(57)【要約】【課題】簡便に測定が可能な測定値から大腿骨頚部の骨折の指標として有効な大腿骨頚部の応力を用いてヒッププロテクタの性能評価が可能な評価システムを提供すること。【解決手段】模擬大腿骨と模擬軟組織とからなる大腿部モデル、模擬大腿骨を支持する模擬寛骨臼治具、ヒッププロテクタに対して衝撃を加えるための衝撃付与手段、模擬寛骨臼治具の下側に配置されるロードセル及び該ロードセルから出力される荷重に基づき模擬大腿骨の頚部の応力を算出する演算装置を備え、演算装置による演算結果によりヒッププロテクタの性能を評価する評価システムであって、前記演算装置が、ロードセルにより検出された荷重ベクトルを骨頭荷重ベクトルＦとして取得する骨頭荷重取得部と、骨頭荷重ベクトルＦから、頚部が円筒状であり頚部の変形が微小であると仮定して、頚部に負荷される最大せん断応力／最小主応力を算出する頚部応力算出部と、を有する評価システム。【選択図】図１
2016123809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
模擬大腿骨と該模擬大腿骨の少なくとも一部を覆いその外表面にヒッププロテクタが配置される模擬軟組織とからなる大腿部モデル、前記模擬大腿骨の大転子が上側を向くように骨頭を下側から支持する模擬寛骨臼治具、模擬大腿骨の大転子の上方向からヒッププロテクタに対して衝撃を加えるための衝撃付与手段、前記模擬寛骨臼治具の下側に配置されるロードセル、及び、該ロードセルから出力される荷重に基づき模擬大腿骨の頚部に負荷される応力を算出する演算装置を備え、該演算装置による演算結果によりヒッププロテクタの性能を評価する評価システムであって、
前記演算装置が、
模擬軟組織の外表面に配置されたヒッププロテクタの上側から衝撃付与手段により衝撃を加えてロードセルにより検出された荷重ベクトルを骨頭荷重ベクトルＦとして取得する骨頭荷重取得部と、
該骨頭荷重取得部に取得された骨頭荷重ベクトルＦから、頚部が円筒状であり、頚部の変形が微小であると仮定して、頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出する頚部応力算出部と、
を有するヒッププロテクタの性能を評価する評価システム。
【請求項２】
前記頚部応力算出部は、前記骨頭荷重取得部に取得された骨頭荷重ベクトルＦから、前記衝撃により模擬大腿骨の頚部に負荷される応力を、頚部軸に直交する任意の頚部断面の断面力として、軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴを算出し、算出された軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴを用い、前記最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出する請求項１記載のヒッププロテクタの性能を評価する評価システム。
【請求項３】
前記の軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴがそれぞれ下記式（１）〜（３）で算出される請求項２記載のヒッププロテクタの性能を評価する評価システム。
【数１】
2016123809.tif 000012
【数２】
2016123809.tif 000013
【数３】
2016123809.tif 000014
【請求項４】
最大せん断応力τmax及び最小主応力σminがそれぞれ下記式（４）及び（５）で表される請求項２又は３に記載のヒッププロテクタの性能を評価する評価システム。
【数４】
2016123809.tif 000015
【数５】
2016123809.tif 000016
Ａ＝π{ｒ２−（ｒ−ｔ）２}
Ｚ＝π{ｒ４−（ｒ−ｔ）４}／（４ｒ）
τmax：最大せん断応力［ＭＰａ］
σmin：最小主応力［ＭＰａ］
Ｐ：頚部軸に直交する頚部断面の軸力［Ｎ］
Ｍ：頚部軸に直交する頚部断面の曲げモーメント［Ｎ・ｍｍ］
Ｔ：頚部軸に直交する頚部断面のねじりモーメント［Ｎ・ｍｍ］
Ａ：［ｍｍ２］
Ｚ：［ｍｍ３］
ｒ：模擬大腿骨頚部の近似外半径［ｍｍ］
ｔ：模擬大腿骨頚部の皮質骨の厚さ［ｍｍ］
【請求項５】
前記ロードセルが、多分力ロードセルである請求項１〜４の何れかに記載のヒッププロテクタの性能を評価する評価システム。
【請求項６】
前記衝撃付与手段は、地面を模擬した重錘部と、該重錘部を支持しつつ移動させる誘導部を有する請求項１〜５の何れかに記載のヒッププロテクタの性能を評価する評価システム。
【請求項７】
前記演算装置が、前記最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを用いてヒッププロテクタを評価する評価部を更に有する請求項１〜６の何れかに記載のヒッププロテクタの性能を評価する評価システム。
【請求項８】
前記評価部は、前記最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminとそれぞれに対応する基準値とを対比することによりヒッププロテクタを評価する請求項７記載のヒッププロテクタの性能を評価する評価システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒッププロテクタの性能評価システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高齢者が寝たきりになるひとつの要因として、転倒による骨折、特に大腿骨頚部骨折が知られている（非特許文献１）。高齢者、特に高齢女性は骨粗鬆症などで骨がもろくなっており、若年者では骨折しないような軽いつまずきによる転倒によっても骨折が生じるリスクが高い。大腿骨頚部骨折の発生率推定の調査（非特許文献２）では、１年間の大腿骨頚部骨折の発生数は１９８７年の５３２００人から、高齢化を反映して２００７年では１４８１００人と２倍以上に増加しており、医療費の増大や高齢者のＱＯＬの観点からも、治療だけでなく、その発生を予防することは大きな意義がある。この骨折の予防法の一つとしてヒッププロテクタ（以下、単に「プロテクタ」と称する。）の着用が挙げられる。プロテクタの着用により、転倒時の大腿骨への衝撃が緩和され、その結果、特に大腿骨頸部骨折の危険性が減少することが期待されている。そのため、これまでに様々なプロテクタが開発されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【０００３】
これらのプロテクタは、上述のように高齢者の大腿骨頚部骨折を予防するために用いられるものであることから、実際に使用した際にその機能が概ね設計通りに発揮されることをある程度確認したうえで製品として提供することが求められる。そこで、プロテクタの開発とともに、その性能を評価する方法も開発され、その評価方法に基づき良好な結果が得られたものが、提供されている。
【０００４】
このような評価方法としては、例えば、特許文献１には、被衝撃側としてフローリング材の上に衝撃吸収パッドを置き、その上に０．３ｍｍの厚みの塩化ビニール製のフィルムを置き、さらに、皮下脂肪の変わりに２０ｍｍ厚みの牛脂を置き、衝撃側として短軸が２１ｍｍ、長軸が３５ｍｍの楕円形をした樫の木を衝撃子としてアームにとりつけ、さらにその衝撃子の上に加速度センサーを取り付け、アームの先端に重りを装着し、加速度センサーから、動ひずみ測定器をアンプとして接続し、オシロスコープでピーク電圧を測定するシステムが記載されている。そして、吸収パッドが無いときに６４０ｋｇｆとなるような高さである、床から２５ｃｍの高さにアームの先端をあげ、そこから初速が入らないように自然落下させる方法をとり、衝撃吸収率＝｛（６４０−ｋ）／６４０｝×１００（式中、ｋはパッドがある時の衝撃力（接触力）を意味する。）を算出し、衝撃吸収率を評価指標としている。
【０００５】
特許文献２には、衝撃振り子（塊、アーム及びピボット）及び解剖学的表面構造及び骨盤コンプライアンスの点で典型的な女性の骨盤に合うように設計された代用骨盤を含む衝撃力減衰試験システムが記載されている。そして、振り子のヘッドは大転子の側面に衝突する向きに定められ、外部に加わる力全体（衝撃力即ち接触力）が振り子上の力プレートによって測定され、軟組織を介して股関節部に送られる力が大腿骨上に取り付けられたロードセルによって測定され、保護なしで転倒した時の大転子上への衝撃力のパーセントで表される大転子上で達成される衝撃力（接触力）の減衰を減衰率として評価指標としている。
【０００６】
非特許文献４には、重錘を垂直方向に自然落下させる垂直落下式の衝撃試験機、スチール製の大腿骨モデルとシリコーンエラストマー製の軟組織モデルとの大腿部モデルを用いた評価システムが記載されており、重錘を大腿部モデルに落下させて大腿骨モデルの大腿骨頚部に設置されたロードセルで荷重を測定し、荷重の大きさを評価指標としている。
【０００７】
このように各種の評価システムが用いられているが、各評価試験で示された有効性と臨床的な評価が一致しない場合もあることが指摘されている。この原因の一つとして、従来の評価試験では多くの場合大腿部と地面との接触力、或いは、大腿骨頚部、骨頭、寛骨臼に加わる荷重を計測しており、骨折の直接の原因となる大腿骨頚部のひずみや応力による評価がなされていないことが考えられる。
【０００８】
そこで、本発明者らは、大腿骨頚部のひずみを測定するための評価システムを提案している（非特許文献５）。この評価システムは、重錘を垂直方向に自然落下させる垂直落下式の衝撃試験機、実際の人の大腿骨を参考に作製された模擬骨とシリコーンゴム製の軟組織モデルとの大腿部モデルを用い、寛骨臼の形状を模擬したナイロン製の治具とこの治具の下に配置したロードセルを用いるとともに、大腿骨頚部の頚部軸周りの４か所にひずみゲージを貼付して、大腿骨頚部のひずみを測定可能としたものである。そして、重錘を落下させて衝撃試験をおこなったときの大腿骨頚部のひずみをひずみゲージにより測定し、その測定結果を指標としてプロテクタの性能を評価するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２６８４０９号公報
【特許文献２】特表２００８−５２５６５９号公報
【特許文献３】国際公開第２０１２／０２９９１７号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｌａｕｒｉｔｚｅｎ  ＪＢ、林泰史、折茂肇、「ヒッププロテクターによる転倒・骨折の予防」、Ｏｓｔｅｏｐｏｒｏｓｉｓ  Ｊａｐａｎ，１０：１４９−１５７ｐ、２００２年
【非特許文献２】第５回大腿骨頚部骨折全国頻度調査成績
【非特許文献３】原田敦、「運動器不安定症と今後の展開」、整形・災害外科  ５０：２７−３５ｐ、２００７年
【非特許文献４】Ｓｉｅｇｆｒｉｅｄ  Ｄｅｒｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．、Ａｎａｔｏｍｉｃａｌ  ｈｉｐ  ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  ｈｉｐ  ｐｒｏｔｅｃｔｏｒｓ、４７５−４８３ｐ、２００５年
【非特許文献５】平林智子ら、「大腿骨近位部骨折予防用ヒッププロテクタの生体力学的評価に基づく開発」、日本機械学会論文集、Ｖｏｌ．８０、Ｎｏ．８１３、２０１４年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、本発明者らによる検討の結果、非特許文献５に記載の評価システムのように大腿骨頚部の骨折に至るか否かの指標として大腿骨頚部のひずみを用いるには、ひずみが最大となる箇所で測定する必要があることが判明した。ところが、予めひずみが最大となる箇所を予測してその箇所で計測を行うことは困難であり、かといって、大腿骨頚部の全ての箇所のひずみの測定は不可能である。また、ひずみゲージを大腿骨頚部に貼り付けること自体が必ずしも容易ではなく、その貼り付け方によって測定結果への影響が大きく、また、測定結果の再現性が必ずしも高くないという問題がある。
また、模擬大腿骨を用いることで、実際に人が転倒した時の衝撃の再現が可能になるが、非特許文献４に記載のように大腿骨頚部にロードセルを設けたモデルを用いた場合は、実際の大腿骨を模擬したものにはならないため、評価の信頼性に懸念がある。
そこで、本発明の目的は、簡便に測定が可能な測定値から大腿骨頚部の骨折の指標として有効な大腿骨頚部の応力を用いてヒッププロテクタの性能評価が可能な評価システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らはさらに検討を進めたところ、簡便で安定して測定可能な骨頭荷重から、大腿骨頚部の構造と特性を所定条件に仮定することで、大腿骨頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出することが可能になり、この演算結果によりヒッププロテクタの性能を評価可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
本発明は、模擬大腿骨と該模擬大腿骨の少なくとも一部を覆いその外表面にヒッププロテクタが配置される模擬軟組織とからなる大腿部モデル、前記模擬大腿骨の大転子が上側を向くように骨頭を下側から支持する模擬寛骨臼治具、模擬大腿骨の大転子の上方向からヒッププロテクタに対して衝撃を加えるための衝撃付与手段、前記模擬寛骨臼治具の下側に配置されるロードセル、及び、該ロードセルから出力される荷重に基づき模擬大腿骨の頚部に負荷される応力を算出する演算装置を備え、該演算装置による演算結果によりヒッププロテクタの性能を評価する評価システムであって、前記演算装置が、模擬軟組織の外表面に配置されたヒッププロテクタの上側から衝撃付与手段により衝撃を加えてロードセルにより検出された荷重ベクトルを骨頭荷重ベクトルＦとして取得する骨頭荷重取得部と、該骨頭荷重取得部に取得された骨頭荷重ベクトルＦから、頚部が円筒状であり、頚部の変形が微小であると仮定して、頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出する頚部応力算出部と、を有するヒッププロテクタの性能を評価する評価システムに関する。
【００１４】
本発明に係るヒッププロテクタの性能を評価する評価システムでは、前記頚部応力算出部は、前記骨頭荷重取得部に取得された骨頭荷重ベクトルＦから、前記衝撃により模擬大腿骨の頚部に負荷される応力を、頚部軸に直交する任意の頚部断面の断面力として、軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴを算出し、算出された軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴを用い、前記最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出するのが好ましい。
【００１５】
本発明に係るヒッププロテクタの性能を評価する評価システムでは、前記の軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴがそれぞれ下記式（１）〜（３）で算出されるのが好ましい。
【００１６】
【数１】
2016123809.tif 000003
【００１７】
【数２】
2016123809.tif 000004
【００１８】
【数３】
2016123809.tif 000005
【００１９】
本発明に係るヒッププロテクタの性能を評価する評価システムでは、最大せん断応力τmax及び最小主応力σminがそれぞれ下記式（４）及び（５）で表されるのが好ましい。
【００２０】
【数４】
2016123809.tif 000006
【００２１】
【数５】
2016123809.tif 000007
【００２２】
ここで、式（４）及び（５）中の各記号の意味内容は下記の通りである。
Ａ＝π{ｒ２−（ｒ−ｔ）２}
Ｚ＝π{ｒ４−（ｒ−ｔ）４}／（４ｒ）
τmax：最大せん断応力［ＭＰａ］
σmin：最小主応力［ＭＰａ］
Ｐ：頚部軸に直交する頚部断面の軸力［Ｎ］
Ｍ：頚部軸に直交する頚部断面の曲げモーメント［Ｎ・ｍｍ］
Ｔ：頚部軸に直交する頚部断面のねじりモーメント［Ｎ・ｍｍ］
Ａ：［ｍｍ２］
Ｚ：［ｍｍ３］
ｒ：模擬大腿骨頚部の近似外半径［ｍｍ］
ｔ：模擬大腿骨頚部の皮質骨の厚さ［ｍｍ］
【００２３】
本発明に係るヒッププロテクタの性能を評価する評価システムでは、前記ロードセルが、多分力ロードセルであるのが好ましい。
【００２４】
本発明に係るヒッププロテクタの性能を評価する評価システムでは、前記衝撃付与手段は、地面を模擬した重錘部と、該重錘部を支持しつつ移動させる誘導部を有するのが好ましい。
【００２５】
本発明に係るヒッププロテクタの性能を評価する評価システムでは、前記演算装置が、前記最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを用いてヒッププロテクタを評価する評価部を更に有するのが好ましい。また、前記評価部は、前記最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminとそれぞれに対応する基準値とを対比することによりヒッププロテクタを評価するように構成することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、簡便に測定が可能な測定値から大腿骨頚部の骨折の指標として有効な大腿骨頚部の応力を用いてヒッププロテクタの性能評価が可能な評価システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る評価システムの実施形態の概略を模式的に示した正面図である。
【図２】（ａ）図１に示す評価システムの実施形態における大腿部モデルの配置を模式的に示した左側面図である。（ｂ）大腿部モデルの配置を模式的に示した正面図である。
【図３】図２に示すように配置された大腿部モデル１０の骨頭１３と模擬軟組織１２の一部を模式的に示した拡大斜視図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴを説明するものである。
【図４】（ａ）は、図２（ｂ）、図３において、鉛直方向に平行かつ頚部軸１７を含む平面での断面における軸力Ｐと曲げモーメントＭを説明するための説明図であり、（ｂ）は、図４（ａ）において骨頭荷重の作用点を含む頚部軸１７に直交する平面におけるねじりモーメントＴを説明するための説明図であり、（ｃ）は、図４（ａ）のｘｙｚの直交座標系による骨頭荷重ベクトルＦの分力の方向を示したものである。
【図５】（ａ）大腿骨頚部が円筒であると仮定した場合に大腿骨頚部に負荷される断面力及び大腿骨頚部の頚部軸に沿った微小部分における所定位置の微小片を説明する説明図である。（ｂ）図５（ａ）における微小片に負荷される応力を説明する説明図である。
【図６】実施例１の有限要素解析で用いたヒッププロテクタの形状構造を模式的に示した説明図であり、（ａ）が正面図で、（ｂ）がＩ−Ｉ方向の断面図である。
【図７】実施例１の有孔のヒッププロテクタを用いて重錘を初期高さ２００ｍｍから落下させた際の最大せん断応力τmax［ＭＰａ］と最小主応力σmin［ＭＰａ］の最大値の経時変化を示したものである。
【図８】実施例１において、ヒッププロテクタの種類と重錘部の初期高さｈを変えて得られた最大せん断応力τmax［ＭＰａ］と最小主応力σmin［ＭＰａ］の大きさの空間分布・時間経過を通じての最大値を示したものである。
【図９】実施例２で使用した大腿部モデルの左側面の形状、構造を模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係るヒッププロテクタの性能を評価する評価システム（以下、単に「評価システム」と称する場合がある。）の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。尚、以下では、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこうした例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得ることは勿論である。
【００２９】
本発明に係る評価システムは、（１）模擬大腿骨と該模擬大腿骨の少なくとも一部を覆いその外表面にヒッププロテクタが配置される模擬軟組織とからなる大腿部モデル、（２）前記模擬大腿骨の大転子が上側を向くように骨頭を下側から支持する模擬寛骨臼治具、（３）模擬大腿骨の大転子の上方向からヒッププロテクタに対して衝撃を加えるための衝撃付与手段、（４）前記模擬寛骨臼治具の下側に配置されるロードセル、（５）該ロードセルから出力される荷重に基づき模擬大腿骨の頚部に負荷される応力を算出する演算装置を備える。
また、この演算装置は、（５ａ）模擬軟組織の外表面に配置されたヒッププロテクタの上側から衝撃付与手段により衝撃を加えてロードセルにより検出された荷重ベクトルを骨頭荷重ベクトルＦとして取得する骨頭荷重取得部、（５ｂ）骨頭荷重取得部に取得された骨頭荷重ベクトルＦから、頚部が円筒状であり、頚部の変形が微小であると仮定して、頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出する頚部応力算出部を有する。
そして、この演算装置による演算結果によりヒッププロテクタの性能を評価する。
【００３０】
このように、演算装置が、頚部応力算出部において、（ｉ）大腿骨の頚部を円筒として良好に近似できること、（ii）転倒により衝撃力が負荷された場合でもこの頚部の変形が微小であることを仮定して、その衝撃力により付加される骨頭荷重の測定結果から、頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び最小主応力σminを算出する。そして、この仮定に基づいて得られる算出結果の精度が極めて良好であるため、演算装置による演算結果によりヒッププロテクタの性能を精度よく評価することが可能になる。上記（ｉ）の仮定は、大腿骨頸部はヤング率の低い海綿骨の表面をヤング率の高い皮質骨が覆っていることに基づく。また、円筒状としては、薄肉円筒に近似することができる。上記（ii）の仮定は、骨が生理的な状態では変形が微小であり、線形弾性体に対するフックの法則に従う、したがって材料力学の枠組みで計算できることに基づくものである。そして、（ii）の仮定によれば、組み合わせ応力問題としての重ね合わせの原理を適用して、最大せん断応力τmax及び最小主応力σminを算出できる。
【００３１】
図１は、本発明に係る評価システムの実施形態の概略を模式的に示した説明図であり、その実施形態に係る評価システム１の正面図である。図２は、図１に示す評価システム１に用いられる大腿部モデルの実施形態の構成及び配置を説明するための説明図である。また、図２（ａ）は図１に示す評価システム１における大腿部モデル１０等の左側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の正面図である。
【００３２】
図１に示す評価システム１は、大腿部モデル１０、模擬寛骨臼治具２０、衝撃付与手段３０、ロードセル４０、演算装置５０を備える。大腿部モデル１０は、図２に示すように、模擬大腿骨１１とその一部を覆う模擬軟組織１２とからなる。模擬軟組織１２の外表面にはヒッププロテクタ２が配置されている。模擬寛骨臼治具２０は、模擬大腿骨１１の大転子１５が上側を向くように骨頭１３を下側から支持している。衝撃付与手段３０は、模擬大腿骨１１の上方向からヒッププロテクタ２に対して衝撃を加えることが可能になっている。図１に示す実施形態では、重錘部３１により衝撃を加えるようにしている。また、重錘部３１は、一対の誘導部３２により支持されながら、移動可能になっている。ロードセル４０は、模擬寛骨臼治具２０の下側に配置されており、衝撃付与手段３０によりヒッププロテクタ２に付与された衝撃を荷重ベクトルとして検出し、この検出データを接続線４１を介して演算装置５０に出力可能になっている。演算装置５０では、骨頭荷重取得部５１において、ロードセル４０により検出された荷重ベクトルを骨頭荷重ベクトルＦとして取得し、頚部応力算出部５２において、この骨頭荷重ベクトルＦから、頚部が円筒状であり、頚部の変形が微小であると仮定して、頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出する。そして、演算装置５０では、好ましい構成として設けられている評価部５３において、その算出された最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを用いてヒッププロテクタを評価するようになっている。また、図示しないが、これらの演算結果や評価結果を表示する表示装置を設けてもよい。
【００３３】
本発明で用いることができる大腿部モデルは、模擬大腿骨と、少なくともその一部を覆う模擬軟組織とから構成されていれば、特に限定はない。模擬大腿骨をそのまま用いることで、衝撃付与手段により付与された衝撃から骨頭荷重を精度よく再現することが可能になり、ひいては、精度の高い頚部応力を算出することが可能になる。
模擬大腿骨としては、皮質骨と海綿骨を模擬した部分から構成されており、皮質骨と海綿骨の実物の特性に基づいて選択された材料により作製されたものであるのが好ましい。このような模擬大腿骨としては、例えば、Ｓａｗｂｏｎｅｓ社から販売されているものが挙げられる。また、模擬大腿骨は、性別年齢によって大きさ、構造が異なるため、目的に応じて適切な模擬大腿骨を選択するのが好ましい。高齢者、特に高齢女性の頚部骨折防止のためのヒッププロテクタの性能を精度よく評価するためには、それに応じた模擬大腿骨を採用するのが好ましいく、例えば、Ｓａｗｂｏｎｅｓ社の製品番号＃３４１４が日本人高齢女性に近い模擬大腿骨として好適である。
【００３４】
模擬軟組織としては、人体の大腿部の筋肉組織に近い特性を有する材料を用いて構成されるのが望ましい。このような材料としては、人体の軟組織に比較的近いデューロメータ硬さがＡ硬度で５〜２０の樹脂材料を用いるのが好ましく、例えばシリコーン系エラストマー等が挙げられる。また、このようなシリコーン系エラストマーとしては、例えば、信越化学工業株式会社製のＸ３２−２４２８−４（硬化後の硬度はＡ硬度で概ね１２であるとされる。）が挙げられるが、これに限定されるわけではない。また、模擬軟組織の形状としては、模擬大腿骨の少なくとも一部を被覆し、ヒッププロテクタの使用者に応じて決定するとよい。例えば、高齢女性に使用されるヒッププロテクタの性能を評価する場合は、平均的な高齢女性の筋肉や脂肪の量に合わせて形状を選定するとよい。図９は、このような高齢女性の大腿部モデルの実施形態を説明するための説明図（左側面図）である。図９のＡＣＦＧＨＩで囲まれる実線部分は、後述する実施例で用いた模擬軟組織１２の形状、構造を示したものである。より実物に近似させ、精度を向上させるため、ＡＣＤＥＦＧＨＩで囲まれる部分から模擬軟組織を構成してもよい。尚、図９において、符号Ａ及びＩで示す点は模擬軟組織の第１上端部、符号Ｂで示す点は大転子部、符号Ｃ及びＦで示す点は実施例で用いた模擬軟組織１２の下端部、符号Ｄ及びＥで示す点は模擬軟組織の好ましい実施形態の下端部、Ｇ及びＨで示す点は模擬軟組織１２の第２上端部、Ｊで示す点は股部である。
【００３５】
本発明で用いることができる模擬寛骨臼治具は、寛骨臼の形状を模擬した凹状の構造を有し、模擬大腿骨の骨頭を嵌め合わせた時にロードセルの上側に安定して取り付け可能な構造を有するものであれば特に限定はない。例えば図１、２に示す実施形態では、模擬寛骨臼治具２０は、円柱状の構造を有し、その上側端部の傾斜面に骨頭１３の一部を受け入れる寛骨臼を模した凹部２１が形成された構造を有する。模擬寛骨臼治具の材質は、特に限定はなく、各種の高分子材料を用いることができる。このような高分子材料としては、ポリアミド、ポリアセタール等が挙げられる。
また、より人体の構造に近づけるために、必要に応じて、骨頭と模擬寛骨臼治具の間に模擬関節軟骨を配置してもよい。例えば、図１、２に示す例では、骨頭１３と寛骨臼を模した凹部２１の間に関節軟骨を模擬した軟質膜を配置してもよい（図示せず）。軟質膜を構成する材料としては、例えば、シリコーン系エラストマー等が挙げられる。軟質膜の膜厚は、実際の関節軟骨の特性、材料特性を考慮して適宜決定することができる。例えば、高齢女性の場合は、室温又は加熱硬化型のシリコーン系エラストマーを用いる場合は、１〜５ｍｍが好ましく、２〜４ｍｍがより好ましい。
【００３６】
本発明では、模擬大腿骨を所定位置に安定して配置するために、骨頭を支持する模擬寛骨臼治具の他に、模擬大腿骨の大腿骨内顆を支持する膝治具を設けるのが好ましい。図１、２に示す例では、模擬大腿骨１１の大腿骨内顆１８を支持する膝治具２２を設けている。膝治具２２は、円柱状の構造を有し、その上側端部に水平面に大腿骨内顆１８の少なくとも一部を受け入れる凹部２３が設けられている。
また、本発明では、ロードセル及び膝治具を固定するため、固定台を設けてもよい。図１、２に示す例では、膝治具２２及びロードセル４０が固定台２４に固定され、ロードセル４０の上側に配置された模擬寛骨臼２０と膝治具２２との間に模擬軟組織１２に一部被覆された模擬大腿骨１１が架設されている。また固定台２４は架台３４に固定されている。
【００３７】
模擬大腿骨の配置は、特に限定はないが、衝撃付与手段によりピッププロテクタに衝撃を付与した時に大腿骨頚部の骨折が生じる可能性が高くなるように配置するのが好ましい。本発明者らは、このような観点から、歩行時転倒シミュレーションにより検討を行ったところ、図２に示すように模擬大腿骨１１の骨幹軸１６が水平方向に対する角度α（図２（ａ））、及び、頚部軸１７が正面視で鉛直方向に対する角度β（図２（ｂ））が所定範囲の場合に、頚部応力が大きくなることを見出した。このような角度の範囲としては、好ましくは、角度αが５°〜１５°で、角度βが１０°〜２０°であり、より好ましくは、角度αが８°〜１２°で、角度βが１３°〜１７°である。尚、本発明者らの検討によれば、大腿骨頚部が骨折する危険性が最も高くなった歩行時転倒シミュレーションにおいて頸部応力が最大となるのは、骨幹軸と水平とのなす角度αが約１０°、頸部軸と鉛直方向とのなす角度βが約１５°の場合である。
【００３８】
本発明で用いることが可能な衝撃付与手段としては、模擬大腿骨の大転子の上方向からヒッププロテクタに対して衝撃を加えることが可能な構成であれば特に限定はない。例えば、重錘部をヒッププロテクタに激突させる場合には、直線運動を生じさせるもの、円運動を生じさせるもの等が挙げられる。直線運動を生じさせるものとしては、自由落下等の重錘部の鉛直方向の移動、水平方向の重錘部の移動が挙げられるが、簡便で安定した測定を行う観点からは鉛直方向の移動による方法が好ましく、自由落下がより好ましい。また、重錘部を正確に所望の位置に激突させる観点から、重錘部を誘導するための誘導部を有するのが好ましい。
【００３９】
また、重錘部は、転倒した時の地面との衝撃を再現する観点から、地面を模擬した構造を有するのが好ましく、例えば、ヒッププロテクタとの接する側が平面になっているのがより好ましい。重錘部の質量は、歩行時転倒シミュレーション（非特許文献５参照）の結果から算出した有効質量をもとに決定するのが好ましい。この有効質量は、歩行時転倒シミュレーションにより算出した、転倒したときの地面と大腿部との間の接触力の最大値を大腿部の転倒時の加速度の最大値で除して算出することができる。また、骨折危険度（水野陽介ら、臀部・大腿部周辺組織を考慮した転倒解析による高齢女性の大腿骨頚部骨折予測、第２３回バイオエンジニアリング講演論文集、Ｎｏ．１０−７４（２０１１）、ｐｐ．３２１−３２２を参照のこと。）が１となるときのシミュレーション結果を用いるのが好ましい。本発明者らの検討の結果、重錘部の質量は、７〜１５ｋｇであるのが好ましく、９〜１３ｋｇがより好ましい。また、重錘部を鉛直方向に自由落下させる場合の高さｈも、歩行時転倒シミュレーションにより算出するのが好ましい。本発明者らの検討の結果、転倒時の大腿部が地面に接触する瞬間の速度ｖが２．５〜３．０ｍ／ｓとなるときに、骨折危険度が１になることが判明したため、自由落下の際の速度の関係式ｖ＝（２ｇｈ）１／２（ｇ：重力加速度）から、高さｈは、０．３〜０．５ｍとする。
【００４０】
図１に示す例では、大腿部モデル１０の左右両側に重錘部３１を鉛直方向（図１の矢印方向）に誘導するために鉛直方向に直線状に伸びる一対の誘導部３２が設けられている。また、誘導部３２は架台３４に固定されている。重錘部３１は、ヒッププロテクタ２に面する側が平面に形成されているとともに、鉛直方向に貫通する一対の貫通穴３３が設けられ、一対の誘導部３２が貫通している。また、重錘部３１には、負荷を調整するために、重錘を増減できるように構成されていてもよいし、重錘部３１を所定高さに位置させるための高さ調整機構を設けてもよいし、この高さ調整機構には、重錘部３１を所定高さに移動させる際に重錘部３１を支持するとともに、移動させた後に重錘部３１を自由落下させるために支持を解除することが可能な支持機構を設けてもよい（何れも図示せず）。
【００４１】
本発明で用いることが可能なロードセルとしては、模擬寛骨臼治具の下側に配置して、ヒッププロテクタの上側から負荷された衝撃による荷重ベクトルを安定して測定可能なものであれるものが好ましい。また、ロードセルには、センサーが設けられ、負荷された衝撃に基づき検出された信号を演算装置に送信するように構成されているのが好ましい。このようなロードセルのなかでも、ヒッププロテクタに負荷された衝撃から荷重ベクトルをより正確に検出する観点からは、多分力ロードセルが好ましい。また、多分力ロードセルとしては、直交するｘｙｚの３軸方向に働く力を計測可能なものが好ましく（３分力ロードセル）、さらに、この３軸まわりのモーメントも計測可能なものがより好ましい（６分力ロードセル）。６分力ロードセルとしては、例えば、共和電業株式会社製の小型６分力計「ＬＦＭ−Ａ」、株式会社昭和測器の焦点形６分力ロードセル「ＭＤＦ」、ミネベア株式会社の６軸力センサー「ＯＰＦＴ−Ｂ」などが挙げられるが、これらに限られない。尚、直交するｘｙｚの座標軸中心、モーメントの中心は、使用するロードセルにより定められる。
また、ロードセルの構造としては、模擬寛骨臼治具の下側に配置され、模擬寛骨臼治具を安定して支持可能な構造が好ましく、例えば、ロードセルの上面側が平面状であるもの、環状のもの等が挙げられる。また、ロードセルの底面側は、固定台等に固定可能な構造を有するものが好ましい。図１、２に示す例ではロードセル４０は、円柱状の模擬寛骨臼治具２０の底面を、上面側で支持可能な円盤状又は円環状の支持面を有し、支持面が水平になるように固定台２４上に固定されている。
【００４２】
また、本発明では、疑似大腿骨の骨頭とは反対側において、ロードセルを設けてもよいが、予備検討を行って、荷重が極めて小さい場合は、設ける必要性は低いと考えられる。図１に示す例では、膝治具２２の下側にはロードセルは設けていない。
【００４３】
本発明で用いることが可能な演算装置としては、前述のロードセルから出力される荷重に基づき模擬大腿骨の頚部に負荷される応力を算出することができ、後述する骨頭荷重取得部及び頚部応力算出部を有するものであれば特に限定はない。このような演算装置としては、例えば、所定の演算処理を実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、所定の制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）やハードディスク等の記憶部と、これらの周辺回路等を備えるものが挙げられる。図１に示す評価システム１では、演算装置５０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、記憶部、これらの周辺回路等（何れも図示せず。）を有するとともに、骨頭荷重取得部５１、頚部応力算出部５２、評価部５３を有する。そして、演算装置５０は、記憶部に記憶された制御プログラムを実行することにより、骨頭荷重取得部５１、頚部応力算出部５２、評価部５３として機能する。
【００４４】
本発明における骨頭荷重取得部は、模擬軟組織の外表面に配置されたヒッププロテクタの上側から衝撃付与手段により衝撃を加えてロードセルにより検出された荷重ベクトルを骨頭荷重ベクトルＦとして取得する。また、本発明における頚部応力算出部は、その骨頭荷重ベクトルＦから、所定条件を仮定して、頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出する。
以下では、ロードセルが６分力ロードセルである場合を例に骨頭荷重取得部および頚部応力算出部での処理を説明する。
【００４５】
骨頭荷重取得部では、衝撃付与手段により衝撃が負荷され、その衝撃がロードセルにより検出されると、検出したデータを骨頭荷重ベクトルＦとして取得する。骨頭荷重ベクトルＦは上述したｘｙｚ座標軸の各軸方向の分力を有するものとして検出される。
【００４６】
そして、このようにして得られた骨頭荷重ベクトルＦから、頚部応力算出部において大腿骨頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminが算出される。
この場合、骨頭荷重ベクトルＦから、前記衝撃により模擬大腿骨の頚部に負荷される応力を、頚部軸に直交する任意の頚部断面の断面力として、軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴを算出し、これらを用いて最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出するのが好ましい。
【００４７】
図３の模式図を参照しつつ、この断面力について説明する。図３は、図２に示すように配置された大腿部モデル１０の骨頭１３と模擬軟組織１２の一部を模式的に示した拡大斜視図である。図３に示す頚部軸１７に直交する平面１９上の頚部断面から骨頭側にかかる力に関し、頚部断面より骨頭側に着目すると、軟組織との接触がなく、外部から荷重が加わらないため、骨頭側にかかる力は、骨頭荷重のみになる。この場合、平面１９上の頚部断面における断面力は、骨頭荷重ベクトルＦから導出が可能になる。この時、骨頭荷重ベクトルＦを図３に示すように仮定すると、図に示す平面１９に直交する方向即ち頚部軸１７に平行な方向の軸力Ｐ（図３（ａ）参照。）は、式（１）で示される。式（１）に示すように、軸力Ｐは、骨頭荷重ベクトルＦと、平面１９上の頚部断面の単位法線ベクトルｎとの内積で表される。尚、ベクトルｎの方向は、骨頭１３側を正とする。また、曲げモーメントＭ（図３（ｂ）参照。）は、式（２）に示すように、骨頭荷重ベクトルＦとベクトルｒｎの外積の絶対値で示される。ここで、ベクトルｒｎは、上記単位法線ベクトルｎに、ベクトルｒ（図３（ｃ）参照。）とベクトルｎの内積をスカラー倍したベクトルである。さらに、ねじりモーメントＴ（図３（ｃ）参照。）は、式（３）に示すように、ベクトルｒと骨頭荷重ベクトルＦの外積と単位法線ベクトルｎとの内積で示される。
【００４８】
図３に示す斜視図における骨頭荷重ベクトルＦを、特に、頚部軸１７方向の成分と、頚部軸１７に直交する平面内成分に分けたときの、断面力ついて説明する。図４（ａ）は、図２（ｂ）、図３において、鉛直方向に平行かつ頚部軸１７を含む平面での断面における軸力Ｐと曲げモーメントＭを説明するための説明図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）において骨頭荷重の作用点を含む頚部軸１７に直交する平面におけるねじりモーメントＴを説明するための説明図であり、図４（ｃ）はロードセル４０により規定される図４（ａ）のｘｙｚの直交座標系による骨頭荷重ベクトルＦの分力の方向を示したものである。尚、図２（ａ）におけるｚｙ直交座標軸、図２（ｂ）におけるｚｘ直交座標軸は、図４（ｃ）のｘｙｚの直交座標系に一致する。
【００４９】
図３で示した骨頭荷重ベクトルＦは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、上述した方向成分において、頚部軸１７に平行な方向の成分（大きさＦｎ）、頚部軸１７に直交する面内成分（大きさＦｔ）とで表される。そして、式（１）〜（３）について、これらの２つの成分について当てはめると、頚部軸１７に直交する任意の頚部断面の断面力である、軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴは、それぞれ、下記の一群の式（６）に示す関係式から算出される。
【００５０】
【数６】
2016123809.tif 000008
【００５１】
本発明では、骨頭荷重ベクトルＦから、大腿骨頚部が円筒として近似でき、頚部の変形が微小であると仮定して、頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出するが、この仮定によれば、上述した軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴから算出することができる。例えば、頚部１４が円筒であると仮定すると、図５（ａ）に示すように、頚部１４の頚部軸１７に沿った微小部分（微小区間とも称する。）に着目すると、頚部１４に負荷される断面力として、頚部軸１７に平行な方向で頚部１４の微小部分を両側から引っ張る（或いは圧縮する）軸力Ｐ、頚部１４の微小部分を折り曲げようとする曲げモーメントＭ、頚部軸１７を回転軸とするように頚部１４の微小部分をねじる、ねじりモーメントＴが働くことになる。このとき、頚部１４の頚部軸１７に直交する方向の近似半径ｒの位置における長方形の微小片Ａを考えると、図５（ｂ）に示すように、頚部軸１７に平行な方向に微小片Ａを引っ張る（或いは圧縮する）応力σ０、曲げモーメントＭが負荷された場合に生ずる応力σｂ、微小片Ａの外周に沿い、対向する辺では互いに反対方向に働くせん断応力τが働く。これを、上記仮定に基づいて、頚部軸１７に直交する頚部断面（皮質骨の厚さをｔとする。）について計算すると、計測された骨頭荷重ベクトルＦから算出された軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴを用いて、式（４）で示す最大せん断応力τmax及び、式（５）で示す最小主応力σminが算出される。尚、近似半径ｒは、大腿骨頚部の外表面側における近似外半径である。式（４）、（５）によれば、大腿骨頚部の近似外半径ｒが最小のときに最大せん断応力τmaxが最大となり、最小主応力σminの絶対値も最大になる。頚部の骨折は最も細い部分即ち半径ｒが最小となる部分で発生する可能性が高いと考えられるため、これらの応力が頚部の骨折の危険性を示すものとして好適である。
【００５２】
骨頭荷重取得部５１で取得された骨頭荷重ベクトルＦは、ロードセルにより検出されたｘｙｚの直交座標軸により規定され、模擬大腿骨１１の骨頭１３や頚部１４の配置も同じ直交座標軸により規定することで、頚部応力算出部５２において、骨頭荷重ベクトルＦから、上記各式を用いて、頚部の断面力である軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴを算出することができ、頚部の近似半径ｒ、模擬大腿骨１１の頚部１４における皮質骨の厚さｔを決定することで、例えば式（４）、（５）により最大せん断応力τmax及び最小主応力σminを算出することができる。
【００５３】
本発明では、演算装置が、頚部応力算出部において算出された最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを用いてヒッププロテクタを評価する評価部を有していてもよい。評価部における評価処理としては、ヒッププロテクタの性能を評価することができれば特に限定はなく、例えば、ヒッププロテクタを用いずに衝撃付与手段により衝撃を加えた時の演算結果を基準値とし、この基準値との相対評価を行う処理、複数のヒッププロテクタを用いて得られた演算結果から相対評価を行う処理、大腿骨頚部が骨折すると想定される値を予め規定し、その値との相対評価を行う処理等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。尚、図１に示す評価システム１では、上述のように、評価部５３を有する。
【００５４】
以下に、本発明に係る評価システムによるヒッププロテクタの性能を評価する処理手順の実施形態を図１に示す評価システム１により説明する。
【００５５】
先ず、大腿部モデル１０の骨幹軸１６と水平方向とのなす角度α、及び、頚部軸１７と鉛直方向との正面視における角度βが、それぞれ所定値になるようにロードセル４０、模擬寛骨臼治具２０、膝治具２２、大腿部モデル１０を所定位置に配置する。そして、大腿部モデル１０の模擬軟組織１２の外表面で大転子１５が位置する部分にヒッププロテクタ２を配置する。
【００５６】
また、衝撃付与手段２０の重錘部３１を所定の高さに配置する。骨折危険度が１となる場合のヒッププロテクタ２の性能を評価する場合は、例えば、重錘部３１の質量を約１１ｋｇとし、ヒッププロテクタ２からの高さｈを約０．３ｍとするのが好ましい。重錘部３１の重錘の昇降はエアコンプレッサを動力源とすることができる。その後、重錘部３１を誘導部３２に沿って自由落下させ、模擬大腿骨の大転子１５の上方向からヒッププロテクタ２に対して衝撃を加える。この時、重錘部３１の高さの調整のための昇降や、重錘部３１の自由落下の開始は、演算装置の制御プラグラムにより実行させてもよい。
【００５７】
ヒッププロテクタ２に加えられた衝撃は、大腿部モデル１０の模擬大腿骨１１の頚部１４、骨頭１３、模擬寛骨臼治具２０を経てロードセル４０により検出され、検出データが接続線４１を介して演算装置５０に出力される。演算装置５０の骨頭荷重取得部５１において、検出されたデータは、演算処理され所定のｘｙｚの直交座標軸の分力を有する骨頭荷重ベクトルＦが取得される。そして、頚部応力算出部５２において、取得された骨頭荷重ベクトルＦから、上記式（１）〜（３）、より具体的には一群の式（６）により、頚部に負荷される軸力Ｐ、曲げモーメントＭ、ねじりモーメントＴがそれぞれ算出される。さらに、これらの算出値から、式（４）により最大せん断応力τmax、及び／又は、式（５）により最小主応力σminが頚部に負荷される応力として算出される。
【００５８】
そして、評価部５３において算出された最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを用い、所望の評価処理を行って、ヒッププロテクタの性能が評価される。尚、複数種のヒッププロテクタの性能を相対評価する場合は、最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを図示しない記憶部に記憶させ、全ての応力を測定後に、評価部５３において評価処理を行うように構成することができる。
【００５９】
本発明に係る評価システムでは、上述したような、大腿部モデル、模擬寛骨臼治具、ロードセル、衝撃付与手段を用いることから、ヒッププロテクタに対して衝撃を付与し、その衝撃を骨頭荷重として安定して測定が可能になっている。特に、ひずみゲージを用いたシステムと比べて簡便で、再現性良く安定した測定が可能である。また、模擬大腿骨をそのまま用いるため、従来のように頚部にロードセル設けた模擬大腿骨を使用する場合に比べて、高精度の測定が可能で、それにより高精度の演算結果が期待でき、信頼性の高い性能評価が期待できる。
【実施例１】
【００６０】
前述のようにして測定した骨頭荷重ベクトルＦから頚部に負荷される最大せん断応力τmax及び／又は最小主応力σminを算出することの妥当性を検証するため、解析ソフトＬＳ−ＤＹＮＡを用い、上述した評価システムによるヒッププロテクタの評価を模擬した有限要素解析を行った。
【００６１】
解析モデルは、大腿部モデル、ヒッププロテクタ、膝治具及び模擬寛骨臼治具を図２に示すように配置したものを用いた。図２に示す角度αは１０°、角度βは１５°とした。模擬寛骨臼治具の全方向を固定に設定し、大腿骨内顆を支持する膝冶具の鉛直方向は固定に設定した。
大腿部モデルは大腿骨、筋−脂肪によって構成し、大腿骨はＳａｗｂｏｎｅｓ社製模擬骨の形状データを用いた。表１に大腿部モデルの材料特性を示す。Ｓａｗｂｏｎｅｓ社製模擬大腿骨の頸部断面は正確な円形でないため、直径２６．２ｍｍ（ｒ＝１３．１ｍｍ）の円形と近似し、皮質骨の厚みｔを２．０ｍｍとした。また、式（６）において、ｄｎ＝２６ｍｍ、ｄｔ＝１１ｍｍとした。
【００６２】
【表１】
2016123809.tif 000009
【００６３】
ヒッププロテクタとしては、図６に示すように、所定の形状、構造、寸法であり、所定の孔３を有するもの（有孔；ＷｉｔｈＨｏｌｅ）及び孔３がないこと以外は図６に示すものと同じ形状、構造、寸法を有するもの（無孔；ＷｉｔｈｏｕｔＨｏｌｅ）の２種で検討した。ヒッププロテクタの材料特性は、イソブチレン系熱可塑性エラストマー（株式会社カネカ、ＳＩＢＳＴＡＲ（登録商標））を発泡させたものの材料特性をＬＳ−ＤＹＮＡの低密度ウレタン材料モデルであるＬＯＷ＿ＤＥＮＳＩＴＹ＿ＦＯＡＭにより表現した（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２０１３）。
【００６４】
重錘部は、図１に示すような平板とし、質量を１１ｋｇとし、初期高さｈは３種（２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ）とし、重錘部の落下は自由落下に設定した。
【００６５】
有限要素解析の結果を図７、８に示す。図７に有孔のヒッププロテクタを用いて重錘部を初期高さ２００ｍｍから落下させた際の最大せん断応力τmax［ＭＰａ］と最小主応力σmin［ＭＰａ］の大きさの最大値の経時変化を示す。解析によって直接求めた値（τ、σ）と、解析によって得られた骨頭荷重ベクトルＦを用いて式（１）〜（６）から推定した値（τ’，σ’）はよく一致していることが分かる。尚、頚部の変形は微小であるとして頚部断面の法線ベクトルｎはいずれの時刻でも衝撃を与える前の値を用いた。図８にヒッププロテクタの種類と重錘部の初期高さｈを変えて得られた最大せん断応力τmax［ＭＰａ］と最小主応力σmin［ＭＰａ］の大きさの空間分布・時間経過を通じての最大値を示す。横軸は解析によって直接求めた解析値、縦軸は解析によって得られた骨頭荷重を用いて式（１）〜（６）から推定した推定値である。孔有り、孔無しのいずれの場合にも、線形近似直線の傾き、相関係数の２乗はともに１に近く、解析値と推定値は誤差４〜７％程度でよく一致している。この結果から、骨頭荷重から頸部に発生する応力を高精度で推定可能であることが示され、導出式の妥当性が確認された。
【実施例２】
【００６６】
次に、図２に示すように配置された大腿部モデルに各種のヒッププロテクタを装着し、図１に示すような実際の評価システム（演算装置５０は、式（１）〜（６）により演算処理を行う頚部応力算出部５２を有する。）を用いてヒッププロテクタに対して重錘部により衝撃を付与し、ヒッププロテクタを装着しない場合（プロテクタ無）と比較を行うことにより、ヒッププロテクタの性能評価を行った。大腿部モデル１０は図９に示すように、符号ＡＣＦＧＨＩで囲まれる模擬軟組織１２と模擬大腿骨１１を有する。模擬大腿骨１１はＳａｗｂｏｎｅｓ社製、製品番号＃３４１４（近似外半径ｒ＝１３．１ｍｍ、皮質骨の厚みｔ＝２．０ｍｍとした。）を用いた。模擬軟組織１２の材質はシリコーンゴム（信越化学工業株式会社、Ｘ３２−２４２８−４）を用いた。大腿部モデル１０は、「一般社団法人  人間生活工学研究センター（ＨＱＬ）」の「人体寸法データベース２００４−２００６」に基づき、７０代の日本人高齢女性４００名の平均値により寸法を算出したものであり、平均身長１４９．６ｃｍ、平均体重５１．３ｋｇである。ロードセルは、共和電業株式会社製の小型６分力計「ＬＦＭ−Ａ−３ｋＮ」を用いた。
試験に用いたヒッププロテクタは製品Ａ（材質：イソブチレン系熱可塑性エラストマー、厚み：６ｍｍ）、製品Ｂ（材質：スチレン系ブロック、厚み：９ｍｍ）、製品Ｃ（材質：スチレン系エラストマー、厚み：１４ｍｍ）、製品Ｄ（材質：ポリオレフィン系エラストマー、エチレンビニルアセテート、厚み：１３ｍｍ）の４種類であり、１１ｋｇの重錘部を２００ｍｍの高さから自由落下させた際の骨頭荷重ベクトルＦを測定し、最大せん断応力τmax及び最小主応力σminを算出した。骨頭荷重ベクトルＦの大きさ（骨頭荷重）の測定結果、最大せん断応力τmax及び最小主応力σminの算出結果を表２に示す。また、ヒッププロテクタを用いない場合の結果に対する各製品の結果の比率を表３に示す。
尚、ヒッププロテクタの評価は評価部において行うようにすることができることは勿論のことである。
【００６７】
【表２】
2016123809.tif 000010
【００６８】
【表３】
2016123809.tif 000011
【００６９】
表２、３に示すように、ヒッププロテクタを用いた場合は、用いない場合に比べてτmax及びσminが小さくなっており、いずれのヒッププロテクタも使用効果が認められると評価される。また、表３によると、製品Ｃでは、骨頭荷重におけるプロテクタ無に対する比率が、τmax及びσminにおける比率より大きくなっているのに対して、製品Ａ、Ｄではその逆になっており、製品Ｂではほぼ同等であり、骨頭荷重のみでは得られない傾向が把握可能であり、τmax及び／又はσminを算出することで、高精度の評価が期待できる。
【符号の説明】
【００７０】
１  評価システム
２  ヒッププロテクタ
３  孔
１０  大腿部モデル
１１  模擬大腿骨
１２  模擬軟組織
１３  骨頭
１４  頚部
１５  大転子
１６  骨幹軸
１７  頚部軸
１８  大腿骨内顆
１９  頚部軸に対して直交する平面
２０  模擬寛骨臼治具
２１、２３  凹部
２２  膝治具
２４  固定台
３０  衝撃付与手段
３１  重錘部
３２  誘導部
３３  貫通穴
３４  架台
４０  ロードセル
４１  接続線
５０  演算装置
５１  骨頭荷重取得部
５２  頚部応力算出部
５３  評価部
【図１】
2016123809.tif 000017
【図２】
2016123809.tif 000018
【図３】
2016123809.tif 000019
【図４】
2016123809.tif 000020
【図５】
2016123809.tif 000021
【図６】
2016123809.tif 000022
【図７】
2016123809.tif 000023
【図８】
2016123809.tif 000024
【図９】
2016123809.tif 000025