[0686] 片脚立ち時の骨盤の動きに関する研究
Keywords:片脚立ち, 加速度・角速度センサ, オイラー角
【はじめに,目的】片脚立位は重要なバランス評価の一つである。その研究は,片脚立位時の重心動揺や保持時間,下肢の動きに着目したものである。ところが,両脚立位から片脚立位の間の体幹の運動に関する研究は少ない。本研究では,片脚立ちになるときの骨盤の動きについて,オイラー角を用いて検討した。
【方法】対象は健常男性10名（年齢：20～26歳）とした。計測機器に,6軸の加速度・角速度センサ（ATR-Promotions社製,サンプリング100Hz）3つを用いた。センサの性能及び,右手座標系に則り,センサのX軸が鉛直線（上方が＋）,Y軸が左右（左方が＋）,Z軸が前後（後方が＋）となるように定めた。計測前に,計測場所の床面に3つのセンサを固定し,同時に測定した加速度からセンサの鉛直上方を一致させた（基本座標系と定めた）。次に,センサを被検者の両上後腸骨棘の中点（以下,骨盤と略す）と,左右の踵骨後面の3カ所にテガタームTMで固定した。両足部を揃えた立位姿勢（条件1）と,棘果長の約30％に足幅を広げた立位姿勢（条件2）から左右の片脚立ち姿勢をそれぞれ30秒間保持すること,その間は3m前方に備え付けのホワイトボードの印を注視することを課題とした。課題中は,3部位の加速度及び角速度を記録した。条件1,2の片脚立ち前の立位姿勢を,それぞれの静止座標系と定めた。ノイズを除去するために,記録したすべての時系列データに対し,高速フーリエ変換処理を行い,0Hzと140Hz以上の周波数成分を取り除いて逆変換した。そのデータを静止座標系（Y-Z平面の一致）,基本座標系（Z-X平面の一致）に座標変換した。座標変換後の角速度から,時々刻々変化するオイラー角（θ,φ,ψ）（単位：°）を算出した。片脚立ちで遊脚側の加速度（X軸方向の値）が最もピークになる時点を片脚立ちの瞬間（左側：Tl,右側：Tr）とし,Tl及びTrのオイラー角（θ,φ）を比較検討した。数値解析は,R version 3.0.2で行った。
【倫理的配慮,説明と同意】対象者には,本研究の目的と方法,個人情報の保護について書面及び口頭で説明し,参加への同意を得た上で計測を行った。
【結果】θはセンサを通る鉛直線（垂直軸）からの傾きを示す。鉛直上方を0°,反時計周りに回転させた180°が下方である（便宜的に0°～90°を反時計回り,180°～90°を時計回りの傾きとする）。φはθが傾く向き（前後左右）を示す（0°：真後,90°：真右,180°：真前,270°：真左）。以下に,被検者①～⑩の計測の結果を,TlとTrのオイラー角（θ,φ）を記載する。その順は,左側（L）（θ/φ：条件1のTl）・（θ/φ：条件2のTl）,右側（R）（θ/φ：条件1のTr）・（θ/φ：条件2のTr）,である。各々のオイラー角（θ/φ）は,①（L）6.9/161.3・178.9/328.3,（R）9.8/339.9・171.0/193.4,②（L）164.0/7.7・2.1/86.8,（R）157.5/30.0・5.7/356.5,③（L）177.1/289.1・3.1/27.5,（R）174.8/328.1・3.3/0.8,④（L）179.3/26.4・2.1/44.6,（R）3.7/8.8・2.4/94.0,⑤（L）9.2/52.2・3.1/312.2,（R）5.8/75.1・11.5/337.0,⑥（L）3.1/273.6・3.9/313.7,（R）1.3/304.9・0.7/310.3,⑦（L）1.7/13.5・12.7/354.0,（R）8.2/331.3・2.4/26.4,⑧（L）177.6/319.7・174.6/353.7,（R）177.9/3283.9・177.1/311.6,⑨（L）2.7/291.0・2.2/6.7,（R）2.1/287.1・2.7/127.9,⑩（L）177.9/198.7・178.4/1.3,（R）175.6/0.8・172.9/0.4,であった。
【考察】φをxy平面座標に置き換える。φの範囲が,0～90°を第四象限,90～180°を第一象限,180～270°を第二象限,270～360°を第三象限とする。第一～四象限の順に右前・左前・左後・右後の向きに骨盤が傾くことを現す。両脚立位から片脚立ちになると,重心線の位置が相対的に辺縁に偏在するために不安定になる（中村ら,2003）。条件1と2で骨盤の傾く方向が同じ象限であった被検者は4名であった。その他の被検者は,条件1もしくは2,TlもしくはTrに骨盤が異なる象限に傾いた。前者は片脚立ち直前の足幅に関わらず,左右それぞれの片脚立ちで骨盤が同じように傾き,後者は身体あるいは環境の状況にあわせて,身体内部が複雑に動いていたと捉えられる。つまり,片脚立ち前の脚幅は,片脚立ち時の体幹（骨盤）の動きに何らかの影響を及ぼすと示唆される。今回は角速度からオイラー角を算出することができた。今後は,数値解析の妥当性を再検討し,重心の移動についても,高齢者・障がい者を含めてさらに検討したい。
【理学療法学研究としての意義】加速度及び角速度値から,物理学的基礎を応用させ,骨盤帯の相対的変化を数値化することができた。今回の手法を用いることで,身体各部位の動き方も簡便に数値化でき,理学療法評価の一助になると考える。
【方法】対象は健常男性10名（年齢：20～26歳）とした。計測機器に,6軸の加速度・角速度センサ（ATR-Promotions社製,サンプリング100Hz）3つを用いた。センサの性能及び,右手座標系に則り,センサのX軸が鉛直線（上方が＋）,Y軸が左右（左方が＋）,Z軸が前後（後方が＋）となるように定めた。計測前に,計測場所の床面に3つのセンサを固定し,同時に測定した加速度からセンサの鉛直上方を一致させた（基本座標系と定めた）。次に,センサを被検者の両上後腸骨棘の中点（以下,骨盤と略す）と,左右の踵骨後面の3カ所にテガタームTMで固定した。両足部を揃えた立位姿勢（条件1）と,棘果長の約30％に足幅を広げた立位姿勢（条件2）から左右の片脚立ち姿勢をそれぞれ30秒間保持すること,その間は3m前方に備え付けのホワイトボードの印を注視することを課題とした。課題中は,3部位の加速度及び角速度を記録した。条件1,2の片脚立ち前の立位姿勢を,それぞれの静止座標系と定めた。ノイズを除去するために,記録したすべての時系列データに対し,高速フーリエ変換処理を行い,0Hzと140Hz以上の周波数成分を取り除いて逆変換した。そのデータを静止座標系（Y-Z平面の一致）,基本座標系（Z-X平面の一致）に座標変換した。座標変換後の角速度から,時々刻々変化するオイラー角（θ,φ,ψ）（単位：°）を算出した。片脚立ちで遊脚側の加速度（X軸方向の値）が最もピークになる時点を片脚立ちの瞬間（左側：Tl,右側：Tr）とし,Tl及びTrのオイラー角（θ,φ）を比較検討した。数値解析は,R version 3.0.2で行った。
【倫理的配慮,説明と同意】対象者には,本研究の目的と方法,個人情報の保護について書面及び口頭で説明し,参加への同意を得た上で計測を行った。
【結果】θはセンサを通る鉛直線（垂直軸）からの傾きを示す。鉛直上方を0°,反時計周りに回転させた180°が下方である（便宜的に0°～90°を反時計回り,180°～90°を時計回りの傾きとする）。φはθが傾く向き（前後左右）を示す（0°：真後,90°：真右,180°：真前,270°：真左）。以下に,被検者①～⑩の計測の結果を,TlとTrのオイラー角（θ,φ）を記載する。その順は,左側（L）（θ/φ：条件1のTl）・（θ/φ：条件2のTl）,右側（R）（θ/φ：条件1のTr）・（θ/φ：条件2のTr）,である。各々のオイラー角（θ/φ）は,①（L）6.9/161.3・178.9/328.3,（R）9.8/339.9・171.0/193.4,②（L）164.0/7.7・2.1/86.8,（R）157.5/30.0・5.7/356.5,③（L）177.1/289.1・3.1/27.5,（R）174.8/328.1・3.3/0.8,④（L）179.3/26.4・2.1/44.6,（R）3.7/8.8・2.4/94.0,⑤（L）9.2/52.2・3.1/312.2,（R）5.8/75.1・11.5/337.0,⑥（L）3.1/273.6・3.9/313.7,（R）1.3/304.9・0.7/310.3,⑦（L）1.7/13.5・12.7/354.0,（R）8.2/331.3・2.4/26.4,⑧（L）177.6/319.7・174.6/353.7,（R）177.9/3283.9・177.1/311.6,⑨（L）2.7/291.0・2.2/6.7,（R）2.1/287.1・2.7/127.9,⑩（L）177.9/198.7・178.4/1.3,（R）175.6/0.8・172.9/0.4,であった。
【考察】φをxy平面座標に置き換える。φの範囲が,0～90°を第四象限,90～180°を第一象限,180～270°を第二象限,270～360°を第三象限とする。第一～四象限の順に右前・左前・左後・右後の向きに骨盤が傾くことを現す。両脚立位から片脚立ちになると,重心線の位置が相対的に辺縁に偏在するために不安定になる（中村ら,2003）。条件1と2で骨盤の傾く方向が同じ象限であった被検者は4名であった。その他の被検者は,条件1もしくは2,TlもしくはTrに骨盤が異なる象限に傾いた。前者は片脚立ち直前の足幅に関わらず,左右それぞれの片脚立ちで骨盤が同じように傾き,後者は身体あるいは環境の状況にあわせて,身体内部が複雑に動いていたと捉えられる。つまり,片脚立ち前の脚幅は,片脚立ち時の体幹（骨盤）の動きに何らかの影響を及ぼすと示唆される。今回は角速度からオイラー角を算出することができた。今後は,数値解析の妥当性を再検討し,重心の移動についても,高齢者・障がい者を含めてさらに検討したい。
【理学療法学研究としての意義】加速度及び角速度値から,物理学的基礎を応用させ,骨盤帯の相対的変化を数値化することができた。今回の手法を用いることで,身体各部位の動き方も簡便に数値化でき,理学療法評価の一助になると考える。