理学療法科学 34(2): ,2019 原著健常者の片脚スクワット開始時の足圧中心制御について Postural Control for Initiating Single Leg Squats in Healthy Subjects 1) 山中悠紀 2) 浦辺幸夫 3) 大隈亮 2)

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あまめのえ
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1 理学療法科学 34(: ,2019 原著健常者の片脚スクワット開始時の足圧中心制御について Postural Control for Initiating Single Leg Squats in Healthy Subjects 1) 山中悠紀浦辺幸夫 3) 大隈亮笹代純平 4) 藤井絵里 Yuki YAMANAKA, RPT, PhD 1), Yukio URABE, RPT, PhD, Ryo OKUMA, RPT, MS 3), Junpei SASADAI, RPT, PhD, Eri FUJII, RPT, MS 4) 1) Faculty of Health Care Sciences, Himeji Dokkyo University: Kamiono, Himeji-shi, Hyogo , Japan TEL Graduate School of Biomedical & Health Sciences, Hiroshima University 3) Department of Rehabilitation, Toranomon Hospital Kajigaya 4) Department of Rehabilitation, Ooseto Rehabili Orthopedic Clinic Rigakuryoho Kagaku 34(: , Submitted Sep. 19, Accepted Nov. 12, ABSTRACT: [Purpose] The purpose of the present study was to investigate the mechanisms of center of pressure (COP) management for initiating single leg squatting. [Participants and Methods] Nine healthy young males were categorized according to the initial anterior-posterior direction of their COP migration when initiating squatting. The COP location within the foot area, sagittal plane knee and ankle joint movements, and electromyographic activities of ankle joint muscles before and during squatting were analyzed. [Results] The COP of 5 subjects initially moved forward when initiating squatting, whereas the COP of the other 4 subjects initially moved backward. In the forward group, the COP was located in a significantly posterior position within the foot area before squatting and the EMG activities of the gastrocnemius significantly decreased after the movement started. [Conclusion] It is probable that the direction of initial COP migration depends on the COP positioning of the initial standing posture prior to initiating single leg squats. Key words: single leg squat, center of pressure, postural control 要旨 : 目的片脚スクワット開始時の足圧中心 (COP) 制御を明らかにすること. 対象と方法健常若年男性 9 名を対象として片脚スクワット動作開始時の COP 制御パターンを COP 前後成分の挙動によって捉え, 足底面内の COP 位置, 支持脚膝足関節角度, 前脛骨筋腓腹筋活動との関連性を分析した. 結果 5 名では動作開始直後から COP の前方移動がみられたが,4 名では COP がいったん後方へ移動した後に前方移動していた.2 群間で動作開始前の COP 位置に有意差がみられ, 前方移動群で動作開始直後の有意な腓腹筋活動減少が認められた. 結語片脚スクワット開始時の COP 挙動が動作開始前の COP 位置に影響を受ける可能性がある. キーワード : 片脚スクワット, 足圧中心, 姿勢制御 1) 姫路獨協大学医療保健学部 : 兵庫県姫路市上大野 7-2-1( )TEL 広島大学大学院医歯薬保健学研究院 3) 虎の門病院分院リハビリテーション部 4) 大瀬戸リハビリ整形外科リハビリテーション科受付日 2018 年 9 月 19 日受理日 2018 年 11 月 12 日

2 I. はじめに身体活動を遂行するうえで身体重心 ( 以下,COM) を支持基底面内に制御することは生体力学的に重要な要素の一つである 1). 先行研究では姿勢制御能力の定量的な評価に COM の不安定性に対する神経筋系の応答を反映するとされる足圧中心 ( 以下,COP) 軌跡を用いることが多く, 姿勢制御能力の低下が立位姿勢での COP 動揺の増大として示されてきた 3). ただ, スポーツ傷害による機能障害などでみられる運動時の不安定性を姿勢保持課題による評価のみで捉えることには限界が指摘されており 4),single leg landing test 5) や star excursion balance test 6) など動作課題を用いた姿勢制御能力評価が検討されている. 片脚スクワットは片脚立位から支持脚を屈曲させてしゃがみこみ, 再び片脚立位姿勢に戻る動作で 7), 下肢の屈伸によって COM を上下に移動させることで生じる矢状面や前額面での動揺を制御しながら,COM が支持基底面内から逸脱しないよう調節する多関節運動制御が求められる. リハビリテーション場面において, 片脚スクワットは筋力増強やバランス能力改善を目的としたトレーニングだけでなく, スポーツ傷害予防のためのスクリーニングテストとしても利用されている 8). 先行研究では股関節屈曲および内転角度, 膝関節屈曲角度に男女差が存在する 9) ことや膝前十字靭帯損傷者で股関節外旋や膝関節外反が大きいこと 10) などが報告されており, 片脚スクワット動作におけるこれら運動学的な特徴は生体力学的に適切とはいえない姿勢制御を反映している可能性がある. 片脚スクワット動作時の姿勢制御に関して, 西村ら 11) は健常成人を対象として 3 次元動作解析装置を用いて COM,COP 変位と下肢関節運動の関連性を検討することで,COP の制御が足関節の動きによってなされていることを示している. ただ,Hase ら 1 は健常男性を対象として両脚スクワット時の下肢筋活動と COP 挙動を調査するなかで, 動作開始直後の COP 前後成分の挙動が被験者によって異なり,COP の初期移動方向が立位姿勢の解除に必要な足関節周囲筋の活動により変化することから, 足関節と関連した多様な COP 制御が存在する可能性を示唆している. 立位から下肢を屈曲する重力方向への運動戦略については不明な点が多いが 1, スクワット動作では下肢を屈曲させる重力方向への運動が立位姿勢を解除することで開始されると考えられる. もし, 片脚スクワット動作時にも同じような応答がみられるのであれば, 足関節捻挫などによって正常な筋活動が阻害された場合の評価などで配慮すべき情報となる可能性があるが, 片脚スクワット開始時の COP 制御と足関節運動の関係について検討した報告は認められない. そこで, 本研究では片脚スクワット動作開始時の姿勢制御を明らかにすることを目的として, 健常者を対象として片脚スクワット動作時の COP 軌跡, 下肢関節角度, 足関節周囲筋活動を調査し, 片脚支持による姿勢保持に持続的な筋活動が要求されるなど両脚スクワットと異なる応答がみられる可能性があることから, スクワット開始前後の筋活動および関節角度の変化を捉えて動作開始時の COP 調節に及ぼす足関節周囲筋の影響を分析した. II. 対象と方法 1. 対象健常成人男性 9 名で年齢は 22.8 ± 2.5 歳, 身長は ± 4.3 cm, 体重は 63.9 ± 4.9 kg( 平均 ± 標準偏差 ) であった. 本研究は広島大学大学院保健学研究科心身機能生活制御科学講座倫理委員会の承認 (#1088) を受け, 被験者に研究の説明を行い, 研究参加の同意を得て実施した. 2. 方法被験者に片脚立位保持 3 回と片脚スクワット動作 5 回を休憩をはさんで実施させた. 片脚立位では裸足, 開眼で行い, 両手を胸の前で軽く組み, 左股と膝を軽く曲げて左足を持ち上げ, 右足で片足立ちの姿勢を 10 秒間保持するよう指示し,COP 軌跡を計測した. 片脚スクワットでは片脚立位姿勢から体を傾けず垂直位を保ったまま 5 秒以内に右膝を曲げてしゃがみこみ, 再び右膝を伸ばしてもとの姿勢に戻るよう指示し, 数回の練習後に COP 軌跡, 矢状面での右膝および足関節角度, 右下肢の前脛骨筋 ( 以下,TA) および腓腹筋内側頭 ( 以下, GAS) の筋活動を計測した. COP データの計測には床反力計 (AccuGait,AMTI 社製 ) を使用した. 足底面内の COP 位置は足部を長方形モデルで捉え, 直角定規で測定した前後径 ( 踵端 0% - 足尖 100%) に対する割合で示した. 矢状面での膝および足関節角度の計測には電気角度計 (SG150, Biometorics 社製 ) を用いた.TA および GAS の筋活動の計測には表面筋電図 (Personal-EMG, 追坂電子機器社製 ) を使用し, 皮膚表面を皮膚前処理剤 ( スキンピュア, 日本光電社製 ) で研磨し, アルコール綿で清拭処理した後に表面電極 (Blue sensor,medicotest 社製 ) を用い, 電極中心間距離 20 mm にて双極誘導で筋電位を導出した 13). 片脚スクワット時のデータ記録には EMG 研究用プログラム (BIMUTAS-Video, キッセイコムテック社製 ) を用い, すべてのデータをサンプリング周波数 1000 Hz で A/D 変換してパーソナルコンピュータに取り込んだ.COP および関節角度データは 200 Hz で再サンプリングし,4 次 Butterworth 型 low pass filter により遮断周波数 20 Hz で高周波成分ノイズを除去して

3 189 分析に使用した. 筋電図データは全波整流平滑化処理によって筋電図積分値に変換し,Daniels らの筋力検査方法 14) の肢位で計測した 3 秒間の最大等尺性随意収縮時の筋活動に対する割合 ( 以下,% MVC) を求めた. 片脚立位時の COP データ記録はサンプリング周波数 50 Hz で行った. 片脚スクワット動作の解析には, 動作の開始と終了を膝関節屈曲角度が片脚立位時の平均角度 ± 2 標準偏差となった時点として被験者ごとに抽出した動作時間に一致したばらつきの少ない 3 回のデータを用いた.COP および関節角度データは自然な 3 次スプライン補間を用いて 200 データに標準化した.COP 前後成分がスクワット開始前 10% 動作時間に相当する区間の平均値 ± 2 標準偏差を超えて最初に移動した方向で被験者の片脚スクワット動作開始時の COP 制御パターンを捉え, 片脚立位時の COP 前後方向平均位置, スクワット開始前 10% 動作時間の COP 前後方向平均位置, スクワット動作時の COP 最大前後位置とその時期, 膝および足関節最大屈曲角度とその時期の比較を行った. また, 各パターンでのスクワット開始前後 10% 動作時間に相当する区間の TA および GAS の筋活動を比較するとともに, スクワット開始前 10% 動作時間における足関節角度, 開始後 10% 動作時間の COP 前後変位, 足関節角度変化を示した. データ解析には表計算ソフトウェア (Microsoft Office Excel 2007,Microsoft Japan 社製 ) と数値計算ソフトウェア (Scilab 5.2.2,INRIA 社製 ) を用いた. 統計解析には統計解析ソフトウェア (SPSS 12.0 for Windows,SPSS Japan 社製 ) を使用し, 独立 2 群の差の検定には Mann-Whitney Test, 対応 2 群の差の検定には Wilcoxon Signed-rank Test を用いた. データは中央値 ( 四分位偏差 ) で示し, 有意水準は 5% とした. III. 結果 9 名中 5 名ではスクワット開始直後から COP の前方移動がみられた ( 以下,F 群 ) が,4 名は COP がいったん後方へ移動した後に前方へ移動していた ( 以下,B 図 1 片脚スクワット動作時の COP 挙動, 下肢関節角度, 足関節周囲筋活動左図には片脚スクワット動作開始直後から COP の前方移動がみられた被験者 1 名 (F-1), 右図には COP がいったん後方へ移動した後に前方へ移動した被験者 1 名 (B-1) の矢状面での膝足関節角度, 足底面内での COP 前後成分の挙動, 前脛骨筋腓腹筋活動を示す.

4 群 ). 各群の典型例を図 1 に示す.2 群間でスクワット開始前 10% 動作時間の COP 前後方向平均位置 (F 群 : 50.1(6.%,B 群 :55.3(1.7)%,p = 0.027) に有意差を認め, 片脚立位時の COP 前後方向平均位置 (F 群 : 47.4(4.8)%,B 群 :53.9(4.3)%,p = 0.027) にも同様に有意差が示された. スクワット動作時の COP 最大前方位置 (F 群 :69.2(6.4)%,B 群 :70.0(3.4)%) とその時期 (F 群 :53.3(9.8)%,B 群 :51.0(4.8)%), 最大後方位置 (F 群 :49.1(6.6)%,B 群 :48.2(2.6)%) に有意差はみられなかったが, 最大後方位置を示した時期に有意差を認めた (F 群 :4.0(2.0)%,B 群 :16.7 (7.8)%,p=0.049). その一方で膝関節最大屈曲角度 (F 群 :71.0(11.3),B 群 :77.7(8.8) ) とその時期 (F 群 : 54.3(4.5)%,B 群 :54.3(1.7)%), 足関節最大背屈角度 (F 群 :27.5(2.4),B 群 :32.5(4.3) ) とその時期 (F 群 :54.0(3.5)%,B 群 :54.2(2.6)%) に有意差はみられなかった. 足関節周囲筋活動について,F 群ではスクワット開始前後 10 % 動作時間の TA の筋活動 ( 前 :5.4(3.8)% MVC, 後 :7.8(4.0)% MVC) に有意な変化はみられなかったが,GAS の筋活動に有意な減少 ( 前 :22.6(9.% MVC, 後 :17.7(7.0)% MVC,p=0.043) を認めた. 一方,B 群では TA の筋活動 ( 前 :8.0(5.9)% MVC, 後 : 11.2(7.1)% MVC),GAS の筋活動 ( 前 :30.0(13.3)% MVC, 後 :24.5(14.0)% MVC) に有意な変化はみられなかった. なお, スクワット開始前 10% 動作時間における足関節背屈角度は F 群で 4.3(1.4),B 群で 5.0(1.7) で有意差はなく, スクワット開始後 10% 動作時間で F 群では 5.2(2.4),B 群では 4.3(0.4) の背屈が生じ, COP 位置は F 群では前方へ 4.8(1.5)%,B 群では後方へ 1.3(2.3)% 変位していた. IV. 考察片脚スクワット動作開始時の COP 前後成分の挙動について,9 名中 5 名では動作開始直後から COP の前方移動がみられたが, 他の 4 名は COP をいったん後方へ移動させた後に前方移動させており,2 群間で COP が最大後方位置を示した時期に有意な差が認められた. Hase ら 1 は健常男性 12 名を対象として両脚スクワット開始時の COP 挙動を調査し,COP の最初の移動方向が 6 名では後方,4 名では前方であったと報告しているが, 本研究により片脚スクワット動作開始時にも COP 前後成分の制御に違いが存在する可能性が示された. その一方で,COP 最大前方および後方位置に有意な差はみられず, 足底面内での COP 移動範囲に違いはみられなかった. また,COP が最大前方位置を示した時期に差はなく, 片脚スクワット動作中の膝および足関節角度もほぼ同じであった. 片脚スクワット動作では下肢を屈曲させる重力方向への運動が立位姿勢を解除することで開始され, 下肢の屈曲に伴って COP は前方へと移動する. 本研究では動作開始時の COP 調節に及ぼす足関節周囲筋の影響を分析するためスクワット開始前後 10% 動作時間に相当する区間での TA および GAS の筋活動を比較した. その結果, スクワット開始後 10% 動作時間において F 群では GAS の筋活動に有意な減少が認められたが,B 群では有意な変化はみられず, 両群とも約 5 の足関節背屈を認めたが,COP は F 群では前方,B 群では後方に変位していた. 足関節底屈トルクは足関節の背屈増加による下腿の前方傾斜に抗する力となることから F 群での GAS の筋活動の減少は COP のスムーズな前方移動に関与した反応であったと考えられ, 片脚スクワット動作開始時の GAS の筋活動の差が両群における COP 移動方向の違いと関連している可能性がある. このような応答の違いがみられた理由として, 本研究ではスクワット開始前 10% 動作時間の COP 前後方向平均位置に 2 群間で有意差が認められ, その値は有意差が認められた片脚立位時の COP 前後方向平均位置と類似していた. 先行研究において Cheron らは 15) スクワット動作の運動戦略の選択が下肢を屈曲する前の姿勢に影響を受ける可能性を示唆しており, 動作開始前の片脚立位での足底面内における COP 位置が片脚スクワット開始直後の COP 移動方向に影響した可能性がある. 片脚スクワット動作時の COP 最大前後位置や膝および足関節角度に 2 群間で有意差はなく目的とする動作に明らかな違いはみられなかったことから, 動作開始直後にみられた COP の制御は同じように片脚スクワット動作を行うための調節と捉えられるかもしれない. 本研究からは片脚立位時の COP 前後方向平均位置に 2 群間で有意差を認めた理由までは明らかにできていないが, 片脚スクワット動作開始時に COP が後方移動する例では片脚立位時に COP が前方に位置している可能性がある.Pope ら 16) は足関節不安定症では片脚立位時の COP 位置に前方変位がみられたことから足底面内での COP 位置は足関節機能障害を反映する指標となることを示唆しており, 片脚スクワット動作のおける COP 分析はそれらの推定に役立つ可能性がある. ただ, 一方で片脚スクワット開始時に COP をいったん後方へ移動させる調整が可能であるのならば必ずしも姿勢制御能力が低いとは言えず, その解明には足関節機能障害の影響を含めた検討が必要である. 研究の限界として, 本研究ではスクワット動作を開始する際に体幹を垂直位に維持したまましゃがみこむよう指示しているが, 体幹前傾を厳密に制御することには限界がある. また, 本研究は健常男性を対象とした少数例での検討であり, 片脚スクワット動作の下肢関節運動には男女差が報告されていることから 7), 研究結果を一般

5 191 化するためには女性を含めた検討が必要である. さらに, 本研究では前後方向の COP 軌跡に焦点をあて分析を行ったが, 左右方向の COP 挙動の影響については十分な検討が行えていない. 先行研究では片脚スクワットにおける左右方向の動揺と股関節外転筋に関わりが報告されており 17), その検討には股関節の筋活動を含めた分析が必要になると考える. ただ, 本研究において片脚スクワット動作開始時の COP 前後成分の制御に足底面内での COP 位置が関与する可能性が示されたことは片脚スクワット動作により姿勢制御能力の評価を行ううえで配慮すべき情報となる可能性がある. 利益相反本論文について開示すべき利益相反はない. 引用文献 1) Horak FB: Postural orientation and equilibrium: what do we need to know about neural control of balance to prevent falls? Age Ageing, 2006, 35: ii7-ii11. Winter DA: 動力学 : 力とモーメント, バイオメカニクス人体運動の力学と制御, 原著第 4 版. 長野明紀他 ( 訳 ), ラウンドフラット, 東京,2011,pp ) Hertel J, Buckley WE, Denegar CR: Serial testing of postural control after acute lateral ankle sprain. J Athl Train, 2001, 36: ) Ross SE, Guskiewicz KM: Examination of static and dynamic postural stability in individuals with functionally stable and unstable ankles. Clin J Sport Med, 2004, 14: ) Wikstrom EA, Tillman MD, Borsa PA: Detection of dynamic stability deficits in subjects with functional ankle instability. Med Sci Sports Exerc, 2005, 37: ) Hertel J, Braham RA, Hale SA, et al.: Simplifying the star excursion balance test: analyses of subjects with and without chronic ankle instability. J Orthop Sports Phys Ther, 2006, 36: ) Zeller BL, McCrory JL, Kibler WB, et al.: Differences in kinematics and electromyographic activity between men and women during the single-legged squat. Am J Sports Med, 2003, 31: ) Kivlan BR, Martin RL: Functional performance testing of the hip in athletes: a systematic review for reliability and validity. Int J Sports Phys Ther, 2012, 7: ) Graci V, Van Dillen LR, Salsich GB: Gender differences in trunk, pelvis and lower limb kinematics during a single leg squat. Gait Posture, 2012, 36: ) Yamazaki J, Muneta T, Ju YJ, et al.: Differences in kinematics of single leg squatting between anterior cruciate ligamentinjured patients and healthy controls. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2010, 18: ) 西村紗紀子, 福井勉 : 片脚スクワット動作の三次元動作解析. 理学療法科学,2015, 30: Hase K, Sako M, Ushiba J, et al.: Motor strategies for initiating downward-oriented movements during standing in adults. Exp Brain Res, 2004, 158: ) 下野俊哉 : 表面筋電図マニュアル基礎編, 酒井医療, 東京, 2004,pp ) Hislop HJ, Montgomery J: 新徒手筋力検査法, 原著第 8 版. 津山直一他 ( 訳 ), 協同医書出版社, 東京,2008,pp ) Cheron G, Bengoetxea A, Pozzo T, et al.: Evidence of a preprogrammed deactivation of the hamstring muscles for triggering rapid changes of posture in humans. Electroencephalogr Clin Neurophysiol, 1997, 105: ) Pope M, Chinn L, Mullineaux D, et al.: Spatial postural control alterations with chronic ankle instability. Gait Posture, 2011, 34: ) Crossley KM, Zhang WJ, Schache AG, et al.: Performance on the single-leg squat task indicates hip abductor muscle function. Am J Sports Med, 2011, 39:

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

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

理学療法科学 34(2): ,2019 原著 健常者の片脚スクワット開始時の足圧中心制御について Postural Control for Initiating Single Leg Squats in Healthy Subjects 1) 山中悠紀 2) 浦辺幸夫 3) 大隈亮 2)

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