Modeling of the knee

Biscarini A1, Cerulli G.

水中でのニーエクステンション・エクササイズ中に膝関節にかかる負荷を計算するため、バイオメカニクスと流体力学理論を使ったモデルが開発されました。抵抗を受ける面積を増やすため、角を丸めた長方形の抵抗器をすね部分に設置することで、流体力学的な抵抗をストリップ理論アプローチで判定します。分析すると、関節の角度(θ)、角速度(θ)、角加速度(θ)、抵抗器の比重、長さ(L(x))、幅(L(z))、厚さ、流体力学的抗力の平均、付加質量係数から、膝の靭帯にかかる負荷として、靭帯を骨に結び付ける力(F(PT))、軸力(phi(n))、せん断力(phi(t))という3つの力が導き出されます。仮説の値と実験による運動のデータが一致すれば、反作用の問題も解明することができます。靭帯にかかるF(PT)、phi(n)、phi(t)の最大値を調節するため、また膝関節の可動域(ROM)の中で最適なポジションをとるために、抵抗器の性質と筋肉の活性レベルは相互に調整が可能であることが、実験から明らかになりました。負荷の軽い抵抗器、L(x) < = 0.3 m かつ L(z) < = 0.4 mを使用した場合、筋肉の活性化の度合いに関わらず、可動域全体にわたって膝関節の前十字靭帯(ACL)への負荷は検出されません(phi(t)>0)でした。結果として、水中エクササイズは前十字靭帯を手術した後のリハビリテーション・プログラムを安全、効果的に実施できる手段であることが明らかになりました。また、膝をひねって太ももの筋肉から偏った力が生じ、関節に過度のせん断力がかからないよう常に注意することも必要です。