膝下プロテーゼの推定慣性特性に関する振動及び反応ボードテクニック
2014年5月8日
身体分節慣性特性は、逆動力学モデリングのために必要とされる。振動及び反応基板技術を用いて、膝下プロテーゼの慣性特性を測定した。義足の逆動力学モデルにおける慣性補綴の直接的な尺度を使用すると、得られた関節力及びモーメントの大きさが下側になった。
この手順の全体的な目標は、膝関節下の義足の慣性特性を推定することです。これは、まず、プロテーゼをケージ内に吊り下げた状態での振動周期を測定することによって達成されます。2番目のステップは、リアクションボード技術を使用して、プロテーゼとケージを組み合わせたシステムの重心位置を推定することです。
次に、プロテーゼをケージから取り出し、リアクションボード技術を使用してケージだけの重心位置を推定します。最後のステップは、ケージのみの振動周期を測定することです。最終的に、この慣性計測システムは、4 x 4 の木製ブロックなどの既知の幾何学的固体を使用して検証されました。
これらの実験の結果は付録に記載されています。ケージの慣性測定値は、プロテーゼとケージを組み合わせた測定値から差し引かれ、プロテーゼの慣性特性の推定値が得られます。この技術の主な利点は、義肢側の慣性特性を仮定するような、既存の方法に対するこの技術の主な利点は、無傷の側の慣性と同様に、義肢の慣性が人の生体力学的モデルでより正確に表現されることであり、まず、義肢を椅子に座らせて、被体が一連の膝屈曲を行うことができるように、切断者を椅子に座らせ、拡張アクション。
次に、膝の回転中心またはCORを特定し、CORに小さなテープを置きます。次に、プロテーゼの唇から膝までの距離(COR)を測定します。膝のCORが義肢の唇より下にある場合、この値は負の値として記録する必要があります。
次に、膝のCORと足首のCORの間の距離を決定します。次に、義肢とその下にあるスリーブを取り外し、フレキシブルな巻尺を使用して残肢を測定し、残肢の慣性特性を推定します。次に、膝関節から指約2本分の幅である最大円周である残肢の近位円周を測定します。
次に、遠位端の最後の骨の隆起にある残肢の遠位周囲を決定します。次に、残肢の長さ、つまり腓骨頭から残肢の最も遠位の側面までの距離を測定します。車軸を取り外してオシレーションラックからインナーケージを取り外し、被験者のライナーとプライをプロテーゼのソケット内に配置します。
次に、靴を履いたままでプロテーゼを内側の振動ケージ内にしっかりと配置し、ベルクロストラップを使用してプロテーゼの足をケージの遠位プレートに固定します。次に、車軸を固定して、インナーケージをオシレーションラック内に再配置します。インナーケージの吊り下げアームを止めネジに合わせ、振動角度を5度未満に設定します。
振動の試行を開始するには、インナーケージを止めネジに当たるまで引き戻し、次に止めネジとインナーケージの間のスペースが見えるまで前方に動かします。プロテーゼをインナーケージに配置した状態で3回の振動試行を収集し、各試行の1つの完全な振動サイクルの平均時間を記録します。リアクションボードの測定値をずらす前に、プロテーゼをラックに固定し、内側のケージをナイフの刃に水平に置いて配置します。
次に、デジタルキャリパーとフレキシブルメジャーを使用して、上部の調整可能なプレートとインナーケージの上部にある固定クロスメンバーとの間の距離を記録します。次に、底部調整板とインナーケージ上部の固定クロスメンバーとの距離を測定し、下部調整プレートとインナーケージ下部の固定クロスメンバーとの距離を決定します。次に、2つのナイフエッジ間の距離を測定します。
スケールをゼロに引き裂いた後、ラックと義肢をリアクションボードアセンブリに配置します。次に、内側のケージの一方の端をスケールの上に置き、ナイフの刃を内側のケージの底に配置して、水平になり、2つのナイフの刃の間に張力がかからないようにします。スケールの端を数回持ち上げて、スケールに戻します。
スケールからの一貫した読み取りが達成されたら、値を記録します。次に、インナーケージからプロテーゼを取り外し、ケージだけのリアクションボードの読み取りを記録します。義肢から靴を取り外し、靴の質量を測定します。
次に、靴を除いた義肢の質量を取得します。次に、足首のCORと足の足底面との間の距離を測定します。次に、靴を履かずに義足の長さを決定します。
シューズを義足に戻し、足首のCORからシューズのソールまでの距離と、シューズを履いた状態での足の長さを測定します。次に、内側のケージを発振ラック内に再配置し、反射テープ付きの黒い角がフォトセルに最も近くなることを確認します。軸を固定し、インナーケージの吊り下げアームが止めネジと揃っていることを確認します。
最後に、各試行C付録Aの最初の振動周期のみを記録する10回の振動試行を収集して、ケージが空のときに最初の振動周期のみが記録される理由を説明します。義肢側の慣性特性は、無傷の脚の慣性特性よりも有意に低かった。補綴側の質量は39%少なかった。
慣性モーメントは52%少なく、重心は無傷の推定値よりも膝に24%近かった。足首、膝、股関節の関節反力は、前方、後方、垂直方向で決定されました。立脚フェーズは、歩行サイクルの0%から始まり、歩行サイクルの約60%で終了します。
スイングは、同じ脚の次の足の接触まで100%で続きます足首、膝、および股関節を通る横軸の周りの関節モーメントを分析したときに、次の結果が得られました。スイング中の義肢側の運動学的プロファイルは、無傷の手足のプロファイルにより類似していました。無傷の四肢の慣性特性を使用して義肢側をモデル化した場合、この手法を習得すると、適切に行えば30分以内に実行できます。
概要
本研究では、振動および反力板法を用いて下腿義足の慣性特性を推定することに焦点を当てています。その結果、義足の慣性を直接測定することで、より正確なバイオメカニカルモデルが構築され、関節力および関節モーメントがより低く算出されることが示されました。
研究の主要構成要素
科学分野
- バイオメカニクス
- 義肢装具学
- 慣性計測
背景
- 正確な逆動力学モデリングには、慣性特性を理解することが不可欠である。
- 既存の手法では、義肢の慣性は健常肢と同等であると想定されることが多い。
- 正確な測定を行うことで、義肢のバイオメカニクス的な表現を改善できる可能性がある。
- 本研究では、既知の幾何学的立体を用いて、新しい測定手法の妥当性を検証する。
研究目的
- 下腿義足の慣性特性を推定すること。
- 切断者のバイオメカニカルモデルの精度を向上させること。
- 既知の標準規格を用いて測定手法を検証すること。
使用した手法
- 人工装具およびケージの振動周期の測定。
- 反応板を用いた重心の推定。
- 義足側と健常脚の慣性特性の比較。
- 測定の精度を確保するための複数回の試行によるデータ収集。
主な結果
- 義足側の質量は、健常脚よりも39%少ないことが判明した。
- 慣性モーメントは52%低く、重心は膝に24%近かった。
- 関節反力について、複数の方向から分析を行った。
- これらの結果は、義足のダイナミクスのモデリングにおける精度が向上したことを示している。
結論
- 新しい測定手法により、義足の慣性をより正確に表現することが可能になります。
- 直接測定を行うことで、推定される関節力およびモーメントを大幅に低減できる可能性があります。
- このアプローチは、義足デバイスの設計および機能性の向上に寄与すると考えられます。
よくある質問
産業界における重要性
義肢の慣性特性を正確に推定することは、リハビリテーション研究およびデバイス開発におけるバイオメカニカルモデリングにおいて極めて重要です。直接測定法を用いることで、特に関節の遊脚相において関節キネティクスを歪ませる可能性のあるモデリング上の仮定を減らすことができます。これにより、義肢のデザインや機能的アウトカムのより信頼性の高い前臨床評価が可能になります。
バイオファーマR&Dにおける戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 科学的価値： 実証的に導出された慣性パラメータを提供することで、義肢のダイナミクスに関する仮説検証を可能にする。
- 実用的価値： 非切断肢の仮定への依存を減らし、切断患者コホートに対するモデルの特異性を向上させる。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： 義肢システムにおいて、定量的かつ再現可能な出力（質量、慣性モーメント、重心）を算出します。
- 運用上の価値： 施設間での慣性測定を標準化し、比較研究に向けたアッセイの準備状態をサポートします。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 科学的価値：シミュレーションによるキネティクスを計測された遊脚相の挙動と一致させることで、逆動力学モデリングにおける予測の信頼性を向上させます。
- 運用的価値：ベンチサイドでの計測から前臨床歩行分析ワークフローへの継続性を支援します。
パイプラインおよびワークフローの統合
この手法は、生物学的システムの特性評価に基づいて、その後の機能評価を行う初期のディスカバリーワークフローに適合します。
- 発見生物学：義肢の相互作用に関するバイオメカニクス的仮説を精緻化するための、経験的な慣性データを提供する。
- スクリーニング：実験条件全体で一貫した評価を行うための、標準化された義肢の慣性パラメータを提供する。
- 分析：義肢設計の定量的な比較を可能にする質量、慣性、および重心の指標を出力する。
- トランスレーショナルリサーチ：歩行シミュレーションのモデル精度を向上させることで、ベンチ測定から前臨床検証への橋渡しを行う。
- エンタープライズでの再利用：複数のプロジェクトにわたる支援デバイスの慣性特性評価のための、再利用可能なプラットフォームを確立する。
運用および企業への影響
- 科学的価値：慣性モデリング誤差を低減することで、関節負荷推定における予測の信頼性を向上させる。
- 運用の価値：義肢のバイオメカニクス評価における再現性と標準化を強化する。
- 戦略的価値：より正確なバイオメカニクス的なフィードバックを提供することで、義肢設計におけるgo/no-go判断の精度を高める。
- ポートフォリオへの影響：メカニズム面でのリスク低減（de-risking）を改善し、リスク調整に基づいた義肢コンセプトの推進を可能にする。
実施上の検討事項
- バイオメカニクスおよび慣性計測技術に関する専門知識が必要です。
- 振動ラック、反応板、およびタイミング計測機器に依存します。
- 一貫した振動およびポジショニングプロトコルを維持するため、ユーザー間での標準化が必要です。
- 異なる義足モデルや断端の形状に適用する場合、調整の検討が必要です。
- 義足への物理的なアクセスおよび制御された振動条件が必要であるという制限があります。
