[P2-B-0533] 筋骨格モデリングシステムを用いた人工股関節置換術施行前後における歩行動作中の下肢関節に作用する応力の推定
Keywords:人工股関節置換術, 筋骨格モデル, 三次元動作解析
【はじめに，目的】
変形性股関節症（Hip-OA）では股関節の変形に伴う大腿骨頭の偏位などによりアライメントや筋力のバランスが変化する。Hip-OAに対する人工股関節置換術（THA）施行後では股関節アライメントの改善が期待できるが，アライメントの変化と下肢関節に作用する負荷の関係は明らかではない。コンピュータシミュレーションを用いれば，身体内部における非侵襲的な生体力学的評価が可能となり，関節への適切な負荷を考慮したリハビリテーションが期待できる。本研究では，Hip-OA罹患患者へのTHA施行前後における股関節アライメントの変化を，筋骨格モデリングシステムを用いたシミュレーションによりモデル化し，股関節や膝関節に作用する応力の変化を定量化することを目的とした。
【方法】
左Hip-OAにより大腿骨頭外上方偏位しTHA施行された女性（年齢：65歳，身長：148.2 cm，体重：49.7 kg）を対象とした。測定時期は術前および術後約6ヶ月経過した時点の2回とした。3D-CTデータから17箇所の参照点座標を抽出し，筋骨格モデリングシステム（AnyBody，AnyBody Technology，DK）を用いて骨盤と左大腿骨形状および股関節中心位置を近似した患者固有の筋骨格モデルを作成した。快適速度での7m歩行動作を3次元動作解析装置（VICON，Oxford Metrics，UK）を用いて測定し，得られた座標および床反力データを作成したモデルに入力した。歩行周期中の体幹側屈角度，左股関節屈曲角度，および左膝関節屈曲角度を算出し，逆動力学により左股関節応力および左膝関節応力を推定した。関節応力は体重で正規化し，5回の加算平均を比較した。
【結果】
鉛直方向における股関節中心位置の左右差は術後，減少した（10.9 mm→2.3 mm）。術前には，歩行中常に体幹が左傾斜していたが，術後は体幹側屈角度が正中位に近づいた（7.9±2.3°→1.6±2.1°）。また，左股関節および左膝関節の最大屈曲角度はともに術後拡大した（左股関節最大屈曲角度：6.8°→18.2°，左膝関節最大屈曲角度：47.8°→54.1°）。左股関節に作用する応力の最大値は術後に減少した（481%BW→388%BW）。左膝関節に作用する応力は術前では1峰性を示したが，術後は2峰性となり最大値は術後減少した（381%BW→266%BW）。
【考察】
THAにより，左股関節中心は正常な位置へと近づき，股関節周囲筋のレバーアーム長や，筋長を変化させる。また，関節可動域の拡大は股関節周囲筋出力のバランスに変化をもたらすと考えられる。これらの結果，股関節応力が減少したと考えられる。また，THA施行後による体幹側方偏位の改善や脚長差の減少などの歩容改善に伴い，膝関節可動域が正常に近づいた結果，膝関節応力が減少したと推測される。本研究の結果，Hip-OAに対するTHAは，股関節のアライメントと可動域を改善させることにより，歩容を改善し，股関節のみならず膝関節への負荷を軽減することが示された。また，筋骨格モデリングシステムを用いることにより，股関節や膝関節に作用する負荷を非侵襲的で定量的に推定できる可能性が示唆された。
【理学療法学研究としての意義】
コンピュータシミュレーションを用いた身体内部の生体力学的評価は非侵襲的であり，筋骨格モデルの精度を向上させシミュレーション結果の妥当性を評価することで，股関節疾患のリハビリテーションにおける重要な指標となる可能性がある。
変形性股関節症（Hip-OA）では股関節の変形に伴う大腿骨頭の偏位などによりアライメントや筋力のバランスが変化する。Hip-OAに対する人工股関節置換術（THA）施行後では股関節アライメントの改善が期待できるが，アライメントの変化と下肢関節に作用する負荷の関係は明らかではない。コンピュータシミュレーションを用いれば，身体内部における非侵襲的な生体力学的評価が可能となり，関節への適切な負荷を考慮したリハビリテーションが期待できる。本研究では，Hip-OA罹患患者へのTHA施行前後における股関節アライメントの変化を，筋骨格モデリングシステムを用いたシミュレーションによりモデル化し，股関節や膝関節に作用する応力の変化を定量化することを目的とした。
【方法】
左Hip-OAにより大腿骨頭外上方偏位しTHA施行された女性（年齢：65歳，身長：148.2 cm，体重：49.7 kg）を対象とした。測定時期は術前および術後約6ヶ月経過した時点の2回とした。3D-CTデータから17箇所の参照点座標を抽出し，筋骨格モデリングシステム（AnyBody，AnyBody Technology，DK）を用いて骨盤と左大腿骨形状および股関節中心位置を近似した患者固有の筋骨格モデルを作成した。快適速度での7m歩行動作を3次元動作解析装置（VICON，Oxford Metrics，UK）を用いて測定し，得られた座標および床反力データを作成したモデルに入力した。歩行周期中の体幹側屈角度，左股関節屈曲角度，および左膝関節屈曲角度を算出し，逆動力学により左股関節応力および左膝関節応力を推定した。関節応力は体重で正規化し，5回の加算平均を比較した。
【結果】
鉛直方向における股関節中心位置の左右差は術後，減少した（10.9 mm→2.3 mm）。術前には，歩行中常に体幹が左傾斜していたが，術後は体幹側屈角度が正中位に近づいた（7.9±2.3°→1.6±2.1°）。また，左股関節および左膝関節の最大屈曲角度はともに術後拡大した（左股関節最大屈曲角度：6.8°→18.2°，左膝関節最大屈曲角度：47.8°→54.1°）。左股関節に作用する応力の最大値は術後に減少した（481%BW→388%BW）。左膝関節に作用する応力は術前では1峰性を示したが，術後は2峰性となり最大値は術後減少した（381%BW→266%BW）。
【考察】
THAにより，左股関節中心は正常な位置へと近づき，股関節周囲筋のレバーアーム長や，筋長を変化させる。また，関節可動域の拡大は股関節周囲筋出力のバランスに変化をもたらすと考えられる。これらの結果，股関節応力が減少したと考えられる。また，THA施行後による体幹側方偏位の改善や脚長差の減少などの歩容改善に伴い，膝関節可動域が正常に近づいた結果，膝関節応力が減少したと推測される。本研究の結果，Hip-OAに対するTHAは，股関節のアライメントと可動域を改善させることにより，歩容を改善し，股関節のみならず膝関節への負荷を軽減することが示された。また，筋骨格モデリングシステムを用いることにより，股関節や膝関節に作用する負荷を非侵襲的で定量的に推定できる可能性が示唆された。
【理学療法学研究としての意義】
コンピュータシミュレーションを用いた身体内部の生体力学的評価は非侵襲的であり，筋骨格モデルの精度を向上させシミュレーション結果の妥当性を評価することで，股関節疾患のリハビリテーションにおける重要な指標となる可能性がある。