[O-KS-01-6] 股関節運動に依存した姿勢制御，ヒップストラテジーの力学的解析
筋骨格シミュレーション解析を用いた重心制御に関与する筋の検討
Keywords:筋骨格シミュレーション, バランス, ストラテジー
【はじめに，目的】
立位で重心を前後に動かす動作パターンは足関節を動かして下肢と体幹を同方向に傾けるアンクルストラテジーと，足関節と股関節を用いて下肢と体幹を逆方向に傾けるヒップストラテジーが知られている。ヒップストラテジーは前後の重心移動量が少なく，安定した姿勢保持に有利であると考えられてきた。しかし，動作時には筋により重心が制御されているかが重要であり，重心移動量だけで安定性は議論できない。本研究では重心制御と筋の関係性を調べるため，筋骨格シミュレーションを用いて動作パターンにおける力学的違いを検討した。
【方法】
対象は健常成人16名とし，体表6点に反射マーカーを張り付けた。立位姿勢の被験者の前後に上端が曲がったL字型ポールを立て，前後ターゲットとした。被験者の足底から胸骨丙までの距離（SH）を計測し，ターゲット高を胸骨丙と同じ高さとした条件（HIGH条件，100%SH）と胸骨丙より低い条件（LOW条件，95%SH）を設定した。メトロノーム1Hzに合わせて身体を前後に倒し，胸骨丙で前方ターゲット，背部で後方ターゲットを触れることでHIGH条件はアンクルストラテジー，LOW条件はヒップストラテジーを誘発した。なお，ターゲットは身体から5%SH前後に離れた位置に設置した。動作は赤外線カメラを用いて測定した。解析に4セグメント，3関節，9筋を持つ筋骨格モデルを用いた。計測した関節角度を追従するようモデルを動かし，動作に必要な筋張力を計算した。なお，矢状面データを用いて2次元にて順動力学筋骨格シミュレーション解析を行った。多関節運動において筋の張力は足・膝・股の各関節に角加速度を生み出す。その結果で生じる重心の加速度をInduced acceleration解析にて算出した。前に倒れた体を元に戻すフェーズを解析するため，重心が最も前方に位置する前後50msの合計100msを解析区間とした。筋張力および筋が生む出す重心加速度においてHIGH条件とLOW条件を比較するためにt検定を用いた。
【結果】
重心移動はHIGH条件で前後移動が大きく，LOW条件で上下移動が大きくなった。ヒラメ筋の筋張力はHIGH条件，ハムストリングスの筋張力はLOW条件で高い値を示した。また，ヒラメ筋は後方重心加速度を強く生み出しHIGH条件で有意に高い値を示した。一方で，ハムストリングスは重心前方および上方加速度を生みだし，どちらもLOW条件で有意に高い値を示した。
【結論】
アンクルストラテジーでは体が前方に倒れると，ヒラメ筋によって重心を後方に引き戻す。ヒップストラテジーでのハムストリングスは膝屈曲，股伸展に加えて，足背屈を生み出す。股伸展により重心が引き上げられる一方，足背屈により重心前方加速度が生じてしまう。股関節を屈曲させた前傾位で後方から押されるなど外乱が生じた場合，ハムストリングスは重心を前方移動させるため姿勢を修正できない。ヒップストラテジーは連続した外乱に弱い制御と考えられる。
立位で重心を前後に動かす動作パターンは足関節を動かして下肢と体幹を同方向に傾けるアンクルストラテジーと，足関節と股関節を用いて下肢と体幹を逆方向に傾けるヒップストラテジーが知られている。ヒップストラテジーは前後の重心移動量が少なく，安定した姿勢保持に有利であると考えられてきた。しかし，動作時には筋により重心が制御されているかが重要であり，重心移動量だけで安定性は議論できない。本研究では重心制御と筋の関係性を調べるため，筋骨格シミュレーションを用いて動作パターンにおける力学的違いを検討した。
【方法】
対象は健常成人16名とし，体表6点に反射マーカーを張り付けた。立位姿勢の被験者の前後に上端が曲がったL字型ポールを立て，前後ターゲットとした。被験者の足底から胸骨丙までの距離（SH）を計測し，ターゲット高を胸骨丙と同じ高さとした条件（HIGH条件，100%SH）と胸骨丙より低い条件（LOW条件，95%SH）を設定した。メトロノーム1Hzに合わせて身体を前後に倒し，胸骨丙で前方ターゲット，背部で後方ターゲットを触れることでHIGH条件はアンクルストラテジー，LOW条件はヒップストラテジーを誘発した。なお，ターゲットは身体から5%SH前後に離れた位置に設置した。動作は赤外線カメラを用いて測定した。解析に4セグメント，3関節，9筋を持つ筋骨格モデルを用いた。計測した関節角度を追従するようモデルを動かし，動作に必要な筋張力を計算した。なお，矢状面データを用いて2次元にて順動力学筋骨格シミュレーション解析を行った。多関節運動において筋の張力は足・膝・股の各関節に角加速度を生み出す。その結果で生じる重心の加速度をInduced acceleration解析にて算出した。前に倒れた体を元に戻すフェーズを解析するため，重心が最も前方に位置する前後50msの合計100msを解析区間とした。筋張力および筋が生む出す重心加速度においてHIGH条件とLOW条件を比較するためにt検定を用いた。
【結果】
重心移動はHIGH条件で前後移動が大きく，LOW条件で上下移動が大きくなった。ヒラメ筋の筋張力はHIGH条件，ハムストリングスの筋張力はLOW条件で高い値を示した。また，ヒラメ筋は後方重心加速度を強く生み出しHIGH条件で有意に高い値を示した。一方で，ハムストリングスは重心前方および上方加速度を生みだし，どちらもLOW条件で有意に高い値を示した。
【結論】
アンクルストラテジーでは体が前方に倒れると，ヒラメ筋によって重心を後方に引き戻す。ヒップストラテジーでのハムストリングスは膝屈曲，股伸展に加えて，足背屈を生み出す。股伸展により重心が引き上げられる一方，足背屈により重心前方加速度が生じてしまう。股関節を屈曲させた前傾位で後方から押されるなど外乱が生じた場合，ハムストリングスは重心を前方移動させるため姿勢を修正できない。ヒップストラテジーは連続した外乱に弱い制御と考えられる。