目次
第1章

緒第2章

装置の説明 ...................................................................................................................... 2

2.1

脛骨前方変位測定装置 ..................................................................................................... 2第3章

実言 .............................................................................................................................. 1

験 .............................................................................................................................. 8

3.1

仮想的変位の測定 ............................................................................................................. 8

3.2

受動的変位の測定 ......................................................................................................... 11

3.3

筋力の影響の測定 ........................................................................................................... 15

3.4

まとめ ............................................................................................................................... 18

第4章

結言 ............................................................................................................................ 19

第1章

緒言

膝前十字靭帯（ACL）の損傷は代表的なスポーツ膝障害であり，損傷数は国内で年間 2～3 万件，手術数 1 万 5000 件という重要な疾患である 1）．ACL は自己治癒力が低いため，受傷前のスポーツ活動レベルまでに復帰するには健康な腱を移植して再建する手術加療が一般的である．また，脛骨前方変位量は，損傷または再建中の ACL の剛性を推定する際に測定されるものである．診断に利用される代表的な機器は KT1000 であり 2)，これは被験者を仰臥位にして膝を指定の角度に屈曲させ，下腿を前方に引き出し，その際の引き出し力と前方変位の勾配を ACL の剛性として評価するものである．ACL に関する徒手検査である Lachman テストも，同様に下腿を前方に引き出して動揺性を確認するものである 3)．
すなわち，下腿が前方に移動することによって ACL に張力がかかるため，下腿の前方変位量はおおよそ「ACL の張力／剛性」を示す値であると考えられる．
徒手検査は，医師が徒手で患者の症状部位にストレスをかけ，それによって生じる骨の変位や整復現象などから具体的な疾患とその等級を診断する検査であり，診療後の回復の評価指標として行われる場合もある．徒手検査は症状を診断するための重要な役割を担うが，しかし多くの徒手検査では医師の定性的な判断に依存しているため，診断結果の差異や再現性が得られないという問題がある．また徒手検査に熟達した医師の技術を若手医師に教育することができないという問題もある．このような現状から，定量的評価の必要性が高まっている．
脛骨前方変位量の測定方法には，KT1000 のほかに，錘で荷重をかけて X 線透視画像から測定するもの（Lerat 法）や 4），TELOS や GNRB などいくつかの装置も提案されているが 5,6)，動作中の測定を行った例はきわめて少なく，Dejour らが X 線透視画像を用いて測定した例 7）などに限定される．動作中の脛骨前方変位量を測定できれば，ACL にかかる負担を推定し，ACL への負担によって動作を序列することによって，リハビリテーション計画などに有用なデータとなることが期待できる．また，自然な動作中に，また装具を装着したまま脛骨前方変位量を測定できれば，患者に対する負担を減らし，測定の信頼性が向上し，新たな診断装置としての有用性も期待できる．
そこで本研究では，動作中に脛骨前方変位量を測定する装置を設計製作し，測定値の妥当性について検討した．

1

第 2 章 装置の説明
2.1

脛骨前方変位測定装置

本研究で使用する脛骨前方変位測定装置(図 2.1)は，従来の装置[バイオメカニズム]に対して「膝蓋骨上の参照点を大腿骨上に置き換える」という改善を施したものである．従来の装置(図 2.3)では参照点を膝蓋骨に設けたが，本来 ACL は大腿骨と脛骨をつなぐ靱帯である．そのため，膝蓋骨に参照点を設けることは測定結果の正確さを損ねる可能性がある．
また，従来の実験では動作によるゴムバンドのずれが生じていた．したがって大腿骨参照点での大腿骨軸角度の計測を 2 点に増やし(図 2.4)，平均をとることでより正確な大腿骨軸の角度の計測が可能になり，機能向上を目指した．
また，脛骨と大腿骨の相対位置・姿勢を測定できることにより，屈曲角度を単一の装置で測定でき，また装置に対する ACL 付着部の位置をパラメータとすることで ACL 長を推定できるようになった．
本装置は，3 節によるオープンリンク機構であり，その一方の端点を下腿に，他方を大腿部参照点に設置する．各節の長さが既知であれば，節間の角度を測定することによって，下腿側に固定された脛骨軸大腿骨参照点の距離の変化を式(1)によって算出することができる．式中の文字は図 2.1 に準拠したものである．

d  l1 sin   l 2 sin   (1)

このとき，下腿軸と大腿部参照点の距離は，ACL のひずみ量にかかわらず，膝の屈伸運動によっても変化する．具体的に言えば，膝を屈曲すると大腿骨が後方移動するため，相対的には脛骨が前方移動することとなる．そのため，膝屈曲角度を同時に記録しておき，同一の膝屈曲角度において測定された距離の比較によって，ACL のひずみ量を推定できるようにした．膝屈曲角度を測定する方法は様々であるが，本研究では脛骨前方変位測定装置と同様，角度計と開リンク機構を用いたものとした．膝屈曲角度 θ は式(2)によって求められる．

      (2)

節部は三次元造型機によって PLA 樹脂で成型し，角度計には脛骨前方変位測定装置の節長は l1=80mm，l2=120mm とした．角度計には可変抵抗器 16K4（Supertech 社）を用い，電圧値を Arduino で測定して角度に換算した．装置はゴムバンドによって装着するものとした．

2

図 2.2 に製作した実験器具を装着した図を示す．測定される脛骨前方変位量は相対的なものであるため，直立姿勢で変位量０を定義し，しかる後に測定を行うものとした．また，従来の実験装置は，固定方法により動的な動作中にゴムバンドがずれる問題があった．そこで脛骨軸に固定する部品を脛骨軸に沿った適度な長さに変更し動作によるずれを極力少なくするよう改良した．
次に，ACL 長の計算方法について説明する．図 2.5 に 2 次元での ACL 算出モデルを示す．
ACL 長の推定は各節の長さと節間の角度から座標を計算し，ベクトルの大きさから ACL長を推定する．本来は ACL 長の変化は膝関節角度だけではなく，脚の回旋，回反も影響するため 3 次元での測定方法が理想である．しかし，今回の実験ではスクワットなどの基本動作であるため，回旋や回反の影響は少ないと考えた．また，試作段階の実験装置である
ため 2 次元での計算のほうが簡易的であることを理由に 2 次元の計算方法を使用した．
O(0,0)を原点とすると，各点の座標はベクトル計算式から下記のように計算できる．

 l1 sin 1 Alcos

11

 l1 sin 1  cos(1   2 )   l2 Blcossin()
1
12 
1

 l1 sin 1  cos(1   2 )   cos(1   2   3 )  sin(1   2   3 )  c1   l 2   
 C l1 cos1  sin(1   2 )   sin(1   2   3 ) cos(1   2   3 )  c 2  d1 D d 
 2
ACL 長は C 点と D 点のベクトルの大きさなので式(8)で計算することができる．ここで大腿骨側の ACL 付着部(C 点)と脛骨側の ACL 付着部(D 点)は個人差があるため X 線透視画像を用いて座標を測定する方法が最適である．しかし，本研究の目的はウェアラブルかつ簡易的な実験装置の製作・測定であるため，ACL 付着部の座標の決定は装着してからのパラメータとなる．そこで本実験では，十字靭帯模型を使用し，C 点は大腿骨参照点から(-10,-10)，
D 点は(-25,50)と決定した．

l ACL (25  l1 sin1  l 2 cos(1   2 )  10 cos(1   2   3 )  10 sin(1   2   3 )) 2 (50  l1 cos1  l 2 sin(1   2 )  10 sin(1   2   3 )  10 cos(1   2   3 )) 2 (3)3また，脛骨の前方変位量の測定装置を製作するために，測定，記録を行う装置として，
Arduino Leonardo (以下 Arduino という．図 2.6)を使用した．Arduino は，0V から 5V までの電圧を 1023 段階の分解能で読み取ることが可能である．また，機能を拡張できる特徴を持つ．通常，Arduino はパソコンに USB で接続して使用するが，記憶領域と内部電源をArduino に追加することでパソコンに接続することなく測定，記憶を行うことも可能である．
本実験では，Arduino を USB をとしてパソコンに接続し電源を取り，パソコン内にデータを記憶して使用した．Arduino の仕様を表 2.1 に示す．

4

図図2.1 脛骨前方変位測定装置

2.2 測定装置を装着した状態

5図2.3 従来の測定装置

図2.4 改良点
6

図 2.5

ACL 長の計算方法

プロセッサ
クロック
動作電圧
デジタル I/O

ATmega32u4
16MHz
5V

PWM 出力アナログ入力7本
12 本

プログラミング可能容量

31.5KB

SRAM メモリ容量
EEPROM 容量

2.5KB
1KB

図

図 2.6 arduino leonardo

20 本

表 2.1 arduino の仕様

7

第3章

実

験

前章にて説明した装置を用い，測定実験を行った．対象は健常男性二名の右脚とし，3つの実験を行った．
3.1 仮想変位の測定
3.1.1 実験方法
脛骨の前方変位量を測定できるかを確認することを目的とした実験について説明する．
下腿のセンサの装着部と測定装置の間に 3mm の金属板を挟み，仮想的な脛骨の前方変位を設定した．板厚の 3mm が前方変位量として測定結果に現れるか確認する方法である．板厚3mm が正確に測定できていれば本装置が脛骨の仮想的な脛骨の前方変位量が測定できていると言える．
金属板を挟まない場合，挟んだ場合でそれぞれスクワット動作を行い，結果を比較した．
実験の様子のイメージ図を図 3.1.1 に示す．

図 3.1.1 仮想変位の測定

83.1.2

結果

測定の結果の一例を図 3.1.2 に示す．横軸に膝屈曲角度を，縦軸に下腿軸と大腿部参照点の距離を示したものである．
金属板を挟まなかった場合と，挟んだ場合のプロット点を線形近似すると，近似線はそれぞれ「d[mm]=0.5201θ[deg]+55.293」,「d[mm]=0.51118θ[deg]+57.81」となる．板厚は 3mmであるので脛骨前方変位量は 3mm 増えているのが理想である．
下腿と装置の間に金属板を挟むと，測定値はおおよそ前方に移動しており，合理的な結果であった．屈曲角度 0°～90°における差の平均は 2.351mm であった．挟んだ板厚は 3mmであったが，脛骨の仮想的な脛骨の前方変位量の測定を目的とした実験であるため，これはある程度妥当性がある結果であるといえる．

100

脛骨前方変位量[mm]90y = 0.5118x + 57.81

80
y = 0.5201x + 55.293

70
板あり
板なし

60

線形 (板あり)線形 (板なし)

5040
02040
膝関節角度[°]
図3.1.2 実験結果

96080

3.1.3考察

板厚実験の結果から，参照軸と参照点の間の距離を測定する仕組みについては，ある程度妥当性のある結果が得られることが分かった．考えられる測定誤差の原因としては装着した測定装置のずれなどが考えられる．板厚の検知ができたことからこの装置が仮想的な脛骨の前方変位を測定できることが分かった．図 3.1.3 よりスクワット動作では屈曲動作時よりも伸展動作時に脛骨前方変位が大きかった．このことは，伸展動作時により強い大腿四頭筋力が働いたことによる差であると考えられる．

図

3.1.3

10

3.2 受動的変位の測定
3.2.1 実験方法
3.1 節では板厚による仮想的な脛骨前方変位が測定できることは示されたが，実際に脛骨の変位について示された訳ではない．そこで本節では実際に脛骨の変位を測定することを目的とした実験について説明する．実験は下腿を固定した状態で大腿に荷重をかけ，相対的な脛骨の前方変位を X 線検査で画像として比較することを目的とした Lerat 法をアレンジしたものである．Lerat 法は X 線検査で画像を比較する実験であるが，我々が実施した実験は測定装置を装着して脛骨の相対的な前方変位を測定し，結果を数値化して比較することが目的である．実験のイメージ図を図 3.2.1 に示す．
受動的変位の測定とは下腿を固定し，大腿におもりを吊して荷重をかけて行う実験である．荷重を無荷重の状態から 2kgf,4kgf と増やしていき，脛骨の前方変位量の変化を確認する．
脛骨自体は下腿が固定されているので変位せず，大腿に荷重をかけることで大腿骨が後方移動するため，相対的には脛骨が前方移動すると予想される．また，大腿に下向きの荷重をかけることで ACL にかかる張力も大きくなると予想される．

図 3.2.1

受動的変位の測定

113.2.2

結果

測定結果は図 3.2.2 に脛骨前方変位量の結果を示す．縦軸に脛骨前方変位量を，横軸は大腿にかけた荷重の大きさを示したものである．図 3.2.3 に ACL 長の結果を示す．縦軸にACL 長を，横軸に大腿にかけた荷重の大きさを示したものである．
前述のように下腿を固定したうえで大腿骨に荷重をかけると，荷重の増加に伴って脛骨が前方に移動した．しかし脛骨前方変位量は無荷重から荷重を 2kg に増やしたときは増加したが，荷重を 2kgf から 4kgf に増やした場合では変化していないのが分かった．
表 3.2.1 より無荷重の状態から荷重を 2kgf かけると脛骨が 1.487mm 前方に変位していることが分かる．また，荷重を 2kgf から 4kgf に増やした場合ではほぼ変化はなく，-0.3147mm脛骨が後方に移動している．
ACL 長は荷重を無荷重から 2kgf，2kgf から 4kgf に増やした場合それぞれで増加する傾向が確認された．表 3.2.1 より ACL 長は初期状態では 81.83mm であった．2kgf の荷重をかけることで 0.921mm 増加し，2kgf から 4kgf に増やすと 2.1885mm 増加した．

3.2.3

考察

実験結果より前述のように下腿を固定したうえで大腿に荷重をかけると相対的に脛骨が前方に変位するという結果が出ることが分かったが，荷重の大きさによっての脛骨前方変位の変化は確認できなかった．また，無荷重から荷重を 2kg かけたときに脛骨前方変位量は 1.478mm 増加したが，増加量の妥当性の確証は得られなかった．妥当性を確認する方法
としては，さらに他の被験者でのデータを取り，比較していく必要がある．
大腿荷重実験において測定誤差の大きな原因としては脛骨の固定方法にある．しっかりと脛骨が固定されていないと荷重をかけたとき膝関節角度が開いてしまい，脛骨前方変位量に誤差が出る．実験結果からも初期状態と 4kg の荷重をかけたときの膝関節角度を比べると 4kg の荷重をかけたときに 3°程度開いていた．この実験では膝関節角度の固定は実験結果に影響を与えるので脛骨及び膝関節角度の固定法を考える必要がある．

12

表 3.2.1

無荷重
脛骨前方変位量2kg

68.08 (mm)脛骨前方変位の増加量
ACL 長81.83 (mm)ACL 長の増加量

4kg
69.56 (mm)69.25 (mm)+1.487 (mm)-0.3147 (mm)82.75 (mm)84.94 (mm)+0.9210 (mm)+2.1885 (mm)脛骨前方変位量[mm]7069.56968.56867.56702荷重[kg]
図 3.2.2134ACL長[mm]85.58584.58483.58382.58281.58180.58002

荷重[kg]
図3.2.3144

3.3 筋力の影響の測定
3.3.1 実験方法
3.2 節では受動的な脛骨前方変位が測定できることは示されたが，動作中に脛骨の前方変位量を測定できることについては示されていない．本節の目的は動作中の脛骨の前方変位量の測定し，筋力の影響を見ることを目的とした実験について説明する．
膝伸展時には大腿四頭筋が働く．大腿四頭筋が働くことで脛骨は前方に変位すると考えられる．そこで大腿四頭筋の影響を見るために ACL にかかる張力の大小が推定しやすい条件を設定した．対象動作は図 3.2.1 に示した座位膝伸展とし，つま先におもりを付けることで荷重をかけて実験を行った．荷重を無荷重，2kgf，4kgf として，それぞれの場合において屈曲動作中の脛骨の変位を測定する．

図 3.3.1

3.3.2

座位膝伸展動作結果

測定結果は，図 3.3.2 に横軸に膝屈曲角度を，縦軸に下腿軸と大腿参照点の距離として示し，図 3.3.3 に横軸に屈曲角度を，縦軸に ACL 長として示したものである．座位膝伸展の条件では，重力による膝屈曲モーメントとつり合うよう大腿四頭筋が働き，結果として下腿は前方に移動すると予想される．つまり，荷重が重くなるほど脛骨前方変位量が大きく15なる．図 3.2.2 に示したように無荷重のとき，荷重をかけて伸展動作をしたときでは荷重が重くなるほど脛骨前方変位量は大きくなった．このことから合理的な結果と言える．
無荷重，2kg，4kg の結果の近似線はそれぞれ「d[mm]=0.461θ[deg]+38.615」，「d[mm]=0.4736θ[deg]+39.339」，「d[mm]=0.4776θ[deg]+40.364」となった．膝関節角度 30°における脛骨前方変位量を表 3.2.1 にまとめた．荷重を 2kg 増やすと脛骨前方変位量が 1mmずつ大きくなっているのが分かった．
表 3.3.1
無荷重
脛骨前方変位量

2kg4kg+1.102(mm)+1.154(mm)+0.18(mm)-0.594(mm)ACL 長80無荷重

脛骨前方変位量[mm]752kgf

704kfg6560555045401020304050

膝関節角度[°]
図 3.3.21660708065

ACL長[mm]

6055

無荷重
2kgf

504kgf

45401020304050
膝関節角度[°]
図3.3.36070803.3.3

考察

荷重実験では，脛骨前方変位量に関しては荷重の有無，荷重の増減いずれの条件においても明確な傾向を確認することができた．前述のように座位伸展の条件では，重力による膝屈曲モーメントとつり合うよう大腿四頭筋が働き，結果として下腿は前方に移動することが分かった．このことから座位伸展動作中においては脛骨前方変位量を測定できたと考えられる．脛骨前方変位の増加量の妥当性はさらに被験者を増やして，比較するなどのことから確認する必要がある．
ACL 長に関しては 20~30°の場合は荷重に伴い ACL 長は増加しておらず，妥当性は見られなかった．しかし，50~70°における屈曲角度の場合は荷重に伴って ACL 長は増加する結果になった．一部の屈曲角度においてのみ ACL 長の規則性が見られた理由については今回不明であったが，測定装置のずれなどが関係しているのではないかと考えられる．

17

3.4

まとめ

本研究で設計製作した装置は，実験で限られた動作の中でのみおおよそ正確に脛骨前方変位量を測定できていると考えられるが，被験者同士の比較が難しいほか，同一の被験者でも例えば靱帯再建の進み具合をチェックするような使い方ができなかった．その原因として回旋などの前方変位以外の 5 軸運動を無視していること，装置の設置方法などが考えられる．
まず測定装置の問題については根本的な問題点として，回旋など前方変位以外の 5 軸運動を無視しているため，ACL への負荷がどの程度正確に測定できているかは未検証である．
歩行や膝の動作において特に回旋が重要になるが,製作した測定装置では回旋動作については考慮していないため，回旋動作も測定できるような装置に改良する必要がある．
また，装置の設置方法については設置位置を同定することが難しいため，いったん外してから装着しなおすと値の傾向が異なる場合がある．下腿側についても，脛骨軸とずれていると屈曲時の変動量に強く影響する．そのため，被験者同士の比較が難しい．装置の設置については，ゴムバンドを使用したが実験を重ねるとゴムの劣化が激しく装置がずれやすくなる．したがって，毎回同じ位置に設置できるような設置位置を検討することや，動作中にずれが生じにくいよう固定方法を改善することが必要である ．
今後は，これらの弱点を改善し，特に被験者同士の定量的な比較ができるような装置に改良する予定である．

18

第4章

結言

身体動作中に脛骨前方変位を測定できる装置を製作し，検証及び測定する実験を行った．
その結果距離の測定は可能だったものの，実際の脛骨前方変位量を測定できたと考えられるのは限られた動作の中でのみであった．また，定量的な評価をできるまでにはいたらなかった．今後の課題は膝の回旋も考慮した三次元的な装置の設計製作や，設置方法などを再検討し，定量的な評価が可能なように改良することである．

19参考文献
1) 宗田大：前十字靱帯（ACL）損傷の診断と治療，東京スポーツ整形外科研修会， 31-32,(2009)．
2) Isberg, J., Faxen, E., Brandsson, S., Eriksson, B. I., Karrholm, J. and Karlsson, J.: KT-1000
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3) Wiertsema, S. H., van Hooff, H. J. A., Migchelsen, L. A. A. and Steultjens, M. P. M:
Reliability of the KT1000 arthrometer and the Lachman test in patients with an ACL rupture,The Knee, 15, 107-110, (2008).
4) Beldame, J., Bertiaux, S., Roussignol, X., Lefebvre, B., Adam, J. M., Mouilhade, F. andDujardin, F.: Laxity measurements using stress radiography to assess anterior cruciate
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arthrometer, Orthopaedics and Traumatology, 98, 744-750, (2012).
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20