1 2 日時 :218 年 3 月 3 日 ( 土 )15:1-17:1 場所 : 両国シティコア主催 :BINI COMPLEX JAPAN 姿勢バランス 支持基底面 身体の質量中心 (Center of Mass: COM) 感覚フィードバックによる姿勢バランスの学習効果 静的バランス 動的バランス レベル 1 レベル 2 レベル 3 レベル 4 北海道大学大学院保健科学研究院浅賀忠義 HP: http://www.hs.hokudai.ac.jp/mcr/ COM の随意的な移動を伴わない COM の随意的な移動を伴う Stability in Gait Biomechanical Constraints Postural Balance Sensory Orientation Stability Limits/ Vrticality Postural Responses Anticipatory Postural Adjustments 安静立位時 圧中心 (Center of pressure: ) の最大変位 安定性限界 Stability limits Child Adult (Horak FB et al., Phys Ther 29) (Riach CL & Starkes JL, Gait & Posture 1993) Winter のセグメントモデル (Holbein-Jenny MA et al. Ergonomics 27) 1
左右方向の変位 (% 足長 ) 左右方向の変位 (% 足長 ) Forward-backward direction (mm) 8 静的バランス 3 レベル 1 A COMの動揺を安定性限界内に保持する制御能力 両脚立位 COM B 片脚つま先立ち 2 1 1 111 21 2 31 3 41 4 Time (sec.) (Hof AL et al. J Biomech 25) 背景 感覚フィードバックと静的バランス 視覚前庭覚体性感覚一般的に臨床で, 静的バランス訓練において, をフィードバックしている. (Halicka, Gait Posture, 214) 背景 感覚フィードバックと静的バランス フィードバックにより, 高齢者の 変動性が増大. (Freitas, Gait Posture, 212) 標準偏差 (cm) フィードバックにより, 動揺 速度が減少. (Sihvonen, Genrontology, 24) 固視点 フィードバック フィードバックの効果は議論の余地がある COMをフィードバックした方が効果的ではないか? 背景 感覚フィードバックと静的バランス 背景 と COM の位置関係と姿勢安定性 成功施行 = 3 秒間保持可能 COM COG: 二乗平均平方根 (mm) 高齢者の片脚立位 COM 失敗施行 = 3 秒間保持不可 COG トレーニング前 フィードバックトレーニング中 トレーニング後 (Lackhani, Gait Posture, 216) 体重心 (Center of gravity: COG) :COM の床面への垂直投影点. フィードバックを無くすと姿勢動揺が増大. (Mani, J Mot Behav, 215) COG と のフィードバックの効果に差はない COM に対する の位置の偏りが姿勢不安定性を引き起こす. 2
前後方向の変位 (mm) 前後方向の変位 (mm) 背景 と COM の位置関係と姿勢安定性 バレエダンサー (mm) 健常若年者バレエ ( 秒 ) 背景 目的と仮説 目的 静的立位において, 単体のフィードバックトレーニングよりも, と COG の同時フィードバックの方が高い適応効果を示すかどうか検証すること. 仮説 健常若年者 -COM -COM 距離均等性 (Ibuki,Int Phys Med Rehab J, 217) 同時フィードバックによるトレーニングを実施した場合の方が, フィードバックが無い条件下において, より姿勢動揺が小さくなる. ( 秒 ) 方法 1. 対象者 +COG 群 : トレーニング時に と COG のリアルタイムフィードバックを同時に呈示 方法 2. 実験機器 3 次元動作解析装置 マーカー位置の計測 群 : トレーニング時に のリアルタイムフィードバックを呈示 対照群 : トレーニング時に固視点のみを呈示 COG COM +COG 群 (n = 12) 群 (n = 11) 対照群 (n = 11) 年齢 ( 歳 ) 22.8 ± 1.6 23.2 ± 2.3 22.3 ± 2.4 性別 男性 : 8 女性 : 4 男性 : 6 女性 : 5 男性 : 5 女性 : 6 身長 (cm) 169.2 ± 7.6 165.7 ± 6.9 164.5 ± 8.3 体重 (kg) 59.7 ± 9. 56.8 ± 7.5 57. ± 9.2 足長 (cm) 24.5 ± 1.6 24.2 ± 1.8 23.2 ± 1.7 平均 ± 標準偏差 フォームパッド 床反力計 方法 2. 実験機器 COM COG COG AP = AP I m g h F AP COG I mgh F AP m : 前後方向の慣性力 : 足関節より上部の質量 : 重力加速度 : 足関節からCOMまでの高さ : 床反力前後成分 方法 3. 実験手順初期評価課題 Pre-session Training session Post-session COG +COG 群 指示 青い点を線からはみ出さないようにしてください. 黄色い円を青い点に対して上下均等になるように動かして下さい. 4 秒間 12 施行 3
方法 3. 実験手順初期評価課題 Pre-session Training session 群 指示 黄色い円を線からはみ出さないようにしてください. 方法 4. データ解析 解析区間 Pre-session Post-session で計測した 6 秒のうち, 前後 5 秒を除いた 5 秒 データ変数 -COM even = N t COM t t=1 (cm) Post-session 4 秒間 12 施行 -COM close = t=1 N t COM t N 1 2 ( 秒 ) 結果 姿勢動揺の変化 FL = 足長 結果 姿勢動揺の変化 COM AP 速度 (%FL/s) COM AP 速度 (%FL/s) AP 速度 (%FL/s) +COG 群 (%FL/s) 群 (%FL/s) 対照群 トレーニング後,+COM 群において COM 速度が減少した. +COM 群と対照群において姿勢動揺が減少したが, 群においては変化が認められなかった. 結果 と COM の位置関係 (%FL) COM even (%FL) COM close 考察 同時フィードバックが姿勢安定性に与える影響 +COG 群において,COM AP 速度が減少し, COM に対する の前後均等性が増大した. トレーニング後,COM AP 速度と COM even の相関が有意となった. 転倒 COM と COM の同時に呈示されたことにより, 2 変数の位置関係がフィードバックされ, 姿勢安定性の向上に寄与した. +COG 群においてのみ,COM に対する の前後均等性が向上した. 4
EMG 考察 単体フィードバックの課題 静的立位時において と COM との距離は小さく, 同様の軌跡を追うという前提のもと, 臨床現場において は COM の代用として, 評価 介入に広く用いられている. しかしながら, いずれの群においても, AP 速度は変化しなかった. フリー 固定 フリー レベル 2 外乱に対して COM を安定性限界内に保持する制御能力 姿勢反応 : Anticipatory Postural Adjustments: APA Compensatory Postural Response: CPR disturbance CPR 26 Voluntary response APA Spinal reflex と COM の揺らぎの乖離を示唆する. (Carpenter, Neuroscience, 21) 1 2 Time (ms) (Latash ML, Neurophysiological Basis of Movement, 1998) Feed-forward postural control (Anticipatory Postural Adjustments: APA) TA GM -1 t -1 t RF BF -1 t -1 t RA ES (Jacobs & Horak, J Neural Transm, 27) -1 t TIME (ms) -1 t TIME (ms) (Ng et al, NeuroImage. 213) 5
(Takakusaki, Mov Disord. 213) 姿勢が不安定になるほど APA の筋活動量は減少する (Aruin et al., J Electromyogr clin Neurophysiol, 1998) (Halliday Gait Posture 1998) 姿勢が十分に安定している場合は APAは観察されない Lifting one hand :Chair :Ball Lifting one leg natural APA (Kazennikov et l. EBR 28) 幼児期から既に備わっている予測的姿勢制御 RA Sitting on a Chair Sitting on a Ball AEO AIO (Weaver et al., Gait & posture. 212) learned APA 新たに学習することによって出現する予測的姿勢制御 6
Loading task Unloading task Continuous movements Feedback postural control (Compensatory postural response: CPR) Ankle strategy Mixed strategy Hip strategy Lifting one hand or one leg weaker disturbance wider stability limits stronger disturbance narrower stability limits ( 浅賀 : 姿勢 PT OT のための運動学テキスト 金原出版 ) (Horak FB et al., Physical Therapy, 1997) functional nearinfrared spectroscopy CPR の活動開始時間および筋活動量は 外乱前の口頭指示によって変化する (Mihara et al., NeuroImage, 28) (Weerdesteyn et al., Exp Brain Res. 28) 外乱予測によって 脳活動および筋活動は変化する central set : the setting of CNS state 姿勢不安定によって同時収縮パターンが増加する (Asaka T et al., J Human Kinetics, 28; Asaka T, et al., Exp Brain Res, 211) Cerebellar ataxia (Mochizuki G et al., Clin Neurophysiol, 28) (Horak and Diener, J Neurophysiol, 1994) 7
外乱の方向 クロスステップ ( 後方からのクロスも含む ) 2 1 ダブルステップ (1, 2 の順にステップを踏む ) シングルステップ (Horak et al., J Neurol Sci, 1992) 上肢運動を制限し, できるだけステップをしないように制約した条件ではクロスステップの頻度が最も多く, それらの制約がなければダブルステップが最も多く観察される. 45 姿勢反応 背屈反応 ステップ反応 外乱フィードバック ステップ反応は転倒を防ぐための重要な姿勢反応の一つである. 高齢者における後方へのバランス能力が日常の 転倒と深く関連がある. 反復ステップ練習はステップ反応を向上. (Maki: Age Ageing, 26) (Sturnieks: PLoS ONE, 213) (Mansfield: Phys Ther, 215) 242 名の高齢者 (8.±4.4 歳 ) を対象 12 ヶ月間の日常生活における転倒を調査 後方への外乱に対して保持できるバランス能力と転倒群とが関連していた 安定性臨界 (Margin of Stability) 47 動的バランス 48 後方ステップ COM を安定性限界内で移動させる制御能力 レベル 3 Healthy Elderly PD (Hof: J Biomech, 25) XCOM: 推定される体重心位置 BOS: 支持基底面の境界線 g: 重力加速度 l: 足関節軸から体重心 重心位置が後方に変位 (Schlenstedt et al. Parkinsonism Relat Diord. 215) 前方の安定性限界 (LOS) が狭い (Mancini et al. Clin Biomech. 28) 8
動揺面積 49 (Kluzik et al. Exp Brain Res. 25) (Kluzik et al. Exp Brain Res. 27) 52 BASYS (Balance Adjustment System) テック技販 5 54 視覚フィードバック 聴覚フィードバック 周波数の変化 音量の変化 左右の音量比率の変化 効果 効果 動揺面積 足圧中心 () 速度 Berg Balance Scale (Zijlstra, 21) 閉眼 Foam Foam + 閉眼 AF なし AF あり 動揺面積 足圧中心 () 速度 (Chiari, 25; Dozza, 27) Berg Balance Scale (Nicolai, 21) 開眼 VF2 VF5 9
角度のズレ (degree) 背景 リハビリテーションの場面で バランスを改善する 1 つの方法として感覚フィードバックが用いられている 視覚 聴覚 体性感覚 多くの先行研究で 感覚フィードバック練習の効果を示している 静的バランスについての研究が多い 視覚フィードバック練習を用いたものがほとんどである 保持相 ( 学習効果 ) での効果は不明 他の感覚フィードバック練習の効果と比較した研究は少なく 動的バランスの学習効果を示した研究はない 7 背景 運動学習とは 練習や経験に基づく一連の過程であり 結果として技能的行動を行いうる能力の比較的永続的な変化をもたらすこと リハビリテーションでの効果を考えるためには練習の学習効果を評価する必要がある guidance-hypothesis 練習中の増大フィードバックが guidance として働き 他の感覚情報との関連性を除外する 増大フィードバックを除外すると 運動パフォーマンスが低下する 56 背景 9 58 視覚フィードバック 聴覚フィードバック左上肢右上肢 聴覚 FB 群 視覚 FB 群は 適応効果が速いが FB がない条件では練習前に戻っている 左上肢 右上肢 視覚 FB 群 聴覚 FB 群は 適応効果は遅いが FB がない条件でも練習効果が保続されている pre 1 2 3 4 post block (Ronsse et al. Cereb Cortex. 211) 目的 随意的に荷重を移動させる動的バランス課題を用いて 聴覚フィードバック練習と視覚フィードバック練習の学習効果を比較検討すること 仮説 随意的に荷重を移動させる動的バランス課題において 1 聴覚フィードバック練習では学習効果が保持される 2 視覚フィードバック練習では学習効果が保持されない 59 方法 対象 聴覚群 9 名 ( 年齢 :23.2±2.1 歳, 身長 :162.9±6.9 cm, 体重 :54.7±6.7 kg ) 視覚群 9 名 ( 年齢 :22.6±.5 歳, 身長 :166.5±1.3 cm, 体重 :58.6±11.3 kg ) 使用機器 1 床反力計 : 足圧中心 () 2 LabVIEWソフトウェア 3 モニター 4 スピーカー モニター 足幅は ASIS-2 cm 1.5m 6 足長の後方 4% 位置を前後中央と一致 1
偏位量 (%) 音量 (db) 音量 (db) 偏位量 (%) 感覚量 感覚量 61 62 実験課題 課題 ターゲットに合わせた前後方向への荷重移動 ターゲット 変曲点でのみ表示 (.23Hz) 最大移動量の前方 8%~ 後方 7% 15 前方 ターゲット モニター フィードバック練習課題 課題 実験課題と同様 フィードバック ターゲットと との間の距離に応じてフィードバックが変化 Stevens power law を用いて, 感覚量を統一 聴覚 ターゲットは非表示 視覚 S = D 1 n -15 後方 1 2 3 Time (s) 床反力計 音量 (db) 距離 (cm) 63 64 視覚フィードバック モニター 聴覚フィードバック モニター 3Hz 15 前方 ターゲット 15 前方 距離 (mm) ターゲット -15 後方 1 2 3-15 後方 1 2 3 床反力計 1Hz 距離 (mm) 床反力計 実験プロトコール 実験課題とフィードバック練習課題で構成 実験開始前に 最大移動量を計測 1 trial = 35 秒 ( 静止 5 秒 ) 1ブロック = 5 trials 1 ブロック (5 trials) 実験課題 (pre) フィードバック練習課題 フィードバックあり 1 ブロック (5 trials) 実験課題 (mid) フィードバック練習課題 65 1 日目 3 日目 1 ブロック (5 trials) 実験課題 (post) 1 ブロック (5 trials) 実験課題 (retention) 分析方法 空間的な指標 1 ターゲットと 間の距離の平均 (D ave ) 動作の正確性の指標 2 ターゲットと 間の距離の標準偏差 (D sd ) 動作の再現性の指標 15 解析範囲前方 66 ターゲット 4 ブロック (2 trials) 4 ブロック (2 trials) フィードバックなし 統計解析 : 二元配置分散分析 (4 実験課題 2 フィードバック ) -15 後方 1 2 3 Time (s) 11
Coherence の変化率 (%) 偏位量 (%) retention Coherence 偏位量 (%) pre-test 偏位量 (%) 偏位量 (%) 偏位量 (%) 偏位量 (%) 67 68 分析方法 時間的な指標 1 ターゲット軌跡と 軌跡との間のCoherence.23Hz のときの値を使用 結果 15 聴覚群 D SD = 26.9 Coherence =.94 15 視覚群 D SD = 25.5 Coherence =.93 ターゲット ターゲット 1. 値が大きいほど, 類似性が高い -15 1 2 3 Time (s) -15 1 2 3 Time (s).5 15 D SD = 22.1 Coherence =.97 15 D SD = 29.4 Coherence =.93 解析範囲 1 2 3 4 5.23 周波数 (Hz) -15 1 2 3 Time (s) -15 1 2 3 Time (s) 69 7 結果 1 ターゲットと 間の距離の平均 (D ave ) 2 ターゲットと 間の距離の標準偏差 (D SD ) (mm) (mm) N.S. 3 N.S. 2 1 pre mid post retention 1 D ave : 課題間の主効果のみ認められる 2 D SD : 聴覚群のみ pre より他の課題で有意に低下 retention では聴覚群が視覚群よりも有意に小さな値 3 2 1 聴覚群視覚群 pre mid post retention :p <.5 1..98.96.94.92.9 結果 1 ターゲット軌跡と 軌跡との間のCoherence N.S. pre mid post retention 2 D SD の変化率と Coherence の変化率との間の相関 (retention / pre) 8 1 D SD の変化率 (%) :p <.5 Coherence: 聴覚群のみ pre より他の課題で有意に増加 retention では聴覚群が視覚群よりも有意に大きな値 変化率の相関 :D SD と Coherence との間に有意な中等度の相関 15 1 95 6 r = -.7 聴覚群視覚群 考察 Ⅰ D SD Coherence ともに 1. 聴覚群でのみ pre-test と比較して有意に変化 2. retention では視覚群と比較して聴覚群で優れた値 視覚フィードバックは他の固有感覚入力に対する反応を低下させ, visual dominance を引き起こす (Radhakrishnan, 211; Posner, 1976) 上肢の周期的な運動の学習において 視覚フィードバック : 視覚領域の脳活動が大きい聴覚フィードバック : 聴覚と固有受容覚の統合領域の脳活動が大きい (Ronsse, 211) 71 結論 随意的に荷重を移動させる動的バランス課題において 1 聴覚フィードバック練習による学習効果は保持される 2 視覚フィードバック練習による学習効果は保持されない 聴覚フィードバック練習は視覚フィードバック練習よりも有効な学習効果が期待できる 72 聴覚フィードバックは固有受容覚との統合を促通し 視覚フィードバックよりも優れた学習効果を示した 12
73 74 (Chiou & Chang 216) 断続的な感覚 FB の方が連続的な感覚 FB よりも学習効果が高い (Marcos et al. 213) 13
J Neurosci 213: 4594-464 14