理学療法科学 21(3): ,2006 研究論文 健常成人男性の上肢運動から求めた運動耐容能評価の意義 Significance of Evaluation of Exercise Capacity in Healthy Male Subjects during Upper Limb E

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1 理学療法科学 21(3): ,2006 研究論文 健常成人男性の上肢運動から求めた運動耐容能評価の意義 Significance of Evaluation of Exercise Capacity in Healthy Male Subjects during Upper Limb Exercise 大槻桂右 KEISUKE OHTSUKI Doctoral Program, Rehabilitation Graduate School of Health Science and Technology, Kawasakiuniversity of Medical Welfare: 288 Matsushima, Kurashiki-shi, Okayama , Japan. TEL Rigakuryoho Kagaku 21(3): , Submitted Jan. 30, Accepted Apr. 28, ABSTRACT: The purpose of this study was to clarify the significance of evaluating exercise capacity during upper limb exercise. The subjects were 10 healthy adults. Anaerobic threshold (AT), VE/VCO 2 slope and TV/RR slope were measured using a portable ergometer during upper and lower limb exercises and the exercise capacity was computed. The results show the exercise capacity was significantly correlated between upper and lower limb exercises (AT, r=0.77; VE/VCO 2 slope, r=0.96, p<0.05). Upper limb exercise induced a rapid, shallow breathing pattern. These results suggest that upper limb exercise might reflect total exercise capacity and this might be a useful index for exercise capcity in patients with lower limb impairments. Key words: healthy adults, upper limb exercise, exercise capacity 要旨 : 本研究の目的は, 上肢運動による運動耐容能評価の意義を明らかにすることである 健常男性 10 名を対象に, 簡易エルゴメーターを用いて, 上肢運動と下肢運動のAnaerobic Threshold(AT) を中心に分析した 主な結果は, 上肢運動耐容能は下肢運動耐容能と有意な相関関係を認めた (AT; r=0.77,ve/vco2 slope; r=0.96,p<0.05) 上肢運動は下肢運動と比較して, 浅速呼吸になることが特徴的であった 上肢運動による運動耐容能評価の意義として, 上肢運動は全身性の運動耐容能と深く関係していることや, 下肢障害患者の上肢運動による運動耐容能評価の有用性が示唆された キーワード : 健常成人, 上肢運動, 運動耐容能 川崎医療福祉大学大学院医療技術学研究科リハビリテーション学専攻博士後期課程 : 岡山県倉敷市松島 288 ( )TEL 受付日 2006 年 1 月 30 日受理日 2006 年 4 月 28 日

2 210 理学療法科学第 21 巻 3 号 I. はじめに 数多く報告されている運動耐容能は下肢運動から求めたものが多い 1-6) 上肢運動から求めたものは数少なく 7-9), 上肢運動による運動耐容能評価は骨 関節系の理学療法分野であまり注目されていない その原因として運動耐容能評価を行った後の運動処方が, 全身運動を伴う下肢運動が中心となることが考えられる ところが実際の理学療法の臨床場面では, 疾病や外傷, 手術などにより下肢の運動制限を受けている患者が少なくない また下肢の術後患者の中で歩行練習などの移動動作練習時に息切れや易疲労感を訴えることがあり, 術後の安静臥床により運動耐容能が減少していると容易に予想できる しかし, 下肢の術後患者は関節可動域範囲や体重荷重が医学的理由から制限されており術後早期からトレッドミルなどを用いた運動耐容能評価ができない それゆえ, このような術後早期の患者に対する運動耐容能評価や運動処方が行われていないのが現状である 洲崎 6) は, 上肢機能が残存していれば, 重篤な下肢障害患者に対しても運動負荷試験は可能であり有用であると述べているが, その後上肢運動に関する報告は少なく, 上肢運動が呼吸循環系に与える影響や最良の運動負荷プロトコールなどは明確にされていない それゆえ本研究では無酸素性作業閾値 (Anaerobic Threshold; AT) や換気量と炭酸ガス排泄量の比 (Miniute Ventilation/Carbon Dioxide Production Ratio; VE/VCO 2 slope), 一回換気量と呼吸数の比 (Tidal Volume/ Respiratory Rate Ratio; TV/RR slope), 最大酸素摂取量 0 (Maximum Oxygen Uptake; VO 2 max ml/min) などの有用な指標を用いて 1, 4), 上肢運動による運動耐容能評価の意義を明らかにすることである II. 対象と方法本研究の主旨を理解した上で同意を得た健常成人男性 10 名を対象とした 対象者の年齢, 身長, 体重,BMI (Body Mass Index) は, それぞれ22.4±1.3 歳,169.2±6.1 cm,56.2±7.1 kg,19±1.4 kg/m 2 であった 運動負荷装置は簡易エルゴメーター (Monark 社製 Monark Rehab Trainer 881E) を用いた 運動負荷プロトコールは,Ramp 負荷法に準じて, 安静座位 5 分間, 準備運動を無負荷 3 分間行った後, 上肢 25ワット, 下肢 30ワットから開始し,1 分間に上肢 5ワット, 下肢 10ワットずつ増加させた ( 図 ペダル回転数が50 rpmを維持できなくなった時点で終了とした 測定肢位はペダル回転時に上肢運動時は肘関節, 下肢運動時は膝関節が楽に回転で 図 1 運動負荷プロトコールきるような肢位をとった ( 図 2-A,B) 呼気ガス測定は呼吸代謝装置 (Chest 社製,Centura- を用い, 二酸化炭素排出量 (Carbon Dioxide Output; VCO 2 ml/min), 酸素摂取量 (Oxygen Uptake; VO 2 ml/min), 換気量 (Miniute Ventilation; VE l/min), 一回換気量 (Tidal Volume; TV l/ min), 呼吸数 (Frequency; f),ve/vco 2 slope,tv/rr slope などの諸指標を求めた ATはV-slope 法 により解析した また上腕, 大腿周径を筋横断面積比率として計測し, ATとの関連を分析した 統計処理は, 解析ソフトExcel 2002 SP-2を用いて pearson 積率相関係数, ならびにt 検定を用いた 有意水準は5% 未満とした (p<0.05) III. 結果 ( ATの比較と相関関係終了時のワット数は上肢運動が70から75ワット, 下肢運動が80から100ワットであった 最大酸素摂取量は上肢運動が1,390±256 ml/min, 下肢運動が1,692±359 ml/min であり, 有意に上肢運動が下肢運動と比較して小さかった (p<0.05) 上肢運動時 AT( 上肢 AT), と下肢運動時 AT( 下肢 AT) の比較は, 上肢 ATは13.1±1.2 ml/min/kg, 下肢 ATは16.3 ±1.9 ml/min/kgであった 上肢 ATは下肢 ATの84% であり, 有意に低かった ( 表 2,p<0.05) 相関係数はr=0.77であり, 有意な相関関係を認めた ( 表 2,p<0.05) (2) 筋横断面積比率とATの関係上腕部横断面積 ( 上腕面積 ) と大腿部横断面積 ( 大腿面積 ) の横断面積比率の割合は約 1:4であった ATとの相関係数は, 上腕面積 r=0.40, 大腿面積 r=0.33であり, 有意な相関関係を認めなかった ( 表 2,p<0.05)

3 健常成人男性の上肢運動から求めた運動耐容能評価の意義 211 表 1 上肢 AT と下肢 AT の比較 上肢 AT 13.1 ± 1.2 下肢 AT 16.3 ± 1.9 相関係数 0.77* * *p<0.05 (4) ATとVE/VCO 2 slope,tv/rr slopeの関係上肢 ATと下肢運動 VE/VCO 2 slopeは相関係数 r = 0.63 であり, 有意な負の相関関係を認めた (p<0.05) 上肢 AT と下肢運動 TV/RR slopeは相関係数 r = 0.02であり, 有意な相関関係を認めなかった (p<0.05) 図 2-A 上肢運動姿勢 IV. 考 察 図 2-B 下肢運動姿勢呼吸代謝装置はセットしていない状態で撮影 (3) 上肢運動と下肢運動のVE/VCO 2 slope,tv/rr slope の関係 VE/VCO 2 slopeは, 上肢運動 20.8±4, 下肢運動 18.9±5 であり, 有意差を認めなかった ( 表 3,p<0.05) 相関係数は r=0.96 であり, 有意な相関関係を認めた ( 表 3, p<0.05) TV/RR slopeは, 上肢運動 57.0±6, 下肢運動 78.4 ±7であり, 下肢運動が有意に大きかった しかし相関係数はr=0.34であり, 有意な相関関係を認めなかった ( 表 3, p<0.05) 本研究から上肢 ATは13.1±1.2 ml/min/kg, 下肢 ATは 16.3±1.9 ml/min/kgとなり, 上肢 ATは下肢 ATより有意に小さい値であった 先行研究と比較すると, 健常成人男性 9 名を対象に上肢 ATを計測した小林ら 8) は,15.0±3.4 ml/min/kgであったと述べている 本研究の上肢 ATはやや小さい値となった また矢倉ら 5) は健常学生 14 名 ( 男性 10 名, 女性 4 名 ) を対象に下肢 ATを計測し,15.0±2.4 ml/ min/kgであったと述べている 本研究はやや大きい値となった Baladyら 9) が上肢運動時の生理学的応答について年齢や性差の影響を研究し,ATは女性よりも男性の方が高く,AT 時の心拍数は女性の方が男性よりも高かったと述べている 矢倉ら 5) も女性の循環応答は心拍数優位な応答を行っている可能性があると述べている 本研究の上肢 ATや下肢 ATの値が先行研究と一致しない原因として, 被検者の年齢, 性差, 運動習慣などの身体的属性の違いが影響したのではないかと考える 局所の有酸素能力については谷津 7) は下肢機能障害者の上肢運動によるATを計測し, 脊髄損傷患者 9.1±1.2 ml/ min/kg, 下肢切断患者 10.0±1.5 ml/min/kg, 骨関節疾患患者 9.8±2.4 ml/min/kgであったと述べている また稲木ら 12) は, 自転車エルゴメーターによる漸増負荷運動時のATと下肢伸展挙上運動時の筋酸化能力との間にr=0.78の有意な相関関係を認めたと述べている 本研究では上肢運動と下肢運動という運動部位の異なる運動耐容能の関係性を検討した結果, 上肢 ATと下肢 ATは有意な正の相関関係を認めた (r=0.77,p<0.05) 本研究結果は下肢術後患者による早期の上肢運動による運動耐容能の有用性を示唆すると考える つまり安静臥床により低下している全身運動耐容能の低下防止が可能ではないかと考える

4 212 理学療法科学第 21 巻 3 号 表 2 筋横断面積比率と AT との関係 上腕最大隆起部 ( 面積 ) 大腿最大隆起部 ( 面積 ) 比率 右 ± ,735.6 ± :4 左 ± ,736.0 ± :4 AT との相関係数 0.40 n.s 0.33 n.s 単位 :cm 2,*p<0.05 表 3 上肢運動と下肢運動のVE/VCO 2 slope,tv/rr slope の関係 VE/VCO 2 slope TV/RR slope 上肢運動 20.8 ± ± 6 n.s * 下肢運動 18.9 ± ± 7 相関係数 0.96* 0.34 n.s *p<0.05 筋横断面積比率とAT の関係はともに有意な相関関係を認めなかった ( 上腕面積 r=0.40, 大腿面積 r=0.33, p<0.05) 筋力とATの関係はGaydaら 2) 心疾患患者と健常成人のAT 時の筋トルク値はほぼ同じであったと述べている また由比ら 12) は, 筋トルク値は最大随意トルク値の12% であったと述べている 一般的にATは筋線維タイプに依存するといわれている 1 ペダリング運動時に, 上肢筋は上腕二頭筋, 上腕三頭筋, 下肢筋は大腿四頭筋, ハムストリングス, 腓腹筋が働くといわれているが 10), 先行研究より上肢筋, 下肢筋の赤筋, 白筋線維比率はほぼ同程度といわれている 13, 14) 本研究から上肢 ATと下肢 AT の違いは上肢運動が下肢運動よりも血圧反応が大きく運動筋が阻血しやすいこと, 上肢運動は下肢運動よりも筋ポンプ作用が弱く, 静脈還流量が少ないこと 15) などによるものと考えられる VE/VCO 2 slopeは上肢運動 20.8±4, 下肢運動 18.9±5となり, 有意な正の相関関係を認めた (r=0.96,p<0.05) VE/VCO 2 slopeは換気応答 ( もしくは亢進 ) の程度を表し, 有効肺血流量, 換気血流不均衡, 死腔換気率と関係が深いといわれている 3) 本研究結果からVE/VCO 2 slopeは運動部位の影響を大きく受けないと考える 本研究から上肢運動と下肢運動時の換気応答は強い相関関係にあり, ATと同様に上肢機能トレーニングによって, 有効肺血流量の改善, 死腔換気率の改善など, 運動耐容能の維持 向上に寄与できることを示唆すると考える ATとVE/VCO 2 slopeは一般的に負の相関関係にあると いわれており 4), 本研究においても上肢 ATと下肢運動時のVE/VCO 2 slopeは, 有意な負の相関関係を認めた (r = 0.63,p<0.05) TV/RR slopeは浅速呼吸の程度を示すといわれている 4) 本研究から上肢運動は下肢運動と比較して浅速呼吸となることがわかった この要因は上肢運動中の呼吸補助筋 ( 大胸筋, 小胸筋, 前鋸筋, 僧帽筋と広背筋など ) が, 肩甲帯の固定や上肢運動そのものへ参加するために呼吸への関与が減少する その結果, 横隔膜の負荷増加, 早期疲労が生じ, 浅速呼吸が生じると推測される また上肢 ATと下肢運動時のTV/RR slopeは有意な相関関係を認めなかった (r = 0.02,p<0.05) 健常成人ならば意図的な呼吸パターンの変化は運動耐容能に影響を与えないといわれているが 3), 浅速呼吸や運動形態が静脈還流量に影響を与えるともいわれており 15), 詳細は本研究から明らかにできなかった しかし上肢運動が下肢運動と比較して浅速呼吸になることから, 上肢運動を用いて運動負荷試験を行うときは, 自覚症状や漸増負荷率への注意が必要であると考える 上肢運動による運動耐容能評価の意義として, 上肢運動は全身性の運動耐容能と深く関係しており, 上肢運動トレーニングによって, 呼吸循環機能の維持 向上を行うことで, 歩行練習や移動動作練習時の息切れや易疲労感などの自覚症状を改善に貢献できると考える しかし, 上肢運動中は浅速呼吸となり, 下肢もしくは体幹系の障害に呼吸循環系の障害を合併している症例では, 患者への負担が大きくなることが予測され, 運動負荷, 回転数や運動姿勢などへの配慮が必要であると考える 引用文献 Wasserman K: Detecing the threshold of anaerobic metabolism in cardiac patients during exercise. Am J Cardiol, 1964, 14: ) Gayda M, Merzouk A, Choquet D, et al.: Aerobic capacity and peripheral skeletal muscle function in coronary artery disease male patients. Int J Sprts Med, 2003, 24: ) Clark A: Relationship between ventilation and carbon dixide production in normal subjects with induced changes in anatomical dead space. Eur J Clin Invest, 1993, 23:

5 健常成人男性の上肢運動から求めた運動耐容能評価の意義 213 4) 山崎琢也, 上嶋健治 : 運動耐容能の指標としての VE/VCO 2 slopeの意義. 岩手医誌,2001, 53(3): ) 矢倉千昭, 木原勇夫 : 至適運動強度の指標になる二重積屈曲点法に収縮期の血圧変化が及ぼす影響. 島根医科大学紀要, 2001, 24: ) 洲崎俊男 : 上 下肢エルゴメーター運動が呼吸循環系に及ぼす影響 最大随意運動における比較. 運動生理,1994, 9: ) 谷津隆男 : 下肢機能障害者のAnaerobic Threshold(AT) 再現性と妥当性. リハビリテーション医学,2003, 40: ) 小林巧, 由利真, 坂上征彦 他 : アームエルゴメーターを用いたAT 測定の試み. 北海道理学療法士会誌,2002, 18: ) Balady GJ, Weiner DA, Rose L, et al.: Pysiologic responses to arm ergometry exercise relative to age and gender. J Am Coll Cardiol, 1990, 16(: ) 市橋則明 : 自転車エルゴメーターによる高負荷短時間のペダ リングトレーニングが下肢筋に与える影響. 理学療法学, 2004, 31: 稲木光晴, 高橋英幸, 久野譜也 他 : 生体内で評価された筋の有酸素能力と全身性の有酸素能力との関係. 体育学研究, 1995, 39: ) 由利真, 梅本かほり, 高田和哉 他 :Anaerobic Threshold と筋力に関する基礎的研究. 北海道リハビリテーション学会雑誌,2002, 30: ) Johnson M, Polgar D, Weightman D, et al.: Data on the distribution of fibre type in thirty-six human muscle an autopsy study. Jol Neurol Sci, 1973, 18: ) Schantz P, Randall-Fox E, Hutchison W, et al.: Muscle fibre type distribution, muscle cross-sectional area and maximal voluntary strength in humans. Acta Physilo Scand, 1983, 117: ) 城山昌人, 佐久間貞, 竹内敬子 他 : 運動形態 ( 有酸素, 無酸素運動 ) が下肢静脈還流におよぼす影響. 山スポ学会誌, 1999, 11:

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