計測自動制御学会東北支部 40 周年記念学術講演会
2004 年 12 月 22 日，23 日 日本大学工学部

講演番号：A18

膝前十字靭帯張力測定プローブの開発（3 点式試作の機能調査実験）
○内藤哲

長尾光雄

横田理（日本大学）

Development of Tension Probe for Anterior Cruciate Ligament（Experiment on Investigation of Function of Trial Model by 3 Point Support）*T. Naitou, M.Nagao and O. Yokota (Nihon University)
Abstract− Tendon graft receives the initial tension and is fixed. The tension in the knee joint is not fixed by thecase. It is the probe which detects the size of the tension in the joint by the mechanism inserted in 3 points. The
condition in which tilting angle θ of the T-W chart became 45[deg]±10 was proven in the relationship between
measured value and calibration value. And, the evaluation method was also determined. Design data of the newprobe were obtained.
Key Words: Knee, Anterior cruciate ligament, Tension probe, 3 point support, Calibration, Design

1 緒言
前十字靭帯(以下 ACL と呼ぶ)を断裂した場合には自家組織により ACL の再建術が行われる．このとき移植腱には関節外から一定な初期張力が付与されるが，関節内移植腱の張力が症例により異なることが推定される．これらを改善し確実な張力付与のためには関節内測定システムの提案が必要である．これが可能になれば生理的に近い初期張力や術後の張力評価または他に応用できるなどの有効性が期待できる．関節内張力測定プローブには 1 点式と 3 点式を考案し幾つかの試作により性能評価とその改善を試みている．１点式は被測定物を L 字形先端で引掛けたり押込んだりする探り針方式の試作であり，ひずみゲージ方式とロードセル方式で実施している[1]．
3 点式とは被測定物を挟み込む方式で張力の大きさを検出する方法である[2]．今回は既存の試作プロー
ブに新たな付加機能及び改善対策を目的に実用状況における測定形態を考慮し，測定形態による張力と出力信号の関係を調査した．その結果から測定初期の設定条件や付加機能及び測定条件など新たな検討事項が提案されたので報告する．

この剛性の変化を測定軸と反対の軸端に納められたロードセルで検出する．押込み量ℓ2が一定なため被測定物の太さによりℓ2を押込む力が大きく押込めない場合も想定し，ロードセルとの間にばねを介することでℓ2を与えても測定可能な機構になっている．測定値は剛性の高い被測定物ほど測定軸に対する反発力も大きくなり，ばねがたわみそのばね荷重をロードセルで検出している．
2.2 校正値と測定値
被測定物の太さや剛性は症例により個体差がありその都度その測定パラメータについて校正を行いその校正線図が新たに作成される(Fig.2(a))．
Load cellℓ2
Object，dE

θ1 W

d1，Sleeveθ2ℓ0Point

Tｘ2 測定システムの概要
2.1 3点式張力測定方法

κ1 ，κ2， Spring
Detection shaftℓ1ℓ

この測定方法は関節内移植腱の張力を直接測定する提案である．ACL移植腱を3点式で挟み込んで測定 Fig.1 Outline of 3 point support function measuringsystem.
する概要をFig.1に示す．図中のパラメータは被測定物の太さ(d)，剛性(E)，長さ(ℓ)，3点支持の2点間長さ
θ=45[deg]±10(ℓ1)，測定軸の位置(ℓ0)，測定軸との傾き角(θ1)，変位W(x)，荷重(W)，ばね定数(κ)，測定軸押込み変位(ℓ2)，
WW
張力(T)及び張力軸との傾き角(θ2)，スリーブ径(d1)，(T)θTT
押込み量(δ=1-d/ℓ0)である．測定の基本は2支点間ℓ1離T(W)(a) Calibration (b) Measurement
れた中央から第3の支点である測定軸を被測定物にFig.3 Tilt angle of the押し当てて挟み込む方法である．被測定物の張力の Fig.2 Calibration value
and measured value.
input/output signal.
大きさでその剛性が変わるためたわみ量(x)も変わる．

181

2. 3 測定条件の設定
手術後の張力はこの校正線図から得られるため校正時と同等の測定環境の再現は必然である．高い信(1) 傾き角θ=45[deg]±10の再現
頼性が得られる測定条件は理想的な信号の入出力
Fig.1のパラメータからFig.2(a)の関係がFig.3になT-Wに対してFig.3のような関係を最適と定めている． るための設定条件についてdを一定としたδとℓ1の関傾き角θ=45[deg]±10となる入出力信号の設定パラメ係を実験1と実験2で調査する．
ータを与える条件の調査は必然であり，一方の軸に(2) 校正値と測定値の再現
片寄った校正線図からは信頼できる測定値を得るの
Fig.2の関係における再現性に対する信頼度をFig.3は困難であり誤差の要因が大きく再現性も難しい環との関係から検証したのが実験3である．
境である．
(3) 測定軸との傾き角θ1の影響
κ1=19.6[N/mm]
δ=0.375
δ=0.516
δ=0.688δ=0.844

κ2=29.4[N/mm]
δ=0.376
δ=0.516
δ=0.686
δ=0.843

25

Fig.1のθ1=0[deg]の測定値T-Wと任意のθ1 に対する差からθ1の許容可能な範囲の調査が実験4である．
(4) 張力軸との傾き角θ2の影響
Fig.1のθ2=0[deg]のT-Wと任意のθ2 に対するT-WとのWの差から損失Tの調査が実験5である．
(5) ばね定数と傾き角θの関係(1)のばね定数より硬いばねを用いてFig.2とFig.3の関係を調査する実験が実験6と実験7である．

20

3

4035

Load W [N] (Output signal )

30

15
10
50050

100Tension T [N] (Input signal)

150

Fig.4 T-W of every δ at ℓ1=12[mm], κ1=19.6[N/mm]
and κ2=29.4[N/mm].
κ1=19.6[N/mm]ℓ1=12[mm]ℓ1=18[mm]ℓ1=24[mm]40κ2=29.4[N/mm]ℓ1=12[mm]ℓ1=18[mm]ℓ1=24[mm]Load W [N] (Output signal )30252015105050100Tension T [N] (Input signal)(1) 実験 1 と実験 2
実験 1 ではFig.1 からd=3.2(マウスコード)，
κ1=19.6[N/mm]，ℓ1=12[mm]，ℓ=27[mm]，d1=4[mm]，
初 期 張 力 T0=5[mm] ， T の 最 大 値 は 120[N] ，
θ1=θ2=0[deg]，において押込み量δのℓ0=2.0，1.5，1.0，0.5[mm]としたT-WをFig.4 に示す．δ及びℓ1を大きく取らないとT-Wの関係はFig.3 の形とならないため，
実験 2 でℓ0=0.5[mm](δ=0.844)のℓ1=18，24[mm]に条件を変更した結果がFig.5 である．δが大きい条件でℓ1を許容される寸法に取ることでFig.3 の傾きθを押し上げ押込み荷重Wも小さい．この事例のように要求のT=30〜80[N]に対する最適とされるW=5〜15[N]に設定する方法が示された．

(2) 実験 3350

実験と検討

150

Fig.5 T-W of every ℓ1 at δ=0.844, κ1=19.6[N/mm] andκ2=29.4[N/mm].

Fig.6 と Fig.7 は実験 1 で与えた条件で得られた
Fig.4 を校正値とおいて，Fig.2 の信頼度についてFig.3 の傾き角との関係を検討している．T-W に対する測定値 W-T は T-W 線図と比較のため右縦軸にW を表す．再現性に対する信頼度の評価は T-W の Tに対する許容範囲とこれを満足する割合で以下のように定め検討した．
校正の T-W において W-T を評価する基準は，
1) T に対して ± 5[%]，
2) T に対して ±10[%]3) T=120[N]フルスケールの ± 5[%]
4) T=120[N]フルスケールの ±10[%]
この項目において，測定値の 80[%]以上が満足する δ
ごとの満足程度を判定する．
1) 全ての δ が満足しない．δ=0.844 は 23[%]満足．
2) 全ての δ が満足しない．δ=0.844 は 61[%]満足(Fig.6 参照)．

182

δ=0.375/T-W
＋5[%]
−5[%]
δ=0.375/Ｗ−Ｔ

1212121010101088886666050

W-T / Input signal (Load W [N])

44150

100

4050

100

150

T-W/Input signal,W-T/Output signal (Tension T [N])T-W/Input signal,W-T/Output signal (Tension T [Ｎ])(a)δ=0.375 and δ=0.516(a)δ=0.375 and δ=0.516
δ=0.688/T-W＋10[%]−10[%]
δ=0.688/Ｗ−Ｔ

14

W-T / Input signal (Load W [N])12

T-W / Output signal (Load W [N])144

δ=0.844/T-W＋10[%]−10[%]
δ=0.844/Ｗ−Ｔ

δ=0.688/T-W＋5[%]−5[%]
δ=0.688/Ｗ−Ｔ

δ=0.844/T-W
＋5[%]
−5[%]
δ=0.844/Ｗ−Ｔ

27

2525252523232323212121211919191917171717151515151313131311

T-W / Output signal (Load W [N])W-T / Input signal (Load W [N])2727
T-W / Output signal（Load W [N]）

δ=0.516/T-Ｗ
＋5[%}
−5[%]
δ=0.516/Ｗ−Ｔ

14

14

T-W / Output signal（Load W [N])

δ=0.516/T-Ｗ＋10[%}−10[%]
δ=0.516/Ｗ−Ｔ

11

11
050

100

0150

T-W/Input signal,W-T/Output signal (Tension T [N])

50

100

27
W-T / Input signal (Load W [N])

δ=0.375/T-W＋10[%]−10[%]
δ=0.375/Ｗ−Ｔ

11150

T-W/Input signal,W-T/Output signal (Tension T [N])(b)δ=0.688 and δ=0.844
Fig.6 T-W,W-T of every δ at ℓ1=12[mm] and Within±10[%] for T.

(b)δ=0.688 and δ=0.844
Fig.7 T-W,W-T of every δ at ℓ1=12[mm]±5[%] for FS=120[N] of T.

3) δ=0.688 は 83[%]，δ=0.844 は 96[%]満足している(Fig.7 参照)．
4) 全ての δ が満足しており評価できる．
δ と T-W 線図の傾き角と W-T 線図の判定(≧80[%])を整理する．T-W の傾きが小さい δ=0.375 と 0.516
では上位と比べ 20[%]以上低下する．T-W 線図のθ=45[deg]±10 の関係を満足する設定条件の必然性が確かめられた．

効果が入らない相対位置関係の確保は必然であり，実用においてはθ1=0[deg]となる先端形状または機構の検討が必要である．

(3) 実験 4
Fig.8 にθ1に応じたT-W線図を示す．Fig.4 とFig.5で見られたように θ1が大きいとδを大きくした効果と同じ出力信号は得られている．3 点式ではθ1のand Within(4) 実験 5
Fig.9 に θ2 の 結 果 を 示 す ． 比 較 し た θ2=0[deg]はFig.4(a)のδ=0.375 とδ=0.844 である．スリーブと被測定物表面は乾燥状態にあり，スリーブの穴淵を押込む荷重が増し両者間による摩擦損失∆Tも増すためスリーブ間の被測定物の張力はその相当分小さくなることが確認できる．実用では潤滑または摩擦を小さくする要因が揃っているため僅かなθ2≦5[deg]では意識しなくてよい．

183

252020
Load W [N] (Output signal )Load W [N] (Output signal )251510θ1=0[deg]
θ1= 5[deg]θ1=10[deg]5θ1=15[deg]θ1=20[deg]

0050

100

δ=0.375
θ2=0[deg]
θ2=10[deg]θ2=20[deg]θ2=30[deg]

1510

50150

050
100
Tension T [N] (Input signal)

Fig.9

T-W for θ2 of δ=0.375 and δ=0.844.

Tension T [N] (Input signal)

Fig.8

δ=0.844θ2=0[deg]
θ2=10[deg]θ2=20[deg]θ2=30[deg]T-W for θ1 of δ=0.375 in ℓ1=12[mm].

1504) 測定軸とのθ1は許容できないため 3 点が被測定物に垂直方向から挟み込む機構や信号検出方法などのFig.4 とFig.5 の図中にκ2=29.4[N/mm]の結果を示す． 工夫が必要である．
Fig.1 のℓ2が同じでありκ2の硬さが測定軸の押込み荷5) 張 力 軸 と θ2 は 実 用 上 許 容 可 能 と 見 ら れ る が重Wを押し上げた結果であり，δとℓ1に対して全てのTension Meter で引くときθ2=0[deg]となる方向へ付T-Wの傾き角が押し上げられている．Fig.3 のθを満与すれば許容される．
足すればFig.2 の再現性に対する信頼度評価も高い
6) 被測定物の太さを 4，6 と 8[mm]とおいた上記 1)確率で良好な判定が可能となる．と 2)の確認並びにその条件を与える方法について検討する．
４ 結言
最後に，福島県立医科大学医学部整形外科教室
3 点式プローブに新たな付加機能及び実用を想定
長総義弘先生からのご指導に対しまして謝辞を申しした測定形態について検討した実験項目から次の改上げます．
善や提案事項が示された．
1) 校正値と測定値の関係から入出力信号には理想参考文献なθが得られ易いδとℓ1及びκの存在を確認した．
[1] 長尾光雄，他 2 名：膝前十字靭帯用張力プローブの2) 校正値と測定値を評価する基準とこれを判定す
開発，計測自動制御学会東北支部第 212 回研究集会，る許容範囲を提案した．これが再現性の信頼度評価
資料番号 212-6，2003．
である．実験事例をこれで判定した結果からも，入[2] 長尾光雄，他 2 名：膝前十字靭帯用張力プローブの出力信号の傾き角 θ の大きさが信頼性を改善するこ開発，日本機械学会東北支部第 39 期秋季講演会講演とも確認した．
論文集，№031-2，pp.307-308，2003.
3) 測定方法やその環境の同時性，並びにその繰返し精度を確保することも 2)の信頼度改善には必然である．
(5) 実験 6 と実験 7184