に負荷のかかりやすい部分であり，断裂や炎症など障害が好発. 勢解析を行い（図1右図），組織の破壊と関連の高. する。このメカニズムとしては、組織が伸張を繰り返. を基準に1O％毎に部位分けし，それぞれの平均値を. すことで，障害多発部位に組織の変形が集中し，微. 代表値として用いた。また，最大主ひずみとアキレス. 細な損傷が蓄積されるためと考えられている（Khaエ1. 臓形状との関係を見るために、アキレス臓形状の測. and Ma伍㎜i，1998；Khan et aユ．，1998；P趾gian et. 定を行い，相関解析を行った。. バー（NASTRAN with FEmap）を用い，大変形い最大主ひずみを算出した。次に、アキレス腱の長さ. a1．，2000）。しかしながら，運動時のアキレス腱組織. の局所的な変形は，in vivo humanでの実験的な計測が非常に困難である。先行研究では、アキレス腱と腱膜の複合体を超音波1B−mode法を用いて測定し，複合体全長の長さ変化により組織変形を観察している（Kubo，2002．2003．；Ish鉄awa，2005）。しかし、. この方法では，アキレス腱内の部位差といった局所的な変形を観察することができない。. 近年は，コンピュータの演算能力の進歩により，航. 空機などの大規模構造物1こ対する有限要素解析の技術が，人体の力学解析に利用され，人体組織の挙動を有限要素法により解析することが可能になってきた。そこで，本研究では，この有限要素法を用いて，. 組織損傷と関係の強い組織変形に着目し，アキレス腱に生じる局所的な変形の大きさと分布を算出した。. また，得られた結果と障害発生との関連について推定した。. 図13次元シミュレーションモデル（左図），3次元シミ. 【方法】アキレス腱断裂を経験したことのない健常な成人男性18名（26．94±3．67ye肛s，172．5挫5．49cm， 64．67全8．41kg）を被験者とし、MRI装置（1．5T＝ SIGNA，GE Me砒。aユSystems）を用いて，仰臥位，. 右足の足関節角度90叩固定されたアキレス腱の横断画像を撮像した（スライス厚3㎜，スライス面内における分解能は1pke1あたりO．312x0，312㎜）。撮像さ. れた連続横断MR画像からアニュアルトレーシングし， 3次元非線形有限要素法による計算機シミュレーションモデルを作製した（図1左図）。モデルにおいて，アキレス腱の停止部を完全に固定，ヒラメ筋との移行部. ュレーションモデルを最大随意収縮カで伸長させたモデル（右図）. 【結果】図2は，アキレス腱の長さを基準に10％毎に部位分けし，それぞれの最大主ひずみの平均値を示したものである。近位30−40％の部位で最大主ひずみが最大値（O．012畦O．0056）を示した。近位30∼40％の. 部位では，近位O−1O％の約2．6倍，70−80％の約 3．9倍，80−90％の約23，9倍、90−100％の約142．2 倍で有意に大きかった。さらに，近位30∼40％部分1二おいて最大主ひずみは，約O．15−2．38％と非常1こ大. 一414一.

(2) きな個人差を示した。最大主ひずみとアキレス腱の長. を示していた。これらには、アキレス腱外部腱の長さ. さとの間には正相関が観察された（図3r＝O．7217. と正相関する傾向が観察された（r＝O．7217）。一方，. pく0．01）。. 最小横断面積，幅の上端・下端，厚さの上端・下端や筋力とも，相関が観察されなかった。. したがって，一般的には，臓形状やひずみの集中する部位は，横断面積の最小部位であるが，その詳細な分布には腱の形状，物性値，ならびに筋力に由. 従来の測定法. O∼10％「昨20％. 来し，個人茎が存在すると考えられるため，個別の障. 2炉30％. 害発生予防等に関して検討を加える際には，解析に必要な個人値を実測する必要が示唆された。. 30｝40％. アキレス健全長を基準長としてひずみを算出する従来の方法と本研究のひずみの算出方法を比較した. 40阯50％ 50∼60％. ところ，本研究での、近位20∼30％（O．0126±. 60H了O％. OO051），30−40％（00129＋OO056）部位が、従来. 70∼80％. の算出する方法よりも有意に大きかった。近位. 80｝90％. 20∼30％と従来の方法はp＜O．05，近位30∼40％と. O∼100％ 0 0．㎜ 0，01 0．Oユヨ 0．02. 従来の方法とはpくO．01であった。特に，近位 30−40％部位の最大主ひずみは、従来の方法の約 1．7倍（範囲：1．26−2．18）になった。. 量大主ひずみ. But1er et a1（1978）ば，アキレス腱のひずみが3％図2アキレス腱外部腱の長さを基準に10％毎に部位分けし1それぞれの平均の最大主ひずみ量と従来の方法で測定された最大主ひずみ量。. で微細な損傷が始まると報告している。本研究1こおいては，シミュレーション計算の収束性と安定性を向上させるため1こあまり大きな負荷を使用することができず、等尺性の最大筋力の伸長条件として使用した。. o．oヨ. しかし，運動の種類や強度によっては，本研究の随意収縮カの最大値よりも大きなカがアキレス腱に負. O．02ヨ1 位. 荷されることが予想された。. 10．02一. 本研究では，有限要素シミュレーションを用い，等. ％罰. 缶。仙1. 尺性収縮時にアキレス腱に生じるひずみ分布を解析. 審. した。その結果，運動時に大きなひずみが観測される. 部位において組織損傷の発生頻度が高いことが示され、組織の微細損傷が生じると考えられている3％に近＜，運動の条件次第でこの部分にひずみの集中が. ㈹ ◆. ◆ ◆ o．ooヨ ◆. o −. 生じる可能性が示唆された。. 0ユ0406080100 図3アキレス腱外部膣と近位3ト40％部分のひずみ量アキレス6外劇鵬＝一，. 【まとめ】本研究の，アキレス腱の近位30−40％部位は，最. との相関. 大主ひずみが最大（O．012畦O．0056）となり，先行研究で報告されている障害多発部位と一致し．もしくは. 【考察】本研究において、最大主ひずみは、近位30∼40％. の部位で最大となっており，その大きさは. 近接した．組織変形が近位30−40％部位において集中し．微細な損傷が蓄積されることにより，アキレス. アキレス腱断裂が好発すると知られている部位. 腱断裂や炎症が引き起こる，ひずみ集中と組織損傷の関連の高さが示唆されたIしかし，ひずみ分布，アキレス臓形状，筋力は非常に個人差が大きいので，. （Jozas，1989．：Ga皿。way，1992）と一致，もしくは近接していた。つまり，本研究によりこれまで推測の. アキレス腱組織損傷のリスクを低下させるためには，. 形状だけでなく，物性値も個人計測を行う必要があ. 域を出なかったひずみの集中を数値解析することができ，運動時に大きなひずみが実際に観察される部位において組織損傷の発生頻度が高いことが示され. る。. O O12畦O 0056であった。一の近位30H40％部位は，. 疫学調査によって，踵骨の停止部から上方3∼6cmに. た。. また，この近位30−40％部位においての最大主ひずみは，非常に大きな個人差（範囲：0．0015∼O．0238）. 一415一. （主任指導教員後藤幸弘）（指導教員小田俊明）.

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