走行時の接地パターンの違いによる内側縦アーチの動態の検討 五十嵐將斗 < 要約 > 後足部接地 (RFS) は前足部接地 (FFS) に比し下肢 overuse 障害の発生が多いことが報告されているが, これに関する運動学的なメカニズムは明らかではない. 本研究の目的は FFS と RFS における走行時の内側縦アーチの動態の違いを検討することとした.FFS 群および RFS 群各 7 名のトレッドミル走行を, 三次元動作解析装置により記録し, 体表マーカーの座標データから内側縦アーチ角を算出した. RFS 群は FFS 群に比し, 初期接地時の内側縦アーチ角が有意に大きく (RFS 群 149.7±2.80,FFS 群 146.5±2.21,P=0.03), その変化量は有意に小さかったが (RFS 群 4.4±2.0,FFS 群 6.5± 1.0,P=0.03), 最大値には差を認めなかった. 本研究は接地パターンの違いにより, 内側縦アーチの動態が異なることを示した.RFS 群は FFS 群に比し, 内側縦アーチによる衝撃吸収能が低い可能性がある. Ⅰ. 背景走行時の接地パターンは以下の 3 パターンに分類することができる. rearfoot strike(rfs): 踵部が初めに接地する走行パターン midfoot strike(mfs): 踵部と前足部が同時に接地する走行パターン forefoot strike(ffs): 前足部が接地した後に踵部が接地する走行パターン 1~3). 一般的に長距離ランナーでは RFS が多いことが報告されている 4,5). しかし,Hasegawa らは札幌国際ハーフマラソンの参加選手の内, 上位ランナーでは FFS の割合が多いことを報告した 5). また彼らは,FFS は RFS に比し接地時間が短く, 走行速度が速いと結論付けた 5). また,RFS では FFS に比し, 股 膝関節痛, 腸脛靭帯炎, 膝蓋大腿部痛, シンスプリント, 疲労骨折 ( 中足骨を除く ), 足底腱膜炎などの下肢 overuse 障害が多いことが報告されている 6~8). したがって, パフォーマンスおよび障害予防の観点から FFS が推奨されている. しかし,RFS で 下肢 overuse 障害の発生が多いことに関する運動学的なメカニズムは明らかではない. RFS と FFS では下肢 kinematics, 特に足部セグメント間の kinematics が異なることがいくつか報告されており 7~9),RFS と FFS で内側縦アーチの動態も異なることが予想される 9). また, 走行時の内側縦アーチの過度の低下はシンスプリント, 疲労骨折, コンパートメント症候群などの下肢 overuse 障害の危険因子であることが報告されている 10). それゆえ, 走行時の接地パターンの違いによる内側縦アーチの動態を検討することは, 接地パターンの違いによる下肢 overuse 障害の発生メカニズムを理解する上で重要である. したがって, 本研究の目的は RFS と FFS におけるトレッドミル走行時の内側縦アーチの動態の違いを検討することとした.RFS は FFS に比し,(1) 初期接地 (IC) 時の内側縦アーチが低い, (2) 内側縦アーチ低下のピーク値が大きい,( 3) 内側縦アーチの変化量が大きいと仮説を立てた.
Ⅱ. 方法 1. 被験者対象は本学に所属する健常男女各 9 名 (22.1±0.7 歳,164.4±8.7cm,55.0±6.6kg) とし, 除外基準は下肢の骨折歴, 手術歴および 6 ヵ月以内に下肢の整形外科的疾患の既往があることとした. 測定側は全例利き足とし, 利き足はボール を蹴る足と定義した. なお, 本研究は本学保健科 学研究院倫理委員会の承認および各被験者から 同意を得て実施した. 図 1. アーチ高率測定 1 足背高 : 全足長の 50% の位置における足背の高さ 2 切頂足長 : 踵骨後縁から第 1 中足趾節関節中心までの長さ 3 全足長 : 踵骨後縁から第 1 趾先端までの長さ 2. 手順課題は裸足でのトレッドミル走行 (MINATO 社製 ) とし, 走行速度 8km/h で 3 分間実施した. また, 接地パターンに関する指示は与えず, 被験者本来の接地パターンでの走行とした. 走行中に修正 Borg scale を聴取し, 主観的運動強度を 1 分ごとに記録した. 反射マーカーを利き足の下腿 足部に計 19 個貼付し, 赤外線カメラ 6 台 (Motion Analysis 社製 ) および 3 次元動作解析装置 EvaRT4.4 (Motion Analysis 社製 ) を用いて,3 分経過後の 5 ストライドを記録 解析した. その後, 静的足部アライメントとしてアーチ高率を計測した ( 図 1) 11). アーチ高率は足背高 ( 図 1:1) を切頂足長 ( 図 1:2) で除した値とし, 算出した. 3. データ解析解析区間は立脚相とした.Matlab software R2009(The Mathworks 社製 ) を用い, 先行研究に基づき接地パターン,IC および toe off の瞬間を同定した 12,13,14). これらは IC 時の足関節底背屈角度, 床反力との誤差が少なく, 妥当性が高いことが報告されている. 接地パターンは第 5 中足骨頭マーカーと踵骨低 図 2. 内側縦アーチ角 踵骨低部 舟状骨 第一中足骨頭マーカーを矢状面上に投影した際のなす角 部マーカーの座標データから同定した 12). 矢状面上における第 5 中足骨頭マーカーと踵骨低部マーカーのピーク加速度の時期の差が-5ms 以下を FFS,-5 15ms を MFS,15ms 以上を RFS とした 12).IC に関して,FFS は第 2 中足骨頭マーカー,RFS は踵骨低部マーカーのピーク加速度の瞬間と定義とした 13).Toe off は膝伸展角度が第 2 ピークを迎えた瞬間と定義した 14). 内側縦アーチ角 ( 図 2) は踵骨 舟状骨 第一中足骨頭マーカーを矢状面上に投影し, 踵骨 舟状骨を結んだ線と舟状骨 第一中足骨頭を結んだ線のなす角とし,Visual 3D(C-Motion 社製 ) を用いて,(1)IC 時,(2) 最大値,(3) 変化量を算出した. 変化量は最大値と IC 時の差とした. 内側縦アーチ角が大きいことはアーチが低いことを示す.
内側縦アーチ角 ( ) 表 1. 対象特性 前足部接地群 後足部接地群 P 値 N( 男性 / 女性 ) 7 (3/4) 7 (3/4) 年齢 ( 歳 ) 22.0 ± 0.82 22.1 ± 0.69 0.730 身長 ( cm) 165.8 ± 6.63 163.9 ± 10.40 0.693 体重 ( kg) 53.3 ± 5.32 55.5 ± 6.75 0.506 アーチ高率 0.357 ± 0.03 0.355 ± 0.02 0.911 修正 Borg scale 1.14 ± 1.34 2.41 ± 1.49 0.134 平均値 ± 標準偏差 表 2. 内側縦アーチ角 前足部接地群 後足部接地群 P 値 初期接地時 ( ) 146.5±2.2 149.7±2.8 0.034 最大値 ( ) 152.3±1.6 154.2±2.3 0.295 変化量 ( ) 6.49±1.0 4.41±2.0 0.032 平均値 ± 標準偏差 4. 統計解析 統計解析には SPSS ver.18(ibm 社製 ) を対応 156 154 前足部接地 後足部接地 の無い t- 検定を用い FFS 群と RFS 群における身体特性および (1)IC 時の内側縦アーチ角,(2) 内側縦アーチ角の最大値,(3) 内側縦アーチ角の変化量の違いを検討した (P<0.05). 152 150 148 146 144 142 140 Ⅲ. 結果 MFS の 3 名 ( 男性 2 名, 女性 1 名 ) と測定項目 ( 内側縦アーチ角の変化量 ) で平均値 ±2SD を超えた男性 1 名の計 4 名を除外し,RFS 群および FFS 群各 7 名 ( 男性 3 名, 女性 4 名, 表 1) となった. 群間で年齢, 身長, 体重, アーチ高率, 修正 Borg scale に有意な差は認められなかった ( 表 1). 内側縦アーチ角の群間差を表 2 に示す.IC 時の内側縦アーチ角は FFS 群に比し,RFS 群で有意に大きかった ( 表 2). 内側縦アーチ角の変化量 0 20 40 60 80 100 立脚相 ( % ) 図 3. 平均内側縦アーチ角時系列データ 2). 内側縦アーチ角の最大値は両群で有意な差が認められなかった ( 表 2). 平均内側縦アーチ角の時系列データを図 3 に示す.FFS 群は立脚初期で急激に内側縦アーチが低下し, その後は緩やかに低下している一方で, RFS 群では内側縦アーチの急激な低下は見られなく, 特に立脚初期において内側縦アーチの低下が少ない. は FFS 群に比し,RFS 群で有意に小さかった ( 表
Ⅳ. 考察本研究の主な所見は,FFS 群に比し,RFS 群は IC 時の内側縦アーチが低く, 内側縦アーチの変化量が小さかったことである. 静的内側縦アーチは足趾伸展により上昇すると報告されており, これは windlass mechanism と呼ばれている 15~17).FFS は前足部で接地するため, 踵部から接地する RFS に比し, 足趾伸展が大きいことが考えられる. それゆえ,windlass mechanism が影響し, FFS 群の IC 時の内側縦アーチが高くなったと考えられる. 本研究の仮説とは異なり, 内側縦アーチ角の最大値は FFS 群と RFS 群において有意な差が認められなかった.FFS は前足部での接地に続き踵部が接地すると報告されており, 立脚相において RFS と同様に全足底接地する相があると考えられる 1~3). 内側縦アーチは全足底接地した際に, 機能的に形態を変形し, 衝撃を分散する機構を有している (truss mechanism) 18). そのため, 全足底接地した際に truss mechanism が働き, 両群で内側縦アーチが同程度につぶれたため, 内側縦アーチ角の最大値に有意な差が認められなかった可能性が考えられる. 内側縦アーチ角の変化量は仮説に反して,RFS に比し,FFS 群で大きかった. これは内側縦アーチ角の最大値において有意な差が認められなかったが,IC 時の内側縦アーチ角に有意な差が認められたため,IC 時の内側縦アーチ角が大きく影響した可能性が考えられる. 先行研究において, FFS で前足部背屈 外転および後足部外反角度変化量が大きいことが報告されている 9). これらの運動は内側縦アーチに影響するため 19,20), 本研究結果を支持する. Daoud らの報告によると, 股 膝関節痛, シンスプリント, 足底腱膜炎, 下肢疲労骨折の発生が,FFS のランナーに比し RFS のランナーで多 い 8). 接地パターンの違いで垂直床反力が異なり, FFS に比し RFS では荷重速度が大きいことが報告されている 2,7,8). 本研究は FFS 群に比し,RFS 群で内側縦アーチの変化量が小さく, さらに RFS 群で荷重率のピークが生じる立脚初期に変化量が小さいことを示した. これらのことが RFS における荷重速度の増大と関連し,RFS 群で下肢疲労骨折 ( 中足骨を除く ) の発生が多いことの一因となる可能性がある. また,RFS では IC 時から内側縦アーチが低下しているため,FFS に比し立脚相を通してより長い時間内側縦アーチが低下していることが考えられる. これは内側縦アーチの支持組織である足底腱膜と後脛骨筋への伸長ストレス大きくすることが考えられる 21). これらのことが RFS 群で足底腱膜炎およびシンスプリントの発生が多いメカニズムに関与している可能性がある. 本研究は, 走行速度を 8km/h としたが, 走行速度は接地パターンや,IC 時の足関節角度に影響を与えることが報告されている 22,23). また走行速度の増加は立脚時間を減少させるため,truss mechanism に影響を与える可能性がある 24). これらのことから, 今後速度の影響も考慮する必要がある. また, 本研究は運動学的な検討のみであり, 力学的な検討を行っていない. 接地パターンの違いにより床反力が異なることが報告されており 2,7,8), 接地パターンの違いによる, より詳細な下肢 overuse 障害の発生メカニズムを理解するためには力学的な検討も同時に行う必要がある. 謝辞本卒業研究にあたり, ご指導下さった諸先生方, 客員研究員の越野裕太氏, 本学大学院修士の奥貫拓実氏, ならびに実験に協力して頂いた本学学生の皆様に感謝申し上げます.
引用文献 1) Stearne SM, et al.: Joint kinetics in rearfoot versus forefoot. Med Sci Sports Exerc.46(8): 1578-1587, 2014. 2) Daniel E Lieberman, et al.: Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners. Nature. 463(7280): 531-535, 2010. 3) De Almeida MO, et al.: Is the rearfoot pattern the most frequently foot strike pattern among recreational shod distance runners? Phys Ther Sport: 26, 2014. 4) Larson P, et al.: Foot strike patterns of recreational and sub-elite runners in a long-distance road race. J Sports Sci. 29(15): 1665-73, 2011. 5) Hasegawa H, et al.: Foot strike patterns of runners at the 15-km point during an elite-level half marathon. J Strength Cond Res. 21(3): 888-893, 2007. 6) Davis, Irene S, et al.: Do impacts cause running injuries? A prospective study. Conference Proceedings of the Annual Meeting of the American Soc.763, 2010. 7) Hamill J, et al.: Rearfoot and forefoot footfall patterns: implications for barefoot running. J Foot and Ankle Res. 5(Suppl 1): 2012. 8) Daoud AI, et al.: Foot strike and injury rates in endurance runners: a retrospective study. Med Sci Sports Exerc. 44(7): 1325-34, 2012. 9) Pohl MB, et al.: Changes in foot and shank coupling due to alterations in foot strike pattern during running. Clin Biomech (Bristol, Avon). 23(3): 334-341, 2008. 10)Willems TM, et al.: A prospective study of gait related risk factors for exercise-related lower leg pain. Gait Posture. 23(1): 91-98, 2006. 11)Williams DS, et al.: Measurements used to characterize the foot and the medial longitudinal arch: reliability and validity. Phys Ther. 80(9): 864-871, 2000. 12)Giandolini M, et al.: A simple field method to identify foot strike pattern during running. J Biomech. 47(7): 1588-1593, 2014. 13)Leitch J, et al.: Identifying gait events without a force plate during running: a comparison of methods. Gait Posture. 33(1): 130-132, 2011. 14)Fellin RE, et al.: Comparison of methods for kinematic identification of footstrike and toe-off during overground and treadmill running. J Sci Med Sport. 13(6): 646-650, 2010. 15)Hicks JH.: The mechanics of the foot. J Anat. 88(Pt 1): 25 30, 1954. 16)Garcia CA, et al.: Effect of metatarsal phalangeal joint extension on plantar soft tissue stiffness and thickness. Foot (Edinb). 18(2): 61-7, 2008. 17)Kim W, et al.: Role of plantar fascia in the load bearing capacity of the human foot. J Biomech. 28(9): 1025-1033, 1995. 18)Bolgla Lori A, et al.: Plantar Fasciitis and the Windlass Mechanism: A Biomechanical Link to Clinical Practice. J Athl Train. 39(1): 77 82, 2004. 19)Kitaoka HB, et al.: Effect of foot orthoses
on 3-dimensional kinematics of flatfoot: a cadaveric study. Arch Phys Med Rehabil. 83(6): 876-9, 2002. 20)Jennings MM, et al. The effects of sectioning the spring ligament on rearfoot stability and posterior tibial tendon efficiency. J Foot Ankle Surg. 47(3):219-24, 2008. 21)Lee SY, et al.: Rearfoot eversion has indirect effects on plantar fascia tension by changing the amount of arch collapse. Foot (Edinb). 20(2-3): 64-70, 2010. 22)Breine B, et al.: Relationship between Running Speed and Initial Foot Contact Patterns. Med Sci Sports Exerc. 46(8): 1595-603, 2014. 23)Forrester SE, et al.: The effect of running velocity on footstrike angle - A curve-clustering approach. Gait Posture. 41(1): 26-32, 2015. 24)Novacheck TF, et al.: The biomechanics of running. Gait Posture. 7(1):77-95, 1998. ( 指導教員 : 山中正紀, 遠山晴一 )