安定性限界における指標と条件の影響 伊吹愛梨 < 要約 > 安定性限界は体重心 (COM) の可動範囲に基づいて定義づけられるが, 多くの研究では足圧中心 (COP) を測定している. 本研究は, 最大荷重移動時の COM 変位量を測定して COP 変位量と比較すること, 上肢 位置の違いが COP や COM の変位量に与える影響について検討することを目的とした. 対象は健常若年者 12 名とした.2 種類の上肢位置で前後方向への最大荷重移動を行い,COP と COM の動きを記録した. 最大値は前方 後方ともに COP が有意に大きい, またはその傾向が見られた. 平均値は前方では有意差が なく, 後方では COM が有意に大きかった. 上肢位置による変位量の違いは認められなかった. 本研究の 結果より, 最大荷重移動時の COM 変位量は COP 変位量とは異なることが示された.COP のみを測定す る場合は最大値よりも平均値を用いた方が定義に基づいた安定性限界を測定することができると考えられ る. また, 今回の上肢位置では COP や COM の変位量に影響を与えないことが示唆された. Ⅰ. はじめに 安定性限界とは, 被験者が姿勢安定性を保つため に使うことのできる支持基底面の中の範囲, すなわ ち重心 (Center of Mass: 以下 COM と略す.) を 支持することのできる範囲である 1). 安定性限界は 固有感覚, 前庭機能などの個々の能力を反映してい る. 安定性限界は, 被験者に各方向へ最大限に荷重 移動させることで測定され, バランス能力を定量化 する 1 つの方法である. 減少した安定性限界はバラ ンス能力の低下を示している 2).Mancini ら 3) は, 支持基底面の境界付近で COM を静的に保つことは 立位から歩行, 座位から立位などの運動課題中の機 能的姿勢を反映していると述べており, 安定性限界 は新たな支持基底面に重心を移していくというバラ ンスレベルが必要となる動作において重要となる. しかし, 安定性限界の大きさを測る先行研究では, 足圧中心 (Center of Pressure: 以下 COP と略す.) の前後方向の最大可動範囲 1) や COP 前後方向変位 量の平均値 3) を測定しており,COM の変位量を測 定しているものはない.COM と COP は密接に関 連しているが全く異なるもの 4) であり, 静止立位で の姿勢動揺中には COP の可動域は COM の可動域 よりも大きいことが実験的に立証されている 1). よ って,COP 変位量から安定性限界を測定すること は本来の定義とは異なる. そのため, 最大荷重移動 動作において COP と COM を同時に記録し, その 動きを比較する必要があると考えられる. また, 安定性限界を測定する際の上肢位置は, 体側に下ろす 5) とされているものや胸の前で組む 3) とされているものなどがある. このように, 上肢位 置は文献によって異なっており, 統一されておらず, 上肢位置の違いによる安定性限界の大きさへの影響 については述べられていない. 上肢位置が変わるこ とで COP の変位量や COM の変位量に影響を与え るのであれば, 測定時の上肢位置を統一すべきであ る. 本研究の目的は, 前方 後方へ最大荷重移動し た際の COP と COM の変位量を最大値と平均値を 用いて比較すること, 上肢位置の違いが COP COM の変位量に与える影響を検討することである. Ⅱ. 対象と方法 1. 対象上肢 下肢に神経学的および整形外科的疾患を有 さない, 本実験に同意を得た健常若年者 12 名 ( 男 性 7 名, 女性 5 名, 年齢 21.5±0.6 歳, 身長 165.9±6.5cm, 体重 57.5±5.2kg) とした. 2. 使用機器 (1) 床反力計 COP 位置を記録するため, 床反力計 (Kistler 社製 ) を 1 枚使用した. サンプリング周波数は 1000Hz とした. (2) 三次元動作解析装置 COM 位置を記録するため, 三次元動作解析装 置 (EvaRT 4.4,Motion Analysis 社製 ) と赤外線カメラ 6 台 (Hawk-200RT,Motion Analysis 社製 ) を使用した. 反射マーカーは Winter らの先行研究 6) に従い, 左右耳孔 剣 状突起 左右肩峰 左右上腕骨外側上顆 左
右手関節中央 左右第 10 肋骨 左右腸骨稜 左右上前腸骨棘 左右大転子 左右大腿骨外側上顆 左右外果に計 21 個設置し, マーカー座標を 200Hz で収集した. 3. 実験内容実験課題として, 前方 後方への最大荷重移動動 作を行った. 床反力計上の足部位置は, 足幅を左右 の上前腸骨棘間の幅マイナス 2cm 7) とし, 足部の後 方から足長の 40% の位置を床反力計の前後径の中 心に合わせた ( 図 1). 全ての試行で同じ足部位置と なるように床反力計に位置を記録した. モニター上 に表示される COP 位置を床反力計の中心に合わせ た静止立位から開始し, 開始前にモニター画面を隠 した. 合図と同時に可能な限り速く各方向へ荷重移 動し, 最大荷重姿勢で約 5 秒間保持した. その際, 足尖や踵が床反力計から離れないように足底は全て 接地させたまま行うよう指示した. 上肢位置は, 被 験者の任意とするフリー課題と肩関節約 90 度屈曲 位 肘関節約 90 度屈曲位にして体幹の前方で両上 肢を組む体幹前方課題 ( 図 2) の 2 種類で行った. 各上肢位置で前方 後方 5 試行ずつ実施した. 疲労 の影響を考慮して随時休憩をとった. 4. データ分析 統計解析 COP COM の変位量のデータから最大値 平均 値をそれぞれ算出した. 最大値は荷重方向への最大 変位量とし, 平均値は荷重移動後の最初の COP の ピーク値から開始姿勢に戻る前の最後の COP のピ ーク値までの範囲で算出した.COM も同様の範囲 で算出した. ( 図 3). 最大値 平均値はそれぞれ足 長で除して正規化した. 統計解析は SPSS を用いて対応のある t 検定を行 い,COP と COM の変位量の違い, 異なる上肢位 置における COP や COM の変位量の違いをそれぞ れ比較した. 有意水準は 5% 未満とした. 足長の 40% 両 ASIS 間 -2cm 図 1 床反力計上の足部位置 足幅を左右上前腸骨棘 (ASIS) 間の幅マイナス 2cm とした. 後方から足長の 40% の位置を前後径の中心に合わせた. 図 2 2 種類の上肢位置 上肢位置は被験者の任意とするフリー課題 ( 左 ) と, 体幹前方で両上肢を組む体幹前方課題 ( 右 ) とした. Ⅲ. 結果 1.COP 変位量と COM 変位量の最大値の比較 図 4 は両上肢位置における前方 後方への変位量 の最大値を示している. 前方のフリー課題, 後方の 両課題では COM 最大値に比べて COP 最大値が有 意に大きかった (p<0.05). 前方の体幹前方課題で は, 有意差は認められなかったが COP 最大値が有 意に大きくなる傾向が認められた (p=0.053). 図 3 データ解析 最大値は荷重方向への最大変位量とした. 平均値は最初の COP のピーク値から, 開始姿勢に戻る前の最後のピーク値までの範囲で算出した.
2.COP 変位量と COM 変位量の平均値の比較 図 5 は両上肢位置における前方 後方への変位量 の平均値を示している. 前方の両課題で COP と COM の平均値に有意差は認められなかった. 後方 の両課題では COP 平均値に比べて COM 平均値が 有意に大きかった. 3. 上肢位置による変位量の比較図 6 は上肢位置による COP 変位量の違い, 図 7 は上肢位置による COM 変位量の違いをそれぞれ示 している.COP 最大値 COP 平均値 COM 最大 値 COM 平均値のいずれにおいても, フリー課題 と体幹前方課題の比較で有意差は認められなかった. 図 4 COP 変位量と COM 変位量の最大値の比較 前方のフリー課題では有意に COP が大きかった (p<0.05). 体幹前方では COP が有意に大きい傾向が見られた (p=0.053). 図 5 COP 変位量と COM 変位量の平均値の比較 前方の両上肢位置で COP と COM に有意差はなかった. 後方では両上肢位置で COM が有意に大きかった. 後方では両上肢位置で COP が有意に大きかった. 図 6 上肢位置による COP 変位量の違い 各方向の最大値 平均値どちらにおいても, 上肢位置の違いによる COP 変位量の有意差はなかった. 図 7 上肢位置による COM 変位量の違い 各方向の最大値 平均値どちらにおいても, 上肢位置の違いによる COM 変位量の有意差はなかった.
Ⅳ. 考察 1.COP 変位量と COM 変位量の最大値の比較 前方では COP は COM よりも有意に大きく, 後 方ではその傾向があった.COP は COM に関連し て動き,COM の角速度や角加速度を増加させたり 減少させたりする作用がある 4).COP が COM よ りも前方にある場合には COM は後方へ加速され, COP が COM よりも後方にある場合には COM は 前方へ加速される 6). 本実験で行った課題では, 最 大荷重移動姿勢に達すると COM の移動方向への加 速を止めてその姿勢を保持する必要がある. その際に COP が COM の変位量を越えて動くため,COP の最大値が COM よりも大きくなったと考えられる. 2.COP 変位量と COM 変位量の平均値の比較 前方では COP と COM の平均値に有意差は認められなかった. 静止立位においては,COP は COM の周囲を連続的に動き,COM を支持基底面の中に 保つとされている 8). 最大荷重移動姿勢でも同様に, COM の位置を保つために COP が COM の前後を 連続的に動いたため, 平均値に差が無かったのでは ないかと考えられる. 後方においては,COP と COM の開始位置が一致せず,COP がやや前方に位 置していたことが影響して, 変位量で比較した際に COM が有意に大きくなったのではないかと考えら れる. 今回は変位量を用いて COP と COM を相対 的に比較したため, 今後は COP と COM の開始位 置を合わせた状態から, 空間座標を用いて COP と COM を絶対的に比較する必要性が示唆される. 3. 上肢位置による変位量の比較 フリー課題と体幹前方課題で,COP や COM の 変位量に有意差は見られなかった. 上肢位置を体幹 前方にすることで,COM の位置は約 2~4cm 高く なった. 本研究の結果より,COM の高さは安定性 限界の大きさに影響を与えないということが示唆さ れる. これは, 身長は安定性限界を定める要因とは ならない 1) という先行研究と一致する. 身長が高い ほど COM が高くなることと同様に, 上肢位置が高 くなることで COM が高くなる. それによって不安 定性は増加するが, 支持基底面の大きさは変わらな いため, 移動可能な COM の前後方向の変位量は変 化しなかったと考えらえる. Ⅴ. 結語 本研究の結果より, 最大荷重移動時の COP と COM の変位量は異なる. また, 今回選択した 2 種 類の上肢位置では,COP や COM の変位量に影響 を与えない. 以上より, 姿勢安定性を正確に評価す るために安定性限界の定義に基づいて COM を測定 する必要性が示唆される. しかし,COM は床反力 計のみでは測定することができないため, 実験環境 の都合上 COP のみを測定する場合は, 最大値より も平均値を指標とする方が COM の値に近くなると 考えられる. 謝辞 本研究を終えるにあたり, ご指導を頂きました本 学諸先生方, 先輩方, ならびに快く被験者を引き受 けてくださった本学学生の皆様に心より感謝申し上 げます. 引用文献 1) Riach and Starkes:Stability limits of quiet standing postural control in children and adults.gait and Posture 1:105-111,1993 2) Holbein et al.: Validity of functional stability limits as a measure of balance in adults aged 23-73 years. Ergonomics Vol.50 No.5:631-646,2007 3) Mancini et al.: Effects of Parkinson s disease and levodopa on functional limits of stability.clinical Biomechanics 23:450-458,2008 4) Aoyama et al.: The difference between center of mass and center of pressure.aino JOURNAL 5:25-31, 2006 5) Clark and Rose:Evaluation of Dynamic Balance Among Community-Dwelling Older Adult Fallers:A Generalizability Study of the Limits of Stability Test.Arch Phys Med Rehabil 82:468-474,2001 6) Winter et al.:stiffness Control of Balance in Quiet Standing. Neurophysiol 80:1211-1221,1998
7) Chen and Wing:Independent control of force and timing symmetry in dynamic standing balance:implications for rehabilitation of hemiparetic stroke patients.human Movement Science 31:1660-1669,2002 8) Anne Shumway-Cook, モーターコントロール, 医歯薬出版株式会社, 東京,2009. ( 指導教員 : 浅賀忠義 )