[0695] 筋骨格モデル解析を用いた歩行の3次元動作解析
Keywords:歩行, 筋骨格モデル, 足趾
【はじめに，目的】近年，三次元動作解析において足部のセグメントを細分化し分析する運動学的マルチセグメント足部モデルを臨床や研究で使用することが増加している。趾節骨を1つのセグメントとして，中足指節関節（Metatarsophalangeal Joint：以下MTP関節）角度・モーメント・パワーを分析した報告は少なく，今後足部へのアプローチをより根拠に基づき行うためには，足部の複雑な関節運動を厳密に計測する必要がある。MTP関節の屈伸を入力変数に加えた筋骨格モデルを作成し，解析方法の違いが足部関節の計算に影響を及ぼすのか分析することを目的とした。
【方法】対象は下肢に整形外科疾患のない健常成人男性7名（年齢22±0.6歳；身長168±4.4cm；体重59.6±7.2kg；mean±SD）。被験者はスパッツを着用し裸足となった。計測には3次元動作解析装置（VICON MX：Vicon Motion System社製）と床反力計（Kisler社製）を使用した。直径14mmの赤外線反射マーカーを被験者の26箇所に貼付した。計測動作は静止立位と自由歩行とし，約8mの歩行を実施した。解析には，筋骨格モデル作成解析ソフト（Software for Interactive Muscularskeletal Modeling：Motion Analysis社製；以下SIMM）を使用した。従来のモデル（以下Nモデル）では，セグメントを骨盤，大腿，下腿，足部に分け，股関節屈伸・内外転・内外旋，膝関節屈伸・内外反・内外旋，距腿関節底背屈，距骨下関節回内外の関節角度とモーメントとパワーを計算するよう設定し，フォースマット（プラットフォーム座標系で表される外力を，身体セグメントの座標系に変換するオブジェクト；以下Fm）を一側の足底面全体で1枚に設定した。MTP関節屈伸角度を入力変数に加えたモデル（以下Tモデル）では，Nモデルの足部セグメントを後足部と中足部と中足骨で構成される足部，趾節骨で構成される足趾部に分け，足部・足趾部セグメント直下にそれぞれFmA・Bを1枚ずつ設定し，MTP関節屈伸の関節角度とモーメントとパワーも加えて計算するように設定した。3次元動作解析ソフト（Vicon Nexus 1.7.1：Vicon Motion System社製）を用いて両モデルに対応する3次元位置を計算し，SIMMを用いて，平滑化処理と逆動力学計算を行い，Fm荷重量，関節角度，関節モーメント，関節パワーを計算した。統計処理にはモデル間のFm荷重量と関節角度・モーメント・パワーの各歩行周期でのピーク値を比較するために，Paired-t testを行い，有意水準はα=0.05と設定した。統計処理にはモデル間のFm荷重量と関節角度・モーメント・パワーの各歩行周期でのピーク値を比較するために，Paired-t testを行った。有意水準はα=0.05と設定した。
【倫理的配慮，説明と同意】ヘルシンキ宣言に基づき，被験者に本研究の目的，方法を説明し同意を得た。
【結果】TモデルのFmAとBの荷重量の和に，Nモデルとの有意差は見られなかった。距腿関節における関節角度ピーク値はICとMStとTStで背屈角度が有意に増加し（p＜0.05），LRとPSwで底屈角度が有意に減少した（p＜0.05）。関節モーメントピーク値はLRで背屈モーメントが有意に増加し（p＜0.05），MStとTStとPSwで底屈モーメントが有意に減少した（p＜0.05）。関節パワーピーク値は距腿関節において，LRで有意に減少し（p＜0.05），TStとPSwで有意に減少した（p＜0.05）。MTP関節において，関節角度は，ICで20±6°，TStで20±7°，PSwで23±6°の伸展を示し，屈曲モーメントは，TStで0.22±0.12 Nm/kg，PSwで0.13±0.08 Nm/kgを示し，関節パワーは，TStで-41.3±33.4 Watt/kg，PSwで-15.0±21.42 Watt/kgを示した。
【考察】Fm荷重量には，モデル間の有意差は見られないことから，使用するモデル解析によって床反力データが変化しないといえる。関節角度ピーク値にモデル間で有意差がみられたことから，Tモデルは，Nモデルと比較してマーカー貼付箇所が多く，定義されるセグメント位置と関節中心位置が変化して関節角度に違いが生じたと考える。モデル間で関節モーメントとパワーの値が異なり，関節運動でのエネルギー生成と吸収では説明できない要素が存在することから，足底アーチの働きが示唆され，解析手法を変化させることで，MTP関節の分析だけでなく，足底アーチ機能の分析が可能であるといえる。
【理学療法学研究としての意義】従来のモデルとMTP関節屈伸が入力変数となったモデルにおいて，それぞれの関節角度と関節モーメント，関節パワーに違いを示した。セグメント定義の違いや，足底アーチの関与が示唆され，今後，足部のセグメントを増加し様々な動作において厳密に計測し解析することで，足部の複雑な働きの理解の一助になるといえる。
【方法】対象は下肢に整形外科疾患のない健常成人男性7名（年齢22±0.6歳；身長168±4.4cm；体重59.6±7.2kg；mean±SD）。被験者はスパッツを着用し裸足となった。計測には3次元動作解析装置（VICON MX：Vicon Motion System社製）と床反力計（Kisler社製）を使用した。直径14mmの赤外線反射マーカーを被験者の26箇所に貼付した。計測動作は静止立位と自由歩行とし，約8mの歩行を実施した。解析には，筋骨格モデル作成解析ソフト（Software for Interactive Muscularskeletal Modeling：Motion Analysis社製；以下SIMM）を使用した。従来のモデル（以下Nモデル）では，セグメントを骨盤，大腿，下腿，足部に分け，股関節屈伸・内外転・内外旋，膝関節屈伸・内外反・内外旋，距腿関節底背屈，距骨下関節回内外の関節角度とモーメントとパワーを計算するよう設定し，フォースマット（プラットフォーム座標系で表される外力を，身体セグメントの座標系に変換するオブジェクト；以下Fm）を一側の足底面全体で1枚に設定した。MTP関節屈伸角度を入力変数に加えたモデル（以下Tモデル）では，Nモデルの足部セグメントを後足部と中足部と中足骨で構成される足部，趾節骨で構成される足趾部に分け，足部・足趾部セグメント直下にそれぞれFmA・Bを1枚ずつ設定し，MTP関節屈伸の関節角度とモーメントとパワーも加えて計算するように設定した。3次元動作解析ソフト（Vicon Nexus 1.7.1：Vicon Motion System社製）を用いて両モデルに対応する3次元位置を計算し，SIMMを用いて，平滑化処理と逆動力学計算を行い，Fm荷重量，関節角度，関節モーメント，関節パワーを計算した。統計処理にはモデル間のFm荷重量と関節角度・モーメント・パワーの各歩行周期でのピーク値を比較するために，Paired-t testを行い，有意水準はα=0.05と設定した。統計処理にはモデル間のFm荷重量と関節角度・モーメント・パワーの各歩行周期でのピーク値を比較するために，Paired-t testを行った。有意水準はα=0.05と設定した。
【倫理的配慮，説明と同意】ヘルシンキ宣言に基づき，被験者に本研究の目的，方法を説明し同意を得た。
【結果】TモデルのFmAとBの荷重量の和に，Nモデルとの有意差は見られなかった。距腿関節における関節角度ピーク値はICとMStとTStで背屈角度が有意に増加し（p＜0.05），LRとPSwで底屈角度が有意に減少した（p＜0.05）。関節モーメントピーク値はLRで背屈モーメントが有意に増加し（p＜0.05），MStとTStとPSwで底屈モーメントが有意に減少した（p＜0.05）。関節パワーピーク値は距腿関節において，LRで有意に減少し（p＜0.05），TStとPSwで有意に減少した（p＜0.05）。MTP関節において，関節角度は，ICで20±6°，TStで20±7°，PSwで23±6°の伸展を示し，屈曲モーメントは，TStで0.22±0.12 Nm/kg，PSwで0.13±0.08 Nm/kgを示し，関節パワーは，TStで-41.3±33.4 Watt/kg，PSwで-15.0±21.42 Watt/kgを示した。
【考察】Fm荷重量には，モデル間の有意差は見られないことから，使用するモデル解析によって床反力データが変化しないといえる。関節角度ピーク値にモデル間で有意差がみられたことから，Tモデルは，Nモデルと比較してマーカー貼付箇所が多く，定義されるセグメント位置と関節中心位置が変化して関節角度に違いが生じたと考える。モデル間で関節モーメントとパワーの値が異なり，関節運動でのエネルギー生成と吸収では説明できない要素が存在することから，足底アーチの働きが示唆され，解析手法を変化させることで，MTP関節の分析だけでなく，足底アーチ機能の分析が可能であるといえる。
【理学療法学研究としての意義】従来のモデルとMTP関節屈伸が入力変数となったモデルにおいて，それぞれの関節角度と関節モーメント，関節パワーに違いを示した。セグメント定義の違いや，足底アーチの関与が示唆され，今後，足部のセグメントを増加し様々な動作において厳密に計測し解析することで，足部の複雑な働きの理解の一助になるといえる。