【研究領域課題番号】19K11545 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アルペンスキー / 前十字靭帯 / バイオメカニクス / シミュレーション / 運動学データ / スキー / 慣性センサ

【研究成果の概要】

前十字靭帯損傷はアルペンスキーにおいて深刻な予後を招くことから、スキー研究において長く前十字靭帯損傷に関する研究が進められ、その受傷メカニズムが調べられてきた。本研究は、前十字靭帯損傷リスクの低い滑走技術について明らかにすることを目的として実施中である。今回、実際のスキー滑走データと動力学シミュレーションを組み合わせた手法を用いて研究を進行中である。本研究の特長は２点あり、１点目は一般的にばらつきの激しいスキーの雪上データに対して、独自に開発した動作計測システムを用いてデータを多量に計測することにより頑健な解析を行うこと、２点目は動力学シミュレーションを組み合わせることにより体系的かつ網羅的にスキーヤーの動作変動が膝関節負荷に与える影響を調べることにある。

研究初年度から継続して滑走中の動作データを取得中であるが、R3年度は大回りターンのフリー滑走データを取得し、当年度で実滑走中データの収集面で基盤的データ（フリー滑走の中回りと大回り、スラロームのゲート滑走）が整った。
また、スキー滑走における動力学シミュレーションにおいては、昨年度から継続し、モデル構築を実施中である。今年度はスキーと雪面における接触力のモデルを当該シミュレーションモデルに組み込み、シミュレーションテストを進め、凡そ完成した。当該接触力モデルにおいて計算時間が大幅に増加したことから、次年度は計算時間の短縮のための対策（一部コーディングの見直し等）を行う予定である。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】知能ロボティクス

【研究領域課題番号】17H00766 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

運動の獲得と学習 / スポーツ科学 / シミュレーション科学 / 運動トレーニングの数理 / ビッグデータ / ディジタルヒューマンモデル / シミュレーション / 運動トレーニング / バイオメカニクス / ビデオモーションキャプチャ / データマイニング / クラウドコンピューティング

【研究成果の概要】

だれもが科学的にスポーツに取り組むことができるための情報技術の研究開発を行った。ビデオモーションキャプチャーは革新的な技術である。本研究の成果は、ビデオモーションキャプチャーによる運動解析の基盤技術を確立したことである。トップアスリートがスタッフに囲まれて時間をかけて行っていた科学的運動解析は複数台のビデオカメラで撮影するだけで可能になり、だれもが手の届くものになった。リアルタイムでの筋活動の可視化、体育館やグラウンドでのチームスポーツの全選手の全身動作の３次元の記録などが手の届くところまで近づいた。

【研究の社会的意義】

流れるようなリズムの動作や、素早い動きなどの優れた身体能力に近づくためにトレーニングを客観的で科学的な方法でやりたいと思う人は多い。また、けがをしないように体を守りながらより速く走り、より高く飛ぶことも、だれもがレベルに応じて上達を楽しみながら取り組めるようになる。老化による体や動作の変化を記録して観察することによって、健康寿命を延ばすことができる。私たち人間は意識しない場合でもまわりの人たちの観察をして多くの情報を得ている。ビデオモーションキャプチャーはロボットが人間を見守る技術としてもなくてはならない技術となるだろう。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】45,890千円 (直接経費: 35,300千円、間接経費: 10,590千円)

【研究分野】生体医工学・生体材料学

【研究領域課題番号】16K01371 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / 手内筋 / 麻痺手 / シミュレーション / 再建手術 / 指先軌跡 / 関節安定性 / 指機能再建 / 生体工学 / 機能解剖学 / 手外科学

【研究成果の概要】

手指巧緻性を司る手内筋の麻痺とその再建術が手指の運動に与える影響を生体工学的手法で検討した．さらに既存の代表的な再建法であるFowler法，ZancolliのLasso法，Omer変法によって指先軌跡とMP関節不安定性がどの程度解消するのかを研究した．未固定屍体標本に3つの再建手術を行い，シミュレーションし，データの収集を行った．手内筋麻痺指では指先軌跡の狭小化とMＰ関節の不安定性が生じること，関節の安定化と軌跡の正常化が期待できるFowler法が優れること，ZancolliのLasso法よりはOmer変法の方が指先軌跡の改善が得られるもののMP関節の不安定性は改善しないことがわかった．

【研究の社会的意義】

本研究により手内筋麻痺により指先軌跡の狭小化とMP関節不安定性が生じ，実際の尺骨神経麻痺患者が大きな物体を把持できないことが再現できた．既存の再建法ではFowler法が指先軌跡の正常化と関節安定性が得られること，Lasso法やその変法では関節安定化が得られないことがわかった．本研究結果から麻痺手患者の治療においてFowler法が第一選択であるものの，新たな移行腱を探索する必要性があることが判明した．これらの点は臨床上非常に有意義と考えられた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】生体医工学・生体材料学

【研究領域課題番号】15K01292 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / シミュレーション外科 / 先天変形 / 漏斗胸 / 有限要素法 / 構造解析 / 画像診断 / 生体力学 / 胸郭 / シミュレーション / コンピューター支援外科 / 手術 / 力学 / 解析

【研究成果の概要】

胸郭の陥没を主徴とする先天性疾患である漏斗胸に対しては、金属バーを装着して陥没部分を挙上する手術が行われている。胸郭の形態は個体差が存在する。ゆえに良好な形態を得るためには単純にバーを装着するのみでは不十分であり、個々の胸郭の形態を観察しながら、一部の骨を離断したり、バーを装着する位置を変化したりする工夫が必要である。このように個々の患者の胸郭の特性にかんがみ、異なった手術計画をとる必要がある。そこで本研究においては、それぞれの患者について最良の結果を得るためには、どの肋間にバーを装着し、どの部分を離断すれば良いのかについての具体的な手術計画を立てるシステムを開発することを目的として行われた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】自然人類学

【研究領域課題番号】15H04428 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

biomechanics / neural activity / EMG / primates / rat / evolution / 二足歩行 / 前適応 / 神経活動 / 筋活動 / 姿勢制御 / シミュレーション / 生体機構 / ロコモーション / 霊長類 / 筋電図 / 運動解析

【研究成果の概要】

ヒトは何故、二足で歩けるのか？直立二足歩行の獲得に際して、運動・姿勢戦略にどのような変化があったのかを探るため、本研究では、神経、筋、運動の各レベルにおける二足歩行の特異性を明らかにすることを目的とした。ニホンザルとラットモデル、およびヒトを用いた実験的アプローチから、二足歩行時には特に足の動きが四足歩行時から大きく変わること、ヒト的歩行には後肢のスティフネスが重要であること等が明らかとなった。また、二足歩行の神経制御には反射経路の抑制が関与していること、不安定性には拮抗筋ペアの共収縮で対処すること、大脳皮質運動野は強い機能的可塑性を有することも示唆された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円)

【研究分野】スポーツ科学

【研究領域課題番号】15H01825 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

体工連携 / スポーツ工学 / 水泳水中運動 / 流体力 / 自己推進時抵抗 / 流れの可視化 / 競泳 / 非定常流体力 / 圧力分布 / 用具開発 / 動作の最適化 / ヒューマノイドロボット / バーチャルリアリティ / 流体力学 / 水泳 / サッカー / パフォーマンス / シミュレーション / スタート / スポーツ用具開発 / バイオメカニクス / 自由視点映像技術 / 競泳用水着開発 / 競泳スタート動作分析

【研究成果の概要】

体育学と工学の研究者が連携して、双方が培ってきた先端技術を活用することで、これまで解決が困難と考えられてきた課題に取り組み、新たな研究方法論の開発に努め、イノベーションを実現することを目的とした。
その結果、水泳競技において自己推進する泳者の動的抵抗（自己推進時抵抗）を定量、評価する方法論の開発に成功し、従来は泳速度の２乗に比例して増加すると考えられていた抵抗が、実は速度の約３乗に比例して増加することが初めて明らかとなり、世界的にも大きな注目を集めるに至った。さらに泳者周りの三次元的な流れの可視化にも成功し、これまで明らかにされていなかった流体力の発揮メカニズムの解明が進んだ。

【研究の社会的意義】

本研究成果の学術的意義として、自分の四肢を駆動させて自己推進する泳者に作用する動的抵抗（自己推進時抵抗）を泳法や泳速度に制限を加えることなく、精度良く計測可能なシステムの開発に成功した意義は大きい。これによって、自己推進時抵抗が泳速度の3乗に比例して増加することが明らかとなった。
また社会的意義として、体育学と工学を専門とする研究者が緊密に連携することで、これまでの方法論では、解決できなかった研究課題について、新たな解決策を提示できた意義は大きく、今後はこのような体工連携により、さまざまな課題解決の促進が期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円)

【研究分野】スポーツ科学

【研究領域課題番号】25750305 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / スポーツ工学 / 有限要素解析 / 接地 / 足部内挙動 / 医用画像 / 形状抽出 / シミュレーション / X線撮影

【研究成果の概要】

本研究では，医用画像から抽出した足部表面，骨，アキレス腱の3次元形状データを用いて，足部の内部構造を考慮した有限要素モデルの作成を進めた．また，モーションキャプチャシステムを用いて着地および走行動作の接地中における足部の動きを計測し，有限要素モデルの妥当性検証に用いるための各変量を算出した．
今後は，有限要素モデルの作成をさらに進め，モデルの妥当性を確認する．その後，材料特性などを変化させて接地のシミュレーションを行い，骨の挙動とそこで生じる力学現象に及ぼす影響を明らかにする．

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】医用システム

【研究領域課題番号】24500553 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / シミュレーション / 胸郭 / 呼吸 / 有限要素法 / 腫瘍

【研究成果の概要】

胸郭に生じうる欠損のパターンは多岐にわたるが、どの部位にどのような大きさの欠損が生じると、どの程度呼吸機能が低下するのかに関して解析は行われていない。
本研究においては胸郭運動を正確に模したコンピューターシミュレーションモデルを作成し機能評価を行うことで、胸壁欠損の大きさと部位が呼吸機能に与える影響を解明した。
欠損が側方下部に存在する場合、患側胸郭の換気量は、正常の片側胸郭の換気量の約40パーセントとなり、他の欠損タイプにおける換気量（62－88パーセント）に比して小さくなる。すなわち側方下部に欠損を有する胸郭においては、他の部位に比して低い換気機能を呈する。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)

【研究分野】矯正・小児系歯学

【研究領域課題番号】20592414 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / シミュレーション / 矯正治療 / 歯科矯正学 / シミュレーション工学 / 応力解析

【研究成果の概要】

本システムを適用することで、従来法にはない顎骨周囲の形態的、機能的評価に基づく診断および治療法の選択が可能となり、形態情報と機能情報を統合した、より包括的な咬合再構築の手法が確立した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】スポーツ科学

【研究領域課題番号】20300212 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / 打撃 / 動作解析 / シミュレーション / インパクト / スポーツ科学 / 打球速度 / 摩擦 / バット

【研究成果の概要】

本研究では、野球の打撃動作において打球の軌跡を最適化し、飛距離を伸ばすためのメカニズムを紐解くためのステップとして、ボールインパクトの詳細を実測法及び数値シミュレーション法を用いて分析した。主な結果として、(1)打球の飛距離を伸ばすためには、大きなローリング速度を持たせたバットを、アッパースイング気味の軌道でスイングすることにより、投球されたボールに対して正面衝突させるように打撃をおこなうことが重要なこと、及び(2)ローリング速度の増加は、同一飛距離の打球を放つ際に、より回転速度の高い打球を、より低い弾道で放つことができることが明らかになった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)

【研究分野】工学基礎

【研究領域課題番号】17360043 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メッシュフリー法 / 粒子法 / MPS法 / SPH法 / 流体 / 構造連成解析 / バイオメカニクス / 構造物の爆破解析 / 有限要素法 / 計算力学 / シミュレーション / 構造・流体連成

【研究成果の概要】

今日のソフト,ハードの両面から発展した計算科学技術をもってしても,構造/流体双方のトポロジーが変化するまでの大変形が生じる連成問題は従来のメッシュや格子を要する有限要素法や差分法では解析が不可能であることは広く知られている,一方でこれらの欠点を補うために,構造,流体それぞれの分野でメッシュフリー法や粒子法と呼ばれる手法が開発され精度の向上がはかられているが,両者にまたがる境界領域では,流体用に開発された粒子法を構造材料の部分にも簡易的に応用しているのみであり,十分な安定性と精度をもって連成解析が桁われているとは言いがたい,そこで本研究ではトポロジーが変化するまでの大変形が生じる構造/流体連成問題のためのメッシュフリー粒子法の高精度解析手法を開発した.平成18年度は平成17年度に各担当者で開発した,固体/構造解析用メッシュフリー粒子法改良型MPS法改良型SPH法を用いて各種解析を行った,野口は2重スケール・オーバレイアプローチを用い,固体/構造解析用有限要素法メッシュフリー法と改良型MPS法ならびにSPH法との統合を行った,越塚は拡張したMPS手法をハイオメカニクスに応用した.松尾はSPHを拡張し,爆破による構造物の破壊に応用した.平成18年度に実施した解析を示す.(権造非圧縮流体連成解析)3次元薄肉容器内の極限スロッシング解析,非圧縮満体と複数の剛本クラスターの流体構造連成解析,血管血流の連成解析(構造/圧縮性流体連成解析)拡張SPHによる液体/気体連成解析,爆破シミュレーションによるコンクリート構造の損傷破壊解析

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】14,000千円 (直接経費: 14,000千円)