The effect of midsole shape on Running Prosthetic Feet during experimental and numerical simulation of a mid-stance inspired test condition: a preliminary study

技術要約：ランニング用義足のミッドソール形状が及ぼす影響

問題提起
ランニング用義足（RPF）は、弾性エネルギーを蓄積・放出する受動的なカーボンファイバー製コンポーネントである。メーカーはユーザーの体重に基づいて剛性のカテゴリーを割り当てているが、これらのカテゴリーは精密な機械的記述子というよりも、実用的なガイドラインに過ぎない。RPFの機械的応答は、特定のモデル、ブレードの高さ、アライメント、および試験構成に基づいて変化することが知られている。現在、義足システムの機械的応答をチューニングするには、RPFのモデル全体、剛性カテゴリー、またはアライメントを変更する必要があり、これは非効率かつ高コストとなる可能性がある。シューズのミッドソールの剛性が健常者のランニングメカニクスに影響を与えることは知られているが、RPFの機械的応答に対するミッドソールの幾何学的形状の具体的な寄与については、ほとんど定量化されていない。本研究では、主要なカーボンファイバー構造を交換することなく、交換可能なミッドソールインサートによって単一のRPFの機械的記述子を変更できるか否かについて検討する。

方法論
本研究では、実験的なベンチテストと数値的な有限要素（FE）モデリングの2段階のアプローチを採用した。

• 実験セットアップ: 単一のOssur Cheetah Xceed CAT 2 RPF（アスリート体重63/64 kg用剛性カテゴリー）を用い、中間立脚期を模した準静的なプロトコル下でテストを行った。RPFは10°のクランプ角度で設置された。以下の4つの遠位構成を評価した：

  1. コントロール: 標準的なスパイクアウトソールのみのRPF（ミッドソールなし）。
  2. M01: 放物線形状のEVAミッドソールインサートを備えたRPF。
  3. M02: ダブルフレックス形状のEVAミッドソールインサートを備えたRPF。
  4. M03: 線形形状のEVAミッドソールインサートを備えたRPF。

  すべてのインサートはShore A 50のEVA製であり、RPFと一定のスパイクアウトソールの間に配置された。テストは、0.5 mm/sの速度で110 mmの準静的な垂直圧縮を行うものとし、地面プレートは水平方向の力をほぼゼロに維持するために水平方向に移動可能とした。

• 特性化パラメータ: 機械的応答は以下の指標を用いて定量化した：

  • 弾性エネルギー等価剛性（$K_{eq}$）
  • 剛性増加比（$SR$）
  • 二軸性比（$BR$）
  • 足圧中心（CoP）軌跡

• 数値モデリング: すべての構成に対して、Ansys Workbenchを用いた二次元平面応力FEモデルを開発した。RPFブレードは、等価な等方性ヤング率（コントロールの実験データに対して72 GPaに較正）を持つ均質な線形弾性材料としてモデル化した。ミッドソールとタータン層はYeoh超弾性定式化を用いてモデル化し、アウトソールは線形弾性体とした。接触条件は、アウトソールとタータンの間で粗い（rough）ものと定義した。

主な結果

• 剛性変調: コントロール（ミッドソールなし）と比較して、放物線形状（M01）およびダブルフレックス形状（M02）のインサートは、グローバル剛性（$K_{eq}$）をそれぞれ24%および28%増加させた。逆に、線形インサート（M03）は$K_{eq}$を13%減少させた。
• 剛性増加と結合: すべてのミッドソールインサートは剛性増加比（$SR$）を減少させ、これは圧縮中の局所的な剛性の進行に変化があることを示している。水平・垂直方向の結合を表す二軸性比（$BR$）は、わずかな変化（2〜8%の増加）のみを示した。
• 足圧中心（CoP）: CoP軌跡は構成に依存した。M01およびM02は、低圧縮時においてより後方のCoP軌跡を示し、荷重が増加するにつれて前方へとシフトした。M03は、荷重フェーズを通じてより前方の軌跡を示し、最も高い正のCoP値に達した。
• モデルの検証: FEモデルは、$K_{eq}$（M01/M02では増加、M03では減少）の実験的な変化の方向を正確に再現した。力－変位曲線の正規化平方根平均二乗誤差（RMSE）は0.82%から2.18%の範囲であった。しかし、剛性増加比（$SR$）については乖離が大きく、M01では最大17.65%の差に達した。

意義および主張
著者らは、本研究を予備的な探索的概念実証として提示している。本研究は、ミッドソールの幾何学的形状が、グローバル剛性および圧縮中の剛性の進行を変化させることで、ランニング用義足のベンチテスト応答に大きな影響を与えることを示している。これらの知見は、主要なカーボンファイバー部品を交換することと比較して、交換可能なミッドソールインサートがRPFの機械的応答をチューニングするための、より簡便かつ経済的な手法を提供し得ることを示唆している。

さらに、本研究は、簡略化されたFEモデルが、異なるミッドソール形状間でのグローバルな応答傾向（$K_{eq}$など）の予備的な比較をサポートするのに十分であることを示しているが、局所的な剛性挙動（$SR$）を予測するには精度が劣る。著者らは、これらの結果が単一のRPFモデル、単一の剛性カテゴリー、および準静的な条件に限定されていることを明示的に注意喚起している。したがって、これらの知見を、さらなる調査なしに他のRPFモデルや動的なランニング条件に一般化すべきではない。本研究は、遠位の幾何学的形状がベンチテストの応答に影響を与えるものの、パフォーマンスの最適化や臨床への適用に関する結論を導き出すには、追加の実験的研究が必要であると結論付けている。