体力科学第 61 巻第 1 号 89-93(1) 原著 着地時の体幹前傾が膝関節周囲筋に与える影響 濱田和明 1, 浦辺幸夫 3, 山中悠紀 Influence of bending the trunk forward during drop landing on muscles around the knee joint Kazuaki Hamada 1, Yukio Urabe and Yuki Yamanaka 3 1 和光整形外科クリニック, 731-5115 広島県広島市佐伯区八幡東 -8-8-7 (Wako Orthopedic Clinic, -8-8-7, Yahatahigashi, Saeki-ku, Hiroshima 731-5115, Japan) 広島大学大学院保健学研究科, 734-8551 広島県広島市南区霞 1--3 (Graduate School of Health Sciences, Hiroshima University, 1--3, Kasumi, Minami-ku, Hiroshima 734-8551, Japan) 3 姫路獨協大学医療保健学部理学療法学科, 67-854 兵庫県姫路市上大野 7--1 (Department of Physical Therapy, Faculty of Health Care Sciences, Himeji Dokkyo University, 7--1, Kamiono, Himeji, Hyogo 67-854, Japan) Received: June 7, 11 / Accepted: September 3, 11 Abstract The aim of the present study was to investigate whether personal hamstring muscular activation increased by landing with the trunk bent forward. First, 14 healthy female university students were instructed to perform normal drop landing from a 4 cm-high box on both legs. Second, subjects were directed to perform drop landing with the trunk bent forward. Using images obtained from a high-speed video camera, the upper center of mass was calculated in the sagittal plane for determining the differences in these landings. For.1 second after toe contact, the muscular activation of quadriceps femoris and hamstring muscles was analyzed using an electromyogram (EMG), and these findings were compared between the types of landings. There was no significant difference in the activation of quadriceps femoris, but the activation tended to decrease during landing with the trunk bent forward. However, the activation of hamstring muscles increased significantly during landing with the trunk bent forward compared with that during ing. During landing with the trunk bent forward, the activation of hamstring muscles increased, and the activation of quadriceps femoris tended to decrease. Because contraction of hamstring muscles decreases tension in the anterior cruciate ligament, the findings of this study may help in the prevention of anterior cruciate ligament (ACL) injury. Jpn J Phys Fitness Sports Med, 61(1): 89-93 (1) Keywords : muscular activation, upper center of mass, prevention of ACL injury 緒言ジャンプ着地はスポーツ活動のなかで頻繁に行われる動作であり, 非接触型の膝前十字靭帯 (anterior cruciate ligament ; ACL) 損傷の受傷機転のひとつとしてあげられている 1).ACL 単独損傷の発生率は, サッカーやバスケットボール, バレーボールにおいて女性が男性より.4 倍から9.5 倍も高いことが示されている ). 先行研究において,45 までの膝関節軽度屈曲位における大腿四頭筋 (quadriceps femoris ; Quad) の強い収縮により脛骨が前方に変位し,ACLの張力が増大することがいわれている 3). それに対してハムストリング (hamstring muscles ; Ham) の収縮はACLの張力を減少させると報告されている 4). さらに, 着地時の床反力後方成分に抗する大腿四頭筋の生成トルクが脛骨の前 方剪断力を生むとの報告がなされており 5),Hustonら 6) は, スポーツ動作時にハムストリングの活動が低いことを女性のACL 損傷発生理由とした. それらのことから, 着地時にQuadの活動に対してHamの活動が低いことは ACL 損傷の危険因子になると考えられている. 膝関節周囲筋の活動に変化を及ぼす要因に, 重心位置などの影響による膝関節への力学的負荷があげられ, 前屈動作やスクワット時の重心位置と関節モーメント, 筋活動などについての報告がなされてきた 7,8). 静止立位における重心点 (center of mass ; COM) はおおよそ第 仙椎高位に位置するが 9), 動作時に骨盤そのものを重心位置とすると誤差が大きいため 1), 臨床的に簡便な重心位置の評価法として, 視覚的に上半身重心点 (upper center of mass ; UCOM), 下半身重心点 (lower center of mass ; LCOM) を観察する方法が提唱されている 11).
9 濱田, 浦辺, 山中 着地時のACL 損傷場面ではCOMが膝よりも後方に位置することがあるといわれており 1),UCOMがCOMの約 65% の質量を有する 8,1) ことを考えると, そのような状況下では体幹の前傾が少なく, 矢状面におけるUCOM から膝関節までの前後距離が長いものと推測できる. 以上のことから, ジャンプ着地時,UCOMの位置によって膝関節周囲筋の活動も異なることが予想されるが, 文献を渉猟した限りUCOMの観点からそれらを明らかにした研究は見当たらない. 本研究では, 着地動作におけるQuadおよびHamの活動量と, 視覚的に簡便な評価が可能でありCOMの約 65% の質量を有するUCOMの位置に着目し, 矢状面におけるUCOMから膝関節までの前後距離が短くなる着地を行うことで,Quadの活動量に対してHamの活動量が高まるか検討することを目的とした. 仮説として,UCOM が膝関節に近づく着地を行うことで,Quadの活動量は低値を示し,Hamの活動量は高値を示すと考えた. 対象および方法対象対象は下肢に整形外科疾患がない健康な女子大学生 14 名とした. 年齢 (mean±sd) は1.6±1. 歳, 身長は 161.1±6.1 cm, 体重は54.1±5. kgであった. 本研究は広島大学大学院保健学研究科心身機能生活制御科学講座倫理委員会の承認を得て行われた ( 承認番号 : 943). 課題動作 4cmの台上から, 前方へ両脚着地を行うことを課題動作とし,ACL 損傷が発生する可能性が高いとされている接地から.1 秒間の現象に着目した 13). 指示がない状態での着地 ( 以下, 通常着地 ) と, 体幹を前傾して着地するよう指示した着地 ( 以下, 体幹前傾着地 ) の 条件を行った. なお, スポーツ現場での応用が期待できないような不自然な着地とならないよう, また, 着地後に静止した状態を保持できるよう十分に練習を行い, それぞれ 3 施行ずつ行った. 測定の順序はランダムとし, 上肢による影響を少なくするため, 上肢を胸の前で組んだ状態で行わせた. 上半身重心点 (UCOM) 関節角度の算出対象の頭頂, 左側の耳珠, 肩峰, 肋骨下端, 腸骨稜最高位, 大転子, 大腿骨外側上顆, 腓骨頭, 外果の計 9 箇所に反射マーカーを貼付し, 1 台のハイスピードカメラ (FKN-HCC, フォーアシスト社 ) を用い, サンプリング周波数 1Hz で側方より着地動作を撮影した. 撮影した画像をパソコンに取り込み, 動作解析ソフト (Frame-DIAS II,DKH 社 ) を用いて矢状面上での各マーカーの二次元座標値を算出し, 頭部, 上部体幹, 下部体幹それぞれの重心位置を求めた 14). なお, 上肢の質量は上部体幹の質量に含ま れるものとした. 久保ら 11) の報告を参考に, 頭部, 上部体幹, 下部体幹の重心を合成したものをUCOMとし, 足尖接地時, 足尖接地から.1 秒後の座標を求めた.UCOMの位置を表す指標として, 矢状面におけるUCOMから外側上顆までの前後距離 ( 以下,LA K ) と, 大転子までの前後距離 ( 以下,LA H ) を求め, 身長 (body height ; BH) で正規化した値 (% BH) を用いた (Fig 1). さらに, 肩峰と大転子を結ぶ直線と垂線のなす角を求め, 体幹前傾角度とした. また, 腸骨稜最高位, 大転子, 外側上顆の 3 点から股関節屈曲角度を, 大転子, 外側上顆, 腓骨頭, 外果の 4 点から膝関節屈曲角度を算出した. 筋活動の記録表面筋電図 (Personal-EMG, 追坂電子機器 ) を用い着地動作時の筋活動量を測定した. 被験筋は左側の内側広筋 (vastus medialis ; VM), 外側広筋 (vastus lateralis ; VL), 大腿直筋 (rectus femoris ; RF), 半膜様筋 (semimembranosus ; SM), 大腿二頭筋 (biceps femoris ; BF) とした. 皮膚抵抗をKΩ 以下とするため, 皮膚表面を皮膚前処理剤 ( スキンピュア, 日本光電工業 ) で研磨し, アルコール綿で清拭した. 筋電位の導出には表面筋電極 (blue sensor,ambu A/S) を用い, 双極誘導にて行った. 電極はPerottoら 15) の方法に基づいて貼付し, アース電極は左側の肘頭に設置した. 電極中心間距離は 3mmとした. 導出した筋電位をアンプで増幅し, サンプリング周波数 1, HzでA/D 変換し, パソコンに取り込んだ. なお, 低域遮断フィルターを1Hzで用いた. 生波形をroot mean square(rms) に変換し, 筋活動量を対象間で比較するため, 各筋の最大随意収縮時 (maximum voluntary contraction ; MVC) の筋活動量に対する割合 (% MVC) として表した. 収録用のデバイスプログラムを用いて筋電図とビデオカメラを同期させ, 動画上の足尖接地から.1 秒間の筋電図を分析した.VM,VL,RF の活動量の平均をQuadの活動量,SM,BFの活動量の平均をHamの活動量とし 16),Hamの活動量をQuadの活動量で除した値 ( 以下,H/Q 比 ) を算出した. 統計処理統計学的検定にはエクセルアドインソフト Statcel( オーエムエス出版 ) を用いた. 通常着地, 体幹前傾着地の 条件における筋活動量,LA K,LA H, 関節角度の比較に対応のあるt 検定を用い, 危険率 5 % 未満を有意とした. 結果 条件間の筋活動の相違 Quadの活動量は, 通常着地, 体幹前傾着地でそれぞれ96.5±9.7% MVC,83.8±.4% MVCであり,Hamの活動量はそれぞれ8.±1.3% MVC,33.3±11.1% MVCであった (Fig ). 条件間で
体幹前傾着地が膝関節周囲筋に与える影響 91 Epicondylus lateralis UCOM Trochanter major LA H Muscular activation (%MVC 1 1 8 6 4 8. 96.5 33.3 83.8 Ham Quad p<.5 Fig. The difference of personal muscular activation for.1 second after toe contact between normal and ing Ham : Hamstring muscles, Quad : Qudriceps femoris LAK Fig 1. The definition of LA K and LA H LA K : The before and behind distance between UCOM and Epicondylus lateralis on sagittal plane LA H : The before and behind distance between UCOM and Trochanter major on sagittal plane Quadの活動量に有意差は認められなかったが, 体幹前傾着地で低値を示す傾向にあった (p=.95).hamの活動量は体幹前傾着地で有意に高値を示した (p<.5). H/Q 比に関して, 通常着地では.3±.11, 体幹前傾着地では.4±.18であり (Fig 3), 通常着地に対して体幹前傾着地で有意に高値を示した (p<.5). 上半身重心の位置と関節角度 足尖接地時の LA K の値 は, 通常着地, 体幹前傾着地でそれぞれ5.1±1.6% BH,3.1 ±1.4% BHであった. 足尖接地から.1 秒後では, それぞれ1.6±1.7% BH,8.5±1.5% BHであった (Fig 4). 足尖接地時, 足尖接地から.1 秒後ともに, 通常着地に対して, 体幹前傾着地ではLA K の値が有意に低値を示した (p<.1). 足尖接地時のLA H の値は, 通常着地, 体幹前傾着地でそれぞれ1.5±1.8% BH,4.1±1.6% BHであった. 足尖接地から.1 秒後では, それぞれ.6±1.7% BH,6.5±1.7% BHであった (Fig 5). 足尖接地時, 足尖接地から.1 秒後ともに, 通常着地に対して, 体幹前傾着地ではLA H が有意に高値を示した (p<.1). 足尖接地時, 足尖接地から.1 秒後ともに, 通常着地に対して体幹前傾着地では体幹前傾角度が有意に高値を示した (p<.1,table 1). 足尖接地時において, 条件間の股関節, 膝関節屈曲角度に有意差は認められなかったが, 足尖接地から.1 秒後では, それらの値は体幹前傾着地で有意に高値を示した (p<.1.5,table 1). H/Q ratio.6.5.4.3..1.3.4 Fig 3. The difference of H/Q ratio for.1 second after toe contact between normal and forward-bent landing 考 本研究では, 着地動作時の上半身重心点 (UCOM) 11) の位置に着目し, 通常着地と体幹前傾着地における Quad,Hamの活動量を調べ, 条件間の筋活動量の違いを明らかにすることを目的とした. 臨床の場面で動作を捉える指標として重心位置が注目されることがあるが, 動作時に静止立位時の重心位置である第 仙椎高位を観察したのでは誤差が大きい 1). そこで今回はスポーツ現場での簡便な動作分析や動作指導への応用を念頭におき, 視覚的に簡便な評価が可能であるUCOMに着目した. なお, 着地動作時にACLにかかる張力は床反力のピーク時に最大となることがいわれており 17), 着地動作やサイドステップの床反力は接地後約 4msecにピークを迎えると報告されている 18,19). それらのことを踏まえ,ACL 損傷は接地から.1 秒以内に発生している可能性が高いとされているため 13), 足尖接地から.1 秒間の現象に着目して分析を進めた. 今回,UCOMの位置を表す指標として, 図 1 に示したとおり, 矢状面におけるUCOMから外側上顆までの前後距離 (LA K ) と大転子までの前後距離 (LA H ) を使用した. 体幹前傾着地を行うことで LA K は有意に低値を,LA H は有意に高値を示し (Fig 4, 5 参照 ), 本研究で行った体幹前傾着地は, 通常着地よりも矢状面におけるUCOMから膝関節までの前後距離が短い着地動作で 察 p<.5
9 濱田, 浦辺, 山中 LA K (%BH) LA H (%BH) 1 1 8 6 4 5.1 * * toe contact 3.1 1.6 after.1sec. 8.5 p<.1 Fig 4. LA K at toe contact and after.1second 1 1 8 6 4-1.5 4.1 Fig 5. LA H at toe contact and after.1second toe contact Normal landing Forward-bent landing after.1second Normal landing Forward-bent landing toe contact あったことが確認できた.LA K が低値を示し,LA H が高 値を示したことは,UCOMがより前方に位置したと解釈できる. また, 本研究における体幹前傾着地は, 足尖接地時では約 9, 足尖接地から.1 秒後では約 13 通常着地よりも体幹前傾角度が大きいものであった. 体幹前傾着地を行うことで, 足尖接地から.1 秒間の Hamの活動量が通常着地に対して有意に高値を示したが, これは仮説を支持する結果であった (Fig 参照 ). 股関節伸展作用を持つHamが, 股関節よりも上位にある質量の前方への回転を制御したためこのような結果が生じたものと考えた. 着地時にUCOMがより前方へ位置したことで, 矢状面における股関節からUCOMまでの前後距離が長くなり, 着地動作に要求される股関節伸展方向への力も大きくなったものと解釈できる. 先行研究において, 福井ら 7,1) は, 前屈動作で股関節伸展モーメントが増大することを示し, 関節モーメントの発揮には二関節筋の活動が重要であると述べている. 前屈動作はUCOMが股関節より前方に位置する動作であり, 関節モーメントにはほぼ直接的に筋活動が反映されている ). 以上のことから, 体幹前傾着地において股関節伸展作用を持った二関節筋であるHamの活動量が高値を示したことは, それらの報告に類似した結果であったと.6 after.1sec. 6.5 Trunk Hip Knee 4.8±4.66 13.1±4.75 1.4±8.8 14.8±7. p<.1 Table 1. Trunk, hip and knee joint angle 9.9±4.87.3±5.59 9.7±8.6 37.1±7.8 4.4±6.5 4.3±5.1 73.1±5. 76.±3. (degree : ) * p<.5 ** p<.1 いえよう. Quadの活動量について, 通常着地と体幹前傾着地の 条件間で有意差は認められなかったものの, 体幹前傾着地で低値を示す傾向にあった (p=.95,fig 参照 ). Hamの活動量が有意に高値を示し,Quadの活動量が低値を示す傾向にあったため,H/Q 比は体幹前傾着地で有意に高値を示した (Fig 3 参照 ).Quadの活動量が体幹前傾着地で低値を示す傾向にあったが, これは,Quad が膝関節より上位の質量の後方への回転を制御する役割を有し, 矢状面におけるUCOMから膝関節までの前後距離が短くなったため生じた結果と捉えた.UCOMは COMの質量の約 65%, 一方で大腿部は約 5% であるため 9),UCOMが膝関節に近づいたことで膝関節より上位の質量中心も膝に近づく傾向にあったと推測され, 着地動作に要求される膝関節伸展方向の負荷が低い傾向にあったものと考えられる. 以上のように, 体幹前傾着地では, 通常着地よりも足尖接地から.1 秒間のHamの活動量が高いことが示された. さらに,Quadの活動量も低値を示す傾向にあったため,Quadの活動量に対するHamの活動量を示すH/Q 比が高値を示すことが明らかとなった. 先述のとおり, Quadの強い収縮はACLの張力を増大させ 3), 逆にHam の収縮はACLの張力を減少させる 4).ACL 損傷は接地から.1 秒以内に発生している可能性が高いため 13), 足尖接地から.1 秒間のQuadの活動量に対するHamの活動量を高めることは,ACLへの過大なストレスを回避することにつながると考えられる. よって, 体幹前傾着地は通常よりもACL 損傷の危険性が低い着地動作であるといえるだろう. 本研究の結果は,Hamの活動量が大きい着地動作の指導というかたちで臨床応用することができると考えられる. 今回はハイスピードカメラを使用して二次元座標値から各体節の重心位置を求め, それらからUCOMを算出したが, 臨床現場では視覚的にUCOMを観察する方法が提唱されている 11).UCOMがおおよそ第 7 ~ 8 胸椎に位置するという同報告を用いて関節モーメントの推定がなされており 1), これらの手法を用いることで簡便にUCOMの位置を把握できる可能性がある. 実験機器の揃わないスポーツ現場においてもUCOMの位置を把握できれば, 矢状面におけるUCOMから膝関節までの前後距離を観察することで,Hamの活動量が大きく, ACL 損傷の危険性の低い着地動作を指導することができ, 選手の外傷予防に貢献できるかもしれない. 今回は, 研究結果を簡便に臨床応用することを視野に入れ, 二次元での動作解析を行った. そのため, 本研究の限界として, 身体の回旋運動などによる測定誤差を考慮できていないことがあげられる. また, 本研究で行った体幹前傾着地では, 通常着地と比較して足尖接地時の
体幹前傾着地が膝関節周囲筋に与える影響 93 体幹前傾角度が約 9 高値を示し, 足尖接地から.1 秒後 の体幹前傾角度, 股関節, 膝関節屈曲角度がそれぞれ約 13,7,3 高値を示す結果となった (Table 1 参照 ). 体幹前傾着地を実際のスポーツ現場に導入するにあたり, このような体幹前傾角度や股関節, 膝関節屈曲角度の変化が選手本来のスポーツパフォーマンスを阻害する因子とならないか, 今後慎重に検討を進めていく必要があるだろう. 本研究の結果をもとに, 体幹前傾着地が実際のスポーツ活動に適合するものか研究をすすめ,ACL 損傷予防として合理的な動作を考える一助としたい. 引用文献 1) Boden BP, Dean GS, Feagin JA Jr, Garrett WE Jr : Mechanisms of anterior cruciate ligament injury, Orthopedics, 3: 573-578,. ) Garric JG: Anterior cruciate ligament injures in men and women : How common are they? Prevention on noncontact ACL injury, American Academy of Orthopedic Surgeons, 1: 1-9, 1. 3) Arms SW, Pope MH, Johnson RJ, Fischer RA, Arvidsson I, Eriksson E: The biomechanics of anterior cruciate ligament rehabilitation and reconstruction, Am J Sports Med, 1: 8-18, 1984. 4) Renström P, Arms SW, Stanwyck TS, Johnson RJ, Pope MH: Strain within the anterior cruciate ligament during hamstring and quadriceps activity, Am J Sports Med, 14: 83-87, 1986. 5) Yu B, Chappell JD, Garrett WE: Comment: effect of fatigue on knee kinetics and kinematics in stop-jump tasks, Am J Sports Med, 34: 313-315, 6. 6) Huston LJ, Wojtys EM: Neuromuscular performance characteristics in elite female athletes, Am J Sports Med, 4: 47-435, 1996. 7) 福井勉, 金承革, 高橋正明 : 立位動作における下肢関節モーメント, 日本臨床バイオメカニクス学会誌, 3: 59-64,. 8) Nishiwaki GA, Urabe Y, Tanaka K: EMG Analysis of Lower Extremity Muscles in Three Different Squat Exercises, Journal of the Japan physical therapy Association, 9: 1-6, 6. 9) 中村隆一, 斎藤宏 : 基礎運動学, 第 4 版, 東京, 医歯薬出版, 89-39, 199. 1) 山口光國, 福井勉, 入谷誠 : 結果の出せる整形外科理学療法, 初版, 体幹からみた理学療法の展開, 東京, Medical View, 114-15, 9. 11) 久保祐子, 山口光國, 大野範夫, 福井勉 : 姿勢 動作分析における身体重心点の視覚的評価の検討, 理学療法学, 33: 11-117, 6. 1) 浦辺幸夫 : 膝前十字靭帯損傷を発生させるスポーツ動作の分析, Sportsmedicine, 17:37-4, 5. 13) 福林徹, 蒲田和芳, 渡邊裕之, 片寄正樹, 横山茂樹, 鈴川仁人 :ACL 損傷予防プログラムの科学的基礎, 初版, ACL 損傷の危険因子, 東京, NAP, 54-64, 8. 14) 阿江通良, 湯海鵬, 横井孝志 : バイオメカニズム 11 ヒトの形態と運動機能, 初版, 日本人アスリートの身体部分慣性特性の推定, 東京, 東京大学出版会, 3-33, 199. 15) Perotto A, Delagi EF: Anatomic guide for the electromyoglapher, 3rd Edi., Charles C Thomas Publisher, 17-171, 18-181, 184-185, 19-195, 1981. 16) Malinzak RA, Colby SM, Kirkendall DT, Yu B, Garrett WE: A comparison of knee joint motion patterns between men and women in selected athletic tasks, Clin Biomech, 16: 438-445, 1. 17) Cerulli G, Benoit DL, Lamontagne M, Caraffa A, Liti A: In vivo anterior cruciate ligament strain behavior during a rapid deceleration movement, Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 11: 37-311, 3. 18) Decker MJ, Torry MR, Wyland DJ, Steret WI, Steadman RJ: Gender differences in lower extremity kinematics, kinetics and energy absorption during landing, Clin Biomech, 18: 66-669, 3. 19) McLean SG, Su A, van den Bogert AJ: Development and validation of a 3-D model to predict knee joint loading during dynamic movement, J Biomech Eng, 15: 864-874, 3. ) 臨床歩行分析研究会 : 関節モーメントによる歩行分析, 初版, 基礎力学編, 東京, 医歯薬出版株式会社, 3-1, 1997.