リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「2D/3Dレジストレーション法を用いた膝関節の3次元動態解析」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。
リケラボ

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

2D/3Dレジストレーション法を用いた膝関節の3次元動態解析

河野, 賢一 東京大学 DOI:10.15083/0002002476

2021.10.15

概要

日本をはじめとしたアジア地域では床に座ったり、お祈りをしたり、ヨガをしたりするなど日常生活動作において膝関節を深屈曲させることがしばしばみられる。しかしながら、正常膝の日常生活動作におけるキネマティクス（運動学：物体の質量やそれに加わる力を考慮せずに幾何学的に分析された運動）はほとんど明らかにされていない。本研究の目的は生体内3次元動態解析を行って正常膝の深屈曲動作の3次元的な動態情報を正確かつ定量的に把握することである。我々は仮説として正常膝関節における大腿骨・脛骨間の回旋角度、内外反角度、前後移動、kinematic pathway（膝関節内外側の前後移動を同時に表現したもの）は動作によって異なるのではないかと考えた。

　対象は健常成人男性4名8膝とした。側面方向からX線透視装置によってスクワット動作、正座動作、胡坐動作を撮影し、2D/3Dレジストレーション法を用いて3次元動態解析を行った。この手法は撮影画像から輪郭強調画像を抽出し、CTから作成した3次元骨モデルを合わせることにより空間的位置を推定するというものである。各屈曲角度における脛骨に対する大腿骨の回旋角度、内外反角度、脛骨骨軸に垂直な平面上における大腿骨内側陥凹（内側）及び外側上顆（外側）の前後移動、kinematic pathwayを評価した。スクワット、正座、胡坐動作における回旋角度、内外反角度、前後移動については二元配置分散分析及び事後比較(Tukey-Kramer test)によって解析した。3動作における屈曲0度から屈曲150度までの回旋量、内外反量、前後移動量については一元配置分散分析及び事後比較(Tukey-Kramer test)によって解析した。p値が0.05未満を有意差ありとした。

　スクワットは平均-2.8度（SD1.3度）から145.5度（SD5.1度）まで屈曲していた。屈曲0度から40度では脛骨に対する大腿骨の急峻な外旋がみられ、平均13.8度（SD3.0度）に達していた。屈曲40度からは徐々に外旋し合計で平均22.4度（SD6.1度）に達した。正座では膝関節は平均100.6度（SD3.7度）から155.7度（SD3.0度）まで屈曲していき、脛骨に対して大腿骨が20.2度（SD7.2度）外旋した。胡坐では膝関節は平均4.9度（SD4.4度）から147.5度（SD4.2度）まで屈曲していった。屈曲10度から100度までは平均11.2度（SD6.9度）大腿骨が内旋していた。屈曲100度から150度では大腿骨の外旋がみられ、22.4度（SD7.0度）に達した。深屈曲領域（屈曲100度から150度）における大腿骨の外旋量は胡坐の方がスクワットに比べ有意に大きかったp=0.041）。内外反角度についてはスクワットと正座で有意差はみられなかった。しかしながら、胡坐は屈曲140度以降内反位になっており、平均－13.5度（SD3.7度）に達した。内側の前後移動については、スクワットでは屈曲0度から40度まで内側が11.1％（SD6.4％）前方へ移動した。屈曲40度からは34.2％（SD2.8％）後方へ移動した。正座では有意な前後移動はみられなかった。胡坐では屈曲0度から30度まで13.8％（SD4.3％）前方へ移動し、屈曲30度から120度では35.1％（SD7.3%）後方へ移動した。屈曲120度から150度では平均5.4％（SD8.3％）前方へ移動した。三動作間では屈曲30度から110度にかけて胡坐が有意に後方にあった。外側の前後移動についてはスクワットでは屈曲0度から150度で外側が78.7％（SD11.0％）後方へ移動した。正座では屈曲100度から150度で40.2％（SD10.2％）後方へ移動した。一方で胡坐は屈曲0度から100度では有意な動きはみられず、屈曲100度から150度で51.0％（SD12.3％）後方へ移動した。三動作間では屈曲20度から130度でスクワットの外側が有意に後方にあった。スクワットでは内外側の移動の違いにより、屈曲0度から40度では内側を基点に外側が移動するmedial pivot patternを示し、屈曲40度から100度及び屈曲100度から150度では内外側共に後方移動するbicondylar rollbackがみられた。正座ではmedial pivot patternがみられた。胡坐では内外側の動きの違いにより屈曲0度から100度までは外側を基点に内側が移動するlateral pivot patternがみられ、屈曲100度からはmedial pivot patternがみられた。

　正常膝のスクワットについてはこれまで静的動作（一連ではない動作）による評価によって大腿骨が緩やかに外旋するということが報告されているが、本研究ではキネマティックパターンに違いがみられた。屈曲0度から40度まで大腿骨の急峻な外旋がみられ、屈曲40度からは緩徐な外旋がみられた。浅い屈曲領域での急峻な大腿骨の外旋はscrew-home motion（前十字靱帯や大腿骨内顆の関節面形状によって引き起こされる脛骨の内旋（大腿骨の外旋）運動）を表していることが示唆され、中間屈曲領域から深屈曲領域までの緩徐な外旋はrollback（大腿骨の後方移動）を表していることが示唆された。このことから、同じスクワット動作であるにも関わらず、静的評価（一連ではない動作の評価）と動的評価（一連の動作の評価）ではキネマティクスに違いがみられることが明らかとなった。三動作間でも屈曲に伴う回旋パターンは有意に異なっていた。さらに深屈曲領域では胡坐における大腿骨の回旋量はスクワットと比較し有意に大きくなっていた。このことから正常膝関節の回旋運動は深屈曲動作によって異なり、回旋幅も大きいことが示唆された。内外反では、深屈曲領域において胡坐では内反位であった。このことから胡坐では深屈曲領域で膝関節に大きな内反ストレスがかかっていることが示唆された。胡坐では屈曲100度までlateral pivot patternを示していた。特に屈曲30度から100度では内側の後方移動がみられていた。このことより胡坐動作においては正常膝の内側コンパートメントは緩んでいることが示唆された。いくつかの研究ではmedial pivotを誘導する人工膝関節の臨床成績が良好であると報告されているが、本研究の結果を踏まえると、人工膝関節全置換術後の膝のキネマティクスの目標を正常膝のキネマティクスとするのであれば、lateral pivotを引き起こすような動作も可能とするデザインを考慮しなければならないと考えられた。深屈曲領域において、スクワットはbicondylar rollbackを示したが、正座と胡坐ではmedial pivot patternを示した。このことからスクワットのような荷重動作では大腿骨がより後方へスライドしやすいことが示唆された。

　本研究では、2D/3Dレジストレーション法により正常膝の生体内3次元動態解析を行い深屈曲動作が異なることでキネマティクスも異なることを明らかにした。特に胡坐では中間屈曲領域で大腿骨が脛骨に対して内旋し、kinematic pathwayも屈曲するにつれてlateral pivot patternからmedial pivot patternに変化しており、スクワット及び正座のキネマティクスとは大きく異なっていた。

論文の公開元へ

この論文で使われている画像

関連論文

関連論文をもっと見る

参考文献

1. Andriacchi TP, Alexander EJ, Toney MK, Dyrby C, Sum J. A point cluster method for in vivo motion analysis: applied to a study of knee kinematics. J Biomech Eng. Dec;120(6):743-9. 1998.

2. Alexander EJ, Andriacchi TP. Correcting for deformation in skin-based marker systems. J Biomech. Mar;34(3):355-61. 2001.

3. Asano T, Akagi M, Tanaka K, Tamura J, Nakamura T. In vivo three-dimensional knee kinematics using a biplanar image-matching technique. Clin Orthop Relat Res;388:157–166. 2001.

4. Hill PF, Vedi V, Williams A, Iwaki H, Pinskerova V, Freeman MA. Tibiofemoral movement 2: the loaded and unloaded living knee studied by MRI. J Bone Joint Surg [Br];82-B:1196–1198. 2000.

5. Nakagawa S, Kadoya Y, Todo S, Kobayashi A, Sakamoto H, Freeman MA, Yamano　Y. Tibiofemoral movement 3: full flexion in the living knee studied by MRI. J Bone Joint Surg [Br];82-B:1199–1200. 2000.

6. Banks SA， Hodge WA． Accurate measurement of three－dimensional knee replacement kinematics using single － plane fluoroscopy ． IEEE Trans Biomed Eng;43：638-649. 1996．

7. Hoff WA, Komistek RD, Dennis DA, Gabriel SM, Walker SA. Three-dimensional determination of femoral－tibial contact position under in vivo conditions using fluoroscopy． Clinical Biomech;13：455－472. 1998．

8. Li G, Wuerz TH, DeFrate LE. Feasibility of using orthogonal fluoroscopic images to measure in vivo joint kinematics. J Biomech Eng. Apr;126(2):314-8. 2004.

9. Yamazaki T, Watanabe T, Nakajima Y, Sugamoto K, Tomita T, Yoshikawa H, Tamura S. Improvement of depth position in 2-D/3-D registration of knee implants using single-plane fluoroscopy. IEEE Trans Med Imaging;23:602–612. 2004.

10. Li G, Suggs J, Hanson G, Durbhakula S, Johnson T, Freiberg A. Three- dimensional tibiofemoral articular contact kinematics of a cruciate- retaining total knee arthroplasty. J Bone Joint Surg Am. Feb;88(2):395-402. 2006.

11. Watanabe T, Yamazaki T, Sugamoto K, Tomita T, Hashimoto H, Maeda D, Tamura S, Ochi T, Yoshikawa H. In vivo kinematics of mobile-bearing knee arthroplasty in deep knee bending motion. J Orthop Res. Sep;22(5):1044-9. 2004.

12. Fregly BJ, Rahman HA, Banks SA. Theoretical accuracy of model-based shape matching for measuring natural knee kinematics with single-plane fluoroscopy. J Biomech Eng;127:692–699. 2005.

13. Komistek RD, Dennis DA, Mahfouz M. In vivo fluoroscopic analysis of the normal human knee. Clin Orthop Relat Res;410:69–81. 2003.

14. Moro-oka TA, Hamai S, Miura H, Shimoto T, Higaki H, Fregly BJ, Iwamoto Y, Banks SA. Dynamic activity dependence of in vivo normal knee kinematics. J Orthop Res;26:428–434. 2008.

15. Dennis D, Komistek R, Scuderi G, Argenson JN, Insall J, Mahfouz M, Aubaniac JM, Haas B. In vivo three-dimensional determination of kinematics for subjects with a normal knee or a unicompartmental or total knee replacement. J Bone Joint Surg [Am];83-A(Suppl 2 Pt 2):104–115. 2001.

16. You BM, Siy P, Anderst W, Tashman S. In vivo measurement of 3-D skeletal kinematics from sequences of biplane radiographs: application to knee kinematics. IEEE Trans Med Imaging;20:514–525. 2001.

17. Johal P, Williams A, Wragg P, Hunt D, Gedroyc W. Tibio-femoral movement in the living knee. A study of weight bearing and non-weight bearing knee kinematics using 'interventional' MRI. J Biomech;38:269–276. 2005.

18. Tsai TY, Lu TW, Chen CM, Kuo MY, Hsu HC. A volumetric model-based 2D to 3D registration method for measuring kinematics of natural knees with single-plane fluoroscopy. Med Phys;37:1273–1284. 2010.

19. Tanifuji O, Sato T, Kobayashi K, Mochizuki T, Koga Y, Yamagiwa H, Omori G, Endo N. Three-dimensional in vivo motion analysis of normal knees using single-plane fluoroscopy. J Orthop Sci;16:710–718. 2011.

20. Hamai S, Moro-oka TA, Dunbar NJ, Miura H, Iwamoto Y, Banks SA. In vivo healthy knee kinematics during dynamic full flexion. Biomed Res Int;2013:717546. 2013.

21. Murakami K, Hamai S, Okazaki K, Ikebe S, Shimoto T, Hara D, Mizu-Uchi H, Higaki H, Iwamoto Y. In vivo kinematics of healthy male knees during squat and golf swing using image-matching techniques. Knee;23:221–226. 2016.

22. DeFrate LE, Sun H, Gill TJ, Rubash HE, Li G. In vivo tibiofemoral contact analysis using 3D MRI-based knee models. J Biomech;37:1499–1504. 2004.

23. Iwaki H, Pinskerova V, Freeman MA. Tibiofemoral movement 1: the shapes and relative movements of the femur and tibia in the unloaded cadaver knee. J Bone Joint Surg [Br];82-B:1189–1195. 2000.

24. Hemmerich A, Brown H, Smith S, Marthandam SS, Wyss UP. Hip, knee, and ankle kinematics of high range of motion activities of daily living. J Orthop Res;24:770–781. 2006.

25. Acker SM, Cockburn RA, Krevolin J, Li RM, Tarabichi S, Wyss UP. Knee kinematics of high-flexion activities of daily living performed by male Muslims in the Middle East. J Arthroplasty;26:319–327. 2011.

26. Howell SM, Howell SJ, Kuznik KT, Cohen J, Hull ML. Does a kinematically aligned total knee arthroplasty restore function without failure regardless of alignment category? Clin Orthop Relat Res;471:1000–1007. 2013.

27. Nishio Y, Onodera T, Kasahara Y, Takahashi D, Iwasaki N, Majima T. Intraoperative medial pivot affects deep knee flexion angle and patient- reported outcomes after total knee arthroplasty. J Arthroplasty;29:702–706. 2014.

28. Yamazaki T, Watanabe T, Nakajima Y, Sugamoto K, Tomita T, Maeda D, Sahara W, Yoshikawa H, Tamura S. Visualization of femorotibial contact in total knee arthroplasty using X-ray fluoroscopy. Eur J Radiol;53:84–89. 2005.

29. Yamazaki T, Watanabe T, Tomita T, Tsuji S, Tamaki M, Futai K, Yoshikawa H, Sugamoto K. Accuracy validation of 2D/3D registration of normal knee using X-ray fluoroscopic images and CT images. Japanese J Clin Biomech;29:389–396. 2008.

30. Kawashima K, Tomita T, Tamaki M, Murase T, Yoshikawa H, Sugamoto K. In vivo three-dimensional motion analysis of osteoarthritic knees. Mod Rheumatol;23:646–652. 2013.

31. Grood ES, Suntay WJ. A joint coordinate system for the clinical description of three-dimensional motions: application to the knee. J Biomech Eng;105:136–144. 1983.

32. Blankevoort L, Huiskes R, de Lange A. The envelope of passive knee joint motion. J Biomech;21(9):705-20. 1988.

33. Andersen HN, Dyhre-Poulsen P. The anterior cruciate ligament does play a role in controlling axial rotation in the knee. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc;5(3):145-9. 1997.

34. Moglo KE, Shirazi-Adl A. Cruciate coupling and screw-home mechanism in passive knee joint during extension--flexion. J Biomech. May;38(5):1075-83. 2005.

35. Draganich LF, Andriacchi TP, Andersson GB. Interaction between intrinsic knee mechanics and the knee extensor mechanism. J Orthop Res;5(4):539-47. 1987.

36. Fantozzi S, Catani F, Ensini A, Leardini A, Giannini S. Femoral rollback of cruciate-retaining and posterior-stabilized total knee replacements: in vivo fluoroscopic analysis during activities of daily living. J Orthop Res. Dec;24(12):2222-9. 2006.

37. Mannan K, Scott G. The Medial Rotation total knee replacement: a clinical and radiologicalreview at a mean follow-up of six years. J Bone Joint Surg [Br];91-B:750–756. 2009.

38. Fan CY, Hsieh JT, Hsieh MS, Shih YC, Lee CH. Primitive results after medial-pivot knee arthroplasties: a minimum 5-year follow-up study. J Arthroplasty;25:492–496. 2010.

39. Bae DK, Song SJ, Cho SD. Clinical outcome of total knee arthroplasty with medial pivot prosthesis a comparative study between the cruciate retaining and sacrificing. J Arthroplasty;26:693–698. 2011.

40. Shimmin A, Martinez-Martos S, Owens J, Iorgulescu AD, Banks S. Fluoroscopic motion study confirming the stability of a medial pivot design total knee arthroplasty. Knee;22:522–526. 2015.

41. Scott G, Imam MA, Eifert A, Freeman MA, Pinskerova V, Field RE, Skinner J, Banks SA. Can a total knee arthroplasty be both rotationally unconstrained and anteroposteriorly stabilised? A pulsed fluoroscopic investigation. Bone Joint Res;5:80–86. 2016.

42. Inui H, Taketomi S, Nakamura K, Sanada T, Tanaka S, Nakagawa T. An additional reference axis improves femoral rotation alignment in image-free computer navigation assisted total knee arthroplasty. J Arthroplasty;28:766– 771. 2013.

43. Siston RA, Patel JJ, Goodman SB, Delp SL, Giori NJ. The variability of femoral rotational alignment in total knee arthroplasty. J Bone Joint Surg [Am];87-A:2276–2280. 2005.

44. Kinzel V, Ledger M, Shakespeare D. Can the epicondylar axis be defined accurately in total knee arthroplasty? Knee;12:293–296. 2005.

45. van der Linden-van der Zwaag HM, Valstar ER, van der Molen AJ, Nelissen RG. Transepicondylar axis accuracy in computer assisted knee surgery: a comparison of the CT-based measured axis versus the CAS-determined axis. Comput Aided Surg;13:200–206. 2008.

46. Aunan E, Østergaard D, Meland A, Dalheim K, Sandvik L. A simple method for accurate rotational positioning of the femoral component in total knee arthroplasty. Acta Orthop;1–7. 2017.

47. Laskin RS. Flexion space configuration in total knee arthroplasty. J Arthroplasty;10:657–660. 1995.

48. Asano T, Akagi M, Nakamura T. The functional flexion-extension axis of the knee corresponds to the surgical epicondylar axis: in vivo analysis using a biplanar image matching technique. J Arthroplasty;20:1060–1067. 2005.

49. Churchill DL, Incavo SJ, Johnson CC, Beynnon BD. The transepicondylar axis approximates the optimal flexion axis of the knee. Clin Orthop Relat Res;356:111–118. 1998.

50. Hollister AM, Jatana A, Singh AK, Sullivan WW, Lupichuk AG. The axes of rotation of the knee. Clin Orthop Relat Res:290;259–268. 1993.

51. Leszko F, Hovinga KR, Lerner AL, Komistek RD, Mahfouz MR. In vivo normal knee kinematics: is ethnicity or gender an influencing factor? Clin Orthop Relat Res. Jan;469(1):95-106. 2011.

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文
を
一発検索！

この論文の関連論文を見る