橈骨遠位端骨折の変形癒合による回旋制限のシミュレーション
宇都宮大学大学院 機械知能工学プログラム 生体計測・福祉工学研究室 修士２年
須藤 大和（すどう やまと）【概要】橈骨遠位端骨折は、 転倒などで身体を支える際に手掌が地面についた際の衝撃によって生じる骨折である。希に骨折片が骨折前と異なる状態で癒合する変形治癒が生じることがある。これにより握力低下や手関節痛などの障害を伴う恐れがある(1)。そこで、本研究ではシミュレーションソフトを用いて数値的に変形癒合による前腕回旋制限の調査を詳細に行った。シミュレーションの結果、変形癒合が高度になると、回外運動の回旋角度に大きく影響を与えることが分かった。手首周りの骨折は、高齢者によく見られ、回旋運動減少のメカニズムの研究はリハビリテーションや手術をする際の参考として利用することができるため、栃木県に住む高齢者の健康寿命の延長が期待できる。
【緒言】橈骨遠位端骨折は、 転倒などで身体を支える際に手掌が地面についた際の衝撃によって生じる骨折である。 骨折の治療方法は重症度の高いものを除き徒手整復後のギプス固定の保存治療である。 通常の治療では固定後、 骨癒合は 4～5 週間で生じ、 健常者と同じ正常位置に回復する。 しかし、 希に骨折片が骨折前と異なる状態で癒合する変形治癒が生じることがある。 この変形治癒には骨折の転移の程度を評価する指標として橈骨シフト、 橈骨短縮などがあり、 これによって可動域制限、 手関節痛、 握力低下などの障害を生じる。 先行研究では屍体橈骨を用いた二次元変形量(単独変形)による前腕回旋制限の調査が行われてきた(3)。 しかし屍体を用いた方法では 2 つ以上の変形が見られる複合変形(3 次元変形)を詳細に調査することは困難であった。 そこで、 本研究ではシミュレーションソフトを用いて数値的に複合変形(3 次元変形)による前腕回旋制限を詳細に調査する。
【前腕部の構造】腕部の全体の骨格構造を図 1 に示した。 腕部骨格は上腕骨、 尺骨、 橈骨の 3 つの長骨で構成される。これらの骨の周りには運動を担う筋や、支持・拘束の役割を持つ靭帯が付着している。
橈骨遠位端上腕骨橈骨尺骨
図１：前腕骨格構造【橈骨遠位端骨折後の変形癒合】橈骨遠位端骨折とは、橈骨の手関節近傍部（橈骨遠位端）で発生する骨折である。この治療の際、 変形癒合が生じる。 これは骨折片が骨折前と異なる状態で癒合することである。 骨折の転移の程度を評価する指標として、 橈骨頭が尺骨頭から橈側方向へ離れて癒合した橈
骨シフト、 橈骨頭が近位方向へ圧縮して癒合した橈骨短縮などがある。変形は複数の指標が同時に発生した変形のことであり、 変形癒合を発生した患者を調査した研究では単独変形よりも複合変形の患者の方が多かったことが知られている。
【回旋運動】回旋運動は回転方向により、回内運動と回外運動の 2 つに区分される（図２）。直立姿勢において、手掌を上方に向ける動作を回外運動、下方に向ける動作を回内運動と呼ぶ。回外運動の最大角度は約 90°であり、回内運動の最大角度は約 85°である(2)。

図２：回内運動と回外運動【シミュレーションモデルの作成】被験者１名の右腕部全体の CT 画像から画像可視化解析ソフトウェアを用いて骨部の輪郭を抽出し、 それらの輪郭を積層することで骨モデルを作成した。 作成した骨モ
デルは肩甲骨、 上腕骨、 橈骨、 尺骨、 手根骨、 中手骨、 指節骨である。 開発ソフトウェア
Unity(Version5.6.1、Unity Technologies 社製)に作成した骨モデルを入力し、 その骨モデルを靭帯モ
デルで固定し、筋モデルで駆動させることで、シミュレーションモデルを構築した。筋モデルは筋収縮する部分と動力を伝達する腱の部分で構成された。靱帯モデルは伸長時のみ収縮力が生じるように構成された。モデル化した筋は、回外運動の主動作筋である上腕二頭筋の長頭と短頭、回外筋、 回内運動の主動作筋である円回内筋と方形回内筋の 5 つであった。また、29 本の靱帯をモデル化した（図 3）。
筋モデルと靭帯モデルの付着点は文献を参考に設定した。
筋モデル

靭帯モデル
図 3：上肢モデルの作成【シミュレーション条件】
1.標準モデル 骨の変形のないモデルを用いて、回外運動と回内運動の最大可動域が文献値に近づくよ
うに靭帯の位置と筋出力を調整した。
2.橈骨短縮モデル 橈骨短縮した状態を再現するために標準モデルの橈骨遠位端を骨軸の近位方向へ移動させた。橈骨短縮の変位量 1mm ごとに最大 5mm まで変化させて、シミュレーションを行った（図 4）。
橈骨遠位端短縮量

図 4：橈骨短縮
3. 橈骨シフトモデル 橈骨シフトした状態を再現するために標準モデルの橈骨遠位端の重心の座標を原点として、橈骨遠位端を橈側方向へ移動させた。橈骨シフトの変位量を 1mm ごとに最大 6mm まで変形させて、シミュレーションを行った（図 5）
。

橈骨遠位端

図 5：橈骨シフト4.複合変形モデル 橈骨シフトモデルと橈骨短縮モデルの２つの変形を取り入れたモデルを作成し、変位量をそれぞれ１mm 毎に変化させて、シミュレーションを行った。

橈骨遠位端

図 6：複合変形モデル【結果および考察】標準モデル、橈骨短縮モデル、橈骨シフトモデル、および複合変形モデルの結果は図 6 のようになった。 シミュレーションの結果、骨折をしていない標準モデルは、回外運動が89.3°、回内運動が 82.8°となった。 一般的に回外運動の最大可動域は 90°、回内運動は 90°とされているため正常な回旋可動域内にあると考えられる。橈骨短縮モデルでは、短縮量 1mm から回旋角度が減少し、短縮量 5mm で日常生活に影響が出るとされる回旋角度 60 度を下回り、回外運動の回旋角度に大きな減少が見られた。橈骨シフトモデルでは、シフト量 6mm で回外運動の回旋角度が 60°を下回った。複合変形モデルでは、橈骨短縮 4mm・橈骨シフト 6mm で回外運動の最大可動域が 40°と大きく減少した。回旋角度減少の原因として、橈骨遠位端の変形により、橈骨遠位端と尺骨頭を連結している遠位橈尺靱帯の自然長が伸びて早い段階で制限が生じたことが考えられる。

図 7：橈骨短縮モデル回旋角度

図 8：橈骨シフトモデル回旋角度

（A）回外（B）回内
図 9：複合変形モデル回旋角度【結言】
被験者１名の右腕部全体の CT 画像から骨モデルを作成し、靭帯モデルと筋モデルを取り付けることで、シミュレーションモデルを構築し、数値的に変形癒合による前腕回旋制限の調査を詳細に行った。
回旋角度が 60°を下回った際、日常生活に影響があるとされている。橈骨短縮モデルにおいては短縮5mm で回外運動の回旋角度が 60°を下回った。橈骨シフトモデルにおいては、シフト量 6mm で回外の回旋角度が 60°を下回った。複合変形モデルにおいては短縮量 4mm かつシフト量 5mm の際に回外運動の回旋角度が 60°を下回った。以上の結果から単独変形に比べてより早い段階で回旋運動に制限がかかることが分かった。
【文献】(1)白井久也, 前腕回旋障害の原因と治療戦略, 臨床整形外科, Vol.40, No.2(2005), pp. 155-162.
(2)Tarr RR, Garfinkel AI, and Sarmiento A, The effects of angular and rotational deformities of both bones of theforarm, J Bone Joint Sueg Am, Vol.66, No.1(1984), pp.65-70.
(3)Bronstein A, Heaton D, Tencer AF, and Trumble TE, Distal radius malunion and forearm rotation: a cadaveric study,J Wrist Surg, Vol.3, No.1(2014), pp.7-11.