高齢者の椅子からの立ち上がり動作における上体の動作と下肢関節動態との関係 The relationship between upper body posture and motion and dynamics of lower extremity during sit-to-stand in elderly person 08M40062 佐藤妙 Tae Sato 指導教員 : 丸山剛生准教授 審査員 : 石井源信教授, 中山実准教授 本研究は, 椅子からの立ち上がり動作について上体動作と下肢の関節モーメントの関係と, これらの関係における若年群と高齢群の違いを明らかにすることを第 1の目的とした. そして, 上体動作と下肢の仕事との関係を明らかにすることを第 2の目的とした. 加えて, 高齢者の座位姿勢の違いが立ち上がり動作に違いを及ぼすかを明らかにすることを第 3の目的とした. 実験は若年者 10 名, 高齢者 30 名に対し行った. 動作試技は下腿長高さの椅子から腕を前に組んだ状態からの立ち上がり動作であった. 運動学的項目, 動力学的項目を算出するため被験者にマーカを貼付し 3 次元動作解析装置と床反力を用い動作を計測した. 得られた実験データから運動学的項目として上体の角度, 身体質量中心を, 動力学的項目として下肢の関節モーメント, 仕事を算出した. なお, 高齢者の肌にマーカを貼付することは皮膚への負担が高いことと, 高齢者の皮膚は伸縮しやすく動作中の体節基準点を正確に計測できないことから, 多点皮膚マーカ法を用い体節基準点を間接的に算出した. 解析結果として, 若年者, 高齢者ともに動作中の上体の角度とサポートモーメントピーク値には相関がなく, 体幹の角度とサポートモーメントピーク値に占める膝関節モーメントの割合については負の相関があると同時に股関節モーメントの割合については体幹角度と正の相関が見られた. 仕事については高齢者において体幹の姿勢と下肢総仕事, 下肢総仕事に対する各関節のなす仕事が占める割合に相関が見られた. したがって, 動作中の体幹の姿勢を変えることで下肢の関節モーメントや仕事の発揮傾向を変えることができる可能性が示唆された. また, 高齢者については, 座位姿勢の違いによる下肢の動作 ( サポートモーメントピーク値, サポートモーメントピーク時の各関節モーメントの発揮割合, 下肢総仕事, 下肢総仕事に占める各関節の割合 ) については有意な差は見られなかった. しかし, 上体角度については有意な差が見られ, 座位姿勢で骨盤の後傾が大きい群は, 骨盤の後傾が小さい群と比較し動作中も有意に骨盤が後傾する傾向があり, 加えて頭部の前傾が大きい傾向があった. したがって, 骨盤後傾により後方化した身体質量中心を頭部を使って前方に移動させることで, 身体質量中心位置を調整していると考えられた.
The relationship between upper body posture and motion and dynamics of lower extremity during sit-to-stand in elderly persons In this study, there were three purposes. One was to clarify the relationship between upper body movement and joint moment of lower limb during sit-to-stand. Second was to clarify the relationship between upper body movement and lower limb work during sit-to-stand. Third was to show the relationship between initial sitting posture and sit-to-stand motion in elderly persons. Subjects of this experiment were 10 young persons and 30 elderly persons who were over 75 years old. They asked to stand from a shank height chair with arm holding. Reflective markers were attached to anatomical landmarks and cluster points. The kinematic measurements were derived from reflective markers by using cameras and a 3D motion analysis system. The measurements of ground reaction forces were derived from force plates. Landmarks of lower limb were calculated indirectly by using point cluster technique, because elderly skin was elastic and landmarks could not be measured accurately during motion. Then, upper body segment angles and center of mass were calculated as kinematic data. In addition, joint moments and works of lower limb were calculated as kinetic data. As a result, the following outcomes were achieved. There were no correlation between upper segment angles and peak of support moment in both young and elderly group. There was negative correlation between rate of knee moment per support moment and trunk angle and was positive correlation between rate of hip moment per support moment and trunk angle in both young and elderly group. In addition, there were correlations between trunk angle and work of lower limb and rate of each joint work in elderly group. Therefore, it was suggested that the rate of lower joint moment peak and work could be changed by trunk angle during sit-to-stand in elderly persons. In addition, elderly persons were divided 4 groups by initial sitting posture. There was no significant difference at kinetic data among 4 groups. However, there was significant difference at pelvis and head angles. A group which was in a backward pelvis posture at initial position was also a backward pelvis posture during standing from a chair. Furthermore, in the same group head was tilted to forward during standing from a chair. Therefore, it was suggested that elderly persons in this group could transfer CoM position to CoM position in other groups by adjusting head angle.
1. 緒言椅子からの立ち上がり動作とは, 足部と大腿部 殿部 ( 座面 ) の 2 箇所で身体を支える安定した座位姿勢から, 足部のみの支持基底面で立位姿勢になるために, 上体を前傾させた後, 上体 下肢を伸展させ立位状態にする動作である. 動作中, 重力に逆らって下肢を伸展させなければならないことから, 下肢筋力が必要である [1]. また, 自立した立ち上がり動作は QOL 維持のために重要であり, 動作困難者に対する指導が必要である. 一方, 高齢者は加齢により脊柱弯曲 [2] や骨盤後傾 [3] が生じる. したがって, 立ち上がり困難な高齢者に対する指導方法を考える上で, 高齢者の姿勢を考慮した立ち上がり動作方法を明らかにすることは重要である. よって立ち上がり動作における上体の動作と下肢筋力 ( モーメント 仕事 ) の関係について若年群と高齢群を比較することで高齢群の特徴を明らかにすること, また静止時の姿勢の違いによる立ち上がり動作の違いを明らかにすることを本研究の目的とした. ーカ法を用いて再計算を行った. 運動学的項目については, 上体の角度 ( 骨盤, 体幹, 頭部 ( 高齢者のみ ), 脊柱弯曲 ( 高齢者のみ )), 身体質量中心位置を算出した. なお, 上体の角度は絶対座標系と各セグメント座標系とのなす角であり, 評価には屈曲 / 伸展方向の角度を用い, 前傾方向を正とした. 身体質量中心位置は, 踵を原点とし前方を正とした. 動力学的項目として下肢の各関節伸展モーメント, サポートモーメント, 下肢の各関節のなす仕事, 下肢総仕事を算出した. なお, 仕事については殿部離床後から動作終了までを対象とした. 3 結果 3.1 立ち上がり動作の時系列立ち上がり動作における上体 ( 骨盤, 体幹 ) 角度変化を Fig. 3.1 に, 身体質量中心の時間変化を Fig. 3.2 に示す. 2. 方法 2.1 実験若年者, 高齢者に対して椅子からの立ち上がり実験を行った. 被験者には事前にインフォームドコンセントを行い, 同意を得た. 若年被験者は大学生 10 名 ( 男性 7 名, 女性 3 名, 年齢 21.1±1.7 歳, 体重 60.0±6.2kg, 身長 1.67±0.07m), 高齢被験者は 75 歳以上の男女 30 名 ( 男性 8 名, 女性 22 名, 年齢 80.8±4.6 歳, 体重 54.2±10.5kg, 身長 1.53±0.08m) であった. 試技は, 事前に下腿長高さの椅子に膝関節を 80 に屈曲した状態で座ってもらい, 腕を前に組んだ状態からの自然な速度での立ち上がりとした. 実験中, 被験者の体節基準点と多点皮膚マーカ計測法 [4] のためのクラスター点にマーカを貼付し,3 次元動作解析システムと床反力計を用いて動作を計測した. Fig. 3.1 Time series of angles Fig. 3.2 Time series of CoM 2.2 データ解析実験により得られたデータを用いて, 運動学的項目, 動力学的項目を算出した. なお, 下肢の体節基準点に貼付したマーカは動作中にずれやすいことから, 静止時を基準として動作中のマーカ位置を補正することができる多点皮膚マ Fig. 3.3 Time series of moments Fig. 3.1 より, 殿部離床後に体幹 骨盤はさらに前傾することが確認できる.Fig. 3.2 より, 身体質量中心は動作開始から終了にかけて, 踵の後方から前方へ移動することがわかる.
また Fig. 3.3 に各関節モーメントとサポートモーメントの時間変化を示す. なお, 足関節モーメントは動作中, 非常に小さな値であるので以後に示す検討対象から除外することとする. Fig. 3.3 より各関節モーメントとサポートモーメントは殿部離床後にピーク値をとることが確認された. これらの傾向はすべての被験者で見られた. また, サポートモーメントのピーク時は伸展のための下肢筋力が最も必要になる瞬間であると言える. したがって, 下肢のモーメントについてはサポートモーメントピーク時に注目する. 加えて, サポートモーメント, 各関節モーメントのピーク値について変動係数を求めた (Table 3.1). Table 3.1 よりサポートモーメントピーク値の変動係数は各関節モーメントの変動係数と比べ小さく, 被験者間でのばらつきが小さいことが確認された. Table 3.1 Coefficient of variance of moment 3.2 若年群と高齢群の傾向の比較動作中の上体 ( 骨盤, 体幹 ) 角度と下肢モーメント 仕事の相関関係と, 動作中の身体質量中心位置と下肢モーメント 仕事の相関関係について調査した. ただし, モーメントと仕事については身長と体重で除し, 身体質量中心位置については身長で除し規格化を行った. 評価した項目は Table 3.2 の通りである. 以下で示す相関図内の R は相関係数であり,* 印は 5% 有意水準を満たすもの,** 印は 1% 有意水準を満たすものである. なお, 本紙においてはグラフは高齢群のみの結果を示し, 若年群は割愛する. の関係 ( 左図 ) と, サポートモーメントピーク値とサポートモーメントピーク時の身体質量中心位置の関係 ( 右図 ) を示す.Fig. 3.4 より有意な相関は見られないことから, サポートモーメントピーク値と上体角度 身体質量中心は無関係であるといえる. これらの結果は若年群においても同様であった. Fig. 3.4 Scatter plot of support moment and angles and CoM in elderly 次に, サポートモーメントピーク時のサポートモーメントに占める各関節モーメントの割合と上体角度の関係 ( 左図 ) と, 各関節モーメントの割合と身体質量中心位置の関係 ( 右図 ) を Fig. 3.5 に示す.Fig. 3.5 より, 体幹の角度と各関節モーメントの割合に有意な相関が見られたことから, 体幹の前傾が深い人ほど膝関節モーメントの割合は低くなり, 同時に股関節モーメントの割合は高くなるといえる. また, 身体質量中心位置と膝関節モーメントの割合に負の相関があることから, 身体質量中心位置が前方にある人ほど膝関節モーメントの割合が低くなるといえる. 若年群では, 各関節モーメントの割合と上体角度について同様の傾向が見られ, 身体質量中心位置と各関節モーメントの割合については高齢群と異なり, 有意な相関は見られなかった. Table 3.2 Evaluation item Fig. 3.5 Scatter plot of moment rate and angles and CoM in elderly Fig. 3.4 に高齢群のサポートモーメントピーク値とサポートモーメントピーク時の上体角度 次に,Fig. 3.6 に下肢総仕事と上体の各セグメント最大前傾角度の関係 ( 左図 ), 下肢総仕事と身体質量中心位置の前方最大値の関係 ( 右図 ) に示す.Fig. 3.6 より, 下肢総仕事と体幹の角度に正の相関が見られたことから, 体幹の前傾
が大きい人ほど下肢総仕事が大きくなるといえる. この傾向は若年群では見られなかった. また, 下肢総仕事と身体質量中心位置の前方最大値については有意な相関が見られなかったことから, 下肢総仕事と身体質量中心位置の前方最大値は無関係であるといえる. 若年群においても同様であった. 3.3 高齢群の特徴高齢者の姿勢の特徴として骨盤後傾と脊柱弯曲が見られる [5,6] ことから, これら 2 要因で高齢者の座位姿勢を表現し, クラスター分析を行った. クラスター分析の結果,Fig. 3.8 に示すような 4 群に分類された. これら 4 群について動作にどのような違いがあるかを調査した. Fig. 3.6 Scatter plot of work and angles and CoM in elderly また,Fig. 3.7 に下肢総仕事に占める各関節がなす仕事の割合と上体角度の関係 ( 左図 ) と, 各関節がなす仕事の割合と身体質量中心位置の関係 ( 右図 ) に示す.Fig. 3.7 より, 体幹の前傾最大値が大きい人ほど膝関節がなす仕事の割合は低くなり, 同時に股関節がなす仕事の割合は高くなるといえる. また, 身体質量中心位置の前方最大値が大きい人ほど膝関節がなす仕事の割合が小さく, 股関節がなす仕事の割合は大きくなるといえる. なお, 若年群においては有意な相関は見られなかった. 3.3.1 下肢のモーメント 仕事サポートモーメントピーク値, サポートモーメントピーク値に占める各関節モーメントの割合, 下肢総仕事, 下肢総仕事に占める各関節のなす仕事の高齢者 4 群間の平均値について, 有意な差は見られなかった. 3.3.2 上体角度 身体質量中心位置座位姿勢での上体角度 ( 骨盤, 体幹, 頭部, 脊柱弯曲 ) の 4 群の平均値を Fig. 3.9 に示す. 体幹, 頭部について群間で有意な差は見られず, 群の分類に使用した骨盤と脊柱弯曲にのみ有意差が見られた. Fig. 3.9 Average kinematic variables at initial position Fig. 3.7 Scatter plot of work rate and angles and CoM in elderly Fig. 3.10 Average kinematic variables at lift-off Fig. 3.8 Cluster analysis using pelvis and spine angles at initial position in elderly Fig. 3.11 Average kinematic variables at SM peak
また, 殿部離床時, サポートモーメントピーク 時の上体角度をそれぞれ Fig. 3.10,Fig. 3.11 に示す.Fig. 3.10,Fig. 3.11 より, 動作中の体幹角度に群間で有意な差がないことが確認できる. また, 骨盤 脊柱弯曲角度は座位姿勢での群間の相対的関係が動作中も持続していることがわかる. 一方で, 頭部の角度について, 骨盤後傾が大きい群では頭部前傾が大きくなり, 骨盤後傾が小さい群では頭部の前傾が小さくなる傾向が確認された. 動作中の身体質量中心位置については 4 群間で有意な差は見られなかった. 4. 考察立ち上がり動作におけるサポートモーメントピーク値について上体角度 身体質量中心位置と無関係であること, サポートモーメントピーク値のばらつきが小さいことから, 立ち上がり動作に必要な下肢の最大モーメントは上体の姿勢によらずおおよそ一定の値が必要であると考えられる. また, 先行研究として高齢群の等尺性膝関節伸展モーメントは若年群に比べ有意に小さくなる [7] という報告と, 本研究のサポートモーメントピーク時の体幹の前傾が深く, また身体質量中心位置が前方にあるほど膝関節モーメントの割合が低くなることより, 膝関節伸展モーメントが低下した高齢者であっても, 体幹角度 身体質量中心位置を調整することで膝関節モーメントの発揮が減尐した立ち上がり動作が可能になると考えられる. 下肢総仕事については, 若年群では相関が見られなかったが, 高齢群において体幹角度との関係について有意な相関が見られた. その原因としては, 高齢者の立ち上がり動作について, 立ち上がりストラテジーの混在 [8] が考えられる. また, 高齢群において体幹の前傾最大値が大きく, 身体質量中心の最大前方位置が前方になるほど下肢総仕事に占める膝関節がなす仕事の割合が小さくなることから, 動作中に体幹をより前傾させ, 身体質量中心位置をより前方に移動させることで膝の仕事を減尐させる立ち上がり動作が可能になると考えられる. また, 高齢群の立ち上がり動作について, 下肢の力発揮については座位姿勢によらないと考えられる. 一方, 動作中の上体の姿勢について, 骨盤の後傾が大きい群について頭部の前傾が大きかったことから, 骨盤の後傾よる身体質量中 心の後方化を頭部の前傾により相殺していると考えられる. 5. 結論高齢者の椅子からの立ち上がり動作において, 膝関節伸展筋力が低下した場合でも体幹角度 身体質量中心を調整することで膝の負担を減らした立ち上がり動作が可能になると示唆された. また, 座位姿勢に違いがある場合も頭部を使用することで下肢動作への影響はないことが示唆された. 参考文献 [1] Lori L. Ploutz-Snyder, Todd Manini, Robert J. Ploutz-Snyder and Douglas A. Wolf(2002); Functionally Relevant Thresholds of Quadriceps Femoris Strength, Journal of Gerontology, B144-151 [2] 谷口昇, 井尻幸成, 松永俊二, 領木良弘, 米和徳, 小宮節郎 (2000); 高齢者の Sagittal Spinal Alignment について, 整形外科と災害外科,49(3),682-684 [3] 村中まゆ美, 西村由香, 佐藤文, 梶本寿洋, 石橋晃仁, 富樫久夫, 吉尾雅春 (2003); 脊柱後弯患者の脊柱と骨盤の運動学的関係について, 理学療法学,30(Supplement 2), 283 [4] T. P. Andriacchi et al.(1998); A Point cluster method for in vivo motion analysis: Applied to a study of knee kinematics, Journal of Biomechanical Engineering, 743-749 [5] 仲田和正 (1987); 高齢者の姿勢 - その分類とメカニズム -, 別冊整形外科,12,2-6 [6] 谷口昇, 井尻幸成, 松永俊二, 領木良弘, 米和徳, 小宮節郎 (2000); 高齢者の Sagittal Spinal Alignment について, 整形外科と災害外科,49(3),682-684 [7] Hughes MA, Myers BS and Schenkman ML(1996); The role of strength in rising from a chair in the functionally impaired elderly, Journal of biomechanics, Vol.12: 1509-1513 [8] Hughes MA, Weiner DK, Schenkman ML, Long RM, Studenski SA(1994); Chair rise strategies in elderly, Clinical biomechanics, vol.9, no.3, 186-192