1/15 立 位 平 衡 機 能 および 歩 行 能 力 の 低 下 に 及 ぼす 筋 量 の 影 響 神 﨑 史 1), 神 﨑 素 樹 2), 東 香 寿 美 3), 宮 谷 昌 枝 4), 金 久 博 昭 1), 福 永 哲 夫 1) 2) 3) 4) 早 稲 田 大 学 生 涯 スポーツ 医 科 学 研 究 所 客 員 研 究 員 東 京 大 学 大 学 院 総 合 文 化 研 究 科 早 稲 田 大 学 スポーツ 科 学 部 国 立 健 康 栄 養 研 究 所 健 康 増 進 部 3) Abstract Kouzaki Fumi, Motoki Kouzaki, Kazumi Azuma, Masae Miyatani, Hiroaki Kanehisa, Tetsuo Fukunaga. Effects of muscle mass on age-related changes in postural stability and walking ability. - According to cross-sectional studies, declined postural stability and walking ability is remarkable over 60 years, and this will be one of the impairment factors for quality of life in the elderly. Similarly, age-related decrease in muscle mass of lower limb is pointed out. In the present study, in order to effects of muscle mass on postural stability and walking ability with age, we investigated foot center-of-mass (COP) path length during quiet standing and coefficient of variation (CV) of walking speed during preferred walking among the subjects, who aged from 22 to 79 years. The muscle volume of knee extensors-flexors and ankle extensors-flexors muscle group were estimated from the multi-regression analysis based on measured muscle thickness at the corresponded sites using ultrasonographic apparatus. The age-related decrease in COP path length was not influenced by the muscle volume of ankle extensors as main working muscles of human quiet stance. This result suggests that the age-related decrease in postural stability was not attributed to quantitative feature of ankle extensors. On the other hand, CV of walking speed was not related to age but to muscle volume of lower limb. To delve deeper into this phenomenon, we investigated relationships between CV of walking speed and individual muscle groups. As a result of multi-regression analysis, CV of walking speed was influenced by the knee flexors and not other muscle groups. This result implies the possibility that bi-articular muscles within the knee flexors play a role on the stabilization of walking speed. With respect to age-related change, these results lead us to conclude that muscle mass of lower limb is not correlated to postural stability but to walking ability. 1. 緒 言 これまで, 高 齢 者 の 健 康 問 題 を 論 じる 場 合,その 中 心 は 疾 病 や 障 害 を 有 する 高 齢 者 に 適 切 な 福 祉 や 医 療, 介 護 サービスをいかに 提 供 するかという 受 け 身 の 対 応 が 主 であった.しかし, 今 後 急 速 に 高 齢 化 社 会 を 迎 える 我 が 国 において, 高 齢 期 の 生 活 そのものが, 否 定 的 なものでなく, 要 介 護 者 減 少 といった 積 極 的 な 対 応 が 主 となることが 望 まれる( 荒 尾 1996).すなわち, 単 に 平 均 寿 命 の 増 加 のみを 良 しとするのではなく, 長 期 化 した 高 齢 期 の 生 活 の 質 (QOL: Quality of Life)の 向 上 が 重 視 されるべきである.QOL を 損 なう 寝 たきりには, 転 倒 が 直 接 的 あるいは 骨 折 を 介 して 間 接 的 に 関 与 していると 考 えられている( 内 藤 1997). 高 齢 者 転 倒 因 子 については, 外 的 環 境 因 子 のほか, 平 衡 機 能, 歩 行 能 力, 筋 力 低 下, 反 射 の 衰 弱, 視 力 の 低 下, 痴 呆 の 進 行 などが 挙 げら れるが,そのうち, 平 衡 機 能 (Tinetti & Speechley 1989)および 歩 行 能 力 (Kerrigan et al. 2001)の 低 下 が 特 に 危 険 因 子 として 指 摘 されている. 平 衡 機 能 の 評 価 には, 様 々な 方 法 が 存 在 するが, 被 検 者 の 負 担 が 少 なく 保 健 診 療 適 用 の 検 査
2/15 となり 方 法 が 基 準 化 されていること( 日 本 平 衡 神 経 科 学 会, 1983), 評 価 値 がどの 施 設 で 実 施 され た 検 査 でも 同 じ 基 準 で 評 価 できること( 時 田 と 宮 田 1999)から, 静 的 立 位 姿 勢 時 の 足 圧 中 心 (Center of Pressure: COP) 動 揺 を 計 測 することが 広 く 用 いられている.これまで,COP 動 揺 の 測 定 による 平 衡 機 能 の 評 価 値 として, 振 幅, 面 積, 位 置 ( 例 えば Inamura & Tanaka,1984; Murray et al. 1975), 軌 跡 長 ( 例 えば Panzer et al. 1995; Kolleger et al. 1992; Ring et al. 1989)などが 算 出 されてき た.ただし,COP 動 揺 が 非 定 常 な 系 列 であることから(Duarte & Zatsiorsky 2000),これらパラメ ータのうち, 差 分 により 定 常 化 された 軌 跡 長 のみが 再 現 性 の 高 い 安 定 な 評 価 値 といえる( 政 二 ら 2004).COP 動 揺 の 軌 跡 長 は, 加 齢 に 伴 い 増 大 することが 知 られ(Panzer et al. 1995; Ring et al. 1989), 特 に 60 歳 以 降 において 顕 著 である( 神 﨑 ら 2000; Ring et al. 1989).60 歳 以 降 に 平 衡 機 能 が 変 化 (おそらくは 悪 化 )していることは 確 かであり,これが 高 齢 者 の 転 倒 を 増 大 させる 要 因,ひいて は QOL の 低 下 を 招 くと 考 えられる. 歩 行 能 力 に 関 しても 同 様 に, 加 齢 に 伴 いその 能 力 は 低 下 することが 多 くの 研 究 者 により 指 摘 さ れている( 例 えば Murray et al. 1964). 加 齢 に 伴 う 歩 行 能 力 の 変 化 に 関 する 研 究 は,これまで 時 間 的 因 子 ( 歩 行 速 度, 歩 調 など), 距 離 的 因 子 ( 歩 幅, 歩 隔 など), 力 学 的 因 子,および 空 間 的 因 子 の 観 点 から 検 討 されてきた(レビュー: 小 坂 井 ら 2001). 平 衡 機 能 の 加 齢 変 化 と 同 様 に,これら 因 子 も 60 歳 以 降 に 低 下 が 著 しい.むろんこれら 要 因 の 検 討 は 重 要 であるが, 歩 行 の 生 成 過 程 を 考 慮 すると, 神 経 生 理 学 的 観 点 ( 森 1991, 1997)からの 検 討 も 必 要 である.しかし,この 視 点 か らの 歩 行 能 力 の 加 齢 変 化 に 関 する 研 究 は 皆 無 であり, 神 経 生 理 学 的 側 面 からのアプローチも 重 要 と 考 えられる. 体 育 学 の 立 場 では, 高 齢 者 の 平 衡 機 能 および 歩 行 能 力 の 維 持 向 上 を 図 ることが 大 きな 目 的 で あるため, 一 般 高 齢 者 の 平 衡 機 能 および 歩 行 能 力 を 正 確 に 評 価 し, 加 齢 変 化 とその 関 連 要 因 を 明 らかにすることが 重 要 である.さらに, 高 齢 者 の QOL を 考 慮 する 場 合,これら 立 位 および 歩 行 動 作 の 発 現 の 源 である 下 肢 筋 群 に 着 目 する 必 要 がある. 事 実, 老 化 は 脚 から と 言 われるよう に, 加 齢 に 伴 い 下 肢 筋 群 の 筋 量 も 低 下 することが 知 られている(Janssen et al. 2000; 宮 谷 ら 2000). しかしながら, 加 齢 に 伴 う 立 位 平 衡 機 能 および 歩 行 能 力 の 変 化 と 下 肢 筋 群 筋 量 と 関 連 は 不 明 であ る.そこで 本 研 究 では 立 位 平 衡 機 能 および 歩 行 能 力 に 及 ぼす 下 肢 筋 群 の 影 響 を 明 らかにすること を 目 的 とする. 2. 方 法 被 検 者 は 20 歳 代 15 名,30 歳 代 46 名,40 歳 代 32 名,50 歳 代 19 名,60 歳 代 20 名,70 歳 代 23 名, 計 155 名 であった. 2.1. 立 位 平 衡 機 能 の 測 定 および 解 析 被 検 者 は, 床 反 力 計 (9281B, キスラー 社 製 ) 上 での 約 70 秒 間 の 静 的 立 位 を 開 眼 および 閉 眼 条 件 下 でそれぞれ 1 試 行 ずつ 行 った( 図 1A). 開 眼 条 件 では, 正 面 の 目 の 高 さに 設 定 された 視 点 を 注 視 させるように 被 検 者 に 指 示 した. 閉 眼 条 件 では,まず, 視 点 を 注 視 させ,その 後, 閉 眼 す るように 指 示 した( 山 本 2001). 床 反 力 垂 直 方 向 成 分 をサンプリング 周 波 数 100Hz で 取 得 し,60 秒 間 の 前 後 方 向 の COP 動 揺 を 算 出 した. 本 研 究 では, 倒 立 振 子 の 近 似 がより 適 合 し(Masani et al. 2003), 下 腿 伸 筋 群 との 関 連 を 検 討 しやすい 前 後 方 向 の COP 動 揺 に 着 目 して 検 討 を 行 った.COP 動 揺 系 列 について,バターワースフィルター 法 により 遮 断 周 波 数 15Hz で 高 域 遮 断 を 行 い( 神 崎
3/15 ら 2003),COP 動 揺 の 軌 跡 長 を 下 記 式 により 求 めた. n V = x x T x, i= 1, 2,..., n i= 2 i i 1 i T は 計 測 時 間 (60 秒 )を 表 している.ここで,COP 動 揺 の 軌 跡 長 を 計 測 時 間 (T)で 除 している ため, 正 確 には,V は COP 動 揺 の 平 均 速 度 となるが,COP 速 度 (COP 動 揺 の 一 階 時 間 微 分 )と 区 別 するために V を COP 動 揺 の 軌 跡 長 と 以 後 記 述 することにする.また,COP 動 揺 の 振 幅 は, 身 長 ( 重 心 高 )の 影 響 を 受 けるため,COP 動 揺 の 軌 跡 長 は, 重 心 高 ( 身 長 0.55(Winter 1990)) で 規 格 化 ((cm/s)/m)した. 2.2. 歩 行 能 力 の 測 定 および 解 析 本 研 究 では, 歩 行 能 力 の 測 定 に 自 走 式 トレッドミルを 用 いた. 歩 行 はトレッドミル 前 部 にある バーを 握 った I 自 由 歩 行 とした( 図 2A). 歩 行 中 のベルト 速 度 を 速 度 センサーにより 検 知 し,トレ ッドミル 前 方 のモニターに 表 示 した.なお, 本 研 究 で 用 いたトレッドミルによる 測 定 値 は, 従 来 の 牽 引 式 トレッドミルから 得 られた 値 と 同 等 であることを 確 認 済 みである(Yanagiya et al. 2003). まず 被 検 者 に,トレッドミル 上 で 歩 行 してもらい,トレッドミル 歩 行 に 慣 れさせるとともに, 最 も 歩 行 しやすい 速 度 を 決 定 した.その 後, 被 検 者 は 決 定 した 速 度 を 一 定 に 保 つ 歩 行 課 題 を 約 40 秒 間 おこなった. 解 析 には 速 度 が 定 常 となった30 秒 間 を 採 用 した(サンプリング 周 波 数 100Hz). リニアトレンドを 除 去 するために 系 列 の 一 次 回 帰 直 線 を 求 めその 差 分 を 求 めた( 図 2B).また, 歩 行 速 度 の 振 幅 は 下 肢 長 に 影 響 を 受 けるため 下 肢 長 で 規 格 化 ((m/s)/m)した.cop 動 揺 の 解 析 と 同 様 に, 歩 行 速 度 の 差 分 系 列 をバターワースフィルター 法 により 遮 断 周 波 数 15Hz で 高 域 遮 断 を 行 った. 本 研 究 では, 歩 行 能 力 の 評 価 として, 歩 行 速 度 の 安 定 性 を 採 用 した.すなわち, 速 度 系 列 の 変 動 係 数 (CV: coefficient of variation)を 求 めた.CV が 小 さいほど 安 定 性 が 優 れていると 評 価 され,これは Enoka ら(1999, 2003)の 提 唱 している steadiness( 力 調 節 安 定 性 )の 概 念 に 基 づ いている. 事 実, 高 齢 者 は 若 齢 者 に 比 して 様 々な 力 発 揮 課 題 における CV が 大 きいことが Enoka らの 研 究 グループにより 報 告 されている(Galganski et al. 1993; Graves et al. 2000; Laidlaw 2000; Tracy & Enoka 2002). 2.3. 下 肢 筋 群 の 筋 体 積 の 測 定 および 解 析 B モード 超 音 波 装 置 (SSD-500,アロカ 社 製 )を 用 いて 体 肢 4 カ 所 ( 大 腿 前 部, 大 腿 後 部, 下 腿 前 部, 下 腿 後 部 )の 筋 厚 を 測 定 した.また, 大 腿 長 および 下 腿 長 を 測 定 し,Miyatani ら(2004) の 式 より 膝 関 節 伸 展 筋 群, 膝 関 節 屈 曲 筋 群, 足 関 節 伸 展 筋 群, 足 関 節 底 屈 筋 群 の 筋 体 積 (cm 3 ) を 推 定 した.これら 推 定 値 は, 体 重 で 規 格 化 (cm 3 /kg)した. 3. 結 果 散 布 図 は 被 検 者 個 々のデータをプロットし, 最 小 二 乗 法 により 一 次 回 帰 直 線 を 求 め,その 相 関 係 数 が 有 意 であった 場 合 のみ 回 帰 直 線 を 示 した.なお, 有 意 水 準 は 5%とした. 3.1. 立 位 平 衡 機 能 I 高 齢 者 転 倒 予 防 のため.
4/15 図 1B に 若 齢 者 ( 上 段 )および 高 齢 者 ( 下 段 )の 前 後 方 向 の COP 動 揺 を 示 した. 若 齢 者 に 比 し て 高 齢 者 の 振 幅 は 大 きく,さらに 高 周 波 成 分 を 占 める 割 合 が 多 いように 見 える. 図 3A に 加 齢 に 伴 う COP 動 揺 の 軌 跡 長 を 示 した. 先 行 研 究 と 同 様 に, 加 齢 に 伴 い COP 動 揺 の 軌 跡 長 は 増 加 し, 両 者 間 には 有 意 な 直 線 関 係 であった( 開 眼 条 件 :r=0.402, P<01, 閉 眼 条 件 :r=70,p<01). ヒトの 安 静 立 位 姿 勢 を 倒 立 振 り 子 モデルとして 捉 えると, 足 関 節 伸 展 筋 群 はその 主 働 筋 になる (Morasso & Schieppati 1999).そこで,COP 動 揺 の 軌 跡 長 と 足 関 節 伸 展 筋 群 の 筋 体 積 との 関 連 を 検 討 した( 図 3B).しかし, 両 者 間 にはいずれの 条 件 で 有 意 な 相 関 関 係 はみられなかった. 確 認 のため, 目 的 変 数 に COP 動 揺 の 軌 跡 長, 説 明 変 数 に 年 齢 および 筋 体 積 とする 重 回 帰 分 析 を 行 っ たところ, 年 齢 の 影 響 を 除 いた 場 合 もこの 結 果 は 変 わらなかった( 表 1). 3.2. 歩 行 能 力 図 2B に 若 齢 者 ( 上 段 )および 高 齢 者 ( 下 段 )の 歩 行 速 度 系 列 を 示 す. 歩 調 に 伴 う 周 期 的 な 変 動 に 不 規 則 な 変 動 ( 低 周 波 )が 定 性 的 に 捉 えることができる.この 不 規 則 な 変 動 こそが, 歩 行 速 度 の CV に 関 連 すると 考 えられる(Kouzaki et al. 2004).CV は 加 齢 に 伴 う 変 化 は 観 察 されなかっ た( 図 4 上 段 ). 一 方,CV は 下 肢 全 体 の 筋 体 積 ( 膝 関 節 伸 展 筋 群 + 膝 関 節 屈 曲 筋 群 + 足 関 節 伸 展 筋 群 + 足 関 節 底 屈 筋 群 )と 有 意 な 負 の 相 関 関 係 が 認 められた(r=82, P<5, 図 4 下 段 ). 確 認 の ため, 目 的 変 数 に 歩 行 速 度 の CV, 説 明 変 数 に 年 齢 および 筋 体 積 とする 重 回 帰 分 析 を 行 ったとこ ろ, 年 齢 の 影 響 を 除 いた 場 合 もこの 結 果 は 変 わらなかった( 表 1).すなわち, 筋 量 が 低 い 被 検 者 (or 高 い 被 検 者 )は, 歩 行 速 度 の CV が 大 きい(or 小 さい)と 解 釈 される.しかし, 相 関 係 数 が 82 と 低 く, 標 準 偏 差 ( 図 4 下 段 の 波 線 )を 大 きく 逸 脱 した 被 検 者 が 存 在 することから 下 肢 全 体 ではなく, 筋 群 毎 に 歩 行 速 度 の CV に 及 ぼす 影 響 を 検 討 した.その 結 果, 膝 関 節 伸 展 筋 群, 足 関 節 伸 展 筋 群 および 足 関 節 底 屈 筋 群 との 関 連 性 はなく, 膝 関 節 屈 曲 筋 群 のみ 有 意 な 負 の 相 関 関 係 が 認 められた.さらに, 目 的 変 数 に 歩 行 速 度 の CV, 説 明 変 数 に 各 筋 群 とする 重 回 帰 分 析 を 行 っ たところ, 膝 関 節 屈 曲 筋 群 のみが 歩 行 速 度 の CV に 及 ぼす 影 響 が 強 いことが 解 った( 表 2). 3.3. 立 位 平 衡 機 能 と 歩 行 能 力 との 関 係 歩 行 速 度 の CV と COP 動 揺 の 軌 跡 長 ( 開 眼 条 件, 閉 眼 条 件 )との 関 係 を 図 示 した( 図 6). いずれの 条 件 とも 有 意 な 関 連 は 認 められなかった. 4. 議 論 本 研 究 では 加 齢 に 伴 う 立 位 平 衡 機 能 および 歩 行 機 能 の 変 化 を 明 らかにするために 下 肢 筋 群 の 量 的 特 性 を 考 慮 に 入 れ 検 討 した. 4.1. 立 位 平 衡 機 能 横 断 的 研 究 によれば,COP 動 揺 の 軌 跡 長 (あるいは 平 均 速 度 )は 加 齢 に 伴 い 増 大 し,60 歳 を 境 にその 増 加 の 程 度 は 大 きくなる(Panzer et al. 1995; Ring et al. 1989). 高 齢 者 における 直 立 姿 勢 の 不 安 定 性 に 筋 力 の 低 下 が 指 摘 されていること( 藤 原 ら 1982), 平 衡 機 能 の 主 働 筋 である 下 肢 筋 群 の 筋 量 および 筋 力 も 加 齢 に 伴 い 低 下 し,60 歳 からその 低 下 率 が 増 加 すること( 宮 谷 ら 2000) から,これが, 高 齢 者 の 立 位 平 衡 機 能 の 低 下 を 特 徴 づけると 考 えられる.しかし, 本 研 究 では, 立 位 時 の 主 働 筋 である 足 関 節 伸 展 筋 群 の 筋 体 積 と 立 位 平 衡 機 能 との 関 連 を 見 出 すことができな
5/15 かった. 姿 勢 調 節 系 は, 主 に 視 覚 系, 前 庭 系, 固 有 感 覚 系 の 情 報 を 基 にしたフィードバック 調 節 系 を 主 体 としていると 考 えられている(Fitzpatrick et al. 1994). 視 覚 系 および 前 庭 系 の 姿 勢 調 節 の 貢 献 は 多 くの 研 究 者 間 で 一 致 した 見 解 であり(Allum & Pfaltz, 1985; Diener et al. 1982; Mauritz & Dietz, 1980), 固 有 感 覚 系 は,これらフィードバックの 補 足 的 な 役 割 としてしか 考 えられていない (Fitzpatrick & McCloskey 1994). 安 静 立 位 時 には, 本 研 究 で 着 目 した 主 働 筋 からのフィードバック はこの 固 有 感 覚 系 に 由 来 するため, 立 位 平 衡 機 能 との 関 連 が 薄 かったと 考 えられる.また, 我 々 は, 若 齢 者 を 対 象 とし,20 日 間 のベッドレスト 中 にレジスタンストレーニングにより 下 肢 筋 群 の 筋 量 を 維 持 した 場 合 でも 立 位 平 衡 機 能 は 激 減 することを 確 認 している(Kouzaki et al. submitted). さらに, 安 静 立 位 時 の 足 関 節 のスティッフネスを 直 接 測 定 した Loram らの 一 連 の 研 究 によると (Loram & Lakie 2002a, 2002b), 姿 勢 調 節 には, 足 関 節 のスティッフネスの 関 与 は 不 十 分 であるこ とを 結 論 づけている. 一 方, 足 関 節 伸 展 筋 群 の 筋 活 動 と COP 動 揺, 身 体 重 心 動 揺 の 相 互 相 関 関 数 解 析 を 通 して 姿 勢 調 節 のメカニズムを 検 討 している 先 行 研 究 によると(Fitzpatrick et al. 1996; Gatev et al. 1999; Masani et al. 2003), 足 関 節 伸 展 筋 群 の 筋 活 動 と 姿 勢 調 節 とは 密 接 な 関 連 があるこ とが 報 告 されている. 下 肢 筋 群 の 筋 体 積 と 立 位 平 衡 機 能 とは 関 連 性 がないという 本 研 究 の 結 果 は, 立 位 平 衡 機 能 には, 足 関 節 伸 展 筋 群 の 量 的 特 性 ではなく, 筋 の 使 い 方 のような 質 的 特 性 が 関 与 していることを 推 察 させる.したがって, 加 齢 に 伴 う 立 位 平 衡 機 能 の 低 下 には, 下 肢 筋 群 の 量 的 特 性 の 影 響 を 受 けないことが 明 らかとなった. 4.2. 歩 行 能 力 歩 行 速 度, 歩 調, 歩 幅, 歩 隔 などを 調 べた 先 行 研 究 によると,これらパラメータも 加 齢 により 低 下 する.しかし,これらパラメータは, 身 長 などのディメンションに 大 きく 影 響 を 受 ける.し たがって 横 断 的 な 研 究 では, 加 齢 による 歩 行 能 力 の 変 化 を 正 確 に 評 価 しているとは 言 い 難 い. 本 研 究 では,Enoka ら(1999, 2003)の 提 唱 した steadiness( 力 調 節 安 定 性 )を 歩 行 に 応 用 し, 歩 行 能 力 を 評 価 した.その 結 果, 加 齢 に 伴 う 歩 行 能 力 の 低 下 はみられなかった. 一 方, 本 研 究 で 着 目 した 下 肢 筋 群 の 筋 体 積 とは 関 連 性 が 見 出 され, 筋 体 積 が 小 さい(or 大 きい) 被 検 者 は, 歩 行 能 力 が 劣 る(or 優 れている)と 評 価 された.しかし,この 相 関 の 程 度 は 小 さいため,さらに 筋 群 毎 に 歩 行 能 力 への 貢 献 を 検 討 した. 一 般 に, 通 常 歩 行 動 作 時 においては, 膝 関 節 伸 展 筋 群, 足 関 節 伸 展 屈 筋 群 の 貢 献 が 大 きい(Nilsson et al. 1985).しかし, 本 研 究 においては,これら 3 筋 群 は 歩 行 能 力 とは 関 連 せず, 逆 に 膝 関 節 屈 曲 筋 群 と 密 接 な 関 連 性 が 認 められた. 本 研 究 で 評 価 した 歩 行 能 力 は, 従 来 とは 異 なり, 調 節 能 に 影 響 を 受 ける(Enoka et al. 1999, 2003). 各 筋 群 の 解 剖 学 的 な 特 性 を 考 慮 した 場 合, 膝 関 節 屈 曲 筋 群 の 多 関 節 筋 の 占 める 割 合 は 他 の 筋 群 に 比 して 大 きい(Lieber 1992). 単 関 節 筋 と 多 関 節 筋 の 力 発 揮 に 対 する 役 割 が 異 なることは 多 くの 研 究 者 により 指 摘 され ている(Buchanan et al. 1986, 1989; Kouzaki et al. 2002, 2003, 2004).van Ingen Schenau(1992, 1995; Jacobs & van Ingen Schenau 1992)の 一 連 の 研 究 によると, 単 関 節 筋 はトルクジェネレーターとし て, 多 関 節 筋 は 力 発 揮 方 向 などの 調 節 としての 役 割 を 担 うことが 示 唆 されている.したがって, 本 研 究 で 評 価 した 歩 行 能 力 は, 多 関 節 筋 の 占 める 割 合 の 大 きい 膝 関 節 屈 曲 筋 群 の 力 調 節 としての 役 割 が 大 きく 貢 献 していることが 示 唆 された. 5. まとめ 本 研 究 では, 身 体 運 動 の 基 盤 とも 言 うべき 立 位 姿 勢 および 歩 行 動 作 の 加 齢 変 化 におよぼす 下 肢 筋
6/15 群 の 筋 量 の 影 響 について 検 討 した.その 結 果, 立 位 平 衡 機 能 の 加 齢 変 化 は, 立 位 の 主 働 筋 である 足 関 節 伸 展 筋 群 の 量 的 特 性 は 関 与 しないことが 明 らかとなった. 一 方, 歩 行 能 力 に 関 しては, 年 齢 の 変 数 より 下 肢 筋 群 の 量 的 特 性 に 影 響 を 受 けることが 明 らかとなった.これは, 膝 関 節 屈 曲 筋 群 の 多 関 節 筋 としての 調 節 能 力 が 関 与 していることが 示 唆 された. 6. 引 用 文 献 Allum JHJ and Pfaltz CR. Visual and vestibular contributions to pitch sway stabilization in the ankle muscles of normals and patients with bilateral vestibular deficits. Exp Brain Res 58: 82-94, 1985 荒 尾 孝. 高 齢 者 の 身 体 的 活 動 能 力 の 実 態 とその 維 持 増 進. 体 力 研 究, 92: 1-20, 1996. Buchanan TS, Almdale DPJ, Lewis JL, and Rymer WZ. Characteristics of synergic relations during isometric contractions of human elbow muscles. J Neurophysiol 56: 1225-1241, 1986. Buchanan TS, Rovai GP, and Rymer WZ. Strategies for muscle activation during isometric torque generation at the human elbow. J Neurophysiol 62: 1201-1212, 1989. Diener HC, Dichgens J, Bruzek W, and Selinka, H. Stabilization of human posture during induced oscillations of the body. Exp Brain Res 45: 126-132, 1982 Duarte M and Zatsiorsky NM. On the fractal properties of natural human standing. Neurosci Let 283: 173-176, 2000. Enoka RM, Burnett RA, Graves AE, Kornatz KW, and Laidlaw H. Task- and age- dependent variations in steadiness. Prog Brain Res 123: 389-395, 1999. Enoka RM, Christou EA, Hunter SK, Kornatz KW, Semmler JG, Taylor AM, and Tracy BL. Mechanisms that contribute to differences in motor performance between young and old adults. J Electromyogr Kinesiol 13: 1-12, 2003. Fitzpatrick R, Burke D, and Gandevia SC. Loop gain of reflexes controlling human standing measured with the use of postural and vestibular disturbances. J Neurophysiol 76: 3994-4008, 1996. Fitzpatrick R and McCloskey D. Proceptive, visual and vestibular thresholds for the perception of sway during standing in humans. J Physiol 478: 173-186, 1994. Fitzpatrick RC, Rogers DK, and McCloskey DI. Stable human standing with lower-limb muscle afferents providing the only sensory input. J Physiol 480: 395-403, 1994. 藤 原 勝 夫, 池 上 晴 夫, 岡 田 守 彦, 小 山 吉 明. 立 位 姿 勢 の 安 定 性 における 年 齢 および 下 肢 筋 力 の 関 与. 人 類 誌 90: 385-400, 1982 Galganski ME, Fuglevand AJ, and Enoka RM. Reduced control of motor output in a human hand muscle of elderly subjects during submaximal contractions. J Neurophysiol 69: 2108-2115, 1993. Gatev P, Thomas S, Kepple T, and Hallett M. Feedforward ankle strategy of balance during quiet standing in adults. J Physiol 514: 915-928, 1999. Graves AE, Kornatz KW, and Enoka RM. Older adults use a unique strategy to lift inertial loads with elbow flexor muscles. J Neurophysiol 83: 2030-2039, 2000. Inamura K and Tanaka H. Fundamental foot position of stance for measuring human equilibrium in the case of upright standing. 姿 勢 研 究 4: 119-125, 1984. Jacobs RJ and van Ingen Schenau I. Control of an external force in leg extension in humans. J Physiol 457: 611-626, 1992.
7/15 Janssen I, Heymsfield SB, Wang Z, and Ross R. Skeletal muscle mass and distribution in 468 men and women aged 18-88 yr. J Appl Physiol 89, 81-88, 2000. Kerrigan DC, Lee LW, Collins JJ, Riley PO, and Lipsitz LA. Reduced hip extension during walking: healthy elderly and fallers versus young adults. Arch Phys Med Rehabil. 82: 26-30, 2001. Kolleger H, Baumgartner C, Wober C, Oder W, and Deecke L. Spontaneous body sway as a function of sex, age, and vision: posturographic study in 30 healthy adults. Eur Neurol 32: 253-259, 1992. 小 坂 井 留 美, 下 方 浩 史, 矢 部 京 之 助. 加 齢 に 伴 う 歩 行 動 作 の 変 化. バイオメカニクス 研 究 5: 162-167, 2001. 神 﨑 素 樹, 政 二 慶, 宮 谷 昌 枝, 久 野 譜 也, 金 久 博 昭, 福 永 哲 夫. 加 齢 に 伴 う 直 立 姿 勢 保 持 能 力 の 減 退 におよぼす 筋 量 の 影 響. 高 齢 者 の 生 活 機 能 増 進 法 ( 岡 田 守 彦, 松 田 光 生, 久 野 譜 也 編 ), pp313-315, 2000. 神 崎 素 樹, 政 二 慶, 宮 谷 昌 枝, 村 岡 哲 郎, 白 澤 葉 月, 久 野 譜 也, 金 久 博 昭, 福 永 哲 夫. 長 期 運 動 ト レーニングによる 高 齢 者 の 平 衡 機 能 減 退 の 抑 制. 体 力 科 学 Suppl 52: 157-166, 2003. Kouzaki M, Masani K, Akima H, Shirasawa H, Fukuoka H, Kanehisa H, and Fukunaga T. Effects of muscle volume change on postural stability by 20 days bed rest with and without strength training: the intrinsic quantitative feature of ankle extensors is insufficient for stability. submitted Kouzaki M, Shinohara M, Masani K, and Fukunaga T. Force fluctuations are modulated by alternate muscle activity of knee extensor synergists during low-level sustained contraction. J Appl Physiol 97: 2121-2131, 2004. Kouzaki, M, Shinohara M, Masani K, Kanehisa H, and Fukunaga T. Alternate muscle activity observed between knee extensor synergists during low-level sustained contractions. J Appl Physiol 93: 675-684, 2002. Kouzaki M, Shinohara M, Masani K, Tachi M, Kanehisa H, and Fukunaga T. Local blood circulation among knee extensor synergists in relation to alternate muscle activity during low-level sustained contraction. J Appl Physiol 95: 49-56, 2003. Laidlaw DH, Bilodeau M, and Enoka RM. Steadiness is reduced and motor unit discharge is more variable in old adults. Muscle Nerve 23: 600-612, 2000. Lieber RL. Skeletal muscle structure and function. Williams & Wilkins, Baltimore, MD, pp1-48, 1992. Loram ID and Lakie M. Human balancing of an inverted pendulum: position control by small, ballistic-like, throw and catch movements. J Physiol 540: 1111-1124, 2002a. Loram ID and Lakie M. Direct measurement of human ankle stiffness during quiet standing: the intrinsic mechanical stiffness is insufficient for stability. J Physiol 545: 1041-1053, 2002b. 政 二 慶, 神 﨑 素 樹, 白 澤 葉 月, 久 野 譜 也, 金 久 博 昭, 福 永 哲 夫. 測 定 変 量 の 定 常 性 と 再 現 性 の 観 点 から 見 た 重 心 動 揺 指 標 の 検 討. バイオメカニクス 研 究 8: 150-162, 2004. Masani K, Popovic MR, Nakazawa K, Kouzaki M, and Nozaki D. Importance of body sway velocity information in controlling ankle extensor activities during quiet stance. J Neurophysiol 90: 3774-3782, 2003. Mauritz KH and Dietz V. Characteristics of postural instability induced by ischemic blocking of leg afferents. Exp Brain Res 38: 117-119, 1980 Miyatani M, Kanehisa H, Ito M, Kawakami Y, and Fukunaga T. The accuracy of volume estimates using
8/15 ultrasound muscle thickness measurements in different muscle groups. Eur J Appl Physiol 91: 264-272, 2004. 宮 谷 昌 枝, 東 香 寿 美, 久 野 譜 也, 金 久 博 昭, 福 永 哲 夫. 体 肢 筋 量 における 年 齢 差. 高 齢 者 の 生 活 機 能 増 進 法 ( 岡 田 守 彦, 松 田 光 生, 久 野 譜 也 編 ), pp304-306, 2000 Morasso PG and Schieppati M. Can muscle stiffness alone stabilize upright standing? J Neurophysiology 83: 1622-1626, 1999. 森 茂 美. 起 立 から 歩 行 へ- 中 枢 神 経 系 の 姿 勢 保 持 機 構 -. 神 経 進 歩 35: 173-187, 1991. 森 茂 美. 運 動 の 構 え: 姿 勢 と 運 動 と 平 衡. Jpn J Sports Sci 13: 767-775, 1994. Murray MP, Drought AB, and Kory RC. Walking patterns of normal men. J Bone Joint Surg Am 46: 335-60, 1964. Murray MP, Seireg AA, and Sepic BB. Normal postural stability and steadiness: quanti-tative assessment. J Bone Joint Surg Am 57: 510-516, 1975 内 藤 久 士. 高 齢 者 のバランス 能 力. からだの 仕 組 み サイエンス( 宮 下 充 正, 加 賀 谷 淳 子 編 ), pp97-102, 1997. 日 本 平 衡 神 経 科 学 会. 重 心 動 揺 の 基 準. Equilibrium Res 42: 367-366, 1983. Nilsson J, Thorstensson A, and Halbertsma J. Changes in leg movements and muscle activity with speed of locomotion and mode of progression in humans. Acta Physiol Scand 123: 457-475, 1985 Panzer VP, Bandinelli S, and Hallet M. Biomechanical assessment of quiet standing and changes associated with aging. Arch Phys Med Rehabil 79: 151-157, 1995. Ring C, Nayak USL, and Isaacs B. The effect of visual deprivation and proprioceptive change on postural sway in healthy adults. J Am Geriatr Soc 37: 745-749, 1989. Tinetti ME and Speechley M. Prevention of falls among the elderly. N Engl J Med 16: 1055-1059, 1989. 時 田 喬, 宮 田 英 雄. 高 齢 者 の 重 心 動 揺. Geriatric Med. 6: 821-828, 1999. Tracy BL and Enoka RM. Older adults are less steady during submaximal isometric contractions with the knee extensor muscles. J Appl Physiol 92: 1004-1012, 2002. van Ingen Schenau GJ, Boots PJM, de Groot G, Snackers RJ, and van Woenzel WWLM. The constrained control of force and position in multi-joint movements. Neurosci 46: 197-207, 1992. van Ingen Schenau GJ, Dorssers WMM, Welter A, Beelen, de Groot G, and Jacobs R. The control of mono-articular muscles in multijoint leg extensions in man. J Physiol 484: 247-254, 1995. Winter DA. Biomechanics and motor control of human movement (2nd ed.). Wiley-Interscience, New York, 1990. 山 本 昌 彦. 重 心 動 揺 検 査 の 実 際. Medical Technology 9: 105-110, 2001. Yanagiya T, Kanehisa H, Kouzaki M, Kawakami Y, Fukunaga T. Effect of gender in mechanical power output during repeated bouts of maximal running in trained teenagers. Int J Sport Med 24: 304-310, 2003.
9/15 表 1: 年 齢 および 筋 体 積 を 説 明 変 数 とした 重 回 帰 分 析 の 結 果 目 的 変 数 説 明 変 数 R 年 齢 筋 体 積 COP 動 揺 の 軌 跡 長 開 眼 条 件 p<01 * 49 0.440 閉 眼 条 件 p<01 * 59 79 歩 行 速 度 のCV 0.952 p<5 * 80 *: 有 意 であることを 示 す 表 2: 各 筋 群 を 説 明 変 数 とした 重 回 帰 分 析 の 結 果 ( 歩 行 能 力 ) 目 的 変 数 説 明 変 数 大 腿 伸 筋 群 大 腿 屈 筋 群 下 腿 伸 筋 群 下 腿 屈 筋 群 R 歩 行 速 度 のCV 0.859 p<1 * 0.600 0.659 55 *: 有 意 であることを 示 す
10/15 A B (cm) 1 床 反 力 計 (キスラー 社 製 ) 29 yr, COP length: 0.95 cm/s COP A-P 0-1 (cm) 1 79 yr, COP length: 2.12 cm/s COP A-P 0-1 10 s 図 1 A: 立 位 平 衡 機 能 の 測 定 風 景. B: 若 齢 者 (29 歳, 上 段 )および 高 齢 者 (79 歳, 下 段 )の 前 後 方 向 の 足 圧 中 心 動 揺
11/15 A B Velocity (m/s) 4 3 2 1 0 速 度 センサー 29 yr, CV: 9.86 % Velocity (m/s) 4 3 2 1 0 79 yr, CV: 7.79 % 5 s 図 2 A: 歩 行 能 力 の 測 定 風 景. B: 若 齢 者 (29 歳, 上 段 )および 高 齢 者 (79 歳, 下 段 )の 歩 行 速 度 の 変 動
12/15 A 0.4 0.4 COP length ((cm/s)/m) r=0.402, p<01 20 30 40 50 60 70 80 r=70, p<01 20 30 40 50 60 70 80 Age (yr) Age (yr) B COP length ((cm/s)/m) 0.4 5 10 15 20 Muscle volume (cm 3 /kg) 0.4 5 10 15 20 Muscle volume (cm 3 /kg) 図 3 足 圧 中 心 (COP) 動 揺 の 軌 跡 長 と 年 齢 (A)および 足 関 節 伸 展 筋 群 の 筋 体 積 (B)との 関 係. 実 線 : 一 次 回 帰 直 線, 波 線 : 標 準 偏 差. : 開 眼 条 件, : 閉 眼 条 件
13/15 CV of walking speed (%) 20 30 40 50 60 70 80 Age (yr) CV of walking speed (%) r=-82, p<5 0 40 50 60 70 80 Muscle volume (cm 3 /kg) 図 4 歩 行 速 度 の 変 動 係 数 (CV)と 年 齢 ( 上 段 )および 下 肢 筋 群 の 筋 体 積 ( 下 段 )との 関 係. 実 線 : 一 次 回 帰 直 線, 波 線 : 標 準 偏 差.
14/15 CV of walking speed (%) 5 10 15 20 25 30 Muscle volume (cm 3 /kg) r=-47, p<5 15 20 25 30 Muscle volume (cm 3 /kg) CV of walking speed (%) 5 10 15 20 Muscle volume (cm 3 /kg) 0 2 4 6 8 Muscle volume (cm 3 /kg) 図 5 歩 行 速 度 の 変 動 係 数 (CV)と 膝 関 節 伸 展 筋 群 ( : 上 段 左 ), 膝 関 節 屈 曲 筋 群 ( : 上 段 右 ), 足 関 節 伸 展 筋 群 ( : 下 段 左 ), 足 関 節 屈 曲 筋 群 ( : 下 段 右 ) 実 線 : 一 次 回 帰 直 線
15/15 0.4 COP length ((cm/s)/m) 0.4 COP length ((cm/s)/m) CV of walking speed (%) 図 6 歩 行 速 度 の 変 動 係 数 (CV)と 足 圧 中 心 (COP) 動 揺 の 軌 跡 長 との 関 係. 上 段 : 開 眼 条 件, 下 段 : 閉 眼 条 件