新潟医療福祉会誌 17( 2 )43 49 [ 原著論文 ] 着地時に生じる各体節の加速度の伝搬 1),2 杉山久晃 ), 江原義弘 1), 霜鳥大希 3), 笹岡耕陽 4) 5), 神田星衣来キーワード : 加速度, 着地, 衝撃, 衝撃吸収 Acceleration propagation t

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えみけいれい
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1 [ 原著論文 ] 1, 杉山久晃, 江原義弘 1, 霜鳥大希 3, 笹岡耕陽 4 5, 神田星衣来キーワード : 加速, 着地, 衝撃, 衝撃吸収 Acceleration propagation through the body after landing Hisaaki Sugiyama 1,,Yoshihiro Ehara 1,Daiki Shimotori 3, Koyo Sasaoka 4,Seira Kanda 5 Abstract With the aim of contributing to the prevention of injury-related disabilities by elucidating the mechanism of impact absorption in the body, we analyzed the size and components of the acceleration vector to clarify how impact acceleration is transmitted throughout the body. Six healthy adults females and 4 malesperformed a landing from a platform with a height of cm to record their movements using a 3-dimensional motion analysis system, including 15 infrared cameras, and 4 floor reaction force plates. The maximum acceleration was calculated at points from the tiptoe to the head. The level of acceleration produced on landing and transmitted from the foot to the head tended to significantly and simply decrease p<.1. On comparing the acceleration level among different regions, it did not markedly vary between the knee joint and distal part of the knee, excluding the lower leg, while there were significant differences between the former and the upper leg. This was considered to represent changes in acceleration transmission or impact at the upper leg as a boundary. Furthermore, the marked acceleration observed in the anteroposterior and cephalad directions in regions more distal than the knee indicated a close association of joint movements to absorb impact at the knee joint. As a future challenge, it may be necessary to examine the relationship between joint movements and impact from the perspective of mechanical energy, such as measuring the joint penetration force, joint moments, and power/work involving each joint. Key words: acceleration, landing, impact, impact absorption 1 新潟医療福祉大学大学院医療福祉学研究科東名ブレース株式会社 3 インターリハ株式会社 4 株式会社メディックス 5 日本歯科大学新潟生命歯学部 [ 責任著者及び連絡 ] 杉山久晃新潟医療福祉大学大学院医療福祉学研究科新潟県新潟市北区島見町 ham14@nuhw.ac.jp 投稿受付日 :17 年 11 月日掲載許可日 :18 年 1 月日 43

2 要旨身体のどの部分が衝撃吸収に貢献しているのかを明らかにし同時にどの部分の負担が大きいのかを解明するため衝撃による加速が全身をどのように伝搬するのかを加速の大きさおよび各成分によって分析した被験者は健常成人名女性名および男性 4 名とした計測動作は高さcmの台からの飛び降り動作とし計測機器は赤外線カメラ15 台を含む三次元動作解析装置と床反力計 4 台を用いたから頭部におけるカ所の加速最大値を算出したその結果着地時に生じた加速の足部から頭部にかけての伝搬において加速は有意に減少 p<.1 した各部の加速を見ると膝関では大きな加速が生じていた膝関以下においては特に前後方向および上方向への大きい加速が生じておりこれは膝関にて衝撃を吸収するための関運動が大きく関与していると考えた今後の課題として関運動と衝撃の関係を言及するためには体間浸透力関モーメントや各関周りの仕事率仕事といった力学的エネルギーによる評価も必要である Ⅰ はじめにランニングやジャンプなどの動作において足が地面に着地する際大きな衝撃が生じるこうした動作時には必ず大きな加速が生じる加速とは単位時間当たりの速の変化量である 1 衝撃とは短時間に大きな力が加わることと考えられるが力が加われば加速が生じるので衝撃とは短時間に大きな加速が生じることと同義と考えられる衝撃をミクロに見れば衝突端に加速が生じその加速が物体中を伝搬する身体への衝撃を評価する過去の研究では関角関モーメント関モーメントによる力学的仕事筋によるエネルギーの発生と吸収に相当する以下関のした仕事筋活動体重心の加速足底圧等に着目している成相らは台高 15cm 以上からの片脚リバウンドドロップジャンプにおいて矢状面における関のした負の仕事エネルギーの吸収量は足関がよりも 5 倍以上大きいと報告している藤井ら 3 はバレエ経験者と未経験者におけるジャンプ着地時の衝撃の比較を体幹加速および膝屈曲角から行っており膝を屈曲するほど体幹加速が減少すると報告している小野崎ら 4 は体幹加速と荷重値の相関関係を加速計と足底圧計を用いて調べており Y 軸およびZ 軸加速と荷重値に有意な相関関係があると報告している徳永ら 5 は台 cmからの着地動作に関して筋電図情報を取り入れた最適化手法により推定された筋張力を膝関モデルに入力することでACL 張力負荷の算出をしているその他にも膝関の衝撃については特に表 1 被験者情報性別年齢身長質量被験者 A 女性歳 153cm 51kg 被験者 B 女性歳 4cm 44kg 被験者 C 男性 1 歳 18cm 8kg 被験者 D 男性 1 歳 179cm 58kg 被験者 E 男性 4 歳 17cm 1kg 被験者 F 男性歳 17cm 1kg ACL 損傷に関連した研究 5 7 や半月板の衝撃吸収機構に関して調べた研究 8 が行われているまた各体に衝撃がどのように伝搬しているのか調べた研究として宮崎ら 9 は平地歩行動作において踵骨隆起内果脛骨粗面大転子に加速計を装着し足関固定群および自由群における減衰率を比較しており足部および足関での緩衝効果が大きいと報告している身体運動中に生じる衝撃から脳や視覚系平衡神経系を保護するために筋骨格系が協調運動をするものと考えられるがこの観点から衝撃による加速が全身をどのように伝搬するかを分析した研究は見当たらない全身を加速が伝搬するメカニズムを明らかにすることで身体のどの部分が衝撃吸収に貢献しているのかが明らかになり同時にどの部分の負担が大きいのかが解明できると考えられるそこで本研究では着地動作に着目し着地時に足部で生じた加速が全身をどのように伝搬するかを計測し考察した Ⅱ 方法 1 被験者被験者は研究内容を説明し同意を得られた健常成人名女性名および男性 4 名とした表 1 計測手順被験者には身体と密着するアスレチックシャツ及びショートパンツを着用してもらった臨床歩行分析研究会が勧めるマーカーのつけ方を参考にし 1 赤外線反射マーカーを被験者の身体に頭部 4 ヶ所左右前頭部左右後頭部両肩峰両肘頭橈骨茎状突起と尺骨茎状突起の中点右上後腸骨棘両中心上前腸骨棘と大転子を結んだ遠位 1/3の位置両膝関中心骨顆部の高さで膝蓋骨を除いた前後径の中点両外果両足趾の第 4 MP 関中心関裂隙足背部の合計 19ヶ所に貼付した最初に赤外線反射マーカーを貼付した状態で被験者の静止立位を 5 秒間計測した次に高さcmの台からの飛び降り動作を 7 回計測したなお台の高さ cmは15cm~3cm 台を用いている行研究を参考に 44

表から頭部にかけての加速の減少傾向 Spearmanの順位相関係数による検定結果 **:p<.1 *:p<.5 大きさ左右混合前方向後方向上方向下方向被験者 A -.84** -.79** -.79**.755** -.49 -.17 被験者 B -.91** -.797** -.7*.944** -.888** -.3 被験者 C -.944** -.881** -.783**.

3 表から頭部にかけての加速の減少傾向 Spearmanの順位相関係数による検定結果 **:p<.1 *:p<.5 大きさ左右混合前方向後方向上方向下方向被験者 A -.84** -.79** -.79**.755** 被験者 B -.91** -.797** -.7*.944** -.888** -.3 被験者 C -.944** -.881** -.783**.79** -.77** 被験者 D -.958** -.8** -.818**.97** -.811** -.49 被験者 E -.881** -.83** -.755**.99** -.4** 被験者 F -.958** -.85** -.9**.93** -.853** -.77* 設定した,5 台からの離地は台の上に足底が接地したまま前へ倒れるよう指示をしたこれは飛び降り時の高さが変動しないように可能な限り上方へ飛ばないようにするためである着地は床反力計からはみ出さないよう台の近くに飛び降りるよう指示をした着地後は下肢を伸展させ上体を起こし可能な限り静止するよう指示をしたこの一連の動作中手は胸元で交差して体から離さないようにし上肢に生まれる加速を最小限にした動作を計測するにあたって床反力計を計 4 枚使用し台は左右踏み分けることができるようにした図 1は床反力踏み分けの様子を示した飛び降り動作時のストロボ映像である 3 計測機器動作計測には赤外線カメラ15 台を含む三次元動作解析装置 VICON MX:Oxford Metrics 社製と床反力計 4 台 OR--:Advanced Mechanical Technology 社製を使用した赤外線カメラのサンプリング周波数は1Hz 床反力計のサンプリング周波数は1Hzとした 4 計算とデータの処理方法得られたデータから解析用プログラミングソフトウェア Body Builder を用いて処理を行った端はマーカーをつけにくいので外果とMP 関中心マーカーから外挿して計算した着地の.5 秒前から着地後の静止立位までの両側の足部の重心踵足関中心部重心膝関中心部重心中心および骨盤重心重心体幹重心頭部重心の加速を計算したなお着地時期は床反力データより判断したそこから得られた加速の大きさおよび各成分の計測区間内における最大値を求め平均値を算出した同区間における膝関の最大屈曲角の平均値も算出した上記にて計算した加速の最大値に対しては以下の統計解析を行った加速がから頭部にかけて順に減衰していく様子を確認するために被験者ごとに各部位の加速最大値に対してSpearmanの順位相関係数による検定を行った膝関とその遠位および近位の部位にあたる部および部との加速の差を検定するためにSteel 法による検定を行った Spearmanの順位相関係数は有意水準 1 % および 5 % Steel 法は有意水準 5 % とした 5 倫理本研究は新潟医療福祉大学倫理委員会の承認許可 No: を得て行ったまた本研究はヘルシンキ宣言に則っており実験開始前に被験者に本研究内容を口頭と書面にて十分に説明し同意を得た上で行われた Ⅲ 結果 1 膝関最大屈曲角被験者人の膝関最大屈曲角の平均値は 55.4 であり標準偏差は. であった図 1 飛び降り動作時のストロボ映像から頭部にかけての減衰加速の減衰傾向を見るために行ったSpearmanの順 45

4 位相関係数による分析結果を表に示す表に関して相関係数を示し有意差が見られなかった被験者および成分においては空白で示している足部から頭部にかけての加速の大きさは被験者全員において減衰 p<.1 していた他成分においても上方向および下方向の一部を除き危険率 5 % および 1 % にて減衰して加 1 速 * 足部踵足関膝関加 - -4 速足部踵足関膝関 -.88 * -.5 * 骨盤体幹頭部図各部加速大きさの最大値が減少していく様子 Steel 法による検定結果膝関と部部の対比較 *:p<.5 図 5 各部加速後方向の最大値が減少していく様子 Steel 法による検定結果膝関と部部の対比較 *:p<.5 1 加速 * 加 1 速足部踵足関膝関足部踵足関膝関図 3 各部加速左右混合成分の最大値が減少していく様子 Steel 法による検定結果膝関と部部の対比較 *:p<.5 図各部加速上方向の最大値が減少していく様子 Steel 法による検定結果膝関と部部の対比較 *:p<.5 加 1 速 8 4 足部踵足関 * 膝関加 - -4 速足部踵足関膝関図 4 各部加速前方向の最大値が減少していく様子 Steel 法による検定結果膝関と部部の対比較 *:p<.5 - 図 7 各部加速下方向の最大値の傾向 Steel 法による検定結果膝関と部部の対比較 *:p<.5 4

5 いた 3 各部加速の最大値の他部位との比較各部加速の最大値がから頭部にかけて減少していく様子を図 7 に示す図 7 に関して縦軸は加速で単位はジー : 重力加速であり横軸はから頭部にかけて順に部位名が記載してある被験者名各々の値および名の平均値の値を表記したまた膝関と部および部の加速の比較に関してSteel 法による検定統計量を図 7 中に示す図の各部加速大きさ最大値の膝関と部および部との比較では膝関と部において有意に差があった p<.5 左右方向図 3 前方向図 4 後方向図 5 の結果も同じ傾向があったまたから頭部にかけての加速の減衰に関してはを1% とすると頭部では加速の大きさで5.% 左右方向にて.5% 前方向にて17.4% 後方向にて 7.7% 上方向にて34.3% であった下方向については部分でも非常に小さな値であり, 頭部では逆に 117.3% と増加していた Ⅳ 考察 1 から頭部にかけての加速の減衰加速の大きさの最大値を見た際全ての被験者においてから頭部にかけて加速は減衰 p<.1 していた表足部から頭部にかけての加速は 5.% に減衰していたこれは着地時に生じた加速がから頭部にかけて伝搬していきその途中で徐々に減少していることを示しているこの結果から頭部に大きい加速が生じないように足部から頭部に至る経路において何らかの機能で加速を吸収していると考えられる次の項から詳細を考察する着地時における踵の加速今回指示した飛び降り動作は台上から上へ飛びあがらず足底を限界まで接地させて前に倒れるようにし降りてもらう方法であった落下途中にてすべての被験者において足部を底屈させる傾向が見られたその結果最初にが接地したにて約 11ともっとも大きい加速が生じた図は落下から接地しその位置に固定されることで特に後上方向に大きい加速が生じたと考えられた図 5 次に踵が接地しその直後は接地したまま踵が跳ね上がる傾向が見られたなお踵が跳ね上がっている最中は接地したままであった踵の前方向の加速はが接地しているためと同程の 3.8の加速が生じていた図 4 踵は接地後の跳ね返りにより上方向に.7と非常に大きい加速が生じていた図宮崎ら 9 は平地歩行時において踵で受けた衝撃は足部および足関部での緩衝が大きいと報告している本研究においても踵部と足関部において似た傾向が見られた図平地歩行動作では踵が最初に接地するのに対し着地動作ではが最初に接地するが初期接地の時点ではまだ足部重心足関部の動きは継続していることから足部周辺での衝撃緩衝効果もあることが推察できる 3 膝関運動と加速藤井らの研究では3cm 台からのドロップジャンプにて膝関はバレエ未経験者にて平均 71.9 屈曲すると報告しており同様に根地嶋ら 11 も3cm 台からのドロップジャンプにて膝関 3.9 屈曲が見られたと報告している本研究では膝関は平均 55.4 屈曲であるがこれは台の高さがcmであり低いことが影響していると思われ膝屈曲角は妥当だと考えられる藤井ら 3 は膝を屈曲するほど体幹加速が減少するという報告しており Elvin et al. は着地時の膝関屈曲角が大きいほど床反力は小さいと報告していることから膝関屈曲運動は衝撃吸収のために行われると考えられる膝関部の前後方向の加速に着目すると前方向最大値は約 4.7 図 4 後方向最大値は約-.9 図 5 算出されているまず前方向の加速は着地時に足部の位置が固定され膝屈曲動作を行い膝関が前方へ移動するため算出されていると考えられるまた前項にて述べた踵の跳ね上がりも膝を前方に移動させるためにが前傾したことによって生じたと考えられる後方向への加速は台から前方へ飛び降りる動作から前方移動を止めるための加速として大きい値が算出されたと考える特筆すべきはから頭部にかけて順に加速が減衰している中で部から膝関にかけて加速が増大し膝関から部に加速が伝搬する際に大きい減衰が見られることである図各成分を詳しく見ても左右方向図 3 前方向図 4 後方向図 5 の結果にて同じ傾向がある筆者らは当初加速は頭部にかけて徐々に右肩下がりに減衰していくと考えていたがそれとは異なる結果となったこのことから体はより頭部に近い体の衝撃を吸収するために自身の加速を大きくする場合もあることがわかったこれを図 8のモデルで考察する身体を 3 つの体の連続体とみなし下部からFの力が加わったとする F などはベクトル表記また各体の重心には常に体の質量に重力加速を乗じた重力 Fgが加わっている 47

6 F1 F において加速は1/4に減衰していたこれは頭部に大きい加速が生じないように頭部以下の関が加速を吸収しているためだと考えられた特に膝関部分の運動が衝撃を吸収するために大きく貢献していると推測した今後は加速の評価に加えて各関周りの仕事率仕事といった力学的エネルギーによる評価を加えることで身体の衝撃吸収のメカニズムをより明らかにしたいと考える F1 Fg 図 8 体間浸透力 F1を説明する概念図 Fの力を受けた最初の体はその上端から隣の体に F1の力を伝達するこの際最初の体は反作用 F1 の力を受ける最初の体の質量をm1とするとニュートンの運動方程式より F + F1 +Fg=m1 最初の体の加速したがって F1=-F1 =F+Fg m1 最初の体の加速となり上位の体にはもとの力 Fから最初の体の加速に比例した力を減じた力 F1が伝達されることになるなおFとFgはベクトル表記なので和になっているが重力 Fgは下向き Fは上向きなので Fからはさらに重力を減じたものがF1となるこのようにF がもとになって通常はこれより小さな力 F1が上部に伝達されていくこれが体間浸透力であるこの力が上位の体に加速を生じさせることになるこのように力が減衰すれば加速も減衰することになるその経路の途中で質量の大きな体が大きな加速を生む状態を作れば減衰はより大きくなるこのようにに生じた加速が徐々に減じて頭部では1/4に減衰したがその間特に膝関から部にかけて加速が有意に減衰する様子が示された図 5 同時にこれにより膝関部分に大きな負担がかかっていることが推測されたそのため障害予防などの運動療法にあたって膝関運動本研究では言及できないが特に遠心性収縮の重要性があらためて確認できたといえる Ⅴ まとめ着地時に生じた加速の足部から頭部にかけての伝搬参考文献 1 金子公宥, 福永哲夫 : バイオメカニクス身体運動の科学的基礎. 杏林書院,119,4. 成相美紀, 白木仁, 吉田成仁 : 台高の異なる片脚リバウンドドロップジャンプのバイオメカニクス的分析, 日本臨床スポーツ医学会誌,3 :5-,15. 3 藤井絵里, 浦辺幸夫, 山中悠紀ら : ジャンプ着地時の体幹加速と膝屈曲角から見るバレエダンサーと未経験者の違い, 体力科学, 1 : , 小野崎彩可, 小川美也子, 新田潮人ら : 歩行により生じる加速と荷重値の関連 - 3 軸加速計と足圧分布計を用いて-, 理学療法学,3 :93-97,15. 5 徳永由太, 江原義弘, 田中悠也ら : 矢状面膝関モデルを用いた着地動作時に生じる膝前十字靱帯張力負荷の推定, 理学療法科学, 4 :499-55, 11. Kernozek TW, Ragan RJ:Estimation of anterior cruciate ligament tension from inverse dynamics data and electromyography in females during drop landing, Clin Biomech, 31:79-8, 8. 7 櫻井好美, 石井慎一郎, 前田眞冶 : 両脚着地動作における膝関角の男女差と前十字靭帯損傷, 理学療法科学,7 4 :41-44,. 8 森浩二, 浅原明, 池内健ら : 膝半月板の衝撃吸収機構に関する研究, 日本臨床バイオメカニクス学会誌,19:87-91, 宮崎憲一郎, 志波直人, 井上明生ら : 平地歩行時にかかる衝撃の下肢荷重関部での緩衝について, 日本臨床バイオメカニクス学会誌,1:447-45, 臨床歩行分析懇談会編 : 歩行データインターフェイスマニュアル, 歩行データフォーマット標準化提案書改訂版, 日本,41-4,

7 11 根地嶋誠, 浦辺幸夫, 横山茂樹 : 片脚および両脚着地時の下肢関角と筋活動, 理学療法科学,3 3 : ,8. Elvin N, Elvin AA, Arnoczky SP, Torry MR: The correlation of segment accelerations and impact forces with knee angle in jump landing, J. Appl. Biomech, 3 3 :3-, 7. 49

い膝関節間距離が変化することから, 膝足比率と同等の意味を有し, 片脚で計測可能な指標であるため, 3D 膝外反角度および 3D 膝外反モーメントを検出するために有用な二次元的指標の一つになるのではないかと考える. 本研究の目的は,DVJ における 3D 膝外反角度および 3D 膝外反モーメ

い膝関節間距離が変化することから, 膝足比率と同等の意味を有し, 片脚で計測可能な指標であるため, 3D 膝外反角度および 3D 膝外反モーメントを検出するために有用な二次元的指標の一つになるのではないかと考える. 本研究の目的は,DVJ における 3D 膝外反角度および 3D 膝外反モーメデジタルビデオカメラを用いた二次元的指標による膝前十字靱帯損傷リスクの検討馬場周 < 要約 > 女性の drop vertical jump(dvj) 中の膝外反角度およびモーメントの増加は膝前十字靱帯損傷リスクとされている. 二次元的指標の一つである膝関節足関節距離比率 ( 膝足比率 ) は, 三次元動作解析による (3D) 膝外反角度およびモーメントとの間に相関関係があるとされているが, 片脚ごとの計測はできない.

新潟医療福祉会誌 17( 2 )43 49 [ 原著論文 ] 着地時に生じる各体節の加速度の伝搬 1),2 杉山久晃 ), 江原義弘 1), 霜鳥大希 3), 笹岡耕陽 4) 5), 神田星衣来 キーワード : 加速度, 着地, 衝撃, 衝撃吸収 Acceleration propagation t

新潟医療福祉会誌 17( 2 )43 49 [ 原著論文 ] 着地時に生じる各体節の加速度の伝搬 1),2 杉山久晃 ), 江原義弘 1), 霜鳥大希 3), 笹岡耕陽 4) 5), 神田星衣来キーワード : 加速度, 着地, 衝撃, 衝撃吸収 Acceleration propagation t