カスタマイズされた付加製造膝装具の区画除荷効果の有限要素解析

出典：上海交通大学ジャーナル

カスタマイズされた付加製造膝装具の装着前後の変形性膝関節症（KOA）患者の膝関節の生体力学的変化をシミュレートするための有限要素モデルを構築し、装具のコンパートメント負荷軽減効果を定量的に研究しました。

図 1 カスタマイズされた積層造形膝装具変形性膝関節症患者の光学表面および CT スキャンを実施し、片側荷重軽減の原理に基づいてカスタマイズされた積層造形膝装具を設計しました。メッシュ作成、材料割り当て、境界設定などの手順を経て、ANSYS などのソフトウェアを使用して、膝関節とカスタマイズされた積層造形膝装具を含む有限要素モデルを構築しました。下肢の荷重支持軸に沿って膝関節に 1100N の圧縮荷重を加え、シミュレーションと応力解析を実行して、カスタマイズされた積層造形膝装具が膝コンパートメントに与える荷重軽減効果を調べ、軟骨、靭帯、下肢皮膚が膝関節の荷重支持能力に与える影響を検証しました。

装具なしの場合と比較して、カスタム膝装具を着用すると、膝の内反角度が減少し、内側圧力が外側に移動し、内側コンパートメント圧力が大幅に減少しました。カスタマイズされた付加製造膝装具は、初期および中期の内側コンパートメント膝関節症患者の歩行中に膝関節の内側コンパートメントに発生する圧力を軽減し、大幅な負荷軽減効果をもたらします。

1. 膝関節装具の有限要素モデルを確立します。靭帯を、引張応力のみを受ける等方性線形弾性材料として定義します。靭帯の開始点と終了点に基づいて、スプリングユニットを使用して応力牽引を置き換え、スプリングユニットを使用して装具のストラップを置き換えます。

図2 膝関節装具の有限要素モデル
2. カスタマイズされた膝装具を着用した後、膝の内反角度が減少し、内側圧力が外側に移動し、内側コンパートメント圧力が大幅に減少しました。装具なしと装具ありの2つのケースにおける大腿軟骨、内側と外側の半月板、内側と外側の脛骨軟骨の最大フォンミーゼス応力は、それぞれ0.62と0.14、0.98と0.55、0.0076と0.0541、0.44と0.14、0.0003と0.0123 MPaでした。

変位量では、膝関節の大腿骨の脛骨に対する前方変位量は、装具装着前が13.96mm、装着後が0.59mmとなり、大腿骨の前方変位量が大幅に改善され、関節間の安定性が向上しました。膝関節の内反傾斜角度は装具装着前は7.84°、装着後は6.65°であった。

図 3 装具を装着していない場合の大腿軟骨、内側および外側半月板、内側および外側脛骨軟骨のフォンミーゼス応力雲図図 4 装具を装着している場合の大腿軟骨、内側および外側半月板、内側および外側脛骨軟骨のフォンミーゼス応力雲図
著者について

第一著者の徐元静氏は工学修士で、国家重点トランスレーショナルメディシン科学技術インフラストラクチャ（上海）革新医療機器登録研究および臨床変革サービスセンターの登録研究開発エンジニアです。長年デジタル医療3Dプリントの研究に取り組んでおり、医学と工学の交差点にあるリハビリテーション機器の登録研究に従事しています。2019年第9回上海リハビリテーション医学科学技術賞一等賞、第6回国際リハビリテーション工学会議イノベーション一等賞、2018年中国付加製造業界新人賞を受賞しました。

責任著者は、上海交通大学医学部付属第九人民病院整形外科主任医師、上海交通大学医学部教授、上海交通大学生物医学工学学院非常勤研究員、博士課程およびポスドク課程の指導者である王金武医学博士です。科学技術部第13次、第14次5カ年国家重点研究開発計画主任科学者、上海交通大学トランスレーショナルメディシン研究所主任科学者、第5回「傑出した業績」人民名医。彼は最初の完走者として、2022年の上海科学技術発明賞の最優秀賞を受賞した。プロジェクト名は「四肢の変形性関節症のデジタル診断と治療のためのキーテクノロジーと機器の開発」であった。上海市医学科学技術賞一等賞、上海市リハビリテーション医学科学技術賞一等賞、中国医学科学技術進歩賞一等賞、江蘇省医学科学技術賞、吉林省科学技術賞一等賞などを受賞。

引用情報 Xu Yuanjing、Gao Haifeng、Wu Yuncheng、Liu Yihao、Zhang Ziyan、Huang Chenglan、Wang Zanbo、Liu Tongyou、Wang Caiping、Miao Weiqiang、Wang Jinwu。カスタマイズされた付加製造膝装具のコンパートメント除荷効果の有限要素解析[J]。上海交通大学誌、2023年、57(5):560-569。

XU Yuanjing、GAO Haifeng、WU Yuncheng、LIU Yihao、ZHANG Ziyan、HUANG Chenglan、WANG Zanbo、LIU Tongyou、WANG Caiping、MIAO Weiqiang、WANG Jinwu。カスタム付加製造膝装具コンパートメントの減圧効果の有限要素解析[J]。上海交通大学誌、2023年、57(5):560-569。

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