[O-KS-17-3] 動的最適化からみた着地動作
Keywords:動的最適化, 着地, 三次元動作解析
【はじめに，目的】
ヒトの身体運動が有する冗長性問題は，その解決のために様々な最適化モデルが提案されている。これまでに，上肢到達運動や眼球運動といった十分な習熟度を有する運動において，モデルの再現性・有効性が明らかとなっている。しかし，着地動作のような習熟度にばらつきを持つ運動において，どのようなモデルの拘束条件が優位性を持つは明らかでない。そこで，本研究の目的は，着地動作を 1）躍度最小モデル（Flash and Hogan 1984），2）トルク変化最小モデル（Unoら 1989），3）誤差分散最小モデル（Harris and Wolpert 1998）の3つの動的最適化モデルに基づき評価することで，着地動作において優位性を持つ条件を明らかにすることとした。
【方法】
整形外科的な既往がない健常女性10名（年齢22.3±3歳，身長159.6±5.8cm，体重53.7±7.0kg）を対象とした。課題は30cm台からの前方30cm地点への片脚着地とした。着地肢は利き脚とし，全例右であった。着地方法に関しては着地地点の指定と，上肢位置を両側の腸骨稜に指定した以外は指示を与えなかった。着地後バランスを崩さなかった課題を成功試行とし，3回の成功試行を解析対象とした。計測には8台の赤外線カメラによる三次元動作解析装置（VICON Nexus，100Hz）を用い，35個の反射マーカの三次元座標を記録し，身体重心位置と股関節・膝関節・足関節の下肢3関節のトルクを算出した。重心位置は着地時の足部位置から標準化した。床反力計（KISTLER社製，1000Hz）を用いて床反力を計測し，床反力の垂直成分が10N以上を記録した瞬間を接地と同定した。解析区間は接地から重心位置が最下点となった区間とした。評価に用いたコスト関数は重心軌道の円滑性を示す 1）Normalized Jerk Cost（NJC），トルク変化のゆるやかさを示す 2）Normalized Torque Change Cost（NTC），最下点での重心位置分散を示す 3）Variabilityの3種類とし，3回試行の平均値を解析に用いた。統計解析として，各評価関数の関係性にはピアソンの積率相関係数，評価関数ごとの分散の評価には変動係数を用いた。
【結果】
NJCとNTCの関係性に有意な強い正の相関（r=0.933，p＜0.01）を認めた。Variabilityと他の関数との間には相関性を認めなかった（NJC-Variability r=0.06，NTC-Variability r=0.10）。各関数の変動係数はNJC 63.4%，NTC 48.7%，Variability 34.7%であり，重心の位置分散が最も低値を示した。
【結論】
NJCとNTCの間に非常に強い正の相関を認めた。このことから重心軌道の円滑性とトルク変化のゆるやかさは非常に強い関係性を持ち，重心軌道とトルク変化という異なる次元においての至適性は酷似することを示した。一方で，Variabilityは他の関数との関係性が希薄であり，最も個人差が少ない関数であったことは，重心軌道とトルク変化の至適性を欠いても，重心軌道の最下点という経由点における重心の位置分散最小化は，着地という課題達成のために重要な要素であり，他のモデルの拘束条件に対して優位性を持つ可能性を示した。
ヒトの身体運動が有する冗長性問題は，その解決のために様々な最適化モデルが提案されている。これまでに，上肢到達運動や眼球運動といった十分な習熟度を有する運動において，モデルの再現性・有効性が明らかとなっている。しかし，着地動作のような習熟度にばらつきを持つ運動において，どのようなモデルの拘束条件が優位性を持つは明らかでない。そこで，本研究の目的は，着地動作を 1）躍度最小モデル（Flash and Hogan 1984），2）トルク変化最小モデル（Unoら 1989），3）誤差分散最小モデル（Harris and Wolpert 1998）の3つの動的最適化モデルに基づき評価することで，着地動作において優位性を持つ条件を明らかにすることとした。
【方法】
整形外科的な既往がない健常女性10名（年齢22.3±3歳，身長159.6±5.8cm，体重53.7±7.0kg）を対象とした。課題は30cm台からの前方30cm地点への片脚着地とした。着地肢は利き脚とし，全例右であった。着地方法に関しては着地地点の指定と，上肢位置を両側の腸骨稜に指定した以外は指示を与えなかった。着地後バランスを崩さなかった課題を成功試行とし，3回の成功試行を解析対象とした。計測には8台の赤外線カメラによる三次元動作解析装置（VICON Nexus，100Hz）を用い，35個の反射マーカの三次元座標を記録し，身体重心位置と股関節・膝関節・足関節の下肢3関節のトルクを算出した。重心位置は着地時の足部位置から標準化した。床反力計（KISTLER社製，1000Hz）を用いて床反力を計測し，床反力の垂直成分が10N以上を記録した瞬間を接地と同定した。解析区間は接地から重心位置が最下点となった区間とした。評価に用いたコスト関数は重心軌道の円滑性を示す 1）Normalized Jerk Cost（NJC），トルク変化のゆるやかさを示す 2）Normalized Torque Change Cost（NTC），最下点での重心位置分散を示す 3）Variabilityの3種類とし，3回試行の平均値を解析に用いた。統計解析として，各評価関数の関係性にはピアソンの積率相関係数，評価関数ごとの分散の評価には変動係数を用いた。
【結果】
NJCとNTCの関係性に有意な強い正の相関（r=0.933，p＜0.01）を認めた。Variabilityと他の関数との間には相関性を認めなかった（NJC-Variability r=0.06，NTC-Variability r=0.10）。各関数の変動係数はNJC 63.4%，NTC 48.7%，Variability 34.7%であり，重心の位置分散が最も低値を示した。
【結論】
NJCとNTCの間に非常に強い正の相関を認めた。このことから重心軌道の円滑性とトルク変化のゆるやかさは非常に強い関係性を持ち，重心軌道とトルク変化という異なる次元においての至適性は酷似することを示した。一方で，Variabilityは他の関数との関係性が希薄であり，最も個人差が少ない関数であったことは，重心軌道とトルク変化の至適性を欠いても，重心軌道の最下点という経由点における重心の位置分散最小化は，着地という課題達成のために重要な要素であり，他のモデルの拘束条件に対して優位性を持つ可能性を示した。