VIVO™ 6自由度関節シミュレータ
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VIVO™

AMTIのVIVO™は、生体内の状態に限りなく近い方法によりシミュレーションの動力学的および運動学的な現実感を著しく高め、関節運動シミュレーションに新たな息吹を吹き込みました。VIVO™は、人工関節や生体関節標本の試験を実施する世界初の全速力・全負荷6自由度環境を提供します。
VIVO™の性能特性:
  • 6自由度:すべての関節運動を制御・測定可能
  • 力制御または位置制御により各軸の作動が可能:非拘束の軸をシミュレーションするためのゼロ力制御を含む
  • 力と動きのプロファイルがユーザー設定可能
  • AMTI独自の多繊維靱帯モデル:6自由度軟部組織の軸椎間カップリングを捕獲
  • 従来の経験則に基づく軟部組織モデルもサポート
  • GroodおよびSuntay座標系:仮想化された関節参照軸を用いた運動学的な記述
  • ユーザー定義の座標:取り付けた試験用標本に合わせて座標系の原点と向きを変更
  • 反復学習制御:高度なフィードフォワード制御システムにより繰り返し荷重試験において安定性とコマンドへの急速収束を提供
  • 温度制御された血清循環および抑制システム
  • 単一フレームに独立したプログラム可能な試験ステーションが1~3個:資本取得費、床面積の要件、電源接続を削減
  • オプションのVivoSim視覚化ソフトウェア:試験中にVivo機器と構成部品、多繊維靱帯モデルを正確な尺度でリアルタイム表示

VIVO™性能一覧

自由度 / 軸 仕様
軸荷重 ±4500N
ML / AP荷重 ±1000N
モーメント最大荷重 ±80 N-m FE
±60 N-m FE
±50 N-m FE
屈曲/伸展 200° (デカルト)
110° (Grood & Suntay)
内部/外部ROM ±40°
外転/内転ROM ±25°
垂直移動 50mmストローク
ML / AP移動 円形ワークスペース
直径50mm
*仕様は予告なしに変更される場合があります。

VIVO™に関する説明

VIVO™は、膝関節、股関節、肩関節、顎関節、肘関節、足関節、脊椎関節における関節運動シミュレーションをロボットで正確に再現します。VIVO™は、標準またはカスタムの力と動きプロファイルを用いてプログラムできます。これは、通常の日常生活動作(ADL)試験から極度の運動、偶発的な状況や怪我を生じる活動に至るまで研究および試験プロトコルをサポートします。

VIVO™は、2つの仮想軟部組織モデルに対応します。VIVO™は、生体軟部組織系に特有である6自由度の軸椎間カップリングを捕獲できる、AMTIの特許取得済み多繊維靱帯モデルを導入しています。この軟部組織モデリング機能における大きな躍進は、新たな研究への道を開き、今後予想される試験仕様にVIVO™が対応できるようにします。また、VIVO™は特許取得済の経験則に基づく制約モデルも提供します。弊社の旧式シミュレータに使用されている軟部組織モデルと上位互換性のあるVIVO™では、経験則に基づく制約モデルの機能が拡張され、柔軟性とプログラム可能性が大きく向上しました。個別に指定された経験則に基づく制約モデルは、力制御モードのVIVO™の各軸に使用できます。

VIVO™は、GroodおよびSuntayの関節座標系に完全に対応する世界初のシミュレータであり、生体力学的関節試験の基準としてASTM、ISO、ISBから承認されています。ユーザーはソフトウェアで定義された関節参照軸に対して力と動きを指令するので、機械の物理的アクチュエータの姿勢に依存した複雑な複合回転運動を考慮する必要はありません。また、仮想座標系はVIVO™の新しい専有試験設定システムを可能にする重要な要素です。VIVO™はワークスペースに設置された関節またはインプラントの位置を感知し、関節の位置と一致するようソフトウェアで座標原点を移動させます。この機能は、試験設定におけるさまざまな設置に対応します。機器のアダプタに関節標本を取り付ける際に求められる精度を緩和します。

VIVO™には、シミュレータが生成する実際の力と位置の精度を高めるため、特許取得済の新しい反復学習制御システムを備えています。最新の制御理論に基づくフィードフォワード自己調節の周波数領域システムは今までになくユーザー設定を最小限に抑える一方、AMTIのシミュレータの中でも最大の安定性と最速の収束を実現しています。

短期運動学的および長期耐久性の評価が可能なVIVO™は、単一フレームで1個から3個までの関節試験ステーションを取り付けることができる設定可能システムです。各ステーションは互いに独立して作動します。VIVO™のユーザーインターフェイス(UI)は個別のWindowsホスト上で作動します。複数のステーションで同じ試験プロトコルを実施する場合にUIソフトウェアを使用すると、ステーション間で設定とプログラムをクリックしてコピーできます。

VivoSimは、関節の構成要素と多繊維靱帯モデルの正確な3次元モデルを表示し、その動きを把握するのに役立つオプションのソフトウェア製品です。VIVO™はそれ自体が完全に機能的な独立型シミュレーションシステムである一方、VivoSimは多繊維靱帯モデルの内部を観察し、各繊維に対し引張、張力、分解された力成分を個別に調査する拡張機能を提供します。また、VivoSimには、ほぼリアルタイムの独立型モデリング機能が付いています。別売のVivoSimについては、ウェブサイトの別の箇所で説明しています。

VIVO™には速度、可動域、力の最大荷重、プログラム可能性、仮想軟部組織モデルが独自に組み合わされているため、有害なエッジ荷重の状況やミクロ分離、ステムとカップのインピンジメント、顆状関節のリフトオフ、関節亜脱臼など実世界のインプラント不具合状態の試験が可能になります。

VIVO™は、最もリアルなシミュレーションシステムです。

より正確なシミュレーション用の先進設計

VIVO™のワークスペースと小型パッケージは、試験施設で使用する床面積を最小限に抑え、人間関節の試験を容易に実施できるよう設計されています。

VIVO™システムには1個から3個までの試験ステーションが組み立てられ、装置一式として出荷されます。各ステーションには6つのサーボ油圧アクチュエータが装備されています。フレーム内の全ステーションで単一の電源接続、リアルタイムコントローラ、油圧供給、油圧戻りラインを共有することで、取得費と設置費を最大活用できます。リアルタイムのコントローラは1つしかありませんが、各ステーションに対し個別に制御ループを実行します。したがって、ステーションは個別にプログラムし作動します。

下部のユニークなアクチュエータ構成は浮動瞬間回転中心を提供します。GroodおよびSuntay座標系のソフトウェア定義の仮想軸により、従来の試験機器設計で見られた多くの関節位置合わせ問題がなくなりました。

制御システムに位置フィードバックを生成するため、精度変位センサーは油圧アクチュエータと同位置に配置されています。各ステーションには、力覚フィードバックの接触力とモーメントを測定する6軸フォースセンサーが装備されています。試験対象となる関節の下部をフォースセンサーに直接取り付るため、関節の接触相互作用とフィードバックセンサー間で緊密なカップリングを達成します。アクチュエータの非直線性と不完全性によって生じる力の外乱は、力覚フィードバック測定に含まれており、制御システムによって修正可能です。必要に応じて制御システムが慣性体積力の効果を打ち消すことができるように、フォースセンサーと結合する質量と極慣性モーメントを入力できます。

各ステーションには、液体環境で実施される試験用に、温度制御された血清循環および抑制システムが装備されています。温度プレートが血清を加熱または冷却し、約10°C~45°Cの設定値を達成します。

多ステーションのVIVO™フレームでは、ステーションが個別に作動します。ただし、VivoControlのUIは、ステーション間でプログラムと設定をワンステップでコピーできる機能をサポートしているため、複数のサンプルに同じ試験プロトコルを実施できます。

VIVOシミュレーション技術の真髄制御システム

生体力学シミュレーションから得られたAMTIの幅広い経験と先進の制御技術は、VIVO™制御システムで頂点に達しました。この製品は今日の関節運動シミュレーションにおいて最も洗練されたロボット制御システムです。制御システムには2つの運動学モードがあります。

関節座標系(G&S)モード:GroodおよびSuntay関節座標系(JCS)を導入。GroodおよびSuntay関節座標系は、国際バイオメカニクス学会(ISB)、ASTM、ISOにより採用されています。G&Sモードでは、臨床的に意義のある方向(正中/外側、後部/前部と破壊/圧縮移動、屈曲/伸展、外転/内転、内旋/外旋)に一致する関節照会軸に沿って制御入力とデータ出力が分解されます。アクチュエータの位置とGroodおよびSuntay座標間のマッピング値は、参照位置設定から算出されます。ユーザーは、定義した関節位置をGroodおよびSuntay座標で特定し、機器に取り付けられた試験サンプル上でその位置を作成し、UIでコマンドを選択します。また、あらかじめ定義された既定のマッピング値も用意しており、いつでも選択が可能です。いったん運動学的マッピングが定義されると、制御システムが物理アクチュエータの位置とGroodおよびSuntay座標間との関係が1秒2000回更新されます。この動作により、GroodおよびSuntay座標軸で、VIVO™の物理ワークスペース内のすべての機器の位置に対する関節参照定義が確実に維持されるようになります。G&Sモードでは屈曲/伸展軸の可動域が110°となっています。VIVO™の設定機能を使用すると、この物理的な可動域を仮想のG&S外転座標の110°領域に関連させることができます。ただし、可動域の限度は座標値の±180°です。G&Sモードでは、位置コマンドモードまたは力コマンドモードで各軸を作動させることができます。コマンドモードは各軸に対し個別に選択でき、あらゆる組み合わせが可能です。

デカルト座標系モード:従来の機器との互換性あり。デカルト座標モードでは、機器のフレームに対して固定されたXYZ直交座標系に沿って入力および出力移動と直線力が分解されます。入力および出力回転は、屈曲および外転/内転アクチュエータの物理軸および仮想のZ回転アクチュエータと一致する回転軸に沿って分解されます。デカルト座標モードでは屈曲アームの可動域が最大200°となっています。デカルト座標モードでは、下部の4軸を位置コマンドモードまたは力コマンドモードで作動させることができます。屈曲軸および外転/内転軸は位置モードのみで作動します。

コマンド波形は、各軸につき個別の1024ポイントの波形バッファにより生成されます。波形は、現在の軸コマンドモードに従って位置(移動または回転)または力(直線力またはモーメント)コマンドとして解釈されます。位置コマンドモードと力コマンドモード間で軸を切り替えるのは、設定ダイアログ内のボックスにチェック入れるのと同じくらい簡単です。波形の速度は0.5~100秒(2~0.01Hz)のバッファ期間を設定することで制御します。

最新の反復学習制御アルゴリズム

VIVO™は、まったく新しいAMTIの反復学習制御(ILC)アルゴリズムを導入しました。新規開発された特許出願中のシステムは、VIVO™リアルタイムコントローラとVivoControlホストソフトウェアに部分的に導入されています。旧版のILCに比べて安定性、収束速度、残差、チューニングの簡便性といった面で最先端の極みにあります。

ILCシステムでは、プログラムされた波形の全期間を通して誤差データが収集されます。誤差は等価周波数領域表現に変換され、目的の範囲外の周波数の打切り、軸伝達関数の逆相と大きさ補正など各種の処理ステップが適用されます。結果は時間領域に変換し直され、前のサイクルで記録された軸位置への増分として適用されます。波形のバッチ式処理と周期的活動により、この方法はフィードフォーワード補正を生み出します。理論上、この補正により経時的に誤差を正確にゼロにすることができます。実際のシステムにおいて非反復性の外乱は真のゼロ誤差を防ぎますが、通常の実用においては、新しいシステムにより誤差がコマンドの1%未満に低減されます。

学習された補正は自動的に保存され、試験中断後の開始点として使用されます。この機能は、計量や血清変更、容器バッグの取り換えなどで試験を一時的に中断する場合に役立ちます。

新しいシステムには「力覚マッピング」と呼ばれる前実行段階が含まれます。新しい試験を開始する前に、周波数を目的の全速の1/10~1/20まで大幅に減らして数サイクルの波形を出します。速度の低下により、基本的なP+I制御システムは比較的誤差の少ない状態で作動することができ、実際には姿勢に依存した関節コンプライアンスを測定します。全速で軸動力が予測されるよう処理することにより、初期の補正が行われます。通常この方法で誤差が完全になくなることはありませんが、試験の初期段階で誤差を50%以上減らすことができます。このため、より急速な収束をもたらし、試験の初期段階で標本が損傷を受けるリスクを抑えます。

ILCシステムは低速度または非反復試験に対して無効にすることができます。このような場合には、VIVO™のP+I軸コントローラが標準のサーボ油圧制御システムの性能を実現します。

軟部組織シミュレーションによる現実感の向上

植込まれた関節は、生来の生物学的構造と人工的に作られた構造から構成されています。関節構造の運動学・動力学ならびに耐久性の正確なシミュレーションには、生体における関節接触力を正確に再現する必要があります。軟部組織における応力は関節接触力に大きく寄与することがあるため、現実的なシミュレーション環境には軟部組織応力の影響を模倣する方法を含める必要があります。

VIVO™は、2つの仮想軟部組織モデルを提供します。

新しい多繊維靱帯モデルは、運動学的・動力学的に正確な仮想力モデルをどのように組み立てるかを徹底的に再考した結果です。モデルは関節のずれと結果として生じる力モデルとの間の6自由度クロスカップリングを表すことができます。

VIVO™の経験則に基づく制約モデルは、AMTIの旧版のシミュレータで使用されていた制約モデルを機能拡張したものですが、力制御モードのあらゆる軸で個別にプログラム可能になりました。また、あらゆる軸を副軸として用いて2軸クロスカップリングを表すこともできます。

制御モデルへの入力は、選択するモデルによって異なります。

経験則に基づく制約の軟部組織モデルでは、各軸が1入力または2入力の制約表を用いて作動することができます。1入力モデルを定義するには、15軸座標値を補間点として定義し、各補間点における制約の力(またはモーメント)を表に入力します。動作中、コントローラは軸座標を即座に用いて表に内挿し、制約力を算出します。2入力モードでは、主軸と他の5軸のうち1軸との間におけるクロスカップリングが捕獲されます。副軸に対して8つの補間点を定義します。制約力(モーメント)値は8曲線として表され、各曲線は副軸に対して定義された補間点の1つに対応し、主軸に沿って15点の変動を構成します。8曲線の集合は、主軸および副軸座標の2パラメータ関数として制約力を表現する表面を定義します。動作中、コントローラは主軸および副軸座標を用いて制約表に2次元内挿を行います。各軸では、このモデルが完全に独立して実装されます。VivoControlのUIは、線形、二次方程式、多項式ばねモデルなど制約力表の生成に役立つツールを提供します。または、制約力表は外部アプリケーションを用いて所定のCSV形式で生成し、VivoControlにインポートすることもできます。さらにVivoControlでは、制約力表をCSV形式にエクスポートすることも可能です。それ以外の用途として、経験則に基づく制約の軟部組織モデルは通常、今日のISOおよびASTM規格に適合する試験に必要です。経験則に基づく軟部組織モデルは、GroodおよびSuntay座標モードまたはデカルト座標モードで使用できます。

多繊維靱帯モデルは、軟部組織モデルを再考することにより生まれました。多繊維靱帯モデルでは、どの制約力が各軸の座標に対応するかを事前に決めるのではなく、関節構成要素における近位および遠位挿入部位の(XYZ)座標、その剛性、関節が定義した参照位置にあるときの靱帯の引張量または緩み量を指定することで最大100の靱帯線維を定義します。参照位置における長さは、座標から自動的に算出されます。また、参照位置で定義した引張量と共にゼロ力の靱帯長も自動的に算出されます。動作中、コントローラは靱帯線維の長さと作用線をリアルタイムで算出します。ゼロ力の靱帯長を超えて引っ張られるなど関与する線維では、算出された力がGroodおよびSuntay座標軸に適用されます。各線維に対する力のモーメントも、作用線とGroodおよびSuntay軸間のモーメントアームに基づいて算出されます。すべての繊維の力とモーメントは総計され関節に適用されます。これらの計算はリアルタイムコントローラでサーボ時毎に実行されるため、関節の瞬間の運動学的構造と本質的に同期化されます。また、VivoControlを使用すると、多繊維靱帯モデルをCSV形式ファイルにインポートまたはエクスポートできます。外部モデリングのツールを用いて多繊維靱帯モデルを生成する場合もあるでしょう。外部アプリケーションで作成したモデルを定義済みのCSV形式ファイルにエクスポートしてVivoControlにインポートすることで、手作業でモデルを入力する手間が省け、エラーを防ぐことができます。

多繊維靱帯モデルを用いると、靱帯のバランスに対する感度や術後の靱帯状態に関する試験を開発できると同時に、生来の膝関節に見られる複雑な軸椎間カップリングを提供します。多繊維靱帯モデルの着想となった概念は、今後のASTMおよびISO試験規格に使用される可能性があります。

長期にわたる耐用年数を考慮した設計

小型化および長い耐用年数のため、VIVO™は油圧アクチュエータの設計をすべて活用しています。システムの主軸受は、より正確な制御や低摩擦、長い耐用年数を実現するよう流体静力学的にサポートされています。AMTI固有の流体力学シールを用いたアクチュエータは、保守点検にかかるダウンタイムを低減し、何億回もの使用に耐えるよう設計されています。

動作には別途油圧パワーユニットが必要です。AMTIでは、1、2、3ステーションなどVIVO™システムに搭載するステーションの数に合わせて油圧パワーユニットを提供いたします。また、ご要望により、お客様独自の基盤も使用することが可能です。詳しい要件については、AMTIの担当者にご相談ください。

最先端の試験標本の保護と安全性

VIVO™は、お客様の貴重な試験への投資を保護する新たな基準を設けました。それぞれの物理量は継続的に監視されます。不具合や過負荷が発生した場合、コントローラが対処し機器と標本を保護します。また、多くの動的変数に対してユーザーが限度を指定したり、動作をプログラムしたりできます。このような迅速な応答は、機器の設定時または動作時の不注意による標本の損傷を防ぎます。

機器の可動範囲を囲むライトカーテン安全保護装置により操作者の安全も強化されています。ライトカーテンは、機器への電圧印加が必要な保守点検時または設定操作時にキースイッチを用いて無効にすることができます。ライトカーテン保護装置を無効にするには、2つのオーバーライドを有効にする必要があります。キースイッチにキーを差し込み「DISABLE(無効)」の位置に回すと、VivoControlのUIでオーバーライド設定が選択されるはずです。キースイッチを「DISABLE」の位置に回すことで、警告灯も点滅します。キースイッチが「DISABLE」の位置にある間はキーを抜くことはできません。したがって、キーへのアクセスを規制する施設プロトコルを利用して、ライトカーテン保護装置を無効にする操作者の権限を管理することができます。

施設で容易に統合できる標準ホストコンピュータ

VivoControlソフトウェアは、USBポート数個、光学ドライブ1個、ギガビットイーサネットアダプタ2個が搭載された小型デスクトップのWindowsパソコン上で動作します。VivoControlは、AMTIによりあらかじめインストールされています。VivoControl用に工場設定されたイーサネットアダプタは、VIVO™のリアルタイム制御パソコンと通信するために使用します。もう1つのイーサネットアダプタは、お客様のLAN接続用にご利用いただけます。また、必要に応じてWiFiアダプタも取り付けることができます。VIVO™にはパソコン、キーボード、マウス、モニターが同梱されています。

VIVO™はスタンドアロンシステムとして動作するよう設計されており、VIVO™の管理、制御、プログラムに関するVivoControlの全機能はLAN接続なしでご利用いただけます。VIVO™ホストコンピュータをLANに接続すると、結果の後処理や設定のアーカイブ保管、他のVIVO™への変換のためのホストコンピュータへの断続的なファイル転送が容易になります。標準のWindowsクライアントであるホストコンピュータは、ほとんどの施設のIT基盤に簡単に統合できます。†LANに接続しない場合は、ファイル転送に物理メディアが必要になります。

VivoSimリアルタイム視覚化ソフトウェアとの統合は、LAN接続を必要とするオプション機能です。(別売のVivoSimは、ほかの箇所で説明しています。)

†AMTIでは、Windowsのアップデートを無効にしたホストコンピュータを出荷しています。長期間実施されている試験がアップデートにより中断される可能性を阻止するため、この設定の使用を強くお勧めします。会社によっては、アップデートを無効にしたクライアントのLAN接続を奨励しないか許可しないIT方針を規定している場合があります。

VIVO™は多様なISOおよびASTM試験規格に対応

VIVO™は、ISO 14242-1、ISO 14243-1、ISO/CD 14243-3、ISO 14879-1、ISO 16402、ISO 18192-1、ISO/TR 22676、ISO 7206-4、ASTM F1223-08、ASTM F2790-10、ASTM F2694-07、ASTM F2777-10、ASTM F2028-08、ASTM F1829-98に対し試験の実施が可能です。

VIVO™に関するお問い合わせ

詳細については、vivo@amtimail.comまでお問い合わせください。

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176 Waltham Street, Watertown, MA 02472-4800 USA
1-617-926-6700 | お問い合わせ