ハイブリッド有限要素筋骨格系アプローチを用いた人差し指の関節接触圧の推定

Estimation of joint contact pressure in the index finger using a hybrid finite element musculoskeletal approach.

• Barthélémy Faudot
• Jean-Louis Milan
• Benjamin Goislard de Monsabert
• Thomas Le Corroller
• Laurent Vigouroux

抄録

手関節の局所的な応力分布を知ることは、怪我や変形性関節症の発生を理解する上で非常に重要である。しかし、軟骨の接触応力を決定することは依然として課題であり、正確な解剖学的構成要素と現実的な腱力の作動の両方を含む数値モデルを必要とします。指関節の接触力は頻繁に計算されているが、関節接触圧に関するデータはほとんどない。本研究では、人差し指のハイブリッドバイオメカニクスモデルを開発し、静的な最大強度ピンチグリップタスク中のインビボでの関節接触圧を推定することを目的としています。骨、軟骨、腱、靭帯を含む有限要素モデルを開発し、腱プーリーシステムに基づいた腱力伝達を行った。このモデルは、筋骨格系モデルと6人の被験者のモーションキャプチャーデータから推定された現実的な腱力によって駆動された。ハイブリッドモデルの出力は、人差し指を介した腱力の生理学的分布に関する指先力の実験的測定および文献データとよく一致した。平均接触圧は、遠位関節で6.9±2.7MPa、近位関節で6.2±1.0MPa、中手指節関節で7.2±1.3MPaであった。その結果、遠位関節の平均接触圧が他の2関節よりも高い被験者が2名おり、指標遠位関節の変形性関節症の有病率には機械的な原因があることが示唆された。関節接触圧の被験者間のばらつきは、タスクに採用された異なる神経筋戦略によって説明できる可能性がある。この効果的なハイブリッドモデルを人差し指に初めて適用したことで、日常的な握力課題の下での手関節応力の推定や外科的処置のシミュレーションが可能となりました。

The knowledge of local stress distribution in hand joints is crucial to understand injuries and osteoarthritis occurrence. However, determining cartilage contact stresses remains a challenge, requiring numerical models including both accurate anatomical components and realistic tendon force actuation. Contact forces in finger joints have frequently been calculated but little data is available on joint contact pressures. This study aimed to develop and assess a hybrid biomechanical model of the index finger to estimate in-vivo joint contact pressure during a static maximal strength pinch grip task. A finite element model including bones, cartilage, tendons, and ligaments was developed, with tendon force transmission based on a tendon-pulley system. This model was driven by realistic tendon forces estimated from a musculoskeletal model and motion capture data for six subjects. The hybrid model outputs agreed well with the experimental measurement of fingertip forces and literature data on the physiological distribution of tendon forces through the index finger. Mean contact pressures were 6.9 ± 2.7 MPa, 6.2 ± 1.0 MPa and 7.2 ± 1.3 MPa for distal, proximal interphalangeal and metacarpophalangeal joints, respectively. Two subjects had higher mean contact pressure in the distal joint than in the other two joints, suggesting a mechanical cause for the prevalence of osteoarthritis in the index distal joint. The inter-subject variability in joint contact pressure could be explained by different neuromuscular strategies employed for the task. This first application of an effective hybrid model to the index finger is promising for estimating hand joint stresses under daily grip tasks and simulating surgical procedures.