318 理学療法科学第 19 巻 4 号 I. はじめに前十字靱帯 (anterior cruciate ligament: 以下 ACL) 損傷は, バスケットボール, サッカー, バレーボール, ラグビー, ハンドボール, フットボールなどのコンタクトスポーツで頻繁に発生する 1-5) しかし,

Size: px

Start display at page:

Download "318 理学療法科学第 19 巻 4 号 I. はじめに前十字靱帯 (anterior cruciate ligament: 以下 ACL) 損傷は, バスケットボール, サッカー, バレーボール, ラグビー, ハンドボール, フットボールなどのコンタクトスポーツで頻繁に発生する 1-5) しかし,"

ひでよりめいこ
5 years ago
Views:

1 理学療法科学 19(4): ,2004 研究論文下肢ダイナミックアライメントの相違が 1 ステップ動作時の床反力に及ぼす影響 Influence of Difference of Dynamic Alignment in the Lower Extremity on Ground Reaction Force during One Step Movement 1) 1) 1) 粟井瞳木村護郎今野宏亮徳元仁美 1) 1) 2) 松原由未子佐々木誠 HITOMI AWAI, PTS 1), GORO KIMURA, PTS 1), HIROAKI KONNO, PTS 1), HITOMI TOKUMOTO, PTS 1), YUMIKO MATSUBARA, PTS 1), MAKOTO SASAKI, PhD, RPT 2) 1) Department of Physical Therapy, Akita University College of Allied Medical Science: Hondo, Akita , Japan. TEL ) Course of Physical Therapy, School of Health Sciences, Akita University Rigakuryoho Kagaku 19(4): , Submitted May 24, Accepted Jul. 8, ABSTRACT: The purpose of this study was on the one hand, basic research into the knee in and toe out leg position lessening stress on the anterior cruciate ligament (ACL), and also the clarification of a factor resolving the contradiction of so-called easily occurring, non-contact type ACL injuries in this position. With 20 healthy females (average age, 21.6 ± 4.6) as subjects we measured the ground reaction force in one step movement with 3 dynamic alignments: knee in & toe out, knee out & toe in, and a neutral position with the knee and foot facing forward. In one step movement, the ground reaction force of knee out & toe in acted more in the lateral direction than that of the neutral position. In contrast, knee in & toe out ground reaction force acted inwardly to the rear, and additionally, at the time of movement, front-rear braking effort was poor. According to the results, we consider that in knee out & toe in, because a lateral shear force was generated on the femur which was receiving lateral torque from the tibia, tension on the ACL was heightened by toe in, making ACL injury easier to occur. Also, in knee in & toe out we consider that as stresses build up simultaneously, and shear force is generated in the forward direction on the femur, which is receiving torque in the forward direction from the tibia, which is exhibiting weakened brake force in the forward direction, ACL injury incidence would be higher. Key words: dynamic alignment, one step movement, ground reaction force 要旨 : 本研究の目的は, 膝関節外反下腿外旋位 (knee-in & toe-out) の肢位が基礎的研究で前十字靱帯 (anterior cruciate ligament: 以下 ACL) へのストレスが少ないとされる一方で, この肢位で非接触型 ACL 損傷が発生しやすいという矛盾を解決する一要因を明らかにすることである健常女性 20 名 ( 平均年齢 21.6±4.6 歳 ) を対象に,knee-in & toe-out, 膝関節内反下腿内旋位 (knee-out & toe-in), 膝と足部が正面を向いた中間位 (neutral) の3つのダイナミックアライメントでの1ステップ動作時の床反力を測定した knee-out & toe-inは,neutralよりも1ステップ動作時に身体外側に床反力が作用していた対してknee-in & toe-outは, 反対方向の身体内側に床反力が作用し, 加えてneutralよりもステップ時の前後方向制動力が弱かった結果より,knee-out & toe-inでは, 下腿内旋位で張力が高まったACLが, 脛骨が外側へのトルクを受け大腿骨に対する外側への剪断力が生じるため,neutralよりもACLが損傷しやすいと考えられたまた,knee-in & toe-outでは, 膝関節の外反外旋ストレスを増長すると同時に, 前方への制動力を発揮しづらく脛骨が前方へのトルクを受け大腿骨に対する前方への剪断力が発生して,ACL 損傷の受傷率が高くなるものと考えられたキーワード : ダイナミックアライメント,1ステップ動作, 床反力 1) 秋田大学医療技術短期大学部理学療法学科 : 秋田県秋田市本道 1 丁目 1-1( )TEL ) 秋田大学医学部保健学科理学療法学専攻受付日 2004 年 5 月 24 日受理日 2004 年 7 月 8 日

2 318 理学療法科学第 19 巻 4 号 I. はじめに前十字靱帯 (anterior cruciate ligament: 以下 ACL) 損傷は, バスケットボール, サッカー, バレーボール, ラグビー, ハンドボール, フットボールなどのコンタクトスポーツで頻繁に発生する 1-5) しかし, スキーや体操での損傷も多く 1,2,4), コンタクトスポーツ以外の競技種目に限らず, コンタクトスポーツにおいても非接触性に生じる頻度が高い 1-9) ACL 損傷の発生に関連する因子として, 外的要因と内的要因が考えられている 8-11) 外的要因としては身体運動, 筋力, サーフェイス, 技術レベルなどが挙げられており, 内的要因としては関節弛緩性, ホルモン, アライメント, 骨構造, 靱帯のサイズなどが挙げられている 8-11) スポーツ活動中の非接触型 ACL 損傷は, 男性よりも女性で多く発生することが広く知られている 1-4, 8-13) 発生要因について男女差の検討がなされているが, その要因は多元的であり 13), 一致した見解が得られていない 7) のが現状である非接触型 ACL 損傷は着地, ひねり, ストップ ( 急激な減速,1ステップストップ), ジャンプ, 踏み切り, ピボット, カッティングなどのスポーツ動作で起こりやすく 3,4,8,9,11,12), 女性におけるこのような動作時の下肢のダイナミックアライメントが一つの要因であると考えられる膝関節外反下腿外旋位 (kneein & toe-out) で非接触型 ACL 損傷が生じやすいとされており 1,2,6,7,13), 女性はスポーツ中にこの肢位をとる傾向がある 14,15) しかし, 屍体膝関節による解剖学的な検討では,ACL の張力は下腿外旋位よりも内旋位の方が高く 7,16-18), また, 外反ストレス下で段階的に内外旋トルクを加えると内旋トルク下では脛骨は前方へ移動し, 外旋トルク下では後方へ移動することが明らかとされている 7) knee-in & toe-outでは, 内側側副靱帯 (medial collateral ligament: 以下 MCL) の損傷を併発することなくして,ACLの張力が増さない 19-21) こと, いわゆる O Donoghue の unhappy traid 22) ( 不幸な3つの組み合わせ ) を反映すると考えられるすなわち, 外反外旋ストレスはACLの単独損傷を引き起こさないものと考えた方が妥当と思われる実際には, スポーツ活動で頻繁に起こるknee-in & toe-outでの非接触型 ACL 損傷は, 単独損傷である場合が圧倒的に多いとされている 1-3) 今回我々は, 非接触型 ACL 損傷の発生に関する調査データと解剖学的な研究での結果との矛盾を解決する一要因を明らかにすることを研究目的とした knee-in & toe-out, 膝関節内反下腿内旋位 (knee-out & toe-in), 膝と足部が正面を向いた中間位 (neutral) の3つのダイナミックアライメントでの1ステップ動作時の床反力を測定し, 損傷の発生が少ないとされるneutral 14,23-25) との比較からknee-in & toe-outにおける膝関節へのストレスの特性の一部を明らかにしたので報告する II. 対象と方法対象は, 本研究に関する説明を口頭ならびに文書で受け, 対象者としての参加に同意し, 同意書に署名した健常女性 20 名であるその年齢, 身長, 体重およびBMIの平均値はそれぞれ,21.6±4.6 歳,159.6±4.4 cm,55.0± 7.8 kgおよび21.5±2.4 kg/m 2 であった床反力の測定には可搬性フォースプレートMG-100( アニマ社製 ) を用い, サンプリング周波数は100 Hzとした三角形のフォースプレートを左右に二等分する正中線 (Y 軸ライン ) 上で底辺 (1ステップ動作における後ろ方向 ) より11 cmの点にマーキングテープを貼ったこのマーキング位置を中心にフォースプレートの手前の3 箇所に印をつけたそれはY 軸ラインの手前側への延長線上 ( 左右 0 ),Y 軸ラインと45 の角度をなす手前側への2 本の線分上 ( 右 45, 左 45 ) の3 点である開始肢位としてその3 点のうちのいずれかの印と非計測側下肢の足趾先端とを合わせて進行方向を向いた立位をとらせたフォースプレート上のY 軸ラインに計測側の足部を乗せ, 非計測側の脚でフォースプレートをまたがせ, 続いて計測側の足をフォースプレートから降ろさせたこの一連の動作は歩行様に行わせ, 速度は対象者が安楽であるよう自由としたこれを上記の3 点の開始位置から左右両脚で測定した例えば, 右脚の測定で左 45 からの施行ではknee-out & toe-inに,0 からの施行ではneutral に, 右 45 からの施行ではknee-in & toe-outとなる ( 図 1) 左右脚ならびに測定肢位の測定順序はランダム化し, 各測定を1 回ずつ行った解析パラメータは, 垂直方向の第 1ピーク荷重, 垂直方向谷荷重, 垂直方向第 2ピーク荷重, 前後方向制動力ピーク荷重, 前後方向駆動力ピーク荷重, 左右方向第 1 ピーク荷重とし ( 図 2), 体重で除した値 ( 単位 ;kg/bw) を用いた統計処理として,knee-out & toe-inおよびknee- in & toe-out での測定値をneutralでの値と比較するため, Wilcoxon 符合付順位和検定を行った各測定は1 回のみであり統計的に第 1 種の過誤が生じないよう, 統計処理結果の有意水準は1% 未満とした

結果 1ステップ動作時の体重で除した床反力の各下肢ダイナミックアライメントでの測定値と検定結果を表 1に示した垂直方向第 1ピーク荷重, 垂直方向谷荷重, 垂直方向第 2ピーク荷重,

3 下肢ダイナミックアライメントの相違が 1 ステップ動作時の床反力に及ぼす影響 319 knee-out & toe-in neutral knee-in & toe-out 図 1 床反力測定のための 1 ステップ動作時の下肢ダイナミックアライメントの設定図 2 床反力測定波形の典型例 ( 右脚における neutral での測定 ) III. 結果 1ステップ動作時の体重で除した床反力の各下肢ダイナミックアライメントでの測定値と検定結果を表 1に示した垂直方向第 1ピーク荷重, 垂直方向谷荷重, 垂直方向第 2ピーク荷重, 前後方向駆動力ピーク荷重には肢位の条件間で統計的に有意差は認められなかった前後方向制動力ピーク荷重はneutralの-0.13 kg/bwと比較して,knee-out & toe-inは-0.12 kg/bwで差を認めず,

4 320 理学療法科学第 19 巻 4 号表 1 体重で除した床反力の各パラメータの下肢ダイナミックアライメントの相違による比較 neutral knee-out & toe-in knee-in & toe-out 垂直方向第 1 ピーク荷重 (kg/bw) 右脚 1.03 ± ± ± 0.07 左脚 1.04 ± ± ± 0.04 垂直方向谷荷重 (kg/bw) 右脚 0.83 ± ± ± 0.07 左脚 0.87 ± ± ± 0.06 垂直方向第 2 ピーク荷重 (kg/bw) 右脚 1.06 ± ± ± 0.08 左脚 1.04 ± ± ± 0.08 前後方向制動力ピーク荷重 (kg/bw) 右脚 ± ± ± 0.03** 左脚 ± ± ± 0.04* 前後方向駆動力ピーク荷重 (kg/bw) 右脚 0.10 ± ± ± 0.13 左脚 0.14 ± ± ± 0.13 左右方向第 1 ピーク荷重 (kg/bw) 右脚 0.02 ± ± 0.02** ± 0.04** 左脚 ± ± 0.02** 0.04 ± 0.06* 平均値 ± 標準偏差,Wilcoxon 符号付順位和検定. * p<0.01, ** p<0.001:neutral との比較. knee-in & toe-outでは左右脚とも-0.09 kg/bwであり有意差を認め ( 右脚 p<0.001, 左脚 p<0.01),neutralよりも0.04 kg/bw 荷重が少なかった左右方向第 1ピーク荷重については,neutralでは左右脚とも身体外側に0.02~0.03 kg/bwの荷重がなされていた knee-out & toe-inでは, 約 0.1 kg/bw 荷重量が多く有意差を認めた ( いずれの脚も p<0.001) が,neutralと同様に荷重の方向は身体外側であった knee-in & toe-outでは0.07 kg/ BW 荷重量が高値であり有意差を認め ( 右脚 p<0.001, 左脚 p<0.01), その荷重の方向はneutralとは反対の身体内側方向であった IV. 考察金森 7) は, 屍体膝関節による解剖学的な検討から, 非接触型 ACL 損傷の危険肢位は下腿外旋位よりも内旋位ではないかと推察しているまた案浦ら 1,2) も, 特に非接触型のACL 損傷が, なぜ外反, 外旋位に多くみられたのか, 受傷機序からすると理解しにくいと思われたと述べている今回の研究では床反力計を用いて,knee-in & toe-out, knee-out & toe-in,neutralの3つのダイナミックアライメントでの1ステップ動作時の床反力を測定し, その比較から knee-in & toe-outの肢位が基礎的研究でaclへのストレスが少ないとされる一方で, この肢位でACL 損傷が発生しやすいという矛盾を解決する一要因を明らかにしようと試みたその結果 knee-out & toe-inは,neutralよりも1ステップ動作時に身体外側に床反力が作用していた対してknee-in & toe-outは, 反対方向の身体内側に床反力が作用し, 加えてneutralよりもステップ時の前後方向制動力が弱かったこれは,knee-out & toe-inでは, 下腿内旋位で張力が高まったACLが, 脛骨が外側へのトルクを受け大腿骨に対する外側への剪断力が生じることよってストレスを受けることで,neutralよりもACLが損傷しやすいことを意味するものと考えられる一方 knee-in & toe-outでは, 下腿は外旋位であるが, 身体が内側に振られ膝関節には外反ストレスが生じ, 同時に前方への制動力が作用しづらく脛骨が前方へのトルクを受け大腿骨に対する前方への剪断力が発生して,ACL 損傷の受傷率が高くなると考えられる knee-in & toe-outで非接触型 ACL 損傷が起こりやすいことに関して, この肢位での発生に疑問を呈した前述の案浦ら 1,2) は, 下腿外旋でのACLの緩みを緊張させ安定させるためには, 大腿四頭筋による脛骨の前方への移動が必要であり, この力が強いとACLは断裂する可能性がでてくるとしている Kennedyら 16) も, 下腿の外旋のみでは ACLにストレスは加わらず, 外旋の他に外反ならびに脛骨の前方移動があるとACLの単独損傷が生じる, 脛骨の前方移動がなければMCLの張力の上昇が先行すると記述している更に, 小林 6) も,knee-in & toe-outでaclにストレスを加える因子として膝外反力, 下腿外旋力, 脛骨前方引き出し力の3つを挙げているすなわち,knee-in & toe-outでの非接触型 ACL 損傷の発生には, この肢位に加えて脛骨の前方への移動が不可欠であると考えられるこの脛骨の前方亜脱臼を示す臨床的証拠は,MRIにおけるBone bruiseの位置 ( 脛骨後外側部と大腿骨外側顆 ) に

5 下肢ダイナミックアライメントの相違が 1 ステップ動作時の床反力に及ぼす影響 321 あり, 急激な大腿四頭筋の収縮が影響するものと考えられる 1, 2), とされている knee-in & toe-outで片脚着地をすると外反トルク, 外旋トルクに加えて,neutralとは反対に伸展トルクが生じ, 大腿四頭筋が瞬間的に収縮したことを示すとの報告がある 26) 一方, 大腿四頭筋の遠心性収縮時の状況を再現した実験で, 外反ストレス下では何もストレスをかけない状態や内反ストレス下と比較して ACLの張力に差がなく, 外旋ストレス下では内旋ストレス下, ストレスをかけない状態の順に続いて, 最もACL の張力が少ないことが示されている 17) しかし, これは屍体膝関節での実験であり, クローズドキネティックチェインでの, かつダイナミックな動作での瞬間的な筋活動や, 脛骨と大腿骨との剪断力の発生とは, その様相が異なるものと考えられる高校バスケットボール一流選手では, 膝の伸展筋力が女性よりも男性の方が強いが, 遠心性筋力を等尺性筋力で除した相対的な筋力は女性の方が高い 27,28) とされている女性におけるこの相対的な遠心性筋力の強さが, 女性のスポーツ活動時のknee-in & toe-outでの非接触型 ACL 損傷の受傷率が高いことを部分的に説明するものと考える以上より,knee-in & toe-outでの1ステップ動作は, 膝関節の外反外旋ストレスを増長すると同時に, 前方への制動力を発揮しづらく脛骨が前方へのトルクを受け大腿骨に対する前方への剪断力が発生して,ACL 損傷の受傷率が高くなると考えられたスポーツ動作の改善によりACL 損傷が予防できると考えられており 4,6,14,23-25), 我々も, 膝関節をneutralに保った各種の動作を習得させることが大切である 6,14,23-25) ことを支持する着地動作において knee-in をとる者は膝関節屈曲 0~ 30 で大きな外旋がおこり, また一端内反した後外反方向に振れる不安定性を有する 24) こと,180 ターンでは, 外反外旋ストレスの発生の後内反し, 直後に多大な内反内旋ストレスと, 一連のストレスが膝関節に瞬時に連続して起こること 15) が示されている本研究では床反力の測定のみを行っており, 足底が床面に接して荷重される相における膝関節のストレスの変容を直接提示することはできない関節の角度や加速度などのキネマティクスのデータ, 筋電図や関節トルクなどのキネティクスのデータを同期させて収集することで, 非接触型 ACL 損傷に対するknee-in & toe-outの肢位の影響についての本知見を更に確実なものとすることができると考える引用文献 1) 案浦聖凡, 王享弘, 小林晶 : 前十字靱帯損傷の受傷機序について. 整形外科災害外科,1996, 45: ) 案浦聖凡, 王享弘, 小林晶 : スポーツにおける前十字靱帯損傷の受傷機序について. 整スポ会誌,1996, 16: ) 岩噌弘志 : 非接触型膝前十字損傷の損傷頻度. 臨床スポーツ医学,2002, 19: ) Hutchinson MR, Ireland ML: Knee injuries in female athletes. Sports Med, 1995, 19: ) Boden BP, Dean GS, Feagin JA, et al.: Mechanisms of anterior cruciate ligament injury. Orthopedics, 2000, 23: ) 小林寛和 : 膝関節における外傷発生の運動学的分析 - 女子バスケットボールにおける膝前十字靱帯損傷の発生機転を中心に-. 理学療法学,1994, 21: ) 金森章浩 : 前十字靱帯に与えられる外力と非接触型膝前十字靱帯損傷. 臨床スポーツ医学,2002, 19: ) Arendt F, Dick R: Knee injury patterns among men and women in collegiate basketball and soccer: NCAA data and review of literature. Am J Sports Med, 1995, 23: ) Griffin LY, Agel J, Albobm MJ, et al.: Noncontact anterior cruciate ligament injuries: risk factors and prevention strategies. J Am Acad Orthp Surg, 2000, 8: ) Harman KG, Ireland ML: Gender differences in noncontact anterior cruciate ligament injuries. Clin Sports Med, 2000, 19: ) Childs SG: Pathogenesis of anterior cruciate ligament injury. Orthop Nurs, 2002, 21: ) Gray J, Taunton JE, Clement DB, et al.: A survey of injuries to the anterior cruciate ligament of the knee in female basketball players. Int J Sports Med, 1985, 6: ) Lephart SM, Ferris CM, Fu FH: Risk factors associated with noncontact anterior cruciate ligament injuries in female athletes. Instr Course Lect, 2002, 51: ) 浦辺幸夫 : スポーツ動作からみたアライメントコントロール. 整災外,1998, 41: ) 成田哲也, 白井康正, 中山義人他 : スポーツ用膝装具 : 臨床評価面からの検討 - 膝前十字靱帯回旋不安定性制御効果. 臨床スポーツ医学,2000, 17: ) Kennedy JC, Weinberg HW, Wilson AS, et al.: The anatomy and function of the anterior cruciate ligament. J Bone Joint Surg, 1974, 56A: ) Arms SW, Pope MH, Johnson RJ, et al.: The biomechanics of anterior cruciate ligament rehabilitation and reconstruction. Am J Orthop Sci Sports Med, 1984, 12: ) Ellison AE, Berg EE: Embryology, anatomy, and function of the anterior cruciate ligament. Orthop Clin North Am, 1985, 16: ) DeHaven KE, Clancy WG, Johnson RJ: Injury to the anterior cruciate ligament. A round table. Physician Sports Med, 1982, 10: ) Howe J, Johnson RJ: Knee injuries in skiing. Orthop Clin North Am, 1985, 16: ) Gollehon DL, Warren RF, Wickiewicz TL: Acute repairs of the anterior cruciate ligamentm past and present. Orthop Clin North Am, 1985, 16: ) O Donoghue DH: Surgical treatment of fresh injuries to the major ligaments of the knee. 1950, J Bone Joint Surg Am, 32A:

6 322 理学療法科学第 19 巻 4 号 23) 川野哲英, 野村亜樹, 蒲田和芳他 : スポーツ動作からみた保存療法の考え方 -トレーニング, 機能的補助具療法を中心に-. 整災外,1998, 41: ) 浦辺幸夫, 加藤茂幸, 酒巻幸絵 : 膝前十字靱帯損傷予防のリハビリテーション. 臨床スポーツ医学,2002, 19: ) 三木英之 : 非接触型膝前十字靱帯損傷のメカニズム. 整災外,2003, 46: ) 三木英之, 石毛勇介, 吉久武志他 : 非接触型膝前十字靱帯損傷受傷場面の三次元動作解析. 臨床スポーツ医学,2002, 19: ) 高杉紳一郎, 上島隆秀, 林和生他 : 高校生バスケットボール一流選手の膝屈伸筋力特性と競技能力 -ACL 損傷発生機序の考察 -. 整形外科と災害外科,1994, 44: ) 高杉紳一郎, 上島隆秀, 杉岡洋一 : 高校生バスケットボール一流選手の膝屈伸筋力特性と競技能力 -ACL 損傷発生機序の考察 -. 理学診療,1995, 6:

146 理学療法科学第 23 巻 1 号 I. はじめに膝前十字靭帯 (Anterior Cruciate Ligament;ACL) 損傷は, スポーツ外傷の中で発生頻度が高く, スポーツ活動を続行するためには靭帯再建を余儀なくされることが多い近年,ACL 損傷を予防することの重要性が認識され

146 理学療法科学第 23 巻 1 号 I. はじめに膝前十字靭帯 (Anterior Cruciate Ligament;ACL) 損傷は, スポーツ外傷の中で発生頻度が高く, スポーツ活動を続行するためには靭帯再建を余儀なくされることが多い近年,ACL 損傷を予防することの重要性が認識され理学療法科学 23(:145 149,2008 原著着地動作における膝関節運動の解析 Analysis of Dynamic Knee Motion during Drop-Jump Landing 菅田由香里田中浩介浦辺幸夫 YUKARI SUGATA, RPT, KOSUKE TANAKA, RPT, YUKIO URABE, PhD, RPT Department of Rehabilitation,