センサーを内蔵した手頃な価格の3Dプリントインソールは、致命的な糖尿病性足潰瘍を防ぐことができる

出典: MEMS

英国スタッフォードシャー大学の研究者らは、致命的な糖尿病性足潰瘍（DFU）の悪化を防ぐのに役立つ可能性のある、統合型センシング機能を備えた超低コストのインソールを開発した。研究チームが開発した手頃な価格の3Dプリントインソールは、潰瘍の進行を監視するために電子センサーを使用するのではなく、小さな調整可能な構造を使用して、歩行中に着用者の足のどこに過負荷がかかっているかを正確に検出できる。この変形データを使用することで、臨床医は患者の潰瘍の早期兆候を検出し、潰瘍の進行をより適切に管理して、患者が切断手術を受けることを防ぐことができます。

「世界中で毎年2,600万人以上が糖尿病性足潰瘍を発症しており、発展途上国では糖尿病性足潰瘍の生涯罹患率が20%を超えています」と、この研究の共著者であるナチ・チョカリンガム教授は説明しました。「足潰瘍を予防する低コストの方法を確立すれば、糖尿病による世界的な社会経済的負担が軽減され、最終的には人命が救われるでしょう。」

「この技術がさらに発展すれば、この論文で報告されたコンセプトは、世界中で糖尿病性足潰瘍リスクの臨床管理を変革する可能性を秘めている。」
(a) 研究チームが設計したセンサーインソールとその内部構造。(b) センサーインソールのテスト性能に基づいて描かれた地図（出典：Royal Society Open Science）
糖尿病の致命的な合併症<br /> 2 型糖尿病患者の多くは感覚神経障害を経験します。これは、徐々に神経が損傷し、脚と足の感覚が失われる病気です。その結果、多くの患者は足の痛みを感じることができなくなり、以前よりも重い負荷がかかるようになり、糖尿病性足潰瘍につながる可能性があります。

糖尿病性足潰瘍は、一見些細なことのように思えるかもしれませんが、気付かれずに感染しやすい開いた傷口を形成するため、糖尿病は現在、世界中で非外傷性切断の最も一般的な原因となっています。一般的に、臨床医は足底圧の軽減が糖尿病性足病の治療に非常に重要であると考えているため、潰瘍部位を靴の高負荷圧力から保護するために靴を処方することがよくあります。

こうした矯正器具は以前から人気があるが、その設計は糖尿病患者の足にかかる圧力が危険なレベルを超えたときの証拠よりも、医師の臨床的直感に基づいている。高度な靴の圧力監視システムは存在しますが、通常は高価な電子センサーとかさばるデータ追跡装置に依存しており、実際の応用を妨げています。

そのため、圧力閾値ベースのデバイスは現在の整形外科用靴よりも糖尿病性足潰瘍の再発リスクを軽減する可能性が高いという証拠が増えていることを踏まえ、スタッフォードシャー大学のチームは、足の過負荷領域をより正確に特定するのに役立つ統合型センシング機能を備えた手頃な価格の 3D プリントインソールを開発しました。
3D プリント技術は、カスタム整形外科用靴の製造にますます利用されています (出典: Trinkley)
斬新な低コストのインソールデザイン<br /> チームが開発した糖尿病性足潰瘍用のインソールは極めて柔軟性が高く、相互接続された一連の小さな六角形構造で構成されており、低圧下でバネのようなフィードバックを提供します。しかし、インソールにかかる負荷が事前に設定された臨界圧力レベルに達すると、その抵抗は実質的に低下し、糖尿病患者の足は継続的な圧力から解放されます。

研究チームは、1週間の使用後、インソールの微細構造に蓄積的な損傷が生じ、インソールの機械的特性が変化した可能性があると考えており、その結果、足の脆弱な部分を特定できたという。研究者らは、斬新なデザインの実現可能性を評価するために、熱溶解積層法（FDM）を使用して、それぞれ7つの六角形構造を持つ26個のサンプルを3Dプリントし、機械的負荷テストを実施しました。

糖尿病患者の1日の平均歩数に一致する2,000サイクルのテスト後、サンプルは耐久性があるだけでなく、圧力閾値も252 kPaに達しました。さらに、その後の有限要素解析により、研究チームは、この圧力閾値を特定の用途のニーズに合わせて増減できること、さらには患者向けにカスタマイズされたインソールを作成できることを発見しました。

研究者らは、臨床使用に先立って設計をさらに改良する必要があると結論付けたものの、薄壁構造をセンシング診断ツールとして使用することの実現可能性と、「DFU リスク評価を強化し、効果的な緩和介入の設計を導く」可能性を実証していると主張している。

「私たちの研究は、低コストの非電子技術を使用して足の過負荷を検出する信頼性の高い方法を実証しました」と、研究の主著者であるパナギオティス・チャツィスターゴス博士は述べています。「私たちは、調整可能な圧力閾値を超えてまたは下で圧力を繰り返し加えると特性が変化する 3D プリントされた薄壁構造を使用しました。これは、糖尿病性足潰瘍を検出するための現在の方法に大きな変化をもたらすと考えています。」

付加製造法で製造された整形外科用シューズ<br /> 付加製造により製品のカスタマイズと設計の柔軟性が可能になるため、この技術は履物製造の分野でますます利用されるようになっています。今月初め、3DモデルメーカーのPROTIQは、靴職人が顧客向けに整形外科用靴を設計、カスタマイズできる3Dプリントベースの靴製造ツールを発売した。

同様に、バイエルのフットケア子会社であるDr. Scholl’sも、以前Wiivvと協力してカスタム3Dプリントインソールのラインを開発しました。 FitMyFoot（旧Wiivv）のテクノロジーにより、ユーザーは自分の足を3Dスキャンしてパーソナライズされた靴を作成することができ、患者の足の痛みを軽減し、体の姿勢を改善するのに役立ちます。

他にも、3Dプリント技術は、アテネ国立カポディストリアン大学が開発した「e-リング」など、痛みのない血糖値モニタリング装置の開発にも利用されている。この新しいデバイスは、標準的なスマートフォンに接続すると、バイオマーカーを使用して、装着者の血糖値を極めて正確に測定できるようになります。

血糖値モニタリング用の 3D プリント「e リング」は、Panagiotis E. Chatzistergos 氏と Nachiappan Chockalingam 氏が共同執筆した「日常生活動作中の足の過負荷を低コストで非電子的に検出する新しいコンセプト」と題された論文で説明されています。

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