[0606] Detrended Fluctuation Analysisを用いた足踏み動作における腰部および胸部の運動学的データの変動解析
Keywords:Detrended Fluctuation Analysis, 足踏み動作, 腰椎分離症
【目的】
不規則な変動の中には自己相似性を持つものがあり，この性質を持った信号は不規則ながらも一定の秩序を有し，性質によっては長時間の相関を持つ（フラクタル性を有する）。Detrended Fluctuation Analysis（以下，DFA）は信号のトレンドを除去することで，変動におけるフラクタル性の有無を解析する手法である。DFAの結果として算出されるスケーリング指数αは変動の長時間相関の指標であり，探索的な運動の有無や適応能力との関連が指摘されている。そこで本研究ではDFAを用いて足踏み動作中の腰部および胸部の加速度・角速度を検討することで，足踏み動作で要求される同一位置に留まるという課題に対する腰部および胸部の運動の意義を検討した。さらに反復する伸展運動が発症の一要因として考えられている腰椎分離症の有疾患者で，伸展運動を含む足踏み動作中の運動の変動が長時間相関を示すのかを検討した。
【方法】
対象は過去3週間に腰痛を有さない健常成人男性11人（年齢26.7±3.0歳）および過去に腰椎分離症と診断を受けた男性A（年齢25歳）と男性B（年齢22歳）であった。課題は自由速度の5分間の足踏み動作とした。足踏み動作中の腰部および胸部の加速度および角速度データは，L4/5棘突起間およびTh7/8棘突起間の皮膚上に固定した8チャンネル小型無線モーションレコーダMVP-RF8-BC（MicroStone社製）を用いて計測し，前後方向の最大加速度と前後屈の最大角速度を収集した。解析にはMATLAB R2013b（MatWorks社製）を使用してDFAを行った。まず，時系列信号（以下，元データ）から平均値を減じて積分した波形をn個のサンプルからなる窓に分割した。次にそれぞれの窓において最小二乗法を用いた近似直線との差をRMS処理し，その平均値をF（n）とした。nは10からデータ総数の1/4まで増加させ，それぞれのF（n）を算出した。最後にF（n）とnの対数をプロットし，その近似直線の傾きとしてαを算出した。また元データを用いて，信号の順序を無作為化して創出した時系列信号（以下，サロゲートデータ）のαを算出し，元データのαと比較した。統計学的検定にはDr.SPSS II for windows（エス・ピー・エス・エス社製）を用い，データの正規性を確認した後，対応のあるt検定を実施した。有意水準は5%未満とした。
【倫理的配慮】
本研究はヘルシンキ宣言に沿った研究であり，研究の実施に先立ち当院の倫理委員会の承認を得た。また，被験者に対して研究の意義，目的について十分に説明し同意を得た後に実施した。
【結果】
健常成人男性では，胸部の前方および後方への最大加速度のαがサロゲートデータと比較して有意に高値を示した（前方α：0.73±0.12，後方α：0.67±0.08，p＜0.01）。腰部では前方への最大加速度のみに有意な差が認められた（α：0.64±0.08，p＜0.01）。また健常成人男性と比較して，対象Aでは胸部の後屈最大角速度と腰部の後方への最大加速度のαが低値を示し，腰部の前屈最大角速度が高値を示した。対象Bでは胸部の後屈最大角速度と腰部の後方への最大加速度および後屈最大角速度のαが高値を示した。
【考察】
DFAの解析結果であるαは，0＜α＜0.5で負の自己相関をもち，過去の変動とは逆向きの変動が未来で起こる可能性が高くなることを示す。0.5＜α＜1.0では長時間相関をもち正の自己相関をもつため，過去の変動と同じ向きの変動が未来で起こる可能性が高くなることを示す。このことから胸部では，最大加速度の変動は前後方向ともに自己相似性と長時間相関が認められ，胸部を同一位置に保持するために適応した運動を続けている可能性が示唆された。腰部では前方並進運動のみに制御が要求されていると考えられた。これは胸部が姿勢の保持が要求されるパッセンジャーユニットに属すため前後方向共に姿勢を保持することが要求されている一方で，骨盤の直上に位置し推進力を発生させるロコモーターシステムの一部と考えられる腰部は，一定位置での足踏みの達成のために推進方向に特化した制御が要求されていることと関連深いと推察された。また対象Aでは胸部後屈運動および腰部後方並進運動の変動が短期的に制御されている一方で，腰部前屈運動は長時間の相関を示すことからロコモーターとしての機能への関与の可能性が示唆された。対象Bでは，胸部後屈運動，腰部後屈運動，腰部後方並進運動も足踏み動作達成のために長時間にわたり姿勢制御のために動員されている可能性が示唆された。
【理学療法学研究としての意義】
本研究では，DFAを用いて胸部と腰部の足踏み動作中の役割の違いを定量的に示すことが可能となり，新たな姿勢制御の評価を提供した点および症例において実践することでDFAを理学療法評価へ応用できる可能性を示した点に意義がある。
不規則な変動の中には自己相似性を持つものがあり，この性質を持った信号は不規則ながらも一定の秩序を有し，性質によっては長時間の相関を持つ（フラクタル性を有する）。Detrended Fluctuation Analysis（以下，DFA）は信号のトレンドを除去することで，変動におけるフラクタル性の有無を解析する手法である。DFAの結果として算出されるスケーリング指数αは変動の長時間相関の指標であり，探索的な運動の有無や適応能力との関連が指摘されている。そこで本研究ではDFAを用いて足踏み動作中の腰部および胸部の加速度・角速度を検討することで，足踏み動作で要求される同一位置に留まるという課題に対する腰部および胸部の運動の意義を検討した。さらに反復する伸展運動が発症の一要因として考えられている腰椎分離症の有疾患者で，伸展運動を含む足踏み動作中の運動の変動が長時間相関を示すのかを検討した。
【方法】
対象は過去3週間に腰痛を有さない健常成人男性11人（年齢26.7±3.0歳）および過去に腰椎分離症と診断を受けた男性A（年齢25歳）と男性B（年齢22歳）であった。課題は自由速度の5分間の足踏み動作とした。足踏み動作中の腰部および胸部の加速度および角速度データは，L4/5棘突起間およびTh7/8棘突起間の皮膚上に固定した8チャンネル小型無線モーションレコーダMVP-RF8-BC（MicroStone社製）を用いて計測し，前後方向の最大加速度と前後屈の最大角速度を収集した。解析にはMATLAB R2013b（MatWorks社製）を使用してDFAを行った。まず，時系列信号（以下，元データ）から平均値を減じて積分した波形をn個のサンプルからなる窓に分割した。次にそれぞれの窓において最小二乗法を用いた近似直線との差をRMS処理し，その平均値をF（n）とした。nは10からデータ総数の1/4まで増加させ，それぞれのF（n）を算出した。最後にF（n）とnの対数をプロットし，その近似直線の傾きとしてαを算出した。また元データを用いて，信号の順序を無作為化して創出した時系列信号（以下，サロゲートデータ）のαを算出し，元データのαと比較した。統計学的検定にはDr.SPSS II for windows（エス・ピー・エス・エス社製）を用い，データの正規性を確認した後，対応のあるt検定を実施した。有意水準は5%未満とした。
【倫理的配慮】
本研究はヘルシンキ宣言に沿った研究であり，研究の実施に先立ち当院の倫理委員会の承認を得た。また，被験者に対して研究の意義，目的について十分に説明し同意を得た後に実施した。
【結果】
健常成人男性では，胸部の前方および後方への最大加速度のαがサロゲートデータと比較して有意に高値を示した（前方α：0.73±0.12，後方α：0.67±0.08，p＜0.01）。腰部では前方への最大加速度のみに有意な差が認められた（α：0.64±0.08，p＜0.01）。また健常成人男性と比較して，対象Aでは胸部の後屈最大角速度と腰部の後方への最大加速度のαが低値を示し，腰部の前屈最大角速度が高値を示した。対象Bでは胸部の後屈最大角速度と腰部の後方への最大加速度および後屈最大角速度のαが高値を示した。
【考察】
DFAの解析結果であるαは，0＜α＜0.5で負の自己相関をもち，過去の変動とは逆向きの変動が未来で起こる可能性が高くなることを示す。0.5＜α＜1.0では長時間相関をもち正の自己相関をもつため，過去の変動と同じ向きの変動が未来で起こる可能性が高くなることを示す。このことから胸部では，最大加速度の変動は前後方向ともに自己相似性と長時間相関が認められ，胸部を同一位置に保持するために適応した運動を続けている可能性が示唆された。腰部では前方並進運動のみに制御が要求されていると考えられた。これは胸部が姿勢の保持が要求されるパッセンジャーユニットに属すため前後方向共に姿勢を保持することが要求されている一方で，骨盤の直上に位置し推進力を発生させるロコモーターシステムの一部と考えられる腰部は，一定位置での足踏みの達成のために推進方向に特化した制御が要求されていることと関連深いと推察された。また対象Aでは胸部後屈運動および腰部後方並進運動の変動が短期的に制御されている一方で，腰部前屈運動は長時間の相関を示すことからロコモーターとしての機能への関与の可能性が示唆された。対象Bでは，胸部後屈運動，腰部後屈運動，腰部後方並進運動も足踏み動作達成のために長時間にわたり姿勢制御のために動員されている可能性が示唆された。
【理学療法学研究としての意義】
本研究では，DFAを用いて胸部と腰部の足踏み動作中の役割の違いを定量的に示すことが可能となり，新たな姿勢制御の評価を提供した点および症例において実践することでDFAを理学療法評価へ応用できる可能性を示した点に意義がある。