理学療法科学 23(6):817 821,2008 原著 筋力とバランス能力の関連性について The Relationship between Muscle Power and Balance in Postural Control 1,2) 塩田琴美 細田昌孝 髙梨 晃 松田雅弘 宮島恵樹 相澤純也 池田 誠 KOTOMI SHIOTA 1,2), MASATAKA HOSODA, AKIRA TAKANASHI, TADAMITSU MATUSDA, SHIGEKI MIYAJIMA, JUNYA AIZAWA, MAKOTO IKEDA Department of Physical Therapy, Ryotokuji University: 5-8-1 Akemi, Urayasu city, Chiba 279-8567, Japan. TEL +81 47-382 2111 E-mail shiota@ryotokuji-u.ac.jp 2) Doctor Program of Physical Therapy, Tokyo Metropolitan University Department of Physical Therapy, Tokyo Metropolitan University Rigakuryoho Kagaku 23(6): 817 821, 2008. Submitted Apr. 1, 2008. Accepted Jul. 15, 2008. ABSTRACT: [Purpose] In this study, we investigated the relationship between balance and muscle power in postural control. [Subjests] Subjects were 21 healthy individuals. [Methods] First, static balance was assessed using a Romberg balance test (standing with eyes opened and eyes closed) combined with a GRAVICORDER (Anima, Japan). Then, we assessed active balance with the EQUITEST SYSTEM (NEUROCOM, Clackamas, USA). Subjects muscle strength was determined by knee extensor strength and knee extensor time to peak torque using a Biodex (Biodex, USA), and by ankle plantar flexion and ankle dorsiflexion strength using a μ-tas (MT-1; Anima, Japan). Statistical analyses were performed Pearson s product moment correlation coefficient. [Results] A significant relationship between muscle strength and active balance were observed. Individuals who have high muscle strength and short times to peak torque possess a high capacity of balance and of learning improved postural control. [Conclusion] Static balance may not be a predictor of falls due to low levels of body sway secondary to generally poor ROM seen in elderly individuals. Key words: muscle power, postural control, balance 要旨 :[ 目的 ] 本研究は, 静的 動的なバランス能力と筋力の相関性および静的 動的バランステストの特異性について, 検討することを目的として行った [ 対象 ] 対象者は21 名 (21 82 歳 ) であった 方法 : はじめに, 静的バランス能力として, 開眼および閉眼での30 秒間の静止立位での重心動揺面積を測定した 次に, 動的バランス能力として,Equi-test を用いてAdaptation test を施行した 更に, 筋力テストとして, 膝関節伸展筋力, 足関節底屈および背屈筋力を測定し, 静的 動的バランス能力との相関関係を明らかにした [ 結果 ] 今回の研究結果から, 静止立位での重心動揺面積と筋力には相関は認められなかった 一方で, 動的バランス能力と筋力においては, 有意な相関関係が認められた (p<0.05) [ 結語 ] これらの結果より, 静止立位で重心動揺面積などを単に測定することは, 姿勢定位のみに対する評価であり, 対象者の動作課題に対する身体能力を反映しえないと考えられた しかしながら, 動的バランス能力の測定は, 下肢筋力などと相関が高く, 日常生活に即した有用な姿勢制御の安定性の評価となりえると考えられた キーワード : 筋力, 姿勢制御, バランス 了徳寺大学健康科学部理学療法学科 : 千葉県浦安市明海 5-8-1( 279-8567)TEL 047-382-2111 2) 首都大学東京大学院保健科学研究科保健科学専攻博士課程 首都大学東京健康福祉学部理学療法学科 受付日 2008 年 4 月 1 日受理日 2008 年 7 月 15 日
818 理学療法科学第 23 巻 6 号 I. はじめにバランスの評価は, 高齢者の転倒の指標として重要視され, 様々なバランス能力の評価の研究がなされている 2, 近年, 静的なバランス能力の評価と比較し, 動的なバランス能力の評価の重要性を示す研究が多くなってきている 4) しかしながら, これら静的 動的なバランス能力と筋力の関連性を示した研究は, 少ない そこで, 本研究では, これら静的 動的なバランス能力と筋力の相関性および静的 動的バランステストの特異性について, 検討することを目的として行った II. 対象と方法本研究の対象者は,21 名 (19 82 歳, 平均年齢 40.86 ±26.91 歳 ), 身長 159.18 ±9.07 cm, 体重 56.74 ±9.97 kg であった 本研究を試行するにあたり, 被験者には十分な説明を行い, 同意を得て研究を開始した はじめに, 筋力テストとして, 膝関節伸展筋力, 足関節底屈筋力および背屈筋力の測定を行った BIODEX(BIODEX 社製 ) を用いた膝関節伸展筋力の測定では, 測定開始肢位は, 椅子坐位, 股関節および膝関節 90 屈曲位とした 大腿部及び胸部をベルトで固定し, 上肢は前方で腕を組ませる様に指示を行った 開始の合図と同時に角速度 60 にて, 膝関節伸展運動を連続で 5 回行わせ, 膝関節伸展筋力, 体重比および最大筋トルク発揮時間の平均値を算出した 膝関節伸展筋力の平均値は, 下腿遠位部に取り付けられたアタッチメントから, モーメントの中心位置 ( 膝関節裂隙 ) の長さを測定し, 補正を加えた 次に, 足関節背屈筋力 (TA) および足関節底屈筋力 (GA) の測定を行った TA では, 椅子座位で股関節及び膝関節 90 屈曲位,GA では, 膝関節伸展位とし, それぞれ足背部, 足底部に徒手筋力計 (μ-tas MT-1: アニマ社製 ) のアタッチメントを固定させた 固定終了後, 足関節 0 から背屈または底屈の最大随意収縮を5 秒間行わせ, これを2 分間の休憩をはさみ, 各 2 回計測し, 平均値を算出した 動的バランスの指標としては,Equi-test(Newrocom 社製 ) を用いて, 起立台を急激に足関節背屈方向に傾斜させるAdaption test toes up( 以下 :ADT-up) と, 同様に足関節底屈方向に傾斜させるAdaption test toes down( 以下 :ADT-down) を行った 傾斜はそれぞれ,0.4 秒間であり, ランダムに 5 回試行し, 前後方向の重心の揺れに対する活動量について算出した 最後に, 静的バランステストの指標として, 重心動揺計 (GRAVICORDER :Anima 社製 ) を用 いて,30 秒間の静止立位 ( 開眼および閉眼 ) による総軌跡長 単位軌跡長 単位面積軌跡長 外周面積 矩形面積および実効値面積を測定した なお, 開眼時は, 50 cm 前方の指標を見つめるよう指示を行った これら,3 つの測定は, 異なる日に計測を行った 3 つの測定が終了した時点で, 筋力と静的および動的バランスの関連性を示すために,Pearson の相関係数を用いて, 有意水準 5% とした 統計に使用したソフトは,SPSS 12.0J for Windows を用いた III. 結 各項目の平均値と標準偏差を表 1 に示した その結果, 静的バランスの視標として用いた重心動揺計における開閉眼での静止立位の重心動揺面積, 単位動揺面積, 外周面積, 矩形面積と筋力テストの各項目においては, 有意な相関は認められなかった ( 表 2) 一方で, 筋力テストの各項目と動的バランステスト (ADT-up および ADT-down) では, 有意水準 5% で有意な相関が認 表 1 果 各テスト項目の平均値と標準偏差 項目名テスト名平均値 ± 標準偏差 筋力 膝関節伸展筋力 [Nm] 95.03 ± 46.13 膝関節伸展筋力 / 体重比 [%] 162.42 ± 59.89 膝関節伸展筋最大筋トルク 617.14±197.21 発揮時間 [msec] 足関節底屈筋力 [Nm] 21.42 ± 9.62 足関節背屈筋力 [Nm] 18.83 ± 8.01 ATT-up 1 回目 126.00 ± 26.29 2 回目 124.14 ± 33.60 3 回目 127.24 ± 34.89 4 回目 126.33 ± 33.41 5 回目 123.33 ± 38.87 ATT-down 1 回目 130.43 ± 27.23 2 回目 117.48 ± 20.09 3 回目 113.00 ± 20.65 4 回目 110.71 ± 22.63 5 回目 111.62 ± 27.43 重心動揺 総軌跡長 [cm] 31.36 ± 7.53 検査 単位軌跡長 [cm/s] 1.56 ± 0.38 単位面積軌跡長 [l/cm] 18.61 ± 7.51 外周面積 [cm 2 ] 1.96 ± 1.06 矩形面積 [cm 2 ] 5.33 ± 2.52 実効値面積 [cm 2 ] 1.68 ± 0.87
筋力とバランス能力の関連性について 819 表 2 重心動揺計による静的バランステストの結果と筋力の相関係数 総軌跡長 0.72 0.04 0.11 0.13 0.07 単位軌跡長 0.70 0.04 0.11 0.13 0.07 単位面積軌跡長 0.11 0.05 0.01 0.24 0.28 外周面積 0.08 0.11 0.00 0.24 0.09 矩形面積 0.13 0.14 0.02 0.27 0.74 実効値面積 0.03 0.03 0.06 0.13 0.10 表 3 ADT up の結果と筋力テストの相関係数 1 回目 0.50* 0.36 0.69** 0.58** 0.53* 2 回目 0.68** 0.60** 0.47* 0.70** 0.61** 3 回目 0.57** 0.56** 0.40* 0.55** 0.50** 4 回目 0.65** 0.64** 0.69** 0.70** 0.52* 5 回目 0.55* 0.50* 0.46* 0.71** 0.55** *p<0.05,**p<0.01 表 4 ADT-down の結果と筋力テストの相関係数 1 回目 0.70** 0.59** 0.51* 0.56** 0.52* 2 回目 0.69** 0.61** 0.38 0.70** 0.54* 3 回目 0.55** 0.34 0.49* 0.58** 0.53* 4 回目 0.73** 0.50* 0.49* 0.57** 0.65** 5 回目 0.62** 0.39 0.60** 0.59** 0.54* *p<0.05,**p<0.01 められた ( 表 3,4) IV. 考察今回の結果から, 筋力と動的バランステストのADT- up と ADT-down においては, 相関関係にあると考えられた しかし, 筋力と静的バランスにおいては, 相関関係は認められなかった 一般的に, 姿勢制御における運動課題には, 安定性と定位の 2 つが定義されている 5) 姿勢の定位は, 運動課題に関与する身体の複数の体節間同士の関係, および身体と環境との間の関係を適切に保持する能力と定義される 5) 一方, 姿勢安定性は, 安定性限界の範囲内に, 身体質量中心の位置を保持する能力と定義される 5) この2 つの定義より, 今回 の研究では, 重心動揺計にて, 静止立位における重心の動揺面積などの測定は, 姿勢定位の評価であり, 反対に,Equi-test で外乱刺激を加え, その努力量を測定したのは, 定位と安定性の評価であったといえる 今回, 静的バランスと筋力に相関が認められなかった要因として, 脊柱の変形などによる不良姿勢が挙げられる これら脊柱の変形などによる不良姿勢は, 通常, 重心動揺を大きくする要因とされている 6-8) 一般的に, 立位姿勢における矢状面上の重心線は, 乳様突起, 肩関節前方, 股関節, 膝関節中心よりやや前方, 足関節やや前方を通るのが, 理想的であるとされる 9) この様な理想的な立位姿勢が保持されている場合は, 脊柱起立筋群, 大腿二頭筋, 腓腹筋などの postural muscle 群の筋活動は最小となる しかし, この理想的なアラ
820 理学療法科学第 23 巻 6 号 イメントから逸脱した場合, その姿勢を保持するために働く筋活動にも不均衡が生じる 例えば, 円背を呈する高齢者では, 胸椎の彎曲が増大により, その代償として, 頸椎の彎曲が増強し, 腰椎が前彎することで, 脊柱の力学的均衡を保持しているとされている 7,8) この様な立位姿勢を保持する場合の重心線は, 膝関節の後方を通過する その結果, 立位姿勢を保持するだけでもpostural muscle 群の筋活動は増大する しかし, この様な過剰な筋活動を要しながら姿勢を保持することと筋力との関連につながるとは考えにくい 以上の点から考えると, 筋力が重心動揺には反映しえないことが示唆できる その結果, 静止立位における重心の動揺面積などと筋力には相関は認められなかったと考えられる また, ただ単に静止立位で重心動揺計を用いて, 重心動揺面積や動揺軌跡長を測定することが, バランス能力や姿勢の安定性の評価となりうるか, その妥当性についても問題視されている 10) 例えば, バランス障害を有する疾患群や高いバランス能力を示すスポーツ選手と一般大学生の間に, 立位時の動揺軌跡長に有意な差が認められないとの報告もある 11,12) この様に, 重心動揺計を用いて, 単に静止立位の重心動揺を測定することは, 必ずしも, 対象者が通常行うパフォーマンスや日常的な動作の中での姿勢の安定性とは一致しないと考えられる 更に, 若年者と高齢者で, 立位姿勢時に足幅を広げた場合の重心動揺を比較した研究では, 高齢者の重心動揺面積が逆に減少するという結果も認められた 1 これらの研究から, 高齢者では, 主動筋 拮抗筋を同時収縮させ, 関節を固めて姿勢保持していることや, 立位姿勢での運動軸となる足関節の可動域制限および脊柱の可動域制限など柔軟性の低下が逆に微細な動揺を軽減するため, 重心動揺を軽減する傾向にあるとの報告もある 14) 日常生活の中では, 動作中での安定性を求められることが多いため, この様に, 単なる静止立位での動揺面積を測定しただけでは, 転倒の予測など, バランス能力の評価や姿勢の安定性の有効な指標となりえないと考えられる しかしながら, 重心動揺検査は, 中枢性疾患や幻暈の鑑別などには有効であるとの報告もある 15) 加えて, 重心動揺計を用いて単なる静止立位だけでなく, 重心移動面積を算出する方法などを取り入れることで, バランス能力の適切な指標になりうると報告されている 10) 重心動揺計にて, 高齢者の転倒のスクリーニング検査を行うにあたっては, 単に静止立位で重心動揺面積や動揺軌跡 長を測定するという定位の評価だけでなく, いわいる支持基底面での重心の移動の限界を知るという安定性の評価をとりいれる必要があると考えられる 一方で,Equi-test による外乱刺激を加えてのバランス能力の評価と筋力テストとの各項目では相関関係が認められた 今回,Equi-test で用いたADT-up,ADT-down は, 急激かつランダムに起立台を前方および後方に傾斜させる姿勢制御課題であった 一般的に, 立位の生体力学的解析には, 足関節を支点として, 上方に重心を有する逆振り子として, 人間の身体をみなすinverted pendulum model を用いる 16-19) そのため, 外乱刺激を加えられ姿勢を保持する際は, 遠位から近位筋へ波及していくとされている 5,20,2 たとえば, 今回のように, 後方に突如傾斜し, 後方へ転倒しそうになると, まず遠位筋である前脛骨筋が働き, 大腿直筋, 体幹前面筋の順に筋活動が起こる 逆に, 前方への不安定性に対しては, 腓腹筋, ハムストリングスおよび脊柱起立筋の活動が予想される このことより, 今回の筋力の測定は, 膝関節伸展筋, 足関節背屈筋および足関節底屈筋のみであったが, 特に運動軸である足関節の筋において, 有意な相関が認められた また, 膝関節伸展筋の最大トルク発揮時間と ADT-up,ADT-down テストで相関が認められた この結果, 筋発揮時間が早い対象者ほど, 姿勢保持に対する努力量が少ない傾向にあったといえる これらの結果から, 動的なバランス能力の測定では, 筋出力および筋活動のタイミングの評価を行える利点があったといえる 姿勢制御において, 各筋の筋力も重要な要素であるが, これら各筋が適切なタイミングで, 筋活動を行うことも姿勢制御の重要な要因の1つである 特に, 高齢者では, この各筋の潜時が長くなるとの報告 5) もあり, 適切な筋出力が行えないことが転倒の発生する要因となる 動的なバランステストでは, 筋出力および筋活動のタイミングを評価出来る点でバランス能力を適切に判断できるといえる 以上のことより,Equi-test にて外乱刺激を加えて, 姿勢制御能力を評価することで, 支持基底面内における姿勢安定性の評価が可能である 更に, このように動的バランス能力を評価することは, 筋力や最大筋トルク発揮時間との相関を認めることから, バランス能力の評価だけではなく, 筋力および筋発揮時間の低下の指標にもなりうると考えられる 一方で, 重心動揺計などで, ただ単に動揺面積や軌跡長を測定することは, 筋力との相関も認められないため, 日常的な場面での対象者の実際の能力を評価することが難しい よって,
筋力とバランス能力の関連性について 821 有効なバランス評価の指標とはなりえないと結論づけられる 引用文献 渡辺丈眞 : 高齢者転倒の疫学. 理学療法,2001,18(9):841-845. 2) 木村みさか : 高齢者のバランス能 ( 平衡性 ) を評価することの意義. 日本生理人類学会誌,2000,5:65-71. 田口孝行, 中山彰一 : 平衡 ( バランス ) の測定方法. 理学療法,2005,22(:35-44. 4) 猪飼哲夫, 上久保毅, 武原格 他 : 中高年者の動的バランス機能評価. リハビリテーション医学,2002,39:311-316. 5) Shumway-Cook A, Woollacott MH: Motor control, theory and practical applications, Second Edition. Williams & Wilkins, USA, 2000, pp117-208. 6) 今岡薫, 村瀬仁, 福原美穂 : 重心動揺検査における健常者データの集計.Equilibrium Research,1997,1-84. 7) 高井逸史, 宮野道雄, 中井伸夫 他 : 加齢による姿勢変化と姿勢制御. 日本生理人類学会誌,2001,6(2):11-16. 8) 藤田博暁 : 老人の姿勢及び転倒. 理学療法科学,1995,10(: 141-147. 9) 中村隆一, 斉藤宏 : 基礎運動学第 4 版. 医歯薬出版, 東京, 1998. 10) 望月久, 峯島孝雄 : 重心動揺計を用いた姿勢安定度評価指標の信頼性および妥当性. 理学療法学,2000,27(6):199-203. 1 井上隆三, 三上凱久 : パーキンソン病およびパーキンソン症候群患者の重心位置, 重心移動, 重心動揺の変化. 理学療法学,1992,19:540-550. 12) 藤原勝夫, 清田岳臣, 国田賢治 : 高齢者における床振動時の姿勢調節適応能. 日本生理人類学会誌,2005,10:96-97. 1 長谷公隆, 佐古めぐみ, 千野直一 : 姿勢制御の機能的構築. 臨床脳波,2001,43:717-722. 14) Patla AE, Frank J, Winter D: Assessment of balance control in the elderly, major issues. Physiother Can, 1990, 42: 89-97. 15) 島田裕之, 内山靖, 原田和宏 : 姿勢バランス機能因子構造 : 臨床的バランス機能検査による検討. 理学療法学,2006, 33:283-288. 16) 長谷公隆 : 立位姿勢の制御. リハビリテーション医学,2006, 43:542-553. 17) Winter DA, Patla AE, Prince F, et al.: Stiffness control of balance in quiet standing. J neurorophysiol, 1998, 80: 1211-1221. 18) Gatev P, Thomas S, Kepple T, et al.: Feedforward ankle strategy of balance during quiet stance in adults. J Physiol, 1999, 514: 915-928. 19) Loram ID, Kelly SM, Laike M: Human balancing of an inverted pendulum; is sway size controlled by ankle impedance? J Physiol, 2001, 523: 879-891. 20) 米田稔彦 : 姿勢制御と理学療法 動作分析の観点から. 理学療法京都,2002,31:12-25. 2 西守隆 : バランスの評価. 関西理学,2003,3:41-47.