膝関節運動制限による下肢の関節運動と筋活動への影響

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ねんたろうかいじ
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1 膝関節運動制限による下肢の関節運動と筋活動への影響支持面の前後傾斜刺激による検討山岸祐太 < 要約 > 本研究の目的は, 膝関節装具により膝関節運動を制限し, 支持面の前後回転傾斜刺激を与えた場合の下肢関節や姿勢筋への影響を調べ, 膝関節運動の働きを明確にすること, および股足関節運動が膝関節運動をどのように補償しているのかを明確にすることである. 被験者は健常若年者 10 名とした. 傾斜刺激は周波数 0.75Hz, 振幅 15 の正弦波を刺激周期 20 回与えた. その結果, 膝関節伸展制限により, 股足関節運動角は増加したが, 膝関節運動角の変化は認めなかった. また, 膝関節伸展制限により, 前脛骨筋, 大腿直筋の筋活動量は有意に増加し, 腓腹筋外側頭は減少した. 一方, 大腿二頭筋, 腹直筋, 脊柱起立筋は変化しなかった. また, 膝関節屈曲制限により, 下肢関節運動角, 筋活動量に変化はなかった. これらのことから, 膝関節伸展制限が生じる場合, 股足関節運動角, 下肢筋活動量を変化させることで立位を保持すると考えられる. Ⅰ. はじめに膝関節可動域制限は運動能力の低下, 日常生活範囲の狭小, 姿勢制御能力の低下を起こす 1). 転倒を含めた姿勢不安定性は姿勢制御系の低下と密接に関連している 2). また膝関節は多関節運動連鎖の一環に組み込まれ, 日常動作における姿勢制御に大きな役割を果たす 3). これらのことから, 立位姿勢を保持するために, 膝関節運動は, 股足関節運動と協調する必要がある. しかし, 支持面の前後回転傾斜刺激に対する膝関節と股足関節間の働きに関する報告は少ない. そこで, 本研究は膝関節運動を制限したときの股足関節運動の変化を調べることにした. これにより, 膝関節運動の働きを明確にすること, 股足関節運動が膝関節運動をどのように補償しているのか明確にすることを目的とする. (1) 傾斜台姿勢動揺システム (Nambumechatro 社製 SB-NB0908HO) を使用した. 外部スイッチにより支持面が前後に回転する傾斜刺激を与えた. 傾斜刺激は, 正弦波状に与え, 振幅 15, 周波数 0.75Hz, 刺激周期 20 回とした. (2) 膝関節運動制限装具ダイアルロック膝継手靭帯損傷用装具を使用した. 両膝関節に装着し, 以下の 4 種類の膝関節運動制限を設定した.1 膝関節運動制限を設けない, 2 膝関節屈曲 20 で膝関節屈曲運動制限を設け, 伸展運動制限を設けない,3 膝関節屈曲 20 で膝関節伸展運動制限を設け, 屈曲運動制限には設けない,4 膝関節屈曲 20 で屈曲伸展運動制限を設ける. Ⅱ. 対象と方法 1. 対象本実験に同意を得た健常成人 10 名 ( 男性 4 名女性 6 名, 年齢 :21.6 ± 0.5 歳 ) を対象とした. また, 既往歴に下肢関節に神経学的及び整形外科的疾患を有しない者とした. 2. 使用機器 (3) 表面筋電計 MultiTelemeter( 日本光電社製 ) を使用した. 導出筋は左の前脛骨筋 ( 以下,TA と略す ), 腓腹筋外側頭 ( 以下,GAS と略す ), 大腿直筋 ( 以下, RF と略す ), 大腿二頭筋 ( 以下,BF と略す ), 腹直筋 ( 以下,RA と略す ), 脊柱起立筋 ( 以下,ES と略す ) とした. なお, 本実験課題は左右対称性のものであるため, 筋電図を貼付してない右半身

は左半身と同様の運動をしていると考えた. 筋電データは 20-450Hz のバンドパスフィルターを用い, 積分筋電を導出し, 最大随意収縮の値で標準化した.

反射マーカーは, 右耳孔, 右上肢 ( 肩峰, 上腕骨外側上顆, 手関節, 第三中手骨頭 ), 右下肢 ( 大転子, 外果, 踵骨後面, 第五中足骨骨頭 ), 胸骨上縁, 剣状突起, 両肋骨下縁, 右上前腸骨棘, 右腸骨稜,

また, 傾斜台の回転を把握するために, 傾斜台の前後 2 点にも反射マーカーを貼付した.8Hz のローパスフィルターを用い, 身体動揺と関節角度を算出した.

立位保持課題の 4 条件における, 右耳孔, 右肩峰, 右第三中手骨頭の位置と, 股関節, 膝関節, 足関節の角度の最大値と最小値の差 ( 以下, 運動角と示す ) と, 導出した 6 筋の筋活動量の傾向について, 比較,

立位保持課題 ( 図 1) 開眼, 開脚立位で傾斜台に立ち, 傾斜台の上で傾斜刺激が繰り返される間, 両脚立位を保持する. 刺激中は傾斜台を見ないように正面を向く. 膝関節運動制限 4 種類をランダムに与えた.

2 は左半身と同様の運動をしていると考えた. 筋電データは Hz のバンドパスフィルターを用い, 積分筋電を導出し, 最大随意収縮の値で標準化した. (4) 三次元動作解析装置 MotionAnalysis(MotionAnalysis 社製 EvaRT4.3.57, 米国 ) を使用した. 反射マーカーは, 右耳孔, 右上肢 ( 肩峰, 上腕骨外側上顆, 手関節, 第三中手骨頭 ), 右下肢 ( 大転子, 外果, 踵骨後面, 第五中足骨骨頭 ), 胸骨上縁, 剣状突起, 両肋骨下縁, 右上前腸骨棘, 右腸骨稜, および右膝関節装具屈曲伸展軸に貼付した. なお, 本実験は左右対称性のものであるため, 反射マーカーを貼付していない左半身は右半身と同様の運動をしていると考えた. また, 傾斜台の回転を把握するために, 傾斜台の前後 2 点にも反射マーカーを貼付した.8Hz のローパスフィルターを用い, 身体動揺と関節角度を算出した. カメラは HAWK-200RT(MotionAnalysis 社製 ) を 6 台使用した. い. これらの理由から, 統計処理は刺激周期 20 回中, 刺激への適応期である最初の 5 周期を使用した ( 図 2). 立位保持課題の 4 条件における, 右耳孔, 右肩峰, 右第三中手骨頭の位置と, 股関節, 膝関節, 足関節の角度の最大値と最小値の差 ( 以下, 運動角と示す ) と, 導出した 6 筋の筋活動量の傾向について, 比較, 検討した.SPSS 18.0 を用いて, 反復測定一元配置分散分析を行い, 主効果が認められた場合,post-hoc test (Bonferroni 法 ) を行った. 有意水準は 5% 未満とした. 3. 立位保持課題 ( 図 1) 開眼, 開脚立位で傾斜台に立ち, 傾斜台の上で傾斜刺激が繰り返される間, 両脚立位を保持する. 刺激中は傾斜台を見ないように正面を向く. 膝関節運動制限 4 種類をランダムに与えた. 表在感覚の影響を少なくするため, 膝関節運動制限を設けない場合にも膝関節装具を装着するようにした. また, 試行毎に傾斜台前後回転軸と足関節底背屈軸が一致するように立つ場所を調節した. 図 1. 実験風景傾斜台に立ち, 開眼, 開脚立位を保持する. 上図は傾斜台を前後に傾斜させた図を示す. 下図はマーカーと筋電図を身体に貼付した状態で, 実験開始位置に立っている状態を矢状面, 前額面から見た図を示す. 4. 解析方法姿勢制御能の影響を強く受けるのは, 傾斜刺激に適応した状態より, 適応する前である. また, 膝関節制限による股足関節への影響を調べるためには, 変化の大きな適応前を調べるのが好まし

3 図 2. 支持面前後回転刺激周波数 0.75Hz, 振幅 15 の支持面前後回転刺激と前脛骨筋の筋活動量を示す. 全 20 周期のうち, 支持面前後回転刺激に適応するために必要な最初の 5 周期を解析に用いた. 肩部, 手部の矢状面上での前後動揺の最初の 5 周期の平均値と標準偏差を示した. 青いグラフは膝伸展制限が無く, 赤いグラフは膝伸展制限を有するものである. 身体前後動揺に, 膝関節条件による差は認められなかった. Ⅲ. 結果 1. 身体動揺 ( 図 3) 頭部, 肩部, 手部の前後動揺の差は, 最初の数周期で特に大きく変化した. 頭部 (p = 0.16), 肩部 (p = 0.67), 手部 (p = 0.69) の動揺は, 膝関節条件により変化しなかった. (cm) 2. 下肢関節運動角 ( 図 4) 膝関節伸展制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して, 股足関節運動角は有意に増加した ( それぞれ p < 0.05). 一方で, 膝関節運動角の変化は認めなかった (p = 1.00). 膝関節屈曲制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して, 下肢関節運動角に変化はなかった ( 全て p = 1.00). 膝関節運動制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して, 足関節運動角は有意に増加した (p < 0.05). 一方で股膝関節運動角度の変化は認められなかった ( 股関節 :p = 1.00, 足関節 :p = 0.16). (cm) ( ) (cm) ( ) 図 3. 身体動揺周波数 0.75Hz, 振幅 15 の支持面前後回転刺激を与えた際の頭部,

( ) 図 4. 下肢関節運動角 ( ) 周波数 0.75Hz, 振幅 15 の支持面前後回転刺激を与えた際の下肢関節運動角の最初の 5 周期の平均値と標準偏差を示した. 膝関節伸展制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して, 股足関節運動角は有意に増加した. 一方で, 膝関節運動角に差は認められなかった.

4 ( ) 図 4. 下肢関節運動角 ( ) 周波数 0.75Hz, 振幅 15 の支持面前後回転刺激を与えた際の下肢関節運動角の最初の 5 周期の平均値と標準偏差を示した. 膝関節伸展制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して, 股足関節運動角は有意に増加した. 一方で, 膝関節運動角に差は認められなかった. また, 膝関節屈曲制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して, 下肢関節運動角に変化はなかった. 3. 筋活動 ( 図 5) 膝関節伸展制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して,TA,RF は有意に増加し ( それぞれ p < 0.05),GAS は減少した (p < 0.05). 一方で,BF,RA,ES の変化は認めなかった (BF:p = 0.87,RA:p = 0.48,ES: p = 0.27). 膝関節屈曲制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して, 筋活動量に変化は認めなかった (TA:p = 0.89,GAS,RF, BF,RA,ES:p = 1.00). 膝関節運動制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して,TA は増加している傾向があり (p < 0.1),GAS は減少した (p < 0.05). 一方で,RF,BF,RA,ES に変化は認めなかった (RF:p = 0.16,RA:p = 0.46,BF, ES:p = 1.00).

5 図 5. 姿勢筋の活動量周波数 0.75Hz, 振幅 15 の支持面前後回転刺激を与えた際の姿勢筋の筋活動量の最初の 5 周期の平均値と標準偏差を示した. 膝関節伸展制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して,TA,RF は有意に増加し,GAS は減少した. また, 膝関節屈曲制限を設けた場合は, 膝関節運動制限を設けなかった場合と比較して, 筋活動量に変化はなかった. Ⅳ. 考察本研究は, 膝関節の働きを明確にすること, 股足関節運動が膝関節運動をどのように補償するのかを明確にすることを目的として, 膝関節運動を制限したときの股足関節運動の変化を調べた. 頭部, 肩部, 手部の矢状面における動揺において, 膝関節の条件による差は認められなかった. また, 膝関節運動角において, 膝関節の条件による差は認められなかった. これらのことから, 支持面の前後傾斜刺激に対する頭部, 肩部, 手部の位置の制御において, 膝関節の働きは少なく, 股足関節が膝関節の働きを代償していると考えられる. 膝関節運動制限を設けなかった場合と膝関節伸展制限を設けた場合の下肢関節運動角と下肢筋活動を比較したところ, 股足関節運動角は増加し, TA,RF の筋活動量は増加し,GAS は減少した. 膝関節伸展制限により, 股足関節間の運動連鎖が効果的に働かず, 支持面から直接刺激を受ける足関節の運動角が増加したと考えられる. Nashner らは, 弱い外乱に対しては ankle strategy が優位に, それで対応できない大きな外乱に対しては hip strategy が優位に働くと報告している. 本実験では,ankle strategy のみでは対応しきれなかったため,hip strategy も働いた. そのため, 股関節運動角が増加したと考えられる. 膝関節屈曲角度が増加するにつれ,COP は前方へ変位する 5 ). 膝関節伸展制限を設けた場合, 膝関節運動制限を設けない場合と比較して, 膝関節屈曲角度が大きいため,COP は前方へ変位していると考えられる. 足関節底屈方向の傾斜時,COP の前方への変位を少なくするために, 膝関節屈曲方向への運動を小さくする姿勢制御が働く必要がある. この働きの主な要因が RF の活動量の増加と考えられる. また, 膝関節屈曲方向への運動を小さくするために, 下腿を後傾させるのではなく,RF の働きを阻害しないために, 二関節筋である GAS の活動量が減少したと考えられる. 一方, 膝関節伸展制限を設けた場合, 膝関節は屈曲位になる. このとき, 膝関節運動制限を設けない場合と比較して, 足関節背屈角度は大きくなる. そのため, 下腿腹側の骨靱帯による支持機能の働きが低下する. この状態で足関節背屈方向の傾斜刺激を受けると, 立位を保持するために下腿を前傾させなければならない. この働きに TA の活動量の増加が寄与したと考えられる. 膝関節運動制限を設けなかった場合と膝関節屈曲制限を設けた場合の下肢関節運動角と下肢筋活動を比較したところ, 下肢関節運動角, 筋活動において差は認められなかった. これらのことより, 膝関節屈曲制限は振幅 15 の傾斜刺激における姿

6 勢制御には影響を与えないと考えられる. RA および ES において, 膝関節条件により, 筋活動量に差は認められなかった. これは, 膝関節に制限が生じても体幹の筋への影響は小さいと考えられる. これらの結果から, 膝関節可動域制限がある場合の転倒予防のひとつとして TA,RF の筋活動量の増加が考えられる. しかしながら, 本実験は若年健常者を対象とした研究であるため, 臨床的応用を考えるなら患者で同様のことを調べなければならない. 謝辞本稿を終えるにあたり, ご指導を頂きました本学諸先生方, ならびに快く被験者を引き受けて下さった皆様に深く感謝致します. 引用文献 1) Masui et al.: Increasing postural sway in rural-community-dwelling elderly persons with knee osteoarthritis. Journal of orthopaedic science 11: , ) Nagata: Accidental Falls and Social Issues. Equilibrium Research 71: , ) Ihara: ロコモーティブシンドローム理解のための膝関節の構造と機能. Geriatric Medicine 50: , ) L. M. Nashner et al.: Adapting Reflexes Controlling the Human Posture. Experimental Brain Research 26: 59-72, ) 高山周悦, 熊崎大輔, 大工谷新一 : 膝関節屈曲角度と体幹前傾角度を変化させた構え姿勢における COP の変動. 体力科学 57: 401, 2008 ( 指導教員 : 斉藤展士 )

位 1/3 左脛骨遠位 1/3 左右外果左右第二中足骨頭左右踵骨の計 33 箇所だった. マーカー座標は,200Hz で収集した. (2) 筋電計筋活動の計測のために, 表面筋電計 ( マルチテレメータ. 日本光電社製 ) を用いた. 計測はすべて支持脚側とし, 脊柱起立筋大殿筋中殿筋大腿

位 1/3 左脛骨遠位 1/3 左右外果左右第二中足骨頭左右踵骨の計 33 箇所だった. マーカー座標は,200Hz で収集した. (2) 筋電計筋活動の計測のために, 表面筋電計 ( マルチテレメータ. 日本光電社製 ) を用いた. 計測はすべて支持脚側とし, 脊柱起立筋大殿筋中殿筋大腿加齢と構えが片脚立位保持に与える影響について南部麻里子 < 要約 > 片脚立位は転倒予防に有効とされているが, 構えの規定はなく, 高齢者において運動学的運動力学的変数に与える影響は明らかではない. 本研究の目的は, 片脚立位保持中の加齢による影響と構えの違いについて体重心と筋活動に着目して調べることだ. 対象は, 健常若年者 10 名と健常高齢者 10 名だった. 被験者は, 上肢の構えが異なる