1
第 1 章 諸 言
日本 年々高齢化 進行 ，現在，高齢者人口 総人口 約 3 割
及 い ．今後 高齢化 進 い 50 年後 高齢化率 4 割 達
推定 い ( 1 )． こ 高齢化 伴い，高齢者 アや QOL 向上 重要
課題 い ．QOL 低く 要因 老化 関節疾患
あ ．高齢者 関節疾患 中 膝関節痛 割合 多い．こ 伴い，膝関 節 痛
あ 変形性膝関節症 増加 傾向 あ ．こ 疾患 治療法 症状 程
度 異 ．初期段階 あ 薬物療法や装具療法 あ ，症 状
進行 場合 人工膝関節置換術 有効 あ ． ，人工関節
機能性 限界 あ こ 弱点 あ ．
今 人工膝関節 平地歩行 動作 対象 解析 基 い 設 計
多 ，深屈曲 保障 い い いう問題 あ ． ，
床 上 正座や胡坐 深屈曲動作 日常的 行う日本 ，人工膝関節 可
動 域 拡 大 大 期 待 い ． 世 界 目 向 け ， 膝 屈 曲 角 度
６８0° 超え う 深屈曲動作 日常生活 中 多く行わ い ．イ
教徒 礼拝 宗教活動 時 深屈曲動作 行わ ． ，欧米 庭
ー ニン や靴下 着脱 膝 深屈曲動作 必要不可欠 あ ． ，
人工膝関節 可動域 拡大 日 本 け く世界 的 大 期待 い
．
インや材料 改良 Stryker 社製 Scorpio Superflex PS 型
人工膝関節 保証 い い 深屈曲 可能 あ ( 2 )． ，こ 人 工
膝関節 深屈曲時，痛 伴 う 問題 あ ． こ ， 良 い 自
然 深屈曲 保証 人工膝関節 開発 必要 あ ．
自然 深屈曲 可能 人工膝関節 設計 ，下肢筋力や膝関節力 ー タ
必要 あ ．膝深屈曲域動作 け 研究 Dahikvist( 3 )，Zelle( 4 ) 報告 あ
， 算出 違いや ュ ー ョン以外 ータ 少 ，
測定値 分散 大 い ，解析 使用 け 十分 ータ 蓄積
い い． ，過去 文献( 5 ) ( 6 ) ，被験者 少 い や，動作 く 静 止
動作 行わ い あ ．
こ 本研究 ，圧力分布測定装置，6 軸力覚 ン 用い ，正座時 前
屈 後屈 上体移動動作，正座 立 上 動作 大腿下腿 接 触
2
第 2 章 膝関節力算出
膝関節力 算出 ，先行研究 下肢筋骨格 二次元 ン ・ ー ー
使用 ．こ 大腿部・下腿部・足部 3 連結 ン 構成
，大腿直筋・広筋・大臀筋・ ン ・腓腹筋・ 筋 ・
ー ー 化 あ ．外力 ，床反力 重力，及 大腿 下 腿 接
触力 考慮 ．
外力 下肢関節 発生 関 節 ー ン 釣 合 わ う 筋 力
求 ．こ ー ン 平衡 条件 ，足 関節 わ ー ン 式
，膝関節 わ ー ン 式 ，股関節 わ ー ン 式
う 表 ．こ 計算 使用 各名称 記号 下記 示 ．
・外力
Z：床反力 鉛直方向成分
X：床反力 水平方向成分
N： い 下腿部 床 間 働く床反力 水平方向成分
� ：大腿部 重量
� ：下腿部 重量
� ：足部 重量
H F：手 大腿上部 圧力
・筋力・張力
R：大腿直筋張力
Qし：膝蓋腱張力
GM：大臀筋張力
H： ン 張力
S：腓腹筋張力
GAS： 筋張力
・ ー ン
�：大腿部 骨盤 作用 股関節 ー ン
�：下腿部 大腿部 作用 膝関節 ー ン
：足部 下腿部 作用 関節 ー ン
・膝関節力
��：脛骨 水平方向 作用 力
��：脛骨 鉛直方向 作用 力
，本研究 い 大腿下腿接触力 第 2-1 図 示 う ，膝関節中心
作用点位置 � 位置 集中荷重 P 作用 仮定 ．
，GM 大臀筋 股関節 わ ー ン アー 長 示 う ，a， ，
3
�− � � − GAS + S � = (1)
− � + � � + � � + � − GAS � + Q′ ′ − + �� = (2)
�− � � − � � − � � − GM + R − = (3)
未知数 筋力 6 個，条件 関節 わ ー ン 平衡条件 3 個 あ ，
不静定問題 ．こ 解く ，協働筋 股関節伸筋：大臀筋
ン ，膝関節伸筋：大腿直筋 広筋，足関節底屈筋：腓腹筋 筋
同期的 働 ， 筋力 生理学的筋断面積 比例 いう仮定 追 加
． ，大腿直筋力 R・広筋力 V・膝蓋腱筋力 Qし 関係 い ，第 2-2 図
示 う 膝蓋骨 力 合い ，膝屈曲角度θ 関数 k(θ)
決定 ．同図 い ，Q 大腿四頭筋力 あ R V 合力，Pa 大腿
膝蓋間 接触力 あ ．こ 条件 ，式 ～ う 表 ．式
中 ｒ1，ｒ2 筋断面積比 あ ．
GM = r H (4)
GAS = r S (5)
Q/Q′ = k θ (6)
以下 条件 算出 筋力 ，式 ， 膝 関 節
力 推定 ． ，第 2-3 図 示 う ，�n 脛骨軸方向成分，Ft
垂直 前後方向成分 あ ．
��= Q′+ GAS+ H cos θ (7)
4
第 3 章 正座時 大腿下腿接触力 膝関節力
3.1
第 1 章 述 う ，深屈曲 対応 新 い人工膝関節 設計評価
多く深屈曲動作 ータ 必要不可欠 あ ．深屈曲動作 大腿 下 腿
接触 ．こ 時 大腿下腿接触力 生 ．福永 ( 6 ) 文献 膝深屈曲 時
け 大腿下腿接触力 膝関節力 低減 効果 指摘 い ． ，
上体角度 大腿下腿接触力 影響 い こ わ い ． こ ，正 座 時
大腿下腿接触力 各関節角度 測定 行い，下肢筋力 膝関節力 算出 行 ．
3.2 対象 方法
正座時 膝関節力 測定 ，被験者 下肢 傷害 既往 い健常 成 人
男性 10 名 用い ．年齢 21.7±0.247 歳，体重 64.28±2.93kg，身長 169.1 ±1.59cm あ ．
正座 上体 前屈 状態 後屈 行う動作 3 回 行 ．
，対象動作中 臀部 足部 裏側，脛骨上部 床 離 い う 指示 可
能 限 ゆ く 動作 行 ．
大腿下腿接触力 測定 ，圧力 ン 大腿下腿間 挟 込 こ 圧力 分 布
直接測定 第 3. -1 図 ．測定 圧力 合力 大腿下腿接触力
， 大 作用点位置 求 ． ，対象動作 横
撮影 ．こ 動画像 膝関節力 算出 必要 足部，膝関節，股関節，頭 部
角度 手作業 測定 ，動画像 圧力 ン 測定結果 時間 同 期
こ ，身体角度 対 大腿下腿接触力 大 作用点位置 決
定 ．
，動作中 け 下肢筋力 計算 床反力 作用点位置 必要 あ
．本実験 床反力 1[BW] ，床反力 作用点位置 第 3.2-2 図 示
う ，膝 中心 ー ン 合い 求 ． 単位[BW] 力
体重 対 割合 あ ．
圧力 ン 大腿下腿間 挟 込 測定面 形状 対応 可能 あ 必 要
あ ． こ 測定装置 ， ー 式 圧力分布 ン あ ，
ニッタ株式会社 座圧測定 CON�ORMat 使用 ． 第 3.2-3 図 こ
5 3.3 結果
，第 3.3-1 図 大腿下腿接触力 圧力分布 CON�ORMat 測
定 一例 あ ．動作 進 前屈 後屈 圧力 大 く
，作用点位置 後方 臀部側 移動 い こ 確認 ．
第 3.3-3 図，第 3.3-4 図 結果 示 ．第 3.3-3 図 算出値 あ ，図中 (a)
膝関節力 大 ，(b) 大腿四頭筋力 大 ，(c ン 大
，(d)膝蓋腱張力 大 示 ．第 3.3-4 図 測定値 あ ，図中 (a)
大腿下腿接触力 大 ，(b) 大腿下腿接触力 膝関節 わ ー ン 長 ，
(c) 股関節角度 示 い ．図中 ，作用点位置 膝関節 作用 点
距離 脛骨 足部 和 長 対 割合 示 あ ．膝関節力 脛 骨 軸
方向成分�� 前後方向成分�� あ ．膝関節力 大腿四頭筋 ン
両脚 け 数値 あ ．
作用点位置 被験者 ．作用点位置 10 人中 2 人
大 く平均 下回 い ．2 人 特徴 他 被験者 大腿 太 1 0
～15cm 大 ．
，動作開始時 動作 終了 時 �� 平 均 2.28[BW]増加 ，�� 平 均
0.75[BW]減 少 ， ン 平 均 1.49[BW]減 少 ， 大 腿 四 頭 筋 力 平均
1.08[BW]増加 い ．
3.4 考察
正座姿勢 大腿下腿接触力 作用点位置 2 人 け大 く平均 下回 要
因 考察 ．作用点位置 相関係数 大 身体情報 関係
第 3.4 図 示 ．図中 (a) 作用点位置 体重 関係 あ ，(b)
大腿太 関係 あ ．(a) い ，作用点位置 体重 負 相
関 見 ． 体重 重く 作用点位置 短く 可能性 考 え
．(b) い ，作用点位置 大腿太 負 相関 見 ．
大腿太 大 く 作用点位置 短く 可能性 考え ．こ
傾向 状態 あ 先行研究( 7 ) い 同様 報告 あ ．
福永 文献 比較 ，膝関節力 大 同様 傾向 出 ． ，
今回 結果 妥当性 あ 結果 あ 考え ．
正座時 GAS = ，θ = ° あ ． ，第 3.3-1 図 示 大腿下腿接 触
力 上体 前傾 後傾 接触力 増加 ． ，第 3.3-4 図
分 う 接触力，床反力 作用点位置 臀部側 移動 ．こ
，膝関節 わ 床反力 ー ン 大 く ， ン
張力 脛骨軸方向成分，前後方向成分 減少 い ，大腿四頭筋，膝蓋 腱 張 力
増加 いく． ，脛骨軸方向成分 膝関節力 大 く，前後方向 成 分
6
第 章 正座 立 上 膝関節力
4.1
第 1 章 述 う ，深屈曲 対応 新 い人工膝関節 設計評価
多く深屈曲動作 ータ 必要不可欠 あ ．過去 文献( 9 ) 手 使 わ
い蹲 立 上 動作 測定 行わ い ． ，日常生活 手
使 立 上 主 あ ． こ ，本研究 手 使う場合 使わ い 場
合 正座 立 上 動作 大腿下 腿接 触力 各関節 角度 測定 膝 関 節 角
度 算出 比較 ．
4.2 対象 方法
，正座 起立 際 膝関節力 測定 ，被験者 下肢 傷 害
既往 い健常成人男性 4 名 用い ．年齢 22.5±0.433 歳，体重 67.6±
5.188，身長 169.7±2.29cm あ ．
動作 手 前 組 状態，正座 両脚立 2 回，片脚立 左右 2 回
行 ． ，動作 正座 経 立 上
．第 4.2-1 図，第 4.2-2 図 両脚立 ，片脚立 示
次 ，手 大腿 付い 状態 正座 両脚立 2 回，片脚立 左右 2 回
行 ． ，動作 正座 経 立 上
．第 4.2-3 図，第 4.2-4 図 両脚立 ，片脚立 動作 示 ．片脚
立 右足 立 足 ．
大腿下腿接触力 ，第 3 章 同様 圧力 ン 方法 用い 測定 ．
手 大腿上部 圧力 ，6 軸力覚 ン 装着 手袋 付け こ
計測 ．股関節 作用点位置 あ 自然 手 く位置 確 認
測定 ．
今 回 測 定 使 用 力覚 ン ， 株 式会 社 6 軸 力 覚 ン
��S YS U あ ．こ 力覚 ン X, Y, Z軸方向 力 ， 軸 わ
力 ー ン 検出 事 可能 あ ． 第 4.2-5 図
4.3 結果
，第 4.3-1 図 大腿下腿接触力 圧力分布 CON�ORMat 測
定 一例 あ ．大腿下腿接触力 正座 姿勢 時
一度小 く ，立 上 時 大 く ． ，膝関節角度 60 度 超
え こ ，急激 減少 0 収束 ．
第 4.3-2 図，第 4.3-3 図 結果 示 ．第 4.3-2 図 算出値 あ ，図中 (a)
7
図中 (a) 大腿下腿接触力 大 ，(b) 膝関節角度 示 い ．膝関節 力
ン 両脚 け 数値 あ ．
大腿下腿接触力 ，両脚立 ，片脚立 手 付い 立 上 ほ う
ー 値 0.1～0.3[BW]小 い． ン 両脚立 ，片脚立
手 付く場合，付 い場合 ー 値 比較 0.1～0.2[BW]手 付
くほう 大 い．
正座 姿勢 時，両脚立 ，片脚立 膝関節力�n，�t 最
大値 手 付い 時 方 ，0.1～0.3[BW]大 い．蹲 立 上 時，両
脚立 ，片脚立 �n，�t 最大 1.2[BW]，0.3[BW]手 付い 時 小
い．
4.4 考察
正座 立 上 対象 研究 少 い ， ，蹲 立 上
時 大腿下腿接触力，膝関節力 福永 ( 6 ) 文献 比較 ．大腿下 腿 接
触力，膝関節力 同様 結果 得 ．
手 付い 立 上 大腿下腿接触力 手 付 い場合 小 い．
ン 大腿四頭筋力 増加 ．
第 4.3-2 図 0.7[sec](正座時) 手 付 い場合 方 膝関節力�n 大
い． 2.0[sec] 蹲 立 上 前 ，膝関節力 手 付い
場合 方 手 付 い場合 大 い．こ ， 式 膝屈曲角度θ
理由 あ 考え ．正座時 θ= ° あ 時．cos � 負 値
ン 大 い手付 ほう �n 小 く 考え ．θ 小
く cos � 大 く いく 2.0[sec] 手 付 ほう �n 大
く ． 2.0[sec]以降 ン 減少 影響 小 く
考え ．
今回，手 大腿 付く場合，付 い場合 最大値 大 差異 見
，人工関節設計 強度設計 観点 利用 考 え
． 日常 手 付く場合 多い ，手 使 立 上 動作 重
8
第 5 章 結 言
本研究 ，深屈曲動作時 ータ 蓄積 ，正座時，正座 立 上
時 下肢筋力 膝関節力 算出 行 ． ， 入力値 大腿 下 腿
接触力 関節角度 測定 ．
前者 動作 い 上体 前 傾 後傾 大腿 下腿 接触力 大 く
．こ 伴い，�n 大 く ，�t 小 く ．
後者 ，手 大腿 付い 場合 付 い場合 比較 行 ．膝屈曲 角 度
大 い 手 付い 場合 方 膝関節力 小 く，膝屈曲角度 小 い 手
付 い場合 ほう 膝関節力 小 く ．
今後 課題 ， 多く 被験者 測定 行うこ ，正座状態 手 床 付
9 参考文献
[1] 内閣府 っ平成 29 年版高齢社会白書 第 1 章 1 節 1 高齢化 現状 将来像”
[2] 金粕浩一，っTKA 機種 可動域 -Scorpio Superflex PS 臨床成績 可動
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[3] Dahlkvist，N．J，et al，っForces during squatting and rising from a deep squat”， Engineering in Medicine，11-2 1982 ，69-76．
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[5] 廣川俊二 ，っ 立 上 動作 対象 下肢 力 学
解析”，日本機械学会論文集 C 編 ，76，770 2010―10 ．
[6] 福永道彦 ，っ膝深屈曲時 大腿下腿接触力 膝関節力 与え 影響”，日 本
機械学会論文集 C 編 ，79 806 2013―10 ．
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[8] 森本健太郎，っ膝深屈曲 時 大腿 下腿接 触力 検 討”，大 分大 学 卒業論 文
10
11
第 2-2 図 大腿四頭筋 膝蓋骨 力 比
12
13
第 3.2-2 図 外力 ー ン あい
14
第 3.2-1 表 ン ー 仕様
感圧 イ [mm] 471.4×471.4
ン ッチ[mm] 14.7
ン 数[個] 32×32=1024
厚 [mm] 1.78
15
(a) 膝関節力
(b) 大腿四頭筋
0.5 1.5 2.5 3.5 4.5
0 0.1 0.2 0.3
膝
関
節
力
F
n
[BW
]
時間[sec]
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0 0.1 0.2 0.3
膝
関
節
力
F
t[
BW
]
時間[sec]
4 4.5 5 5.5 6 6.5
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
大
腿
四
頭
筋
力
[BW
]
16
(c) ン
(d) 膝蓋腱張力
第 3.3-2 図 算出値 0
0.5 1 1.5 2 2.5
0 0.1 0.2 0.3
ン
[B
W
]
時間[sec]
2.5 3 3.5 4
0 0.1 0.2 0.3
膝
蓋
腱
張
力
[BW
]
17
(a) 大腿下腿接触力
(b) 大腿下腿接触力 作用点位置
(c) 股関節角度
第 3.3-3 図 測定値 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0 0.1 0.2 0.3
大
腿
下
腿
接
触
力
[B
W
]
時間[sec]
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0 0.1 0.2 0.3
作
用
点
位
置
時間[sec]
50 70 90 110 130 150
0 0.1 0.2 0.3
股
関
節
角
度
[
度
]
18
(a) 作用点位置 体重
(b) 作用点位置 大腿太
第 3.4 図 作用点位置 身体情報 関係
40 50 60 70 80 90
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
体
重
[k
g]
bp/脛骨
0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
大
腿
太
[m
]
19
第 4.2-1 両脚立 動作
20
第 4.2-3 手付 両脚立 動作
21
22
23 両脚
右脚
左脚
(a) 膝関節力
0 1 2 3 4 5 6 7
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
膝関節力
[BW
]
時間[sec]
Fn 手 付 い Fn 手 付く
Ft (手 付 い Ft 手 付く
0 1 2 3 4 5 6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
膝関節力
[B
W
]
時間[sec]
Fn 手 付 い Fn 手 付く
Ft 手 付 い Ft 手 付く
0 1 2 3 4 5 6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
膝関節力
[B
W
]
時間[sec]
Fn 手 付 い Fn 手 付く
24
(b) ン
第 4.3-2 図 算出値 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0 1 2 3
ン
[B
W
]
時間[sec] 手 付 い両脚
手 付く両脚
0 1 2 3 4
0 1 2 3
ン
[B
W
]
時間[sec] 手 付 い右
手 付く右
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0 1 2 3
ン
[B
W
]
時間[sec] 手 付 い左
25
(a) 大腿下腿接触力
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 1 2 3
大
腿
下
腿
接
触
力
[B
W
]
時間[sec] 手 付手 付く両脚い両脚
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0 1 2 3
大
腿
下
腿
接
触
力
[B
W
]
時間[sec] 手 付手 付く右い右
0 0.2 0.4 0.6 0.8
0 1 2 3
大
腿
下
腿
接
触
力
[B
W
]
時間[sec] 手 付 い左
26
(b) 膝関節角度
第 4.3-3 図 測定値 20
70 120 170
0 1 2 3
膝
関
節
角
度
[d
eg
]
時間[sec] 手 付 い両脚
手 付く両脚
20 70 120 170
0 1 2 3
膝
関
節
角
度
時間[sec] 手 付け い右
手 付け 右
20 70 120 170
0 1 2 3
膝
関
節
角
度
時間[sec] 手 付け い左
