計測自動制御学会東北支部 第 212 回研究集会（2003.11.22）
資料番号 212-6

膝前十字靭帯用張力プローブの開発
Development of Tension Probe for Anterior Cruciate Ligament○長尾光雄＊，横田理＊，長総義弘＊＊○Mitsuo Nagao＊，Osamu Yokota＊，Yoshihiro Nagaosa＊＊＊日本大学，＊＊福島県立医科大学

Nihon University，＊＊Fukushima Medical University＊

キーワード ： 膝（Knee），前十字靭帯（Anterior cruciate ligament），張力プローブ（Tension probe），ひずみゲージ（Strain gauge）

連絡先：〒963-8642 郡山市田村町徳定字中河原 1 日本大学工学部 機械工学科 長尾光雄，
Tel.：(024)956-8760，Fax.：(024)956-8860，E-mail：nagao@mech.ce.nihon-u.ac.jp

１．はじめに植腱の太さ，関節の大きさ，骨孔間距離の長短前十字靭帯（以下 ACL と呼ぶ）の損傷は，や固定部位の長さなどが症例により異なるなど膝の捻りやジャンプの着地頻度が高い動作のスの要因で一定な張力を与えても関節内緊張度がポーツや日常生活でも過大な負荷が膝に働いた一定でないことが推定される．そこで骨孔間の場合に起こる外傷である．ACL の損傷による膝移植腱に与えた張力を定量化できる測定システ

関節の機能損失はスポーツへの復帰 1) や日常ムが確立できれば，生理的に近い緊張や症例に生活の妨げになるばかりではなく，将来的に膝因らず一定な張力の付与が可能になる，また術関節症の要因となるため機能を早期に再獲得す後の経過張力評価に応用できる，さらに正常なる必要がある．ACL 損傷の治療には再建術が行ACL 張力パターンの観察や確認が可能になる

われ，その再建材料には生物学的素材として自などの有効性が期待できる．このように関節内家組織，同種組織や人工素材の人工靭帯が用い移植腱の張力を定量化するプローブの開発が望られている．ACL 再建術において移植腱を関節まれている中で，実験的に使用された例 3), 4) が内に固定する時の膝屈曲角度と付与する初期張見られる．

力の大きさは 30[°]と 60[Ｎ] 2) が有効との報告

本研究では上記の有効性を可能にできるプロがある．自家移植腱に膝内側ハムストリング筋ーブを開発する目的で，既に考案 5) した 2 種類腱（膝屈筋腱）を多重折した再建術では，付与について基本性能の一部について確認できたがされる初期張力は脛骨側の関節外から Tension改良点も提案された．本報ではその一つである

Meter を用いて与えられ，Interference Screw

探り針をモデルにした 1 点式プローブの基本性によって脛骨骨孔に固定される．この移植腱に能について検討を加えたので報告する．

関節外から一定な張力を与えて固定しても，移― １ ―２．測定システム
図１に ACL 移植腱と 1 点式プローブ説明図を示す．また図２には測定パラメータをモデル的に示す．
被測定物のパラメータは，太さ（ｄ），長さ（ℓ），剛性（E）の他に張力（T），当る角度（θ），変位（x）と荷重（W）と置いている．
また被測定物の個体差を考慮しなければならないため，個体ごとに校正値を与えて測定することが前提条件である．測定方法は変位一定の場合と荷重一定の場合の２通りを検討している．
図１ １点式プローブの測定モデル

２.１ 変位（x）一定の場合
1）T と W の相関を求めることで T が得られる方法である．
2）測定する場合には，まず T−W の校正値を求める．ｘは任意一定と定め目標とする T の前後を挟んで与えた W の校正線図を求めて置
く．
3）x，W と T を測定するがこの案ではプロ（a）引掛け方向ーブに x と W が定量化できる機能を与える．

（b）押込み方向

図２ 先端を被測定物に当てた荷重の方向

２.２ 荷重（W）一定の場合
1）T と x の相関を求めることで T が得られる方法である．
2）測定する場合には，まず T−x の校正値を求める．
W は任意一定と定め目標とする T の前後を挟んで与えた x の校正線図を求めて置く．
3）W，x と T を測定するがこの案ではプローブに x と W が定量化できる機能を与える．

３．実験
測定システムで要求される 1 点式プローブか

図３ １点式プローブの概要

ら被測定物に与えた W が数値化されなければならない．今回の報告は与える荷重の作用条件ような寸法形状としとしている．丸棒の直径φと出力信号を検討する目的で実施している．

2[mm]，ステンレス鋼（SUS304）の先端から３.１ １点式プローブと実験装置30[mm]の位置にひずみゲージを軸方向の腹側

1 点式プローブとは被測定物と接触する部分と背側に張り付け，先端部には被測定物の太さが 1 点であることから 1 点式と呼んでいる．こがφ6〜φ9[mm]と変るのに対応して与える荷のモデルは ACL 再建術中に用いられる先端が重の位置（ℓ）を 2，3 と 4[mm]と置いて，質量L 字形に曲がった細い棒の探り針か図３のは 0.1[N]である．実験装置の概要図を図４に示― ２ ―す．先端から 100[mm]の位置をスタンドに固定の傾き角度θで当る条件である．θ＝10，20，しブリッジボックスとひずみゲージを接続して（１）〜（３）の場30 と 40[°]とした．なお，いる．荷重は吊下げる方法で与えている．

合は垂直に当てた位置関係にある．

３.２ 実験項目（５）被測定物が当る位置を L 字形先端内側の張力付与後に移植腱を固定した後に，内視鏡「腹側」とその反対側の外側を「背側」と置い下で関節内移植腱の緊張度を触覚で確認したり， て「押込む」動作の条件である．
重ね折りした移植腱や骨孔近傍の状態を観察す
る動作を分析した結果から表１に示す項目について検討した．

固定部（１）被測定物に対し L 字形先端を「引掛ける」または「押込む」動作である．実験はφ0.3[mm]1 点式プローブのテグスでℓを変えて１ゲージ法で評価する条

ブリッジ
ボックス

ひずみゲージ件である．
（２）前項の１ゲージでは荷重の作用点位置にひずみ計よる曲げが問題になるため，これを除去する対スタンド策をした条件である．
（３）前項（２）ではφ0.3[mm]のテグスを用荷重いたが，被測定物の太さが一定ではないためφ4，φ6 とφ8[mm]の丸棒を先端に「引掛ける」条件である．

図４ １点式プローブの実験装置（４）被測定物に先端を到達させた場合の位置関係が，プローブの軸方向と垂直ではなく任意
表１ １点式プローブの実験項目（L 字形先端）
荷 重 W

項目

方 向

方 法

引掛け

φ0.3 [mm]

（１）

位 置

荷重ℓ [mm]

W [N]2，3，4

押込み

テグス５号

引掛け

φ0.3 [mm]

押込み

テグス５号

（３）

引掛け

ベークライト棒

φ4,φ6,φ8（４）引掛け

ベークライト棒

φ4,φ6,φ8

傾き角度θ [°]

10,20,30,40

ベークライト棒

φ4,φ6,φ8（２）

（５）

腹側

θ

2，3，4

背側

― ３ ―

測定ゲージ 結 果

0 〜 300 〜 160 〜 30

図５１ゲージ―２ゲージ

図６0 〜 30

2 ゲージ

図７0 〜 102 ゲージ

図80〜42 ゲージ

図90 〜 16

１点式プローブに与えた荷重の大きさが項目40ごとに異なっている理由は，荷重の作用点によ実験式：Ｗ＝0.3086εt [N]り弾性変形の限界を超えない荷重に留めたため
3030[N]に留めている．
３.３ 実験結果（１）
1 ゲージによるW−ε曲線である（図５）．

荷重 Ｗ ［Ｎ］である．また，実用時の最大荷重は約 10[N]程度を予測しており，実験で与えた最大値はWℓ20

W＝0〜30［N］

10

引掛け位置
ℓ=2[mm]ℓ=3[mm]ℓ=4[mm]

引掛け位置ℓがプローブの軸から離れると，引張0側（εt）及び圧縮側（│εc│）でℓの曲げ効果0が働いていたことから作用点の位置の違いが表

50100
ひずみ εt ［μSTR］150れた．この方法では作用点ごとの校正が必要で(a) 2 ｹﾞｰｼﾞの引掛け方向荷重ある．
（２）曲げ効果を除去した結果である（図６）．

40「引掛け」と「押込み」の動作に差異がなく線

実験式：W＝0.3495│εｃ│[N]

形的な関係にあり作用点の位置の効果を受けなある．
実験式には位置ℓの項が含まない以下の式で与えられる．
引掛け：W＝0.3086εt [N]30
荷重 Ｗ ［Ｎ］いため測定する場合は，（１）より有利な方法でℓＷ20

W＝0〜16[N]
押込み位置ℓ=2[mm]ℓ=3[mm]ℓ=4[mm]10

押込み：W＝0.3495│εc│ [N]（３）棒材による荷重を与えた場合（図７）も0

太さの差がL字形先端に当る位置が変るだけで0前項（２）と同じ結果になる．実験式は以下の50100
ひずみ ¦εc¦ ［μSTR］

150(b) 2 ｹﾞｰｼﾞの押込み方向荷重式で与えられ太さの項が含まれない．

図６ 項目（２）の結果
Ｗ30

実験式：W＝0.2913εt [N]ℓ20

Ｗ＝0〜30[Ｎ]
引掛け位置ℓ=2[mm]：εt¦εc¦ℓ=3[mm]：εt¦εc¦ℓ=4[mm]：εt¦εc¦

10

荷重 Ｗ ［Ｎ］

荷重 Ｗ ［Ｎ］

4030

ｄ20

Ｗ＝0〜30[Ｎ]
φ4[mm]10φ6[mm]
φ8[mm]

00200400600800

100000ひずみ εt ， ¦εc¦ ［μSTR］

図５ １ゲージ法の引掛け方向荷重

Ｗ50100ひずみ εt ［μSTR］

図７ 項目（３）の結果― ４ ―150

引掛け：W＝0.2913εt [N]10

押込み方向荷重も同じ性能が期待できる．
る固定部との曲げモーメントによりひずみ量はθの大きさに依存している．傾き角度を予め設定した校正曲線を与えて同じ傾き角度で測定し

荷重 Ｗ ［Ｎ］（４）図８のように当る傾き角度θと支点であｄ8なければならない．実験式は次のようになる．

実験式：Ｗ＝0.2615εt [N]Ｗ

6

W＝0〜4[N]φ4[mm]

4

φ6[mm]

2φ8[mm]実験式

0θ=10[°]：W＝0.1720εt [N]0102030
ひずみ εt ［μSTR］

θ=20[°]：W＝0.1022εt [N]

4050(a) 先端腹側方向荷重

θ=30[°]：W＝0.0797εt [N]θ=40[°]：W＝0.0711εt [N]10（図９）．
棒の太さの違いは見られないが荷重の方向が先端に作用する片持ちばりのため，軸剛性との関係で出力信号が小さい．実験式は次のように与えられる．なお，図（b）中の W=4[N]荷重 Ｗ ［Ｎ］（５）軸には引張りひずみεt が出力されている

で軸固定部からのたわみが大きくなり中止して

ｄ8

実験式：W=0.2179εｔ [N]Ｗ

Ｗ＝0〜4[Ｎ]6

φ4[mm]

4

φ6[mm]
φ8[mm]

2

実験式

00

いる．ひずみεt は W=3[N]と同じであった．
腹側：W＝0.2615εt [N]102030ひずみ εt ［μSTR］

4050(b) 先端背側方向荷重

背側：W＝0.2179εt [N]

図９ 項目（５）の結果
30

θ=40,φ4φ6φ8θ=30,φ4φ6φ8θ=20,φ4φ6φ8

θ=10,φ4φ6φ8

θ=10[°]，実験式
W＝0.1720εt [N]

荷重 Ｗ ［Ｎ］

20４．有効性と検討
想定した被測定物に当てた先端L字形の１点式プローブに与えた荷重の基本的な性能実験から，次の点が明らかとなった.

Ｗ＝0〜10[Ｎ]４.１ 有効な点
１）被測定物の太さの差に影響を与えない２ゲ

θ=20[°]，実験式
W＝0.1022εt [N]ージを用いた方法が引掛け及び押込み時には有Wθθ=30[°]，実験式
W＝0.0797εt [N]効である．
２）被測定物と当てる傾き角度が荷重の大きさ10を変えるため荷重と傾き角度との校正が重要でｄあり，校正を再現した測定が要求される．
θ=40[°]，実験式
W＝0.0711εt [N]３）与えた実験式は被測定物からの負荷を数値化でき，被測定物の緊張度が間接的に判断でき

0050
100
ひずみ εt ［μSTR］

図８ 項目（４）の結果150る可能性がある．
４）測定システムで示す 2.1 及び 2.2 ついて張力と変位との関係を確認する手法とその機能を― ５ ―検討する段階にある．

２ ） Fleming BC, Abate JA, Peura GD,

４.２ 今後の検討

Beynnon BD：The relationship between graft

１）被測定物の緊張度は測定者の経験と触覚にtensioning and the anterior-psterior laxity in依らなければならないため，測定パラメーター

the anterior cruciate ligament reconstructedに定量化の機能を付加した（例えば前項４）でgoat knee, J.Orthop.Res., 19, 841/844(2001)

示した）手法が必要である．

３）辻野淳，他 4 名：脛骨付着部を遠位へ移動

２）考案した１点式プローブの支点は剛体に固させた犬前十字靭帯の張力の in vivo における定された条件下で得られた結果である．実用で経時的変化，
日本臨床バイオメカニクス学会誌，は手持ち支持が余儀なくされるため１）と合せ17，415/419(1996)て解決する手法が必要である．

４）前田朗，他 4 名：Arthroscopic Force Probe

３）測定システムの客観的な評価は再現性と信を使用した靭帯の荷重測定法の検証，日本臨床頼性にあり，この点も同時に検討を要する．

バイオメカニクス学会誌，16，139/142(1995)
５）長尾光雄，他 2 名：膝前十字靭帯用張力プ

参考文献

ローブの開発，日本機械学会東北支部第 39 期

１）宗田大，他：特集スポーツ選手に対する前秋 季 講 演 会 講 演 論 文 集 ， № 031-2 ，十字靭帯再建術−復帰と問題点−，臨床スポー307/308(2003)

ツ医学，18，503/571（2001）― ６ ―