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かおりしどり
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1 1/8 膝靭帯損傷患者の 3 次元動作解析 - より高いパフォーマンス獲得を目指して慶應義塾大学医学部整形外科名倉武雄緒言膝前十字靭帯 ( 以下 ) は膝関節の安定性に最も重要な靭帯であり損傷による膝の不安定性は日常生活やスポーツ活動に大きな支障を生じる特にアスリートがを切ってしまうとその 2/3 は同じレベルでスポーツを続けることが出来なくなると言われているまた一般的に損傷患者に対する治療は再建術が行われるがこの再建術は侵襲が高く患者は復帰までに長期のリハビリを要するなど多大な負担がかかる損傷患者の膝の不安定性における臨床的評価には主として徒手的検査が用いられるが計測される不安定性と患者が日常経験する不安定感 (Giving way) とは必ずしも相関しないこれは不安定性の評価が荷重や下肢筋力のない状態での評価であるため実際の動作における膝関節の挙動を反映していないからであると考えられる我々のアンケートでは対象とした損傷患者の 7% が横方向への動作中つまりサイドステップに不安定感を感じていたサイドステップはサッカーバスケットボールなどのスポーツにおける基本的な動作でありかつ重要な動作であると言えるしかしながら損傷患者のサイドステップに関する研究は筋電図による筋活動の解析が多く 2)7)8) 膝関節の動態や負荷を調べているものは少ない 2)4) さらにサイドステップ時における膝関節の動態や負荷を詳細に解析した研究は見られない本研究では損傷患者の前方後方からのサイドステップ時の動作を解析しその動作中の膝屈曲角度と膝負荷さらに toe out angle (Fig.1) を健常者と比較することにより不全患者においてどのような特徴的動作が見られているかを検討した靭帯損傷患者の動作中の特徴を明らかにすることで損傷後のリハビリやスポーツ復帰においてどのような点に注意すれば良いかいかにしてパフォーマンスを保つことができるかを知ることが可能となると考えられる対象及び方法損傷患者 16 名 ( 年齢 17 歳 ~35 歳平均 23.9 歳 ) を対象とした受傷からの期間は 3~55 ヶ月平均 1.9 ヶ月であり全例徒手検査と MRI にて診断し疼痛腫脹の強いものは除外した半月板損傷は Grade2(MINK 分類 ) までとした Lysholm スコアは 7~95 点平均 82.6 点であった健常者は膝に愁訴のない 24 名 ( 年齢 18 歳から 35 歳平均 21.6 歳 ) を対照群とした被験者の腸骨稜大腿骨大転子膝関節外側関節裂隙足関節外果踵骨外側部第 5 中足骨の 6 ヶ所に反射マーカーを貼り前方後方よりサイドステップ (Fig.2) を行い動作解析装置 (Qualysis 社製カメラ 3 台 ) を用いて 12Hz で計測した前方および後方へのサイドステップでは共に助走を 2 歩に統一し 3 歩目に踏み切る足と逆側に 9 度のサイドステップを行うものとしたまた踏み切る時にかかる床反力を Bertec 社製床反力計 1 台で測定し膝関節屈曲角度および膝関節に加わる力を Inverse Dynamics 法を用いて算出した膝屈曲角度変化脛骨にかかる力の前後方向と垂直方向の成分膝屈曲モーメント踏切におけるつま先の向き (toe-out angle) を不全膝と健常膝で比較した統計学的検討には Unpaired T test を用い有意水準は α=.5 とした結果

2 2/8 1. 膝屈曲角度前方カット時に損傷群で健常群に比べて全 Phase にわたり屈曲角度が減少する傾向を示し 2~9%Stance ではで有意に減少していた (Figure3) 後方カット時では損傷群は健常群に比べて全 Phase にわたり屈曲角度が減少する傾向を示し立脚期では有意差はなかったが離床後に有意差を認めた (Figure3) 2. 脛骨にかかる垂直方向の力前方カット時に立脚期中期に健常群と損傷群に差はなかった (Figure4) 後方カット時にも立脚期中期に健常群と損傷群に差はなかった (Figure4) 3. 脛骨にかかる前後方向の力前方カット時には立脚期中期に損傷群で健常群に比べて有意に減少していた (Figure5) 後方カット時では損傷群が健常群に比べて減少する傾向を示した (Figure5) 4. 膝屈曲モーメント前方カット時には健常群に比べて損傷群で立脚期中期に有意に減少していた (Figure6) 後方カット時では健常群に比べて損傷群で立脚期中期に減少する傾向を示した (Figure6) 5.Toe out angle 前方カット時には立脚期初期に toe out angle に有意な差が見られた (Figure7 左 ) すなわち損傷群では健常群に比べ踏み切る際により toe out となっていた後方カット時には健常群と損傷群に有意な差は見られなかった (Figure8 左 ) 6. 膝にかかる内旋モーメント前方カット時に健常群と損傷群に有意な差はなかったが後方カット時には立脚期初期に健常群と損傷群に有意な差が見られた (Figure7 右 Figure8 右 ) 考察損傷膝は膝屈曲角度変化については前方カット後方カット共にパターンに健常群と差がなかったまた前方カットでは損傷群が立脚期のほとんどの Phase で膝をより伸展して運動していることが明らかとなった前方カットでは膝屈曲角度に加え脛骨にかかる前後方向の力膝屈曲モーメントがいずれも減少していたことから損傷患者は膝を伸展して接地する事により膝にかかる負荷を調節しようとする代償的な運動を行っている可能性が示唆された一方後方カットでも膝屈曲角度は損傷群で減少傾向を示し遊脚期では有意に膝を伸展していたこれは前方カットと同様動作中により膝を伸展して膝負荷を調節しようとしていた結果と考えられる膝を伸展して着地することは大腿骨と脛骨のコンタクトエリアを増加させより膝を安定化させる作用があると考えられる加えて膝を屈曲しない事により大腿四頭筋にかかる負荷を減じること脛骨をより地面に対し垂直に保つ事で膝にかかる前後方向の床反力を減じようとしているなどのメカニズムも考えられる Toe out angle について前方カット後方カットを比較すると健常者も含めて明らかに後方カットで大きかったこれは後方カットは後ろに向かう力を横向きに変えなくてはならないためつまさきを外旋位で接地することにより後方へ行く力を受け止めていたと考えられる後方カットの 2 群の比較に関しては 2 群とも toe out angle が大きかったために有意な差が出なかったと考えられる

3 3/8 は脛骨の内旋により緊張し外旋することにより緩む前方カットでは損傷患者は脛骨が内旋するのが怖いためにより外旋位で接地すると考えられるこの代償的なメカニズムは今本ら 6) からも同じような結果が出ている後方カットにおいては膝にかかる内旋モーメントを toe out angle によってコントロールすることができないので立脚期初期に健常郡では脛骨が外旋し群では脛骨が内旋する後方カットでは膝にかかる内旋モーメントを toe out angle によって制御することができないことから後方カットを反映する動作 ( コンタクトスポーツにおける相手に添って移動するような動作 ) は損傷によって強く影響を受けると考えられる本研究では健常者で不全群より膝屈曲モーメントが大きかった Houck ら 5) によると患者は活動性の高い High function 群では cross leg cut 中の膝屈曲モーメントが大きく低い Low function 群では膝屈曲モーメントが小さいという結果を示している膝屈曲モーメントは大腿四頭筋機能の指標となるがサイドカット中は通常歩行時の 3~4 倍のモーメントがかかり 1)3) モーメントの差は筋力の差をより大きく反映している可能性がある今後屈曲モーメントとパフォーマンスの関係や筋力と屈曲モーメントの関係を検討することは有意義であると考えられるなお今回の検討はすべて矢状面の検討にとどまったが不全膝においては下腿の回旋が重要であると指摘されている 6)9) 今本ら 6) は損傷患者はブロードジャンプの着地時に膝を内旋させ外側ハムストリングスをより活動させていると報告している今後回旋および筋活動についての検討も行う予定である結語 1. 動作解析装置にて損傷患者 16 名と健常者 24 名の前方カットと後方カットを計測し膝屈曲角度および脛骨にかかる力を算出した 2. 膝屈曲角度と脛骨にかかる前後方向の外力は前方カット後方カット共に健常群に比べて損傷群で減少もしくは減少する傾向を示したこのことから損傷患者は運動時に膝をより伸展し代償的に動くことによって膝への力学的負荷を軽減していると考えられた 3. 前方カットにおいては接地の際に膝にかかる内旋モーメントをへらすためにつま先を外側に向けて接地する後方カットにおいては toe out angle を制御することができないので損傷患者では立脚期初期に脛骨が内旋し健常者では脛骨が外旋するこのことから損傷患者は後方カット時においてより特徴的な動作をすることが示唆された 4. 損傷患者ではスポーツ動作中の膝屈曲モーメント ( 大腿四頭筋モーメント ) の低下を認めた患者におけるパフォーマンスには動作中の大腿四頭筋活動が重要な指標となること考えられた謝辞稿を終えるにあたり研究に協力いただいた慶應義塾大学医学部博士課程鈴木亨君同医学部 5 年宇田川和彦君橘田祐樹君に感謝いたしますまた本研究を助成いただきましたミズノスポーツ振興会に深謝いたします

4 4/8 文献 1) Andriacchi T.P., Birac D.: Functional testing in the anterior cruciate ligament-deficient knee. Clin Orthop. 4 47: 288, ) Bencke J, Naesborg H, et al.: Motor pattern of the knee joint muscles during side-step cutting in European team handball. Influence on muscular co-ordination after an intervention study. Scand J Med Sci Sports 1(2) : 68-77, 2. 3) Berchuck M, Andriacchi TP, et al.: Gait adaptations by patients who have a deficient anterior cruciate ligament. J. Bone Joint Surg. 72-A: , Eastlack ME, Axe MJ,et al.: Laxity, instability, and functional outcome after injury: copers versus noncopers. Med Sci Sports Exerc 31(2): 21-5, ) Houck J, Yack HJ.: Associations of the knee angles, moments and function among subjects that are healthy and anterior cruciate ligament deficient (D) during straight ahead and crossover cutting activities. Gait and Posture 18: , 23. 6) 今本雅彦.: 前十字靭帯損傷膝における動作中の回旋不安定性とその動的制御について. 慶応医学第 74(4):29~22, )Simonsen EB, Magnusson SP, et al: Can the hamstring muscles protect the anterior cruciate ligament during a side-cutting maneuver? Scand J Med Sci Sports 1(2): 78-84, 2. 8) Yanagawa T, Shelburne K, et al.: Effect of hamstrings muscle action on stability of the -deficient knee in isokinetic extension exercise. Clin Biomech 17: 75-12, 22. 9) Zhang LQ, Shiavi RG, et al.: Six degrees-of-freedom kinematics of deficient knees during locomotion-compensatory mechanism. Gait Posture 17(1): 34-42, 23.

5 5/8 A-P Direction Toe out angle Figure 1 Toe out angle Figure 2 反射マーカーの位置およびサイドステップの動き

6 6/8 Forward Cut Backward Cut (Deg.) (Deg.) Figure3 Comparison of knee flexion angles during forward cut (left)and backward cut (right). Deg.=degree P<.5 Forward Cut Backward Cut (%BW) 1 (%BW) 1 NP Figure4 Comparison of inter-segmental vertical forces during forward cut (left)and backward cut (right). %BW=%body weight P<.5

7 7/8 (%BW) 5 Forward Cut NP (%BW) 5 Backward Cut NP Figure5 Comparison of inter-segmental posterior forces during forward cut (left)and backward cut (right). %BW=%body weight (%BWHt) Forward Cut (%BWHt) Backward Cut NP 1 1 Figure6 Comparison of inter-segmental knee flexion moments during forward cut (left)and backward cut (right). %BWHt=%body weighthight P<.5

8 8/8 (Deg.) Toe out angle Knee inter-segmental rotation (%BWHt) moment Int./Ext P< Figure7 Comparison of toe out angle and knee inter-segment rotation moment during forward cut. %BWHt=%body weighthight P<.5 (Deg.) 5 Toe out angle Knee inter-segmental rotation (%BWHt) moment Int./Ext Figure8 Comparison of toe out angle and knee inter-segment rotation moment during backward cut. %BWHt=%body weighthight P<.5

Effects of developed state of thigh muscles on the knee joint dynamics during side cutting The purpose of this study was to investigate the effects of

大腿筋群の発達状態がサイドカッティングにおける膝関節動態に及ぼす影響 Effects of developed state of thigh muscles on the knee joint dynamics during side cutting 12M40217 馮超然 Feng Chaoran 指導教員 : 丸山剛生准教授審査員 : 林直亨教授須田和裕教授本研究では大腿四頭筋および大腿二頭筋の発達状態がサイドカッティング動作における膝関節動態に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした