理学療法科学 23(1):55 60,2008 原著身体重心の左右変動に基づく歩行の動的安定性評価 Evaluation of Gait Stability Based on Variability of Medio-Lateral Motion of the Center of Mass 下田隼

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なごみしもとり
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1 理学療法科学 23(:55 60,2008 原著身体重心の左右変動に基づく歩行の動的安定性評価 Evaluation of Gait Stability Based on Variability of Medio-Lateral Motion of the Center of Mass 下田隼人佐藤春彦 2) 鈴木良和 HAYATO SHINODA, PT, HARUHIKO SATO, PhD, PT 2), YOSHIKAZU SUZUKI, PT Graduate School of Medical Science, Kitasato University 2) Department of Allied Health Sciences, Kitasato University: Kitasato, Sagamihara, Kanagawa, , Japan. TEL Rigakuryoho Kagaku 23(: 55 60, Submitted Jun. 26, Accepted Aug. 15, ABSTRACT: The purpose of this study was to investigate an index based on the trajectory of the center of mass (COM) to determine whether it could distinguish between stable and unstable gaits. Eleven healthy males volunteered for this study. To generate an unstable gait condition, we used a separated-belt treadmill. The treadmill belt could be driven at the same speed (stable condition) and at different speeds (unstable condition). In the stable condition, the subjects walked at slow (1.0 km/h), normal (2.5 km/h), and fast (5.0 km/h) rates. In the unstable condition, the subjects were perturbed by randomly decelerating and accelerating one side of the walking belt (0.1 km/h km/h). Lateral sway of COM and stride time were calculated from the trajectory of COM in the frontal plane, and these values were compared between the stable and unstable gait conditions. The result was that coefficient of variation and standard deviation of lateral sway and stride time increased significantly only in the unstable gait condition, while the values were not influenced by gait speed changes between the three stable gait conditions. The results suggest that the trajectory of COM could be used to indicate the stability of the gait, in terms of both spatial and temporal factors. Key words: dynamic stability, treadmill, coefficient of variation 要旨 : 本研究では, 身体重心の軌跡の変動に基づき, 歩行時の動的安定性を直接数値化し, それが安定した歩行と不安定な歩行を明確に区別できるかを検討した対象は健常成人男性 11 名とした歩行条件としては, トレッドミルを利用した低速度 (1.0 km/h), 中速度 (2.5 km/h), 高速度 (5.0 km/h) での定常歩行 3 条件 ( 安定歩行条件 ) と, トレッドミルのベルト速度を加減速 ( km/h) させ, 身体のふらつきを誘導した不安定歩行条件の計 4 条件とした歩行安定性の評価として, 前額面上における身体重心の軌跡から,1 歩行周期毎の身体重心左右動揺幅と1 歩行周期時間それぞれの平均値, 標準偏差, 変動係数を求めたその結果, 身体重心左右動揺幅と1 歩行周期時間の標準偏差および変動係数は, 安定歩行条件下では歩行速度間で有意な差を認めなかったのに対し, 安定歩行条件と不安定歩行条件の間には有意な差を認めた以上より, 身体重心軌跡の左右変動は, 歩行の不安定さを直接的に表す指標となる可能性が示唆されたキーワード : 動的バランス, トレッドミル歩行, 変動係数北里大学大学院医療系研究科 2) 北里大学医療衛生学部 : 神奈川県相模原市北里 ( ) TEL 受付日 2007 年 6 月 26 日受理日 2007 年 8 月 15 日

2 56 理学療法科学第 23 巻 1 号 I. はじめに歩行中の動的安定性を把握することは, 歩行自立度の決定に不可欠なものである理学療法士は, 歩行に障害がある患者に対して, 一人で安全に歩ける自立レベルとするか, つまずき, 転倒の可能性を考慮し, 歩行時に監視者を付き添わせる要監視レベルとするのかの判断を求められることがあるそして, たいていの場合その判断に基づき病棟や施設内での移動手段や移動範囲が決められるこのような歩行自立度の判断には客観的な指標がなく, 理学療法士の経験に則した主観的なものになりやすいそのため, 自立レベルの患者が, 理学療法士の過小評価により要監視レベルと判断され, 監視者と一緒に歩くように指示されかねないそのような判断は確かに安全ではあるが, 活動の抑制につながるまた, 逆に, 要監視レベルの患者が, 理学療法士の過大評価により自立レベルと判断され, 一人で歩くように指示されることも考えられるその場合, 患者が単独で歩き, 転倒してしまう事態も起こりうるこのような誤った判断を回避するためには, 歩行の安定性を客観的に表す指標が必要である歩行の安定性に関する研究としては転倒との関係を探るものが多い転倒と歩行速度との関係を調べた研究では, 歩行速度が遅いものは転倒しやすいとの報告が 2,3), 転倒とTimed up and go testとの関係では,timed up and go testの遂行時間が長いものほど転倒しやすいとの報告がある 4,5) しかしながら, 歩行速度やTimed up and go testの遂行時間で安定性を判断するのは無理があると考えるなぜならば, 歩行速度や動作の遂行時間は, 歩行の力学的な安定性を直接的に表したものではなく, 間接的に表したものだからであるそのため, 異常歩行を呈する者とそうでない者が同じ歩行速度で歩いている場合は, 両者とも同じ安定性を有すると判断されてしまうという問題がある転倒経験者の運動学運動力学的特徴について, 転倒経験のある高齢者は, 転倒経験のない高齢者に比べて, 立脚期の股関節屈曲モーメントの増加, 遊脚期前の股関節伸展モーメントと膝関節屈曲モーメントの減少が見られること 6), 歩隔が増大すること 7,8) が報告されているしかし, こうした特徴が見られることが安定性を欠いた歩行であるとは言い難いむしろ, 転倒経験者の特徴は安定性を確保するための適応である可能性が高い遊脚期前の股関節伸展モーメントと膝関節屈曲モーメントの減少は, けり出し不十分による歩幅の減少や歩行速度の減少に通じるし, 歩隔の増大は支持基底面の拡大に通じる以上のように, 転倒経験者の特徴を明らかにしても, それは不安定さを代償しようとした結果である可能性もあり, 一概に不安定さを示す指標とはなり得ない動的な安定性を直接表す取り組みとして, 身体重心の変化に着目した研究がある 9,10) Leeら 9) は, 前額面における足底圧中心からの鉛直線と, 足底圧中心と身体重心を結ぶ線がなす身体重心傾斜角度により歩行の動的安定性を数値化し, 転倒を経験した高齢者が障害物をまたぐ際の前額面上の身体重心傾斜角度は, 転倒未経験高齢者のそれに比べて大きいことを示したしかし, 彼らが指標とした身体重心傾斜角度の測定には, 三次元動作解析装置と床反力計が必要であり, 測定機器が高価であることと, 操作が煩雑であることから, 臨床への浸透性は薄い Kayaら 10) は, 歩行における身体重心運動量による安定性の数値化を試み, 前庭機能低下症の高齢者は健常高齢者に比べ, 歩行中の左右方向への身体重心運動量が増加することを示したこちらの方法は床反力計を必要としないだけ臨床に適用しやすいしかしながら, 運動量の算出において, 身体重心位置の変位を微分して身体重心速度を求めるので, 微分ノイズを避けるために高精度の三次元動作解析装置が必要であるそこで, 本研究では身体重心の変化を比較的簡便に定量化する試みを行った身体重心は,1 歩行周期中の左右動揺幅が, 変形性股関節患者, 脳血管障害患者において健常者と比較して大きいことが報告されている 1 また,1 歩行周期時間が, 転倒経験のある高齢者において, 転倒経験のない高齢者に比べ延長することも報告されている 12) よって, 身体重心軌跡の振幅と周期に着目し, 身体重心左右動揺幅の平均値と標準偏差, ならびに変動係数で不安定さの評価を試みた本研究の目的は, 歩行時の動的安定性を身体重心軌跡の振幅周期の変化で直接数値化し, それが安定した歩行と不安定な歩行を明確に区別できるかを検討することである II. 対象と方法対象は運動器疾患および, 神経学的疾患を有さない健常成人男性 11 名 ( 平均年齢 21.5±2.1 歳, 平均身長 ±5.0 cm, 平均体重 61.0±5.0 kg, 平均 BMI 21.0±1.9) とした測定を実施するに当たり, 本研究の目的と方法, 参加することで受ける利益と不利益などについて書面及び口頭で説明し, 書面にて同意を得たうえで実験を行った計測に先立ち, 対象者には同メーカー, 同規格の陸上

3 身体重心の左右変動に基づく歩行の動的安定性評価 57 図 1 赤外線発光マーカ貼付位置 : 赤外線発光マーカ.1: 頭頂,2: 肩峰,3: 大腿骨大転子,4: 膝裂隙外側,5: 外踝,6: 第 5 中足骨骨頭. 図 2 三次元動作解析装置と両側分離型トレッドミルの位置 A: 三次元動作解析装置,B: 両側分離型トレッドミル. 競技用ランニングシャツ, 陸上競技用ランニングショートタイツ, 競泳用スイミングキャップ, 運動靴を着用させた身体重心位置の計測のため, 赤外線発光マーカを対象者の頭頂, 両側肩峰, 両側大腿骨大転子, 両側膝裂隙外側, 両側外踝, 両側第 5 中足骨骨頭の計 11 点に貼付した ( 図頭頂, 両側大腿骨大転子, 両側第 5 中足骨骨頭の赤外線発光マーカは身体に密着した服または運動靴の上に, また, 両側肩峰, 両側膝裂隙外側, 両側外踝は皮膚上に両面テープでしっかり貼り付けた歩行中の各赤外線発光マーカ位置は三次元動作解析装置 (OPTOTRAK 3020,Northern Digital 社製 ) を用いサンプリング周波数 120 Hzにて計測した三次元動作解析装置は対象者の後方に設置した ( 図 2) 歩行条件を整えるため, 本研究では対象者を両側分離型トレッドミル (PW21, 日立製作所社製 ) 上で歩かせたトレッドミルは, 安定歩行条件として, 左右のベルト速度を揃えた低速度 (1.0 km/h), 中速度 (2.5 km/ h), 高速度 (5.0 km/h) の3 条件を設定した不安定な歩行条件として, 左右のベルト速度を1 秒間隔で km/ hの範囲でコンピューター制御によりランダムに加減速させた1 条件を設定した歩行中は対象者に正面を注視させ, 上肢の振りで, 大腿骨大転子に貼付した赤外線発光マーカが隠れるのを防ぐため, 両上肢は胸の前で組むよう指示した上肢の抑制による歩行中の身体重心への影響は少ないとされている 13) 測定は対象者が設定した条件での歩行に慣れた後 10 秒間記録した試行は各条件 3 回とした計測した位置座標はBryantのフィルタを用いて, 遮断周波数 6 Hzにて平滑化した 14) 赤外線発光マーカ位置で区切られた8 体節 ( 頭部, 体幹, 両大腿部, 両下腿部, 両足部 ) を剛体リンクモデルとみなし, 質量分布の推定値 15) より各体節の重心位置を算出した後, 各体節の重心を合成し身体重心位置とした計測された歩行中の身体重心の左右方向の軌跡をもとに, 左側への最大変位点から次の左側最大変位点までを1 歩行周期時間とし, その1 歩行周期中の左側最大変位点と右側最大変位点の差を身体重心左右動揺幅とした ( 図 3A) 身体重心の水平面状での移動量は, 対象者の身長の影響を受けるため 16), 身体重心左右動揺幅を各対象者の身長で除した 1 歩行周期時間と身体重心左右動揺幅を10 秒間で計測された波形全てにおいて算出し, その3 試行分の平均値と標準偏差を各個人の代表値としたまた, その標準偏差と平均値の比である変動係数 (Coefficient of variation: CV 値 ) も算出したさらに, 歩行中の歩隔を調べるため, 両側外踝に貼付された赤外線発光マーカ間の距離を算出し, 歩行 10 秒間における平均値を個人の歩隔の代表値とした歩行条件間において, 身体重心左右動揺幅と1 歩行周期時間の平均値, 標準偏差, 変動係数, そして歩隔の平均値に差があるかを一元配置分散分析 (Analysis of

4 58 理学療法科学第 23 巻 1 号 variance: ANOVA) で検定した ANOVAで有意差が認められた場合,Scheffeの方法による多重比較を行った有意水準は危険率 5% 未満とした統計処理には統計解析ソフト (SPSS 15.0J for Windows,SPSS Japan 社製 ) を使用した図 3 各歩行条件における身体重心軌跡の 1 例 A: 低速度 ;t 1 から t 4 は 1 歩行周期時間を,a 1 から a 4 は身体重心左右動揺幅を示す.B: 中速度,C: 高速度, D: ランダム速度. 縦軸は,+ 側を進行方向に対して左側,- 側を進行方向に対して右側とした. III. 結果身体重心左右動揺幅と1 歩行周期時間の標準偏差および変動係数は不安定歩行と安定歩行を明確に分けていた以下にその詳細を述べる各歩行条件における左右方向の身体重心軌跡の1 例を図 3に示す 3 条件それぞれの安定歩行では, 歩行速度の増加と共に身体重心左右動揺幅が減少したまた,1 歩行周期時間も, 歩行速度の増加と共に短縮した不安定歩行では,10 秒間の歩行中の身体重心左右動揺幅,1 歩行周期時間共に不規則であった対象者全体でまとめた身体重心左右動揺幅および1 歩行周期時間の平均値, 標準偏差, 変動係数を表 1に示す安定歩行の3 条件に対して, 不安定歩行が有意に高値を示した指標は, 身体重心左右動揺幅および1 歩行周期時間の標準偏差と変動係数であった (p<0.00( 表さらに, これらの指標は, それぞれの安定歩行において, 歩行速度毎の標準偏差, 変動係数を比較しても有意差を示さなかった安定歩行において身体重心左右動揺幅の平均値は, 歩行速度が速い条件ほど低値を示す傾向があり,1 歩行周期時間の平均値は歩行速度が速い条件ほど有意に低値を示した (p<0.0( 表また, 身体重心左右動揺幅および1 歩行周期時間の平均値は, 不安定歩行と中速度歩行で有意差を示さなかった ( 表歩隔に関して, 低速度歩行, 中速度歩行, 高速度歩行, 不安定歩行の順に,20.5±3.4 cm,19.3±3.9 cm,20.2 ±3.5 cm,23.3±3.6 cmであった安定歩行 3 条件に対して不安定歩行では, 歩隔が広かったが有意差は認められなかった表 1 身体重心左右動揺幅と 1 歩行周期時間における各歩行条件の比較低速度中速度高速度ランダム速度身体重心左右動揺幅平均値 ± abc ± ± a ± 標準偏差 ± a ± a ± a ± 変動係数 (%) ± 3.81 a ± 1.74 a ± 4.83 a ± 歩行周期時間平均値 (sec) 1.53 ± 0.30 abc 1.10 ± 0.10 b 0.84 ± 0.06 a 1.14 ± 0.11 標準偏差 (sec) 0.10 ± 0.06 a 0.05 ± 0.01 a 0.05 ± 0.01 a 0.28 ± 0.09 変動係数 (%) 6.43 ± 3.15 a 4.57 ± 1.00 a 5.84 ± 1.21 a ± 7.43 平均値 ± 標準偏差 a:p<0.05 対ランダム速度,b:p<0.01 対高速度,c:p<0.001 対中速度

5 身体重心の左右変動に基づく歩行の動的安定性評価 59 IV. 考察安定歩行 3 条件全てに対し, 不安定歩行で有意に高値を示した指標は, 身体重心左右動揺幅および1 歩行周期時間の標準偏差と変動係数であったまた, これらの指標は, 安定歩行 3 条件における歩行速度間で有意差を示さなかったこれは, 身体重心左右動揺幅と1 歩行周期時間の標準偏差と変動係数が, 歩行速度の影響を受けず安定歩行と不安定歩行を分けたことを示している身体重心左右動揺幅と1 歩行周期時間の平均値は歩行速度に依存し, 安定歩行条件下で歩行速度の増加に伴い有意な減少を示した身体重心左右動揺幅と1 歩行周期時間の速度依存性は他の研究者からも報告されている前者に関しては,Orendurffら 17) が, 歩行速度の増加に伴い身体重心の左右動揺幅が減少することを示し, また, 後者に関しては, 村田ら 18) が, 歩行速度の増加に伴うステップ時間の短縮を報告している以上の研究は, トレッドミル歩行でなく平地歩行に基づくことから, 今回の結果が, トレッドミル歩行という条件で見られた特殊なものではないと考えられたよって, 身体重心左右動揺幅と1 歩行周期時間の平均値は, その歩行速度依存性のため, 歩行の安定性を見極める指標として用いるのは難しいと考えられた 1 歩行周期時間の変動性を表す標準偏差と変動係数は, 歩行速度に依存せず安定と不安定とを明確に分けていた歩行時間の変動性について注目したHausdorffら 12) は, 転倒経験のある高齢者とない高齢者を比較し, 転倒経験のある高齢者では1 歩行周期時間の変動係数が増加したことを報告している転倒経験を有する者は変動係数が高値を示すという結果は, 本報告の不安定歩行条件が安定条件より高い変動性を示した傾向と通じるただし,Hausdorffら 12) は6 分間という長い歩行時間における変動性を見ているのに対し, 本報告では10 秒間という短い時間で見ている今回, 短い時間でも安定条件と不安定条件で差が確認できたのは, 不安定な歩行条件を人工的に作り出し, 不安定さを強調したことが影響していると考える時間的な変動で不安定さを表す場合は, Hausdorffら 12) が行ったように, 長い時間間隔で見る必要があるかもしれない一方, 空間的な変動性を表す身体重心左右動揺幅の標準偏差と変動係数も, 歩行速度に依存せず安定と不安定とを分けていた身体重心左右動揺幅の平均値は不安定な条件が安定な条件より大きいということはなく, むしろ, 安定条件の低速度の歩行では, 不安定な歩行より大きな値を示していたこのことから, 身体重心の動揺幅自体の大きさよりも, その動揺幅が1 歩行周期ごとにどれだけ変動するのかが, 安定不安定を見極める鍵であることが伺えた本研究では, 歩行の安定性を考える上で, 前額面上における身体重心の変動に着目した歩行における前額面上の運動の重要性についてBaubyら 19) は, 健常成人を対象に, 前額面上での動きである歩隔と矢状面上での動きである歩幅の変動性を比較したところ, 歩隔の変動性が歩幅の変動性より大きかったことを示している彼らはまた, 矢状面上での動きは下肢の骨格構造によりある程度決まり変化しにくいのに対し, 前額面上では安定を得るために足の着く位置や身体重心の左右方向への移動量を調整する必要があり, 変化しやすいことを指摘しているよって, 歩行の安定性を考える場合, 矢状面の動きよりも複雑な制御を要する前額面の動きに着目することは妥当であると考えた本研究では, トレッドミルのベルト速度を左右で変化させる外乱を利用して見かけ上ふらつきを呈する不安定な歩行を実現した上出ら 20) の報告によると, 若年者を対象に, 両側分離型トレッドミル歩行時の片側ベルト減速機能による外乱刺激に対する身体応答を調べた結果, 速度 2 km/hで歩行中の対象者に片側ベルト速度を 1 km/hに減速させる外乱刺激を与えると, 刺激直後の骨盤加速度前後成分は刺激直前のそれに比べ増加すると報告している本研究では, ベルト速度の範囲を km/hと上出らの条件設定よりも急激に変化させているので骨盤を含む体幹の前後方向の動揺を誘発していると考えられたこのように誘発される体幹の不規則な動揺を伴う歩行を不安定歩行と定義したが, この人工的な不安定歩行は, 疾患に特徴的な異常歩行を再現した訳ではないため, 臨床で見られる異常歩行をこの方法で評価し, 安定性を表現できるかは検討が必要であるただし, 不安定歩行条件で見られた変動性の増大は, パーキンソン病患者 2 や末梢神経障害患者 22) でも観察されることである本研究で用いた身体重心左右動揺幅や1 歩行周期時間の変動性で, 異常歩行の安定性を評価することも可能であろうと思われる引用文献 Brunnekreef JJ, Van Uden CJ, Van Moorsel S, et al.: Reliability of videotaped observational gait analysis in patients with orthopedic impairments. BMC Musculoskelet Disord, 2005, 6(17): ) Dargent-Molina P, Favier F, Grandjean H, et al.: Fall-related factors and risk of fracture: the EPIDOS prospective study. Lancet, 1996, 348(902:

6 60 理学療法科学第 23 巻 1 号 3) 鈴木隆雄, 杉浦美穂, 古名丈人他 : 地域高齢者の転倒発生に関連する身体的要因の分析的研究 5 年間の追跡研究から. 日老医誌,1999, 36(7): ) 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(9): ) Okumiya K, Mathubayashi K, Nakamura T: The timed up & go test is a useful predictor of falls in community-dwelling older people. J Am Geriatr Soc, 1998, 46(7): ) Kerrigan DC, Lee LW, Nieto TJ: Kinetic alterations independent of walking speed. Arch Phys Med Rehabil, 2000, 81(6): ) Gehlsen GM, Whaley MH: Falls in the elderly: part I, gait. Arch Phys Med Rehabil, 1990, 71(10): ) Nilssen RM, Helbostad JL: Interstride trunk acceleration variability but not step width variability can differentiate between fit and frail older adults. Gait Posture, 2005, 21(2): ) Lee HJ, Chou LS: Detection of gait instability using the center of mass and center of pressure inclination angles. Arch Phys Med Rehabil, 2006, 87(4): ) Kaya BK, Krebs DE, Riley PO: Dynamic stability in elders: momentum control in locomotor ADL. J Gerontol Ser A-Biol Sci Med Sci, 1998, 53(2): Iida H, Yamamuro T: Kinematic analysis of the center of gravity of the human body in normal and pathological gaits. J Biomech, 1987, 20(10): ) Hausdoroff JM, Edelberg HK, Mitchell SL, et al.: Increased gait unsteadiness in community dwelling elderly fallers. Arch Phys Med Rehabil, 1997, 78(3): ) Hanada E, Kerrigan DC: Energy consumption during level walking with arm and knee immobilized. Arch Phys Med Rehabil, 2001, 82(9): ) 土屋和夫 : 臨床歩行分析入門. 医歯薬出版社, 東京,1989, pp ) Leveau BF: Biomechanics of human motion 3rd ed. WB Saunders Company, Philadelphia, 1992, pp ) Berger W, Tripple M, Discher M, et al.: Influence of subjects' height on the stabilization of posture. Acta Otolaryngol, 1992, 112(: ) Orendurff MS, Segal AD, Klute GK: The effect of walking speed on center of mass displacement. J Rehabil Res Dev, 2004, 41(6): ) 村田伸, 忽那龍雄, 北山智香子 : 最適歩行と最速歩行の相違 GAITRiteによる解析. 理学療法学,2004, 19(3): ) Bauby CE, Kuo AD: Active control of lateral balance in human walking. J Biomech, 2000, 33(1: ) 上出直人, 大渕修一, 加倉井周一他 : 歩行時転倒刺激に対する身体反応様式について両側分離型トレッドミルによる実験. バイオメカニズム16, 東京大学出版会, 東京, 2002, pp del Olmo MF, Cudeiro J: Temporal variability of gait in Parkinson disease: effects of a rehabilitation program based on rhythmic sound cues. Parkinsonism Relat Disord, 2005, 11(: ) Gates DH, Dingwell JB: Peripheral neuropathy does not alter the fractal dynamics of stride intervals of gait. J Appl Physiol, 2007, 102(3):

Vol. No. Honda, et al.,

Vol. No. Honda, et al., A Study of Effects of Foot Bath before Exercise on Fall Prevention Yoko Honda Yoko Aso Aki Ibe Megumi Katayama Tomoko Tamaru Key Words fall prevention, foot bath, elderly, fall prevention programs Honda,

理学療法科学 23(1):55 60,2008 原著 身体重心の左右変動に基づく歩行の動的安定性評価 Evaluation of Gait Stability Based on Variability of Medio-Lateral Motion of the Center of Mass 下田隼

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