CT 撮影による足関節内の骨運動の計測
宇都宮大学 大学院 生体計測・福祉工学研究室 修士 2 年
鄭 炫旭(じょん ひょんうく)【概要】近年少子高齢化による超高齢化社会が進んでいることから, 医療に対する関心が高まっている. 医療技術の発展に伴い, 患部の治療やリハビリテーションが重要であり, その中体を支えている足関節は健康寿命を短くする要因ともなる. そこで, 本研究は足関節のメカニズムを把握するために, 医療や日常生活における被験者として，足に外傷や疾患の無い日本人男性 10 名を選出した．そして, 自作の足裏荷重装置を用い, CT 撮影を行った. CT 映像から 3Ｄモデル再構築ソフトウエアを使って, 各々の骨の回転角度を算出する. 結果として, 多少ズレはあるが, 計測するに先立って設定した角度に近いことが確認出来た.
本研究の成果より, 栃木から世界に向けて超高齢化社会時代に備えた医療技術の発展する一助したい.
1. 緒言

日本では少子高齢化が進んでおり，近年では超高齢社会と呼ばれるほどである．医療の発展により寿命が伸び ているが，一方で慢性疾患の患者が増加している．そのため健康寿命の概念が重要である．日本の健康寿命と平 均寿命との間は男性で 9 年，女性で 12 年以上の差がある．また運動器の疾患は健康寿命を短くする要因となり，要介護となる原因ともなる．今後，健康寿命と平均寿命の差が拡大することにより，医療従事者や介護者の 負担が増加することになる．健康寿命と平均寿命の差の短縮が可能になれば，負担を軽減することができる．
また足関節の運動はスムーズな歩行を行う際に重要な働きをする．足関節の健康を維持することは，高齢者の 健康寿命を伸ばす要因となり，また高齢者でない人の生活の質を向上するために重要である．しかし，足関節は 体重を支えているため大きな負荷を受けている．また歩行を行う際には，体重の他に運動エネルギーが加わるため，更に大きな負荷を受けることになる．そのため足関節は新患件数の多い部位である．足関節の構造やメカニ ズムを把握することは重要であり，治療やリハビリテーションの際に必要不可欠な情報である．
過去の足関節運動に関する研究として，主に屍体を用いた研究(1-3)と CT を用いた研究(4-7)がある．Reeckら(1)は新鮮屍体下肢を用いて，歩行姿勢をシミュレートした．外在筋腱に引張張力を与え，かかと接地，立地，かかと離地の３条件において，足根骨の運動を計測した．Beimers ら(6)は，背屈，底屈，外返し，内返しの４つの姿勢において，健常被験者に対して CT 撮影を行った．外部負荷装置を用いて，CT 撮影時に足裏に荷重を与えた．距骨に対する踵骨の運動（距骨下関節）を計測した．

そこで，本研究では, 歩行時の足関節運動を再現するために，足関節の底屈でつま先接地，足関節の背屈で踵接地の状態における足部の CT 撮影を行い，接地荷重が足部の骨の回転角度および回転軸に及ぼす影響を調査する目的とする．
2. 方撮影範囲法

2・1. 被験者被験者として，足に外傷や疾患の無い日本人男性 10 名を選出した．年齢は 21～24歳，平均身長は 171.0±5.0cm（平均±標準偏差），平均体重は 60.8±6.7kg，平均 BMI(body mass index)値は 20.7±1.6 であった．本研究は，宇都宮大学ヒトを対象とし

ロ❘ドセル(押付荷重)

荷重出力
CT撮影用ストレッチャー

図１ 足裏荷重装置の概略図

た倫理審査委員会の許可を得て実施された（承認番号：H20-0023）．実験に先立ち，
20deg
被験者に本研究の目的および内容を十分説明し，全被験者から文書で同意を得た．
2・2. 足裏荷重時におけ20deg
る CT 撮影
図１に足裏荷重装置の概(a) 基本姿勢(b) 底屈姿勢(c) 背屈姿勢
略図を示す．装置は，荷重
図２ 底屈および背屈時の姿勢を計測できるロードセル（LATA-A，共和電業製）と足裏荷重を受ける木製板から構成された.ロ腓骨
ードセルと足裏荷重を与える箇所が離れているのは，CT 撮影時にアーチファクトが生じないようにするためである. 被験者には，CT 撮影前に立位にて足裏荷重装置を右足で踵のみ，足底前面，つま先のみで押し込んでもらい，各姿勢における荷重を計測した．これらはそれぞれ，歩脛骨行時の基本姿勢，底屈, 背屈における足裏荷重に相当する．底屈角度は 20°，背屈角度は 20°とした（図２）．
CT 撮影時には，被験者は仰臥位にて足裏荷重装置を各姿勢で押し込んでもらった．その時のロードセルからの出力を被験者が目視できるようにしておき，仰臥位での押し込み荷重を立位で計測された足裏荷距骨重の２割とした．撮影範囲を足底から大腿部遠位までとし，スライス厚第二中足骨を 1mm とした．また，足裏荷重を生じさせない状態で，基本姿勢，底踵骨屈, 背屈時の CT 撮影も行った．
2・3. モデル化と回転角度の算出
3Ｄモデル再構築ソフトウエア Mimics（マテリアライズ社製）を用い
図３ 三次元骨モデルて，撮影された CT 画像データより， 下腿より遠位の全ての骨について三次元骨モデルを取得した（図３）．ソフトウエ脛骨腓骨アの機能により、まずＣＴ値が 226HU 以上の領域を抽出し，その後，目視で調整を行った．
第二中足骨, 距骨, 踵骨, 腓骨の４つの骨の運動を計測した（図３）．荷重無し条件における基本姿勢を基準として，その他の姿勢における各骨の回基本姿勢転角度および回転軸を有限ヘリカル軸表示を用い踵骨て算出する．算出手順を以下に示す．基本姿勢とその他の１姿勢における全骨モデルを 3Ｄモデル解底屈姿勢析ソフトウエア 3-matic（マテリアライズ社製）に入力する．ソフトウエアのレジストレーション機能
図４ 脛骨を位置合わせすることで基本姿勢から底を用いて，両姿勢における計測したい骨モデルの位屈姿勢への骨運動を計測置合わせを行う．
両姿勢における骨モデルの同じ場所に８点のマーカを取り付ける．マーカーを取り付けた状態で，次に両姿勢の脛骨の位置合わせを行う（図４）．この状態で８点のマーカー座標を読み取り，これらの座標から骨モデルの回転角度と回転軸を算出す
る．
2・4. 有意差検定
底屈,および背屈時における第二中足骨, 距骨, 踵骨, 腓骨の回転角度の平均値について、荷重の有無による比較は一対の標本による t 検定を用いて実施された。有意水準α=0.05 とした。

3. 結3・1. 底屈時の回転角度および回転軸
図５に，荷重無しと荷重有りの条件における底屈時の第二中足骨, 距骨, 踵骨, 腓骨の回転角度を比較する．全ての骨において，荷重の有無における回転角度に有意差は生じなかった．荷重有りの条件における回転角度は，第２中足骨で 24.6°±3.9°，距骨で 19.7°±5.6°，踵骨で23.3°±4.6°，腓骨で 4.4°±3.9°であった．図６に，荷重無しと荷重有りの条件における底屈時の第二中足骨,距骨, 踵骨の回転軸を比較する。代表例として，１名の被験者の回転軸である．図は，足裏から上方を見た横断面で示されている．図より，荷重無しの回転軸は荷重有りの回転軸より前方に位置していることがわかる。第二中足骨と距骨の回転軸は外側後方から内側前方へ向いているが，踵骨の回転軸はほぼ内外側方向（左右方向）であった．

(a) 第二中足骨

果

図５ 底屈時における各骨の回転角度(b) 距骨(c) 踵骨図６ 底屈時の荷重有無における各骨の回転軸

3・2. 背屈時の回転角度および回転軸
図７に，荷重無しと荷重有りの条件における背屈時の第二中足骨, 距骨, 踵骨, 腓骨の回転角度を比較する．全ての骨において，荷重の有無における回転角度に有意差は生じなかった．荷重有りの条件における回転角度は，第２中足骨で 12.5°±7.3°，距骨で 10.2°±5.8°，踵骨で12.5°±6.9°，腓骨で 2.4°±1.7°であった．図８に，荷重無しと荷重有りの条件における背屈時の第二中足骨,距骨, 踵骨の回転軸を比較する。代表例として，図５と同一人物の被験者の回転軸である．図より，底屈の場合と同様に，荷重無しの回転軸は荷重有りの回転軸より前方に位置している．また，底屈の場合と同様に，第二中足骨と距骨の回転軸は外側後方から内側前方へ向いている．しかし，荷重有りの踵骨の回転軸は荷重無しのそれと大きく異なっている．

図７ 背屈時における各骨の回転角度

(a) 第二中足骨(b) 距骨(c) 踵骨

図８ 底屈時の荷重有無における各骨の回転軸

4. 結言

本研究では，歩行時における足部の骨運動を計測するために，荷重無しと荷重有りの条件における背屈時の第二中足骨, 距骨, 踵骨, 腓骨の回転角度および回転軸を計測した．その結果，荷重の有無は各骨の回転角度に影響を及ぼさないことがわかった．また，底屈および背屈とも，荷重無しの回転軸は荷重有りの回転軸より前方に位置していた．荷重の有無は，第二中足骨および距骨における回転軸の方向に影響を及ぼさないが，背屈時の踵骨における回転軸の方向に相違を与えた．
参 考 文 献(1) Reeck J, Felten N, McCormack AP, Kiser P, Tencer AF, Sangeorzan BJ: Support of the talus: a biomechanicalinvestigation of the contributions of the talonavicular and talocalcaneal joints, and the superomedial calcaneonavicular
ligament, Foot Ankle, 1998, 19(10), 674-682.
(2) Ito K, Hosoda K, Shimizu M, Ikemoto S, Nagura T, Seki H, Kitashiro M, Imanishi N, Aiso S, Jinzaki M, Ogihara N:
Three-dimensional innate mobility of the human foot bones under axial loading using biplane X-ray fluoroscopy, R Soc
Open Sci, 2017, 4(10), 171086.
(3) Kitaoka HB, Luo ZP, An KN: Three-Dimensional Analysis of Normal Ankle and Foot Mobility, Am J Sports Med,
1997, 25(2), 238-242.
(4) Lundgerg A, Goldie I, Kalin B, Selvik G: Kinematics of the ankle/foot complex: plantarflexion and dorsiflexion, FootAnkle, 1989, 9(4), 194-200.
(5) Imai K, Tokunaga D, Takatori R, Ikoma K, Maki M, Ohkawa H, Ogura A, Tsuji Y, Inoue N, Kubo T: In vivo threedimensional analysis of hindfoot kinematics, Foot Ankle Int, 2009, 30(11), 1094-1100.
(6) Beimers L, Tuijthof GJ, Blankevoort L, Jonges R, Maas M, van Dijk CN: In-vivo range of motion of the subtalar joint
using computed tomography, J Biomech, 2008, 41(7), 1390-1397.
(7) Kido M, Ikoma K, Imai K, Tokunaga D, Inoue N, Kubo T: Load response of the medial longitudinal arch in patientswith flatfoot deformity: in vivo 3D study, Clin Biomech, 2013, 28, 568-573.