I. はじめに II. 対象と方法姿勢の不安定性や転倒は, バランス障害を有する者にとって重大な問題となっており,65 歳以上の高齢者の 30~50% は年に一度は転倒を経験し, 日常生活に不利益な影響を与える重篤な怪我などの結果となることも多くある 1,. そこで, 姿勢安定性

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りさこそめや
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1 理学療法科学 32(6): ,2017 原著異なる身体部位に取り付けた加速度計により測定した静的立位姿勢動揺の妥当性の検討 Validity of Postural Sway Measurements during Static Standing Made by Accelerometers Placed on Different Body Segments 1) 宮澤佳之朝倉智之臼田滋 Yoshiyuki MIYAZAWA, RPT, MS 1), Tomoyuki ASAKURA, RPT, PhD, Shigeru USUDA, RPT, PhD 1) Department of Rehabilitation, Geriatrics Research Institute and Hospital: Otomo, Maebashi, Gunma , Japan TEL Graduate School of Health Sciences, Gunma University Rigakuryoho Kagaku 32(6): , Submitted Jul. 11, Accepted Aug. 18, ABSTRACT: [Purpose] The purpose of this study was to clarify the validity of postural sway measurements in the static standing position made by accelerometers placed on different body segments. [Subjects and Methods] The subjects were 21 healthy adult males. Center of pressure (COP) on a force plate and acceleration measurements were made under four conditions: with the subjectsʼ eyes open and closed, and on hard and soft surfaces. The root mean square (RMS) value of the acceleration of the head, the 4th thoracic vertebra and the 5th lumbar vertebra were calculated and the differences between each condition were analyzed. [Results] On the soft surface, the acceleration of each body segment showed differences between the conditions similar to COP. [Conclusion] The measurement of the acceleration RMS of each body segment on a soft surface may be a useful new evaluation index, in place of the conventional COP path length measurement. Key words: accelerometer, center of pressure, static standing balance 要旨 : 目的異なる身体部位に取り付けた加速度計により測定した静的立位姿勢動揺の妥当性を検討すること. 対象と方法対象は健常成人男性 21 名とした. 条件は開眼と閉眼, 硬い支持面と柔らかい支持面を組み合わせた 4 条件とした. 頭部, 第 4 胸椎, 第 5 腰椎の加速度の Root mean square(rms) と, 床反力計による足圧中心 (COP) を測定した. 指標ごとに各条件間の差を解析した. 結果身体各部位の加速度は柔らかい支持面条件では COP と同様に条件間で差を示した. 結語身体各部位の加速度 RMS は, 柔らかい支持面条件では条件間で COP 軌跡長と同様の差を示し, 従来の COP 軌跡長測定に代わる評価指標として有用であることが示唆された. キーワード : 加速度計, 足圧中心動揺, 静的立位バランス 1) 老年病研究所附属病院リハビリテーション部 : 群馬県前橋市大友町 ( )TEL 群馬大学大学院保健学研究科受付日 2017 年 7 月 11 日受理日 2017 年 8 月 18 日

2 I. はじめに II. 対象と方法姿勢の不安定性や転倒は, バランス障害を有する者にとって重大な問題となっており,65 歳以上の高齢者の 30~50% は年に一度は転倒を経験し, 日常生活に不利益な影響を与える重篤な怪我などの結果となることも多くある 1,. そこで, 姿勢安定性やバランス能力の評価方法として, 床反力計や重心動揺計から得られる足圧中心 (Center of pressure: 以下,COP) や, 三次元動作解析装置からの重心位置の算出など機器による測定が用いられ, また Functional Reach Test 3) や,Timed Up and go test( 以下,TUG) 4),Berg Balance Scale( 以下,BBS) 5) などの簡便な評価指標が考案されており, 信頼性や妥当性が確認されている 6-9). 機器を用いた測定は簡便な評価指標よりも正確な数値を示すことができ, バランス障害の原因や種類の判別が可能であること, また軽症例の記録や, 変化を細かく数値化して示すことができるとされている 10). しかし, 床反力計や三次元動作解析装置などは持ち運びができず, 測定場所が限られることや, 機器自体が高価なことが問題とされている 2,11). 近年では小型の加速度計による静的立位バランス測定が行われており, 従来の機器よりも小型で場所を選ばずに簡便に測定でき, 安価でありながら, 精密なバランス能力を評価できるとされており 2,11,1, 信頼性については健常若年者と健常高齢者を対象とした研究において, 腰背部へ取り付けた加速度 Root mean square( 以下, RMS) の再テスト信頼性は 0.75 以上と報告されている 13). また, 加速度計は身体に直接装着することが可能であるため,COP 測定では評価することのできなかった身体各部位の動揺を測定することができるとされていることや 11),COM の加速度は COP から COM を引いた値 (COP COM) の絶対値と強い相関を示し, 身体の加速度は COP と COM の関係から, 姿勢制御のエラーの大きさを示す指標として有用であると報告されている 14). さらに, 加速度計の測定値は TUG や BBS と有意な相関を示すことや 15),COP 軌跡と有意な相関を示すこと 11),COP 軌跡長と同様に視覚や支持面の変化により影響を受ける 2,16) という報告がされており, 静的立位バランス測定において,COP 測定よりも安価であり簡便に使用できる加速度計の妥当性を示すことで, 臨床場面においてより簡便に詳細なバランス測定が行えると考えられる. 本研究の目的は, 健常者を対象として, 開眼または閉眼と硬い支持面または柔らかい支持面を組み合わせた 4 つの立位条件の下, 頭部, 第 4 胸椎, 第 5 腰椎の身体 3 か所の加速度と従来の指標である COP 軌跡長の関連性について検証し, 静的立位バランス測定における加速度計の妥当性を検討することである. 1. 対象対象は, 健常成人男性 21 名 (22.4 ± 1.3 歳 ; 平均 ± 標準偏差 ) とした. 下肢疾患などにより歩行困難のものと歩行時に疼痛があるものは除外した. 本研究は, 群馬大学医学部疫学研究に関する倫理審査委員会にて承認され ( 受付番号 26-69), 全ての対象者に本研究の目的および方法に関する十分な説明を行い, 研究への協力に関して書面にて同意を得た. 2. 方法被験者は裸足にて床反力計上で両上肢を組み, 両足内側面を接触させた閉脚肢位で 5 m 前方の印を注視した静的立位を保持した. 測定条件は開眼 (Eyes Open: 以下,EO) と閉眼 (Eyes Closed: 以下,EC), 硬い支持面 ( 床反力計上 ) と柔らかい支持面 (AIREX 社製 Balance-Pad ELITE 上 ) の組み合わせの 4 条件とし, 各条件をランダムに 1 回ずつ測定した. 静的立位の測定時間は 60 秒とした. 測定開始直後に各機器へ同期信号を入力し, ノイズを除去するため同期信号から 20 秒分のデータを除き, その後の 20 秒間を本研究の解析対象とした. 加速度計については,MVP-RF8-GC-500( マイクロストーン社製 ) を頭部の前額中央 ( 以下, 頭部 ) へ, MVP-RF8-HC-500( マイクロストーン社製 )2 台を, それぞれ第 4 胸椎棘突起 ( 以下,T4) と第 5 腰椎棘突起 ( 以下,L5) へ装着した. 装着には両面テープを使用し, 頭部と L5 へは伸張性バンドを用いて身体へ固定した. 加速度計の装着部位は Halická ら 17) の先行研究を参考にした.COP の測定には床反力計 (9281C,Kistler 社製 ) を使用した. サンプリング周波数を加速度計は 500 Hz, 床反力計は 60 Hz とした. 加速度は, 解析ソフトウェア (MVP-RF8-S Ver , マイクロストーン社製 ) を用いて,Excel データとして記録された. フィルタ処理として,Doheny ら 1 の方法を参考に, 重力成分とノイズ成分の除去のため多用途生体情報解析プログラム BIMUTAS R Ⅱ( キッセイコムテック社製 ) を用いて 0.1~10 Hz の Band pass filter 処理を行った. また COP データは 4 Hz の low pass filter 処理を行った. 頭部加速度,T4 加速度,L5 加速度については, 前後と左右方向それぞれについて加速度の振幅の大きさを示す実効値である Root mean square( 以下, RMS) を求めた. 床反力計から得られた前後または左右方向それぞれの COP 位置座標データは,Excel 上で個々のサンプリングデータ間の差の絶対値を合計し前後または左右方向動揺距離 ( 軌跡長 ) を求めた. 単位は加速度が mm/s 2, 軌跡長は mm として, それぞれ小数点第 1 位まで求めた.

3 925 統計処理は SPSS Statistics Ver.22 を用いて, 視覚 (EO,EC) と支持面 ( 硬い支持面, 柔らかい支持面 ) の 2 要因について, 反復測定二元配置分散分析を行い, 交互作用が有意であった場合は要因別に対応のある t 検定を行った. また, 前後方向, 左右方向それぞれにおける条件ごとの, 指標間の関係を Pearson の相関係数を用いて検討した. なお有意水準は 5% とした. III. 結果要因別の測定結果を表 1 に示した. 身体 3 か所の加速度 RMS と COP 軌跡長について, 前後方向, 左右方向ともに交互作用は有意であり, すべての指標で閉眼かつ柔らかい支持面条件の動揺が大きい結果となった. 支持面の要因では, 前後, 左右方向およびすべての視覚条件で, 身体 3 か所の加速度 RMS と COP 軌跡長は, 硬い支持面に比べて柔らかい支持面で有意に動揺量が大きかった. 視覚条件の影響については,COP 軌跡長はどちらの支持面においても,EO 条件に比べ EC 条件で有意に動揺量が大きかった. 身体 3 か所の加速度 RMS は, 柔らかい支持面条件では EO 条件に比べて EC 条件で有意に動揺量が大きかった. 各部位の加速度 RMS と COP 軌跡長の指標間の相関係数を表 2 に示した. 身体 3 か所の加速度 RMS は, 前後方向, 左右方向ともに柔らかい支持面上での EC 条件にて COP 軌跡長と有意な正の相関関係を認めた. 硬い支持面上での EC 条件の前後方向および左右方向, 柔らかい支持面上での EO 条件の前後方向では,T4 加速度 RMS は COP 軌跡長と有意な正の相関関係を認めた. 柔らかい支持面上での EO 条件の左右方向では, 頭部加速度 RMS は COP 軌跡長と有意な正の相関関係を認めた. IV. 考察 COP 軌跡長は, 支持面条件の違いとして前後方向, 左右方向ともに, 硬い支持面に比べて柔らかい支持面で動揺量が有意に大きくなり, 頭部,T4,L5 の加速度 RMS も同様に, 硬い支持面に比べて柔らかい支持面で動揺量が有意に大きくなった. 視覚条件の違いとして, COP 軌跡長は硬い支持面と柔らかい支持面ともに EO 条件に比べ EC 条件で動揺量が大きくなったが, 頭部, T4,L5 の加速度 RMS は, 柔らかい支持面のみ EO 条件に比べて EC 条件で有意に動揺量が大きくなった. 先行研究において, 柔らかい支持面条件のような支持面からの情報が定位についての正確な情報源とならなくなると身体動揺指数が大きくなるとされていることや 18,19), 健常成人において開眼に比べて閉眼では前後方向の COP 動揺が大きくなること 20) が報告されている. 本研究においても, 硬い支持面や EO 条件に比べ, 柔らかい支持面や EC 条件で COP 軌跡長は大きくなり, 先行研究と同様の結果となった. 一方, 身体加速度 RMS は, 柔らかい支持面で硬い支持面に比べ動揺量が大きくなったが, 硬い支持面条件では, 開眼や閉眼の視覚条件によって差を反映しなかった. 先行研究において, 硬い支持面上での開眼や閉眼などの視覚条件の変化により加速度 RMS は有意差を示さず, バランス障害のない健常人では, 開眼や閉眼の違いは姿勢制御能力をそれほど求められないことから, 条件間に差を示さなかったと報告されている 15,21). また課題難易度として, 閉眼やバランスパッド上など課題難易度の増加により, 近位関節の役割が増加すると報告されている 2. 今回先行研究と同様に健常成人を対象としており, 硬い支持面条件の EO 条件や EC 条件は簡単な課題であり, 体幹部や頭部の加速度 RMS は差を示さなかったが, 柔らかい支持表 1 要因別の比較結果指標前後方向左右方向視覚条件硬い支持面柔らかい支持面視覚条件硬い支持面柔らかい支持面頭部加速度 (mm/s 2 ) EO 66.8 (24.9) 94.2 (23.6) EO 64.2 ( (26.1) EC 73.1 (23.3) (49.* EC 67.9 (17.1) (66.5)* T4 加速度 (mm/s 2 ) EO 59.5 (18.8) 91.1 (25.9) EO 62.7 ( (27.8) EC 64.1 (23.1) (41.* EC 66.3 (21.6) (54.0)* L5 加速度 (mm/s 2 ) EO 47.5 (18.9) 78.6 (24.5) EO 14.9 ( (7.1) EC 52.5 (17.7) (42.6)* EC 18.4 (4.9)* 57.6 (17.9)* COP 軌跡長 (mm) EO (65.1) (85. EO (65.1) (80.6) EC (65.* 1,014.0 (229.7)* EC (61.3)* (234.6)* 平均値 ( 標準偏差 ). EO:Eyes Open,EC:Eyes Closed. :p<0.05( 硬い支持面 vs 柔らかい支持面 ),*:EO に対して p<0.05. 交互作用はすべての指標, 条件で有意 (p<0.05).

4 表 2 指標間の相関係数硬い支持面柔らかい支持面 T4 加速度 L5 加速度 COP 軌跡長 T4 加速度 L5 加速度 COP 軌跡長前後方向 EO 頭部加速度 * T4 加速度 0.740** ** 0.457* L5 加速度 EC 頭部加速度 * * 0.776** 0.642** T4 加速度 0.680** 0.530* 0.601** 0.617** L5 加速度 ** 左右方向 EO 頭部加速度 * 0.463* T4 加速度 0.702** * L5 加速度 EC 頭部加速度 * ** 0.659** 0.623** T4 加速度 0.592** 0.560** 0.666** 0.570** L5 加速度 * EO:Eyes Open,EC:Eyes Closed. *:p<0.05,**:p<0.01. 面条件では身体近位関節の動揺が増加したことで, 身体加速度 RMS でも COP 軌跡長と同様に, 条件間に有意な差を示したと考えられる. また, 身体部位の加速度 RMS と COP 軌跡長との相関関係からも, 課題難易度の高い柔らかい支持面上での EC 条件では前後, 左右方向とも各身体部位 RMS は COP 軌跡長と有意な相関を示したが, 比較的安定していると考えられる硬い支持面上での EO 条件では相関関係を示さなかった. また, 硬い支持面上の EO 条件よりも難易度は高いと考えられる, 硬い支持面上での EC 条件や柔らかい支持面上での EO 条件では, より上半身重心に近い T4 加速度 RMS が COP 軌跡長と相関関係を示していた. 竹内 23) によると, 胸郭部の質量が体重比 35.7% と大きいことや, 脊柱の自由度が高いことから細かな運動を可能にしていることを挙げ, 左右方向と前後方向の胸郭部動揺が COP への貢献度が高いことを示唆しており, 本研究でも硬い支持面上での EC 条件や柔らかい支持面上での EO 条件では,T4 加速度 RMS と COP 軌跡長は相関関係を示したと考えられる. これらのことから, 身体各部位の加速度 RMS は, 柔らかい支持面条件など複雑な姿勢制御を要求される条件においては, 従来の COP 軌跡長測定に代わる評価指標として有用であることが示唆された. 本研究の限界として, 標準偏差が大きく測定誤差の影響を受けたことも考えられる.Moe-Nilssen ら 21) によると加速度計の傾きやフィルタ処理の影響により妥当性が低下することを指摘している. 重心動揺測定自体, 非定常的な系列であり, 複雑でとらえがたい変動であるため 24), 特に健常者若年者の体幹部の身体動揺は, 正確に測定できていても姿勢制御戦略の組み合わせの個人差が大きく, ばらつきが大きくなる可能性があると考えられる. 今後は信頼性を高めるため, データ処理の方法や動揺パラメータの選択について再検討していく必要があると考えられる. また, 本研究は各指標から得られる数値の解析を,RMS や軌跡長といった測定時間における動揺量を用いて行ったため, それぞれの部位が実際にどのような動きをして姿勢制御行っているかは不明である. 今後は, それぞれの指標の生波形を比較することや, Zero cross point のような時間的要素を含めた指標を活用し, 実際の姿勢制御をどう反映しているかを検証する必要がある. さらに本研究の対象者は健常成人男性であり, 高齢者や転倒歴のある者などのバランス低下を期待している対象においては, 本研究で用いた条件でも課題難易度が高いと考えられ, 本研究の結果とは異なる可能性があるため, 実際にバランス低下をきたしている対象で検証する必要があると考えられる. 本研究において, 健常者の身体各部位の加速度 RMS は, 柔らかい支持面条件などの課題難易度の高い条件では条件間で COP 軌跡長と同様の傾向を示し, 従来の COP 軌跡長測定に代わる評価指標として有用であることが示唆された. 今後加速度計の使用によって高齢者やバランス不良者の転倒リスクを簡便に評価できる可能性があると考えられる.

5 927 引用文献 1) 丸山高志, 和田郁雄, 浅井友詞 : 若年者と高齢者の姿勢制御時における空間的身体動揺の検討. 日本福祉大学健康科学論集,2013, 16: Seimetz C, Tan D, Katayama R, et al.: A comparison between methods of measuring postrual stability: Force plates versus accelerometers. Biomed Sci Instrum, 2012, 48: ) Duncan PW, Weiner DK, Chandler J, et al.: Functional reach: A new clinical measure of balance. J Gerontol, 1990, 45: M192-M197. 4) Podsiadlo D, Richardson S: The timed Up & Go : A test of basic functional mobility for frail elderly persons. J Am Geriatr Soc, 1991, 39: ) Berg K, Wood-Dauphinee S, Williams JI, et al.: Measuring balance in the elderly: Preliminary development of an instrument. Physiother Can, 1989, 41: ) Shumway-Cook A, Brauer S, Woollacott M: Predicting the probability for falls in community-dwelling older adults using the Timed Up & Go Test. Phys Ther, 2000, 80: ) 望月久 :Functional Reach Test と前後方向重心移動能力および歩行能力との関連性. 東京都衛生局学会誌,2000, 104: ) Garland SJ, Willems DA, Ivanova TD, et al.: Recovery of standing balance and functional mobility after stroke. Arch Phys Med Rehabil, 2003, 84: ) Conradsson M, Lundin-Olsson L, Lindelöf N, et al.: Berg balance scale: Intrarater test-retest reliability among older people dependent in activities of daily living and living in residential care facilities. Phys Ther, 2007, 87: ) Horak F, King L, Mancini M: Role of body-worn movement monitor technology for balance and gait rehabilitation. Phys Ther, 2015, 95: ) Whitney SL, Roche JL, Marchetti GF, et al.: A comparison of accelerometry and center of pressure measures during computerized dynamic posturography: A measure of balance. Gait Posture, 2011, 33: Doheny EP, McGrath D, Greene BR, et al.: Displacement of centre of mass during quiet standing assessed using accelerometry in older fallers and non-fallers. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2012, 2012: ) Kamen G, Patten C, Du CD, et al.: An accelerometry-based system for the assessment of balance and postural sway. Gerontology, 1998, 44: ) Masani K, Vette AH, Kouzaki M, et al.: Larger center of pressure minus center of gravity in the elderly induces larger body acceleration during quiet standing. Neurosci Lett, 2007, 422: ) O Sullivan M, Blake C, Cunningham C, et al.: Correlation of accelerometry with clinical balance tests in older fallers and non-fallers. Age Ageing, 2009, 38: ) Mayagoitia RE, Lötters JC, Veltink PH, et al.: Standing balance evaluation using a triaxial accelerometer. Gait Posture, 2002, 16: ) Halická Z, Lobotková J, Bučková K, et al.: Effectiveness of different visual biofeedback signals for human balance improvement. Gait Posture, 2014, 39: ) Shumway-Cook A, Woollacott MH: モーターコントロール運動制御の理論と臨床応用. 田中繁他 ( 監訳 ), 医歯薬出版, 東京, ) Woollacott MH, Shumway-Cook A, Nashner LM: Aging and posture control: Changes in sensory organization and muscular coordination. Int J Aging Hum Dev, 1986, 23: ) Geurts AC, Nienhuis B, Mulder TW: Intrasubject variability of selected force-platform parameters in the quantification of postural control. Arch Phys Med Rehabil, 1993, 74: ) Moe-Nilssen R, Helbostad JL: Trunk accelerometry as a measure of balance control during quiet standing. Gait Posture, 2002, 16: Riemann BL, Myers JB, Lephart SM: Comparison of the ankle, knee, hip, and trunk corrective action shown during single-leg stance on firm, foam, and multiaxial surfaces. Arch Phys Med Rehabil, 2003, 84: ) 竹内弥彦 : 足圧中心と重心動揺の相互相関解析に基づく高齢者の静止立位制御特性. 理学療法科学,2015, 30: ) 政二慶, 神崎素樹, 白澤葉月他 : 測定変量の定常性と再現性の観点から見た重心動揺指標の検討. バイオメカニクス研究,2004, 8:

安定性限界における指標と条件の影響伊吹愛梨 < 要約 > 安定性限界は体重心 (COM) の可動範囲に基づいて定義づけられるが, 多くの研究では足圧中心 (COP) を測定している. 本研究は, 最大荷重移動時の COM 変位量を測定して COP 変位量と比較すること, 上肢位置の違いが COP

安定性限界における指標と条件の影響伊吹愛梨 < 要約 > 安定性限界は体重心 (COM) の可動範囲に基づいて定義づけられるが, 多くの研究では足圧中心 (COP) を測定している. 本研究は, 最大荷重移動時の COM 変位量を測定して COP 変位量と比較すること, 上肢位置の違いが COP 安定性限界における指標と条件の影響伊吹愛梨 < 要約 > 安定性限界は体重心 (COM) の可動範囲に基づいて定義づけられるが, 多くの研究では足圧中心 (COP) を測定している. 本研究は, 最大荷重移動時の COM 変位量を測定して COP 変位量と比較すること, 上肢位置の違いが COP や COM の変位量に与える影響について検討することを目的とした. 対象は健常若年者 12 名とした.2