計測自動制御学会東北支部 第232回研究集会（2006．11．24）
資料番号232−13

膝前十字靭帯（ACL）張力測定プローブの開発
DevelopmentofTbnsionProbeforAnteriorCruciateLigament
O山内 秀高（HidetakaY鋸mauChi）
長尾 光雄（MitsuoNagao） 横田 理（OsamuY。k。ta）
日本大学工学部（NihonUniversity）
キーワード：ACL（AnteriorCl・uCiateLigament）3点式プローブ（Expl・eSSionprobeofexperimentalthreepoints）

丸革ベルト（Roundeatherbelt） 校正値（Calibrationvalue） 測定値（Measurements）

1．緒言

破断した膝前十字靭帯（ACL：Anterior CruciateLigament）は，自家組織や人工靭帯により再腱する際に，関節外から適度な張力を与えて固定される．この初期張力は移植腱の太さや関節の大きさなどの症例により異なる要因となり，関節内緊張度が一定でないことが推定される．そこで，固定された再騰靭帯の張力を定量化できる測定システムが望まれている．本研究では，関節内張力測定プロー
ブとして，試作した3点式プローブとそのPC測定システム（現在，ソフトウェア上で表示される校正式はl次式を剛、ている）について示す．本実験では，ACL移植腱の代わりに丸革ベルトを用いた術中測定を想定した．測定点は設定張力Tの前後各2点を含む5カ所で測定（5点測定法）した場合と，各1点を追加した3カ所で測定（3点測定法）した場合を比較し，その有効性および再現性について検討したのでFig−2 Three polnt eXpreSSion functioninvestigation
examinationdeviceanddataprocessingsystem．

2．2 3点式プローブの測定
症例により被測定物の太さや剛性には個体差があり，その都度測定パラメータについて校正線図が新たに作成され報告する．

2．実験装置及び実験方法
2．1実験装置
Fig．1に3点式プローブの概観，Fig．2に3点式機能調査試験装置とデータ処理システムを示す．3点式プローブとはACL移植腱を3点で挟み込んで測定する方法で，内蔵されたロードセルによって剛性の変化を検出する．ここでは，移植腱の線形及び非線形のT−1V（張力一荷重）線図を比較するため￠5と￠6の丸革ベルトを用いた．

る（TTig．3・（a））．手術後の張力はこの校正線図から測定値（Fig．3・（b））が得られるため校正時と同等の測定環境の再現が問題となる．なお，再現性は入出力信号の傾きが∂＝45［deg］±10以内になる線形な信号が理想的である（Fjg．4）．

セw堕（a）Calibrationvalue （b）Measurements
Fig．3CalibrationvalueandmeasurementJS∂＝45［degJ±10

剛 丁でT（W）

岬理■‡抑戸≡コ∴8〜〕】「 冊ドig・4InclinationofI／Osigna1

柏 †さの2．3 実験方法
設定張力Tは術用される40，60，80と100［N］，T−1V線図とⅥr−T線図の相関の程度を校正式で検討した．校正式の補正を検討するため，￠5丸草ベルトの場合は1次式と2次式で与え，￠6丸革ベルトの場合は1次式，2次式，3次式

Fig11 Generalviewofexpressionprobeof
experimentalthreepoints．

および4次式で与え，E又Celで校正式を算出する際に表示されるフィット値R2の程度を調べた．また，T−W線図の校正式W。とlVとの誤差率は式（1）となる．

（1）5点測定法

杵′一肌 一 Iす七＝ト÷［％］杵′杵′

X軸とY軸を入れ替えて与えた校正式■T（二に測定荷重Wを与え，同時測定した真の張力T から再現性の誤差率は式（2）となる．

筈仁王筈＝1一芸［％］（2）

ここで，評価は校正式のフィット値R2≧0．98，誤差率≦
10［％］の条件で再現性を調べた．

￠5丸革ベルトの校正値は線形T−W線図の代表例であり，￠6丸革ベルトの校正値は非線形T−W線図の代表例である・
Fig．5は設定張力T＝60［N］のT−W校正式（多項式）とその測定値T【から式（2）より誤差率r△TM／T rを与えた・線形な
トW線図の誤差率は，最大誤差率が7．01［％］なので1次の校正式で満足している．非線形なT−W緑園では，最大誤差率が9．00［％］の2次と9．54［％］の3次の校正式で満足し1次と4次は11．42［％］と55．72［％］なので満足していない．
（2）3点測定法

Fig．6 から線形な￠5丸帯ベルトは，最大誤差率が3．結果及び考察
式（2）から与えた5点測定法（T＝40，50，60，70，80［N］）と3点測定法（T＝40，60，80［N］）において，T＝60［N］を一例としてFig．5およびFig．6に示す．また，Table．1に各校正式T。における最大誤差率tATM／T lを示す・−1「−￠5J①M−W

2．71［％］なので1次の校正式で満足し5点測定法の誤差率と同等である．これに対して非線形な￠6丸草ベルトではl次と2次は15．12［％］と12．19［％］なので誤差率の基準を満足しない．非線形の場合は5点測定法が有利である．ただし，他の設定張力Tでは満足する例も見られた．

一凸−￠5：T②M−W

一−−￠6：T（丑M−W−−−一口ー￠6：T②M−W＋d）6：T③M−W＋d）5：EムT（彰M／T I

Table．1The maximum error margin ratein each T
l△ThノT l−「−・d｝5：lムT②M／Tl ・J・d）6：lAT①M／TlFivepointmethod−⊂ト4）6こl△T②M／T 1 −◆−d）6：l△T（勤M／T●leatherbel￠8roundherbelt

T②M T①M T②M T③Mr％］ ［％］ ［％〕こ之﹈≧P召﹂︶一2屠二盲−u︼40［N］ 5．61 3．10 7．21 4．90 4．60
60［N】 3．54 3．35 11．42 9．00 9．54
80［N］ 7．01 10．47 2．60 2．39 1．83
100［N］ 4．82 3．02
0．66 0．82 1．92
Threepointmethod

20 30 40 50 60 70 80 90 100

40［N］ 2．25 2．77 15．12
60［Nl 2．17 2．87 11．29
80［N］ 2．71 2．76llO．21
100〔N］ 2．08 2．23lo．75

0utputsigTlal（TensTonT ，T ［N］）

Fig．5 Fivepointmethod，d＝5，d＝6，TrW，LATu／Tー■「￠5ニT（かM−W−1ゝ・・￠5．丁②M−W＋￠6：T①M−W−⊂ト￠6丁②M−W−「▲−￠5・l△丁①M／丁，！ −一凸−￠5ごI△丁②M／丁一！

・t・￠6．L△T①M／T−l 一口ー￠6：卜△T（aM／T 】︵﹇Z﹈‡Pg﹂︶一2署二邑∪︻

20

4．緒言

5点測定法と3点測定法の誤差率≦10［％］を満足する線形及び非線形なT−W線図を適正に表す多項校正式が存在する．
得られた測定値W−Tから5点測定法は非線形な￠6丸革ベルトの再現性に有利であり，3点測定法は線形な￠5丸革ベルトの再現性に有利であった．線形なT−W線図では両者の差異は見られなかった．PC測定システムは線形処理のため非線形に対応したPC測定システム修正用プログラムが必要である．
今後の予定は，鏡視下膝関節模型による本測定方法の有効性の確認及び試作改良の検討，測定方法とデータ処理プログラム修正の検討が挙げられる．最後に，福島県立医科大学医学部整形外科教室長総義弘先生からのご指導に対しまして謝辞を申し上げます．

参考文献
1）新津守，膝MlてⅠ，医学書院，2002
20 30 40 50 60 70 80 90 100

0utputsignal（Tens；onTM，T ［N］）

Fig．6 Threepointmethod，d＝5，d＝6，T−W，t△T ／T

2）DonJohnson，ACL Made Simple，Springer，2004，