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1章 緒 言
総務省統計局(1) 現在，日本 65歳以上 高齢者人口 3461万人
達 ，総人口 占 割合 27.3％ 超高齢社会 い ．
，今後 高齢者 増加 予想 ．高齢者 増加 伴い高齢 ほ
発症 高 変形性膝関節症や慢性関節 ウ チ 患者 増加
確実 あ ．治療法 人工膝関節置換術 有効 ，今後人工膝
関節 需要 増加 予想 ． ，人工膝関節置換術 い ，
膝蓋骨 置換 否 現在 議論 行わ い (1)．
現用 人工膝関節 ，形状や材料 改良 装着感 向上や高性能化，長寿
命化 進 い 膝屈曲角度 130度 越え 深屈曲動作 い 保証
い い．深屈曲動作 ア ア，ア 地域 生活様式 い 日常的 動作
あ ．今後ア ア，ア 地域 生活様式 適合 ，深屈曲動
作 保障 新製品 開発 対 期待 大 い．
新型人工膝関節 開発 い ，実際 患者 適用 前 段階 安全性
担保 求 ． 方法 様々 ， 長所 短
所 あ ．例 ，わ わ 研究 大腿，膝蓋，脛骨 含
3次元力学 コン ータ ー ョン 行 ．コン
ータ ー ョン ，条件 変更 様々 膝関節 運動
や力 情報 得 事 ，結果 妥当性 検証 実測 ー
タ 照 合わ 必要 あ ．
実測 ータ 収集 先行研究 存在 ．Kutzner(2)
研究 患者 セン ー内臓人工関節 挿入 ータ 得 in vivo実験や，
実際 膝 模 ータ ータ 得 研究 存在 ．in vivo実験
，患者 負担 強い 今後 実験 行え 保障 い．
膝 模 ータ い 先行研究 ，oxford rig 3 や
kansas 4 ータ 存在 ， ータ い
問題 存在 ． ータ 問題点 ，床反力
筋力 調整 難 屈曲動作 再現 困難 あ や，筋肉 制御
非常 難 い 挙 ．
本研究 ，膝 模 ータ 着目 ． 本研究 上記 先
行研究 問題点 解決 以下 性能 取 入 ータ 製作
，深屈曲動作 ータ 収集 膝蓋骨形状 運動 与え 影響 調
目的 ．
人工膝関節 性能評価 行う 筋力 作用
2
2章 ータ 構成
本 ータ 求 機能 ，諸言 示 ，下記 点 あ ．
人工膝関節 性能評価 用い ．
筋力 作用 ．
深屈曲可能 あ .
要求 満 以下 構造 ．
異 イン 人工膝関節 自由 評価 う ，三次元
造型機 成型 関節面形状 簡単 取 付 ，取 外 う設計
．
膝関節 一般 6自由度 運動 行う ， 主要 機能 屈曲・伸展
1軸回転 あ ， 他 回転や移動 屈伸運動 付随 あ ．
屈伸機能 行わ 筋 ，屈曲 ー ン 生成 ン ，伸
展 ー ン 生成 大腿四頭筋 あ ． ， 筋 ワイ
代替 ， ータ 含 ． ，大腿四頭筋 大腿直筋・内側
広筋・中間広筋・外側広筋 筋 ，膝蓋骨 骨盤 大腿骨
筋 ，膝蓋腱 通 脛骨 作用 ． ， ン 半膜様筋，
半腱様筋，大腿二頭筋(長頭・短頭) ，脛骨 後部 骨盤 大腿骨
筋 あ ． 筋要素 機能 持 ， ータ
構造 複雑 ，大腿四頭筋 ン
筋 捉え 設計 ．
い ，深屈曲可能 実現 解決 問題点 ，以下
点 あ ．
深屈曲域 膝 接触 ン 崩 い ．
現用人工膝関節 深屈曲時 軟組織 筋 含 い状態 イン ン
い ．
以下 解決策 示 ．
床反力 い機構 ．本来，生体膝 下腿側 大 床半力
，い 靱帯や筋力 ン 取 安定 運動 行 い
． ， ータ 筋力 制御 関節 脱臼 い う ン
困難 あ ． ，床反力 い う大腿骨 地面 平
行 固定 ，外力 い状態 ．
生体膝 深屈曲 際 ，脛骨 大幅 前方移動 軟組織 干渉 ，
ほ 場合大腿脛骨 非接触状態 ． ，主要 靱帯 い
切除 多い人工膝関節 い ，膝 非接触状態 運動
イ ，危険 あ ．脛骨 前方移動 担保 ，大腿骨
脛骨 後方同士 干渉 ，可動域 制限 う． ，大腿骨 後方部
広い セッ ，関節面 接触 深屈曲 う工夫
3
本 ータ 模式図 第2-1図 ，写真 第2-2図，第2-3図 示 ．
本 ータ ，脚膝関節 模 ，大腿骨，脛骨，膝蓋骨，大腿
四頭筋， ン 構成 い ．大腿骨 ータ本体
固定 ,筋 模 ワイ ー 力 ．屈曲可動域 ，屈曲角0 度 屈
曲角140度 ．
本 ータ 使用 筋 い 説明 ．筋 ワイ ー 代替 ，
ン 2本，大腿四頭筋 4本 ．本数 い 説明 ,ワイ
ー 本 ,力 軸方向 動 不安定 ,ワイ ー 増や 付着部位
置 収 あ ．膝蓋腱 ワイ ー2本 用い， 長 ㎝
．膝蓋腱長 脛骨側 膝蓋腱付着部位置 Fukunaga 三次元
解析 結果(5) 参考 ．付着部位置 第2-4図，第2-5図 示 ．筋
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3章 対象 方法
3.1 対 象
対象人工膝関節 ，現用 人工膝関節 あ Striker社製Scorpio Superflex(PS
型) 第3-1図 ．
PS Posterior Stabilized 型人工膝関節 ，後十字靱帯 切除 症例 用
い ．
実際 膝 ，後十字靱帯 あ 脛骨 ー ッ 促進
． ー ッ 大腿脛骨間 滑 伴う後方 転 運動 あ ，
ー ッ 促進 深屈曲 可能 ．PS型人工膝関節 ，
脛骨 ，大腿骨 付い ，あ 屈曲角度以上
接触 ，脛骨 ー ッ 促進 ．
膝蓋骨コン ーネン ，円形・ ー 形状 解剖学的形状
使用 ．概要 第3-2図 示 ．
対象人工膝関節 ，PCL 樹脂 直径 1.75mm 材料 D ンタ
MakerBot製Replicator2 成型 ．
3.2 方 法
3.2.1 膝 力 算出
対象動作 ，屈曲角0度 屈曲角140度 膝屈曲動作 あ ． 際，
脛骨 前方 手 押 ，屈曲 ．
大腿四頭筋， ン 19.6N 張力 ， 屈曲
動作 タ 用い，内側部 撮影 ．
膝蓋骨コン ーネン 円形・ ー 形状 膝蓋骨 解剖学的形状 膝
蓋骨 用い，実験 得 画像 関節 力 計算 ．関節
力 概要 第3-3図 示 ．
膝蓋骨 着目 ，膝蓋骨 力 Q(大腿四頭筋)，CF(大腿膝蓋接触
力)，PT 膝蓋腱張力 ，Wp 膝蓋骨 重力 ， う Q Wp 既知
，以下 示 力 釣 合い 条件 PC，PT 算出 ．
Qcosθ − ��� �� − ��� �� = 0 1
−Qsinθ + ���� � − ��� �� + ��=0 (2)
θ 大腿四頭筋 水平方向 角 ，θ (膝蓋腱 水平方向 角)，
5
次 脛骨 着目 ，脛骨 力 TC 脛骨軸方向力 ，H ン
力 ，PT 膝蓋腱張力 ，F 脛骨前後方向力 ，Wt 脛骨 重力 5
表 ．大腿脛骨間 関節 力 脛骨軸方向 前後方向 分 い ．
時，脛骨軸方向力 関節面 接触力，脛骨前後方向力 接触力
主 考え ．以下 示 力学的平衡条件式 TC F 算出 ．
PTcosθ + �� �� − �� �� + ��� �� = 0 (3)
PTsinθ + ��� � − ��� � + ���� � + ��= 0
(4)
θ ( ン 筋 水平方向 角)，θ (脛骨前後方向 水平
方向 角)，θ (脛骨軸方向 水平方向 角) ．
3.2.2 9軸セン 用い 屈曲角度，回旋角度，内・外反角度 測定
本研究 ，9 軸セン ー InvenSense 製 MPU-9250 用い ．
9軸セン ー ，3 軸加速度セン InvenSense 製 ，3軸 イ
セン InvenSense製 ，3軸電子コン セン 旭化成エ ニ 製
搭載 3軸 角速度，加速度，磁気 測定可能 あ ．
セン 使用 あ Grood(7) 文献 用い ．
本研究 ，上記 述 9 軸セン ー 2 台用い，脛骨，大腿骨
内側部 取 付 ，屈曲角度，回旋角度，内・外反角度 測定 ．対象動作
，3.2.1 同様 あ ． 動作 円形・ ー 形状 膝蓋骨 解剖
学的形状 膝蓋骨 10回繰 返 測定 ， 平均値 屈曲角度，回旋
6
第4章 結果 考察
4.1 膝 力 計算結果 考察
両膝蓋骨形状 屈曲角度 大腿膝蓋接触力 膝蓋腱張力 大腿四頭
筋力 対 力 比 第4.1-1図，第4.1-2図 示 ．
大腿膝蓋接触力 ，屈曲角60 度 同様 推移 ，屈曲角60 度 屈曲角
90 度 い 解剖学形状 膝蓋骨 ，円形・ ー 形状 膝蓋骨 比 大
い値 示 ．屈曲角90度以降 い 円形・ ー 形状 膝蓋骨 方 大
い値 示 ， 差 最大 21％ 差 あ ．
大腿膝蓋接触力 結果 Sharma(6) やMason (7) 比較 ，円形・ ー
形状 膝蓋骨 用い 測定 ，同様 傾向 ． 本
ータ 大腿膝蓋接触力 い 妥当性 確認 ．
膝蓋腱張力 ，屈曲角90 度 同様 推移 ，屈曲角90 度以降 い
円形・ ー 形状 膝蓋骨 方 大 い値 示 ， 傾向 深屈曲域 顕著
あ ，屈曲角140度 い 差 89％ 最大 あ ．
膝蓋腱張力 結果 Sharma 結果 比較 ，円形・ ー 形状 膝蓋
骨 用い 測定 ，同様 傾向 ．解剖学形状 膝蓋骨 ，膝蓋腱
張力 大腿四頭筋 対 比 90度以降減少 い 傾向 ．
，両膝蓋骨 大腿接触力方向 水平方向 角θ 比較 ，
解剖学形状 方 大 い傾向 い ．第3 章 述 式(1)，( )
膝蓋腱張力 算出 今回 結果 ．膝蓋腱張力 ，膝蓋骨形状 依存
考え ．
両膝蓋骨形状 屈曲角度 脛骨前後方向接触力 脛骨軸方向接触力
大腿四頭筋力 対 力 比 第4.1-3図，第4.1-4図 示 ．
脛骨前後方向接触力 ，屈曲角0度 屈曲角60度 同様 推移 ，屈
曲角61 度 屈曲角90 度未満 ，円形・ ー 形状 膝蓋骨 方 解剖学
形状 膝蓋骨 比 大 い値 ．屈曲角90度以降 い 解剖学形状
膝蓋骨 ，円形・ ー 形状 膝蓋骨 比 大 ，平均 28％ 差 示
．
脛骨軸方向接触力 ，屈曲角0 度 屈曲角 100 度未満 い 同様 推移
．屈曲角100 度 屈曲角140 度 ，円形・ ー 形状 膝蓋骨 解剖
学形状 膝蓋骨 比 大 ，平均28.5％ 差 示 ．
両膝蓋骨形状 脛骨軸方向接触力 大腿四頭筋 対 力 比 結果 比較
， 110度付近 負 数値 示 ． ，110度付近 脛
骨軸方向接触力 接触力 含 脛骨前後方向接触力
考え ．
7
4.2 9軸セン 用い 屈曲角度，回旋角度，回反角度 測定結果 考察
両膝蓋骨形状 9 軸セン 用い測定 屈曲角度 回旋角度，
内・外反角度 測定結果 第4.2-1図，第4.2-2図 示 ．
脛骨 回旋角度 ，円形・ ー 形状 膝蓋骨 い 最大外旋角度 3.2度，
最大内旋角度 7.5 度 ，解剖学形状 膝蓋骨 最大外旋角度 4.1 度，
最大内旋角度 7.3度 ．両膝蓋骨形状 い 屈曲角30度 外
旋 ， 後屈曲角 140 度 内旋 ．両膝蓋骨形状 い 有意 差
い事 脛骨 回旋角度 膝蓋骨形状 影響 受 い結果
．
脛骨 内・外反角度 ，円形・ ー 形状 膝蓋骨 い 最大外反角度 1.7
度，最大内反角度 0.3度 ，解剖学形状 膝蓋骨 最大外反角度 1.5
度，最大内反角度 0.2度 ．両膝蓋骨 形状 い 屈曲角0度 屈
曲角90度 外反 ，屈曲角90度 100度 内反 ．屈曲角
100度 屈曲角130度 外反 ，130度以降内反 ．両膝蓋骨形状
い 有意 差 い事 脛骨 内・外反角度 膝蓋骨形状 影響
受 い結果 ．
回旋角度 ，屈曲角0度 屈曲角30度 両膝蓋骨 い 外
旋 ． 原因 ，脛骨，大腿骨 形状 正確 い可能性 あ ．本
ータ 用い 脛骨，大腿骨 ， D 造型機 製作 熱処理
素材 加工 室温や湿度 表面形成 正確性 欠 考え
．
両膝蓋骨形状 い 回旋角度 内・外反角度 変動 見
原因 ，大腿膝蓋骨間 摩擦力 大 ，膝蓋骨 動
考え ．今後 課題 ， ータ 用い 膝蓋骨 材質 変更
，表面 加工 大腿膝蓋骨間 摩擦 低減 あ ．
8
第5章 結 言
本研究 ，緒言 述 性能 取 入 ータ 製作 ，膝蓋骨形
状 運動 与え 影響 調査 本研究 目的 ．
対象動作 屈曲角 0 度 屈曲角 140 度 膝屈曲動作 ，円形・ ー
形状膝蓋骨，解剖学形状 膝蓋骨 い 人工膝関節 力 算出
9軸セン 用い 屈曲角度，回旋角度，内・外反角度 角度 測定
．人工膝関節 力 算出 い ，大腿膝蓋接触力，膝蓋腱張力，脛
骨前後方向接触力，脛骨軸方向接触力 対象 ．
膝関節 力 両膝蓋骨形状 い 屈曲角 100 度付近
同様 推移 示 屈曲角 100 度以降 ，特 膝蓋腱張力 い 両膝蓋骨
大 差 ．
9軸セン 用い 測定 ，両膝蓋骨 い 回旋角度 内・外反角度
同様 推移 示 ，有意 差 い事 脛骨 回旋角度
内・外反角度 膝蓋骨形状 影響 受 い結果 有意 差
．両膝蓋骨形状 い 回旋角度 内・外反角度 変動 見
原因 ，膝蓋骨大腿骨間 摩擦力 大 考え ．
今後 課題 ，大腿膝蓋間 大腿脛骨間 摩擦 材質 改良や変更
9
5．参考文献
(1)総務省統計局 統計 ッ No.97 統計 我 国 高齢者
http://www.stat.go.jp/data/topics/pdf/topics97.pdf
(2) Kutzner, I., Heinlein, B., Graichen, F., Bender, A., Rohlmann, A., Halder, A., Beier, A. and Bergmann, G., Loading of the knee joint during activities of daily living
measured in vivo in five subjects, Journal of Biomechanics, Vol. 43, No.11 (2010),pp.2164-2173.
(3) A. B. Zavatsky, A KINEMATIC-FREEDOM ANALYSIS OF A FLEXED-KNEE-STANCE TESTING RIG, Journal of Biomechanics, Vol. 30, No.3 (1997),pp.277-280.
(4) Chadd W.Clary a,b,c,n, ClareK.Fitzpatrick a, LorinP.Maletsky b, PaulJ.Rullkoetter, The influence of total knee arthroplasty geometry on mid-flexion stability: An
experimental and finite element study, Journal of Biomechanics, Vol. 46, 2013,pp.1351-1357.
(5)Michihiko FUKUNAGA, Tadasuke KATSUHARA and Shunji HIROKAWA,A 3D Model Analysis of Artificial Knee Joint during Passive Deep Flexion,Memoirs of the Faculty of Engineering, Kyushu University, Vol.68, No.1, March 2008.
(6) Adrija Sharmaa, Filip Leszkoa, Richard D. Komisteka,_, Giles R. Scuderib, Harold E. Cates Jr.c, Fei Liua, In vivo patellofemoral forces in high flexion total knee arthroplasty, Journal of Biomechanics ,Vol. 41, 2008,pp.642-648.
(7) J.J. Mason, F. Leszko, T. Johnson, R.D. Komistek, Patellofemoral joint forces, Journal of Biomechanics 41 ,2008, 2337–2348.
10
第2-1図 ータ模式図
11
第2-3図 ータ 写真(後方)
12
13
14
15
第4.1-1図 大腿接触力 大腿四頭筋力 対 力 比
第4.1-2図 膝蓋腱張力 大腿四頭筋力 対 比
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0 20 40 60 80 100 120 140 160
大腿膝蓋骨接触力
/
大腿四頭筋力
屈曲角度(deg)
円形・ ー 形状 膝蓋骨
解剖学形状 膝蓋骨
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 20 40 60 80 100 120 140 160
膝蓋腱張力
/
大腿四頭筋力
屈曲角度(deg)
16
第4.1-3図 脛骨前後方向接触力 大腿四頭筋力 対 比
第4.1-4図 脛骨軸方向接触力 大腿四頭筋力 対 比
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 20 40 60 80 100 120 140 160
脛骨前後方向接触力
/
大腿四頭筋力
屈曲角度(deg)
円形・ ー 形状 膝蓋骨
解剖学的形状 膝蓋骨
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
0 20 40 60 80 100 120 140 160
脛骨軸方向接触力
/
大腿四頭筋力
屈曲角度(deg)
17
第4.2-1図 両膝蓋骨 回旋角度
第4.2-2図 両膝蓋骨 内・外反角度
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
回旋角度
(d
eg
)
屈曲角度(deg)
円形・ ー 形状 解剖学的形状
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
内・外反角度
屈曲角度(deg)
