膝蓋骨下脂肪パッドの数値解析

A numerical investigation of the infrapatellar fat pad.

• Chiara Giulia Fontanella
• Veronica Macchi
• Andrea Porzionato
• Alessandro Arduino
• Joseph Vannel Fotso Fongang
• Raffaele De Caro
• Arturo Nicola Natali
• Emanuele Luigi Carniel

抄録

膝蓋骨下脂肪パッドは、滑液の流通を促進し、関節を介して発生する衝動的な作用を吸収する膝の脂肪組織である。本研究では、膝蓋骨下脂肪パッドの形態と力学的特性の相関関係を計算機的アプローチにより解析した。膝蓋骨下脂肪パッドの微視的解剖学的研究は、脂肪小葉の寸法と結合膜の厚さを測定することを目的としている。組織形態学的調査の結果、膝蓋骨下脂肪パッドは、表層部の大きな小葉と最深部の小さな小葉によって構成された不均一な組織であることが示された。そこで、足根膜下脂肪パッドの有限要素モデルを開発した。第一のモデルでは、マイクロチャンバとマクロチャンバで構成される膝下脂肪パッドの不均一な構造を考慮し、第二のモデルでは、同程度の寸法の脂肪小葉の均一な分布を考慮した。計算解析は、静的な起立状態と受動的な屈伸運動を考慮して行われた。計算結果から、組織内の異なる応力場とひずみ場を特定し、脂肪小葉の分布を考慮したシステム全体の機械的性能の変化を評価することができました。その結果、脂肪小葉の分布がマクロおよびマイクロチャンバー内にあることで、足根膜下脂肪パッドの大きな変形が可能となり、組織内の応力が減少することが示された。

The infrapatellar fat pad is an adipose tissue in the knee that facilitates the distribution of synovial fluid and absorbs impulsive actions generated through the joint. The correlation between morphological configuration and mechanical properties is analyzed by a computational approach. The microscopic anatomy of the infrapatellar fat pad is studied aiming to measure the dimension of adipose lobules and the thickness of connective septa. Results from histomorphometric investigations show that the infrapatellar fat pad is an inhomogeneous tissue, constituted by large lobules in the superficial part and smaller lobules in the deepest one. Finite element models of the infrapatellar fat pad are developed. The first model considers the inhomogeneous conformation of the infrapatellar fat pad, composed of micro- and macro-chambers, while the second model considers a homogeneous distribution of adipose lobules with similar dimensions. Computational analyses are performed considering the static standing configuration and the passive flexion-extension movement. The computational results allow us to identify the different stress and strain fields within the tissue and to appreciate the variation of the mechanical performance of the overall system considering the distribution of adipose lobules. Results show that the distribution of adipose lobules in macro- and micro-chambers allows major deformation of the infrapatellar fat pad, decreasing the stress inside the tissues.