生体医工学 48(2): , 2010 研究下腿筋 - 腱複合体の弾性エネルギーと障碍発生要素に基づく陸上短距離用スパイクシューズの評価畠圭佑 * 西條暁里 * 塩野谷明 * Evaluation of Spike Shoes for Short Distance Race from

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あおいしのしま
4 years ago
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1 生体医工学 48(2): , 2010 研究下腿筋 - 腱複合体の弾性エネルギーと障碍発生要素に基づく陸上短距離用スパイクシューズの評価畠圭佑 * 西條暁里 * 塩野谷明 * Evaluation of Spike Shoes for Short Distance Race from Standpoint of Elastic Energy of Crural Muscle-tendon Complex and Element of Sport Injury Occurrence Keisuke HATA, * Toshinori SAIJO, * Akira SHIONOYA * Abstract The purposes of this study are to investigate the effect of the elastic energy of the crural muscletendon complex on sprint performance and evaluate the function of sprint spike shoes. For these purposes, subjects performed a planter flexion jump (PFJ), a counter movement jump (CMJ), and a drop jump (DJ) using a slider seat system developed in this study, while wearing the several spike shoes. According to the results, in wearing spike shoes having high plate elasticity the relationship between the using ratio of the elastic energy and the increasing ratio of the mechanicalpower was positive in DJ. Furthermore, the relationship between the forces added the foot joint toward the frontal-horizontal axis in wearing the above-mentioned spike shoes and that in bare foot was positive. These results suggest that the using ratio of the elastic energy in high density counter movement was dependent on an increase of the mechanicalpower in the foot joint which resulted from wearing spike shoes having high plate elasticity and was, however, related to the sport injury occurrence. Keywords : spike shoes, elastic energy, EMG, muscle-tendon complex. 1. はじめに陸上短距離用スパイクシューズには, ソール部分の前足部に金属製のスパイクピンを取り付けるためのプレートと呼ばれるパーツがある. このプレートは, 走行時に弾性エネルギー (elastic energy) を生み, 走パフォーマンスに寄与すると考えられている. 身体動作が反動を伴って行われる場合, 筋腱複合体 (muscle tendon complex:mtc) は受動的に伸長された後に短縮する. この現象は伸長 - 短縮サイクル (stretchshortening cycle:ssc) と呼ばれ 1, この SSC を伴う動作では, 大きな機械的仕事量や機械的パワーの発揮が可能となり, よりよいパフォーマンスを得られることが報告されている 2. 伊藤ら 3 は連続跳躍動作を用いて,SSC 生体医工学シンポジウム 2009 発表 (2009 年 9 月, 千葉 ) 2009 年 8 月 1 日受付,2009 年 10 月 21 日改訂,2010 年 3 月 2 日再改訂 Received August 1, 2009; revised October 21, 2009, March 2, * 長岡技術科学大学 Nagaoka University of Technology 動作による機械的仕事量の増大を検証し, その要因は伸長局面で MTC の弾性要素に蓄積される弾性エネルギーであると考察している. 走動作においては, 接地期前半の着地相で脚伸筋群の伸張性収縮が生じる際に弾性エネルギーが蓄積され, 接地期後半のキック相で脚伸筋群に短縮性収縮が生じる際それが利用される. 弾性エネルギーは, 特に高負荷の反動動作において, 出力増加に対する影響が大きい 4 ということが報告されており, 陸上競技トラック種目の中でも, 特に短距離種目においてこの弾性エネルギーの利用が走パフォーマンスに影響を与えると考えられる. そこで本研究ではこの弾性エネルギーに着目し, スライダーシートを用いた実験システムを構築して, 足関節のみの動きによる SSC 動作での弾性エネルギーを種々のスパイクシューズを履いた状態で定量化するとともに, 障碍予防を含めた観点からスパイクシューズの評価を行っていくことを目的とする. 2. 方法 2 1 被験者被験者は陸上競技経験を有し, かつ短距離種目を専門と

2 畠圭佑ほか : 弾性エネルギーと障碍発生要素からの陸上競技短距離用スパイクシューズの評価 (227) する健康な男性 7 名とした. 実験に先立ち, 被験者に本研究の内容および危険性を説明した上で, 実験参加への同意を得た. 被験者の身体特性は, 平均身長 ± 7.19 cm, 平均体重 ± 9.13 kg,100 m 走の平均ベストタイムが ± 0.56 sec, 年齢は平均年齢 ± 7.79 歳である. 2 2 運動課題足関節のみの反動跳躍を可能にするために, 本研究では図 1 の実験システムを構築した. 実験システムは, 床面との角度が 30 度のスロープ部, 被験者が身体を乗せるシート部およびスロープ部と垂直な着地部で構成される. シート部とスロープ部は車輪で接しており, 最小限の摩擦でシート部がスロープ部を上下に滑走する構造となっている. 被験者は, シート部に仰臥位姿勢となり, 上面に厚さ 20 mm の陸上競技用全天候舗装材を貼り付けた接地用ブロック ( 木製 : mm ) に左足つま先を置き, 左足関節のみによる反動跳躍を以下の 3 種類の方法で行った. 1 Plantar flexion jump( 以下 PFJ): 足関節最大背屈位での静止状態から反動を利用せずに足底屈のみで行う跳躍. 2 Counter movement jump( 以下 CMJ): 最大底屈位での静止状態から脱力し, 最大背屈位に達した後に, 反動を利用して足底屈を行う跳躍. 3 Drop jump( 以下 DJ): 身体 -シート部を浮かせた状態から落下し, 左足拇指球で接地用ブロックに接地した後, 最大背屈位で切り替えして跳び上がる跳躍. なお,SSC 動作の負荷が CMJ よりも大きい DJ では, 全ての被験者が恐怖感や違和感なく DJ の実施を可能とするものとして, 予備実験の結果, スロープ部と床面のなす角度を 30 度, 落下距離を 26 cm とした. 各跳躍動作の実施に当たり, 被験者に対しては全ての動作を最大努力で行うように指示した. また本実験に先立ち, 被験者はウォーミングアップに加え, 動作に慣れることを目的として各跳躍動作毎に十分な練習を行った. 各跳躍は 3 回ずつの試行を行い, 機械的仕事量の最も大きい試行をデータ分析の対象とした. 図 1 実験システムの全景 Fig. 1 schematic presentation of the experiment system. 2 3 スパイクシューズ被験者は素足状態の他, 以下の 3 種類の陸上短距離用スパイクシューズを履いた状態で各跳躍動作を行った.( ) 内は装着状態の省略記号であり, 素足状態は NS とする. ( 1 ) 一般競技用スパイクシューズ ( 約 215 g,s1); 主に入門用として使用されるスパイクシューズであり, プレートが爪先から前足部までの短プレートタイプである. ( 2 ) 素足感覚重視型スパイクシューズ ( 約 180 g, S2); プレートが前足部までの短プレートで, 足へのフィット性能に優れた高性能タイプである. ( 3 ) プレート弾性重視型スパイクシューズ ( 約 140 g, S3); プレートが踵部まで施された長プレートの高性能タイプである. なお, 各被験者には事前にシューズサイズの確認を行い,26 cm と 27 cm のものを用意した. 2 4 測定項目各動作の底屈局面において, 以下の項目について検討した. ( 1 ) 筋電図動作中の下腿筋群 ( 腓腹筋内側頭 :MG, 腓腹筋外側頭 :LG, ヒラメ筋 :SOL および前脛骨筋 :TA) の筋放電量を, 表面筋電図法により基礎医学研究用機器 Polymate AP1132(TEAC 社製 ) を用いて 2 khz でコンピュータに記録し, 全波整流および時間積分を行った. 本研究では, 各筋放電量を PFJ における筋電図の時間積分値を 1 として標準化するとともに,MG,LG および SOL の筋電図積分値を合計して, 下腿三頭筋の筋電図積分値とした. ( 2 ) 足関節角度および角速度各試行は, 被験者の左側方より高速度デジタル動画カメラ (EXILIM EX-FH20,CASIO 社製 ) を用いて毎秒 210 フレームで撮影され, パーソナルコンピュータに取り込んだ後, 足関節角度および角速度を算出した. この際, 足関節動作は矢状面の二次元平面状で行われるものと仮定した. ( 3 ) 足関節における出力 (i) 足関節トルク (TQ) 各跳躍動作における足関節トルクを, 高速度ビデオ画像から得られた足関節角度と床反力計 ( フォースプレート Type9286, キスラー社製 ) により測定した反力の垂直成分から, 以下の式より算出した ( 図 2). TQ / L F TQ / L Ff cos Pq,1.57 radq (L は足関節中心から拇指球までの距離 (m),ff は床反力の垂直成分 (N),q は足関節角度 (rad) を表す ) (ii) 足関節の機械的パワー (P) 足関節の機械的パワー (P) は, 足関節における角速度とトルクの積により算出した.

3 (228) 生体医工学 48 巻 2 号 (2010 年 4 月 ) 図 2 足関節トルクの算出モデル Fig. 2 Calculation model of ankle torque. P/TQ w (iii) 底屈局面の足関節の機械的仕事量 (W) 底屈局面で足関節がなした仕事量は, 機械的パワーを時間積分することで算出した. Te W Pdt Ts ただし,Ts: 底屈局面の開始時,Te: 底屈局面の終了時 (iv) 底屈局面における筋収縮および弾性エネルギー利用による機械的仕事量 (W MUS,W SEC) 底屈局面における筋収縮および弾性エネルギー利用による仕事量は, 伊藤ら 3, 杉崎ら 4 と同様の方法で算出した. ( 4 ) 内外方向への力本研究では障碍発生の指標データとして,DJ における底背屈局面での足部に対する反力の水平成分を足関節や下腿筋群に加わる負担として記録した. 2 5 統計処理全てのデータについて, 平均値 ± 標準偏差で表した. 各変数の実験条件間での比較には一元配置の分散分析を用い,2 変数間の差の比較には t 検定を行った.2 変数間の相関関係は, ピアソンの積率相関係数を用いて検討した. 全ての検定において, 有意水準 5% 未満をもって有意とした. 図 3 S3 における弾性エネルギーの貢献度とパワー増加率の関係 Fig. 3 Relationship between contribution of elastic energy and increase of the mechanicalpower in S3. 3. 結果 3 1 弾性エネルギー利用による機械的パワーの増強の関係底屈局面における各力学的変量は,DJ と CMJ の間に有意な差はなかった. また, 弾性エネルギーによる足関節の機械的仕事量に対する弾性エネルギーの貢献度についても, 有意な差はなかった. 一例として, 図 3(A:CMJ,B:DJ) は S3 における底屈局面での関節の最大パワーの増加率と仕事量に占める弾性エネルギーの貢献度の関係, 図 4(A:CMJ,B: DJ) は S3 における底屈局面での関節の最大パワーの増加率と仕事量に占める弾性エネルギーの仕事量の関係, 表 1 から表 3 にはそれらを統括的に示す. 図 4 S3 における弾性エネルギーの仕事量とパワー増加率の関係 Fig. 4 Relationship between work by elastic energy and the mechanicalpower increase rate in S3. 弾性エネルギーの貢献度と最大パワーの増加率の関係においては,S3 の CMJ で有意水準 5% で有意な正相関が認められた. また, 弾性エネルギーの仕事量と最大パワーの増加率の関係においては,NS の CMJ および S3 の DJ において有意水準 5% で正の相関が認められた. 3 2 各シューズ装着時の内外方向への力各シューズ間における内方向および外方向への力の有意

4 畠圭佑ほか : 弾性エネルギーと障碍発生要素からの陸上競技短距離用スパイクシューズの評価 (229) 1 Table 1 2 Table 2 3 Table 3 差は認められなかった. また, 各シューズにおける内方向の力に対する外方向への力は全て有意水準 5% で高値であった.NS における外方向への力と各シューズ使用時における外方向への力の関係は,S1,S2 において有意水準 5% で正の相関が認められた.NS における内方向への力と各シューズ使用時における内方向への力の関係は,S3 において有意水準 5% で正の相関が認められた. 図 5 に一例として,NS における内方向の力と S3 における内方向の力の関係を示す. また, 表 4 に各シューズ装着状態における内方向および外方向の力について示す. 図 5 NS と S3 における内方向への力の関係 Fig. 5 Relationship of force to inside direction in NS and S3. 4 Table 4 4. 考察本研究では, これまで報告されている MTC の弾性エネルギーによる機械的パワーおよび機械的仕事量の増加について, 陸上短距離用スパイクシューズを装着した状態で検討し, 障碍発生要因を含めた評価を行った. 素足状態 (NS) での機械的パワーの増加率と弾性エネルギーの貢献度の間には CMJ および DJ において有意な相関が認められなかったが, シューズを装着せずに同様の実験を行った杉崎ら 4 と同様,2 変数間に正相間の傾向が見られた.S1 においては,CMJ で弾性エネルギーの貢献度と機械的パワーの増加率の相関関係が低くなる.S2 においては,CMJ での弾性エネルギーの貢献度と機械的パワーの増加率には正の相関の傾向があるが,DJ では相関傾向が低くなっており,CMJ,DJ でともに有意な相関関係は認められなかった.S3 においては,CMJ で弾性エネルギーの貢献度と機械的パワーの増加率との間に正の相関が認められたが,DJ では相関が低くなるっている. このことから,CMJ で最大パワーの増加率は全体の仕事量に対する弾性エネルギーの割合である弾性エネルギーの貢献度との間に依存関係があり, 特に S3 においてはこの依存関係が高いと考えられる. しかし,3 種類のスパイクシューズを装着した状態では DJ において両者間に負の相関, または相関関係が低くなる傾向が認められた. これは, 素足と比較してスパイクシューズのピンが接地ブロック上の全天候舗装材に突き刺さることで接地時間が変化したためであると考えられる. また, 機械的パワーの増加率と弾性エネルギーによる仕

5 (230) 生体医工学 48 巻 2 号 (2010 年 4 月 ) 事量の関係については, 素足状態 (NS) での CMJ で両者の間に正の相関が認められるが,DJ では相関が低くなる. そのため弾性エネルギーの仕事量との依存関係が低いと考えられる.S1 においては, 弾性エネルギーによる仕事量と機械的パワーの増加率の関係で,CMJ で正の相関傾向が見られるものの,CMJ,DJ では相関関係が認められなかった.S2 においては,CMJ および DJ で弾性エネルギーによる仕事量と機械的パワーの増加率の間に正の相関傾向が見られるが, 相関関係の有意性は認められなかった. さらに,S3 においては,CMJ での弾性エネルギーによる仕事量と機械的パワーの増加率の間に有意な相関関係は認められなかったが, 有意水準 10% において有意であることから相関の傾向があり,DJ では有意水準 5% で正の相関が認められた. これらのことは, 最大パワーの増加率が弾性エネルギーの仕事量と依存関係にあることを示唆する. さらに,S3 においては弾性エネルギーの仕事量とパワーの増加率との依存関係が高いと考えられる. 以上のことから, 弾性エネルギー利用の程度から最大パワーの増加率を評価した場合,S3 は弾性エネルギーの利用による依存関係が高く,DJ のような高負荷の反動動作においても出力の増加が弾性エネルギーの利用の程度に依存することが示唆された. また,DJ は走動作における着地相からキック相に至る接地期の状態に最も近いと考えられ, 実競技において S3 装着時の弾性エネルギーの利用はパフォーマンスへの寄与が大きいと考えられる. これらのことは,S1 および S2 が弾性エネルギーを発生させると考えられるプレートが前足部のみに施された短プレート構造であるのに対し,S3 はプレートが前足部から踵に至る足裏全体に施され, より多くの弾性エネルギーを蓄積するというシューズの構造的な部分に起因すると考えられる. さらに, 各シューズ使用時における DJ での足部に対して側方向への水平成分は, 各シューズ使用時において外方向への力が, 内方向への力に対し有意に高値であり,NS での内方向への力と S3 での内方向への力に有意水準 5% で正の相関関係を示した. これに対し,S1 および S2 においては,NS での内方向への力とシューズ装着時の内方向への力がほぼ無相関であった. 以上のことから,S1,S2 に比較して,S3 は弾性エネルギーの利用によるパワーの増強効果が認められるが, 大きな外力が働くと考えられる. 外方向への力の発生に加えて内方向への力の発生は, 足関節を安定させる方向に働く下腿筋群に機械的刺激が加わることで, 脛骨付着部の筋膜を牽引し, 炎症を引き起こしうるため 6,S3 は他のシューズよりも障碍が発生する可能性が高いと示唆される. これらの点は, 昨今のジュニアスポーツ競技会や中高齢者のマスターズ等, 競技志向の強い大会が広い年齢層で拡大していることを考えると, 生体医工学的観点から重要な課題を含んでいると考えられる. 5. まとめ本研究では, 下腿筋 - 腱複合体の弾性エネルギーの定量化をするとともに, 障碍発生要素を含めた観点からスパイクシューズの評価を目的とした. その結果を以下にまとめる. ( 1 ) 素足状態およびスパイクシューズ装着時において, 各跳躍動作における機械的パワー, 機械的仕事量およびそれらの増加率に有意な差は認められなかった. ( 2 ) 機械的パワーの増加率と弾性エネルギーの貢献度の間には,S3 の CMJ において正の相関, 機械的パワーの増加率と, 弾性エネルギーによる仕事量の間には, 素足状態での CMJ および S3 での DJ で正の相関が認められ, プレートの弾性を重視したスパイクシューズにおいて, 高負荷の反動動作での出力の増加が弾性エネルギーの利用の程度に依存することが示唆された. ( 3 ) また,S3 において, 側方向への力の発生から障碍が発生する可能性が他のシューズに比べ高いことが示唆された. 文 1. Komi PV : Stretch-shortening cycle. Strength and Power in Sport , Bosco C, TarKKa I, Komi PV : Effect of elastic energy and myoelectrical potentiation of triceps surae during stretchshortening cycle exercise. Int J Sports Med. 3: , 伊藤章, 斉藤晶久, 金子公宥 : 跳躍動作における反動効果下腿三頭筋の筋放電と弾性エネルギーの利用. Jpn J Sports Sci. 6: , 杉崎範英, 岡田純一, 金久博昭, 福永哲夫 : 足関節の反動動作における弾性エネルギーが機械的仕事量および機械的パワーに及ぼす影響. 人間工学. 40:82-89, Ito A, Komi PV, Sjödin Bertil, Bosco C, and Karlsson J: Mechanicalefficiency of positive work in running at different speeds. Med sci in sports and exer-cise. 15(4) : , , 清水卓也他 : 下腿疲労骨折とシンスプリントの病理と発生のメカニズムの基礎. 日本整形外科スポーツ医学会雑誌. 24: 8-12, 献

畠圭佑ほか : 弾性エネルギーと障碍発生要素からの陸上競技短距離用スパイクシューズの評価 (231) 畠圭佑 ( ハタケイスケ ) 2009 年長岡技術科学大学工学部経営情報システム工学課程卒業.

西條暁里 ( サイジョウトシノリ ) 2008 年長岡技術科学大学大学院修士課程工学研究科経営情報システム工学専攻修了.

塩野谷明 ( シオノヤアキラ ) 最終出身校 : 福島大学 ( 昭和 59 年 ) 日本体育大学大学院 ( 昭和 61 年 ).

6 畠圭佑ほか : 弾性エネルギーと障碍発生要素からの陸上競技短距離用スパイクシューズの評価 (231) 畠圭佑 ( ハタケイスケ ) 2009 年長岡技術科学大学工学部経営情報システム工学課程卒業. 長岡技術科学大学大学院修士課程工学研究科経営情報システム工学専攻在学. スポーツ工学バイオメカニクスの研究に従事. 西條暁里 ( サイジョウトシノリ ) 2008 年長岡技術科学大学大学院修士課程工学研究科経営情報システム工学専攻修了年長岡技術科学大学大学院博士後期課程工学研究科生物統合工学専攻入学, 現在に至る. 現在は, スポーツギアの機械的情報と生体情報の計測に関する研究に従事. 塩野谷明 ( シオノヤアキラ ) 最終出身校 : 福島大学 ( 昭和 59 年 ) 日本体育大学大学院 ( 昭和 61 年 ). 勤務機関での略歴 : 長岡技術科学大学工学部助手 ( 昭和 61 年 ), 同大学大学院エネルギー環境工学専攻論文博士 ( 平成 11 年 ) 博士( 工学 ), 同大学助教授 ( 平成 12 年 ) を経て現在准教授. 大学院博士課程生物統合工学専攻主指導教員. 現在の所属 : 長岡技術科学大学経営情報系准教授. 専門研究分野 : スポーツ工学, バイオメカニクス. 所属学会 : 生体医工学会, 機械学会, バイオメカニズム学会他.

連続跳躍におけるシューズ着用がリバウンドジャンプパラメータに及ぼす影響尾上和輝村上雅俊仲田秀臣 The effect of Shoes Wearing on Rebound Jump Parameters in Rebound Jumping ONOUE Kazuki MURAKAMI Mas

連続跳躍におけるシューズ着用がリバウンドジャンプパラメータに及ぼす影響尾上和輝村上雅俊仲田秀臣 The effect of Shoes Wearing on Rebound Jump Parameters in Rebound Jumping ONOUE Kazuki MURAKAMI Masatoshi NAKATA Hideomi 要旨本研究は, 大学男子陸上競技選手を対象に両足連続跳躍時のシューズ着用がリバウンドジャンプパラメータに及ぼす影響について検討した

生体医工学 48(2): , 2010 研究 下腿筋 - 腱複合体の弾性エネルギーと障碍発生要素に基づく陸上短距離用スパイクシューズの評価 畠圭佑 * 西條暁里 * 塩野谷明 * Evaluation of Spike Shoes for Short Distance Race from

生体医工学 48(2): , 2010 研究下腿筋 - 腱複合体の弾性エネルギーと障碍発生要素に基づく陸上短距離用スパイクシューズの評価畠圭佑 * 西條暁里 * 塩野谷明 * Evaluation of Spike Shoes for Short Distance Race from