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豊嶋 陵司1)  桜井 伸二2)

短距離走の最大速度局面における遊脚キネティクスと

ピッチおよびストライドとの関係

1) 中京大学大学院体育学研究科 〒 470-0393 愛知県豊田市貝津町床立 101 2) 中京大学スポーツ科学部 〒 470-0393 愛知県豊田市貝津町床立 101 連絡先 豊嶋陵司

1. Graduate School of Health and Sport Sciences, Chukyo University

101 Tokodachi, Kaizu-cho, Toyota, Aichi, 470-0393 2. School of Health and Sport Sciences, Chukyo University

101 Tokodachi, Kaizu-cho, Toyota, Aichi, 470-0393 Corresponding author toyoshimaryoji@gmail.com

Abstract: This study investigated the relationships between the kinetic factor of the swing leg and step frequency (SF) and step length (SL) during the top speed phase of a sprint. Sixteen male sprinters (age 19.3±0.6 years, height 1.74±0.06 m, weight 66.1±5.2 kg) performed maximum effort 60-m sprints. Video data from the 43.5- to 50-m section of the sprint were collected using a high-speed camera (300 Hz). SF index and SL index were calculated to exclude the influence of body height on the outcomes of interest. Torque and torque power of the hip and knee joints of the right leg were calculated during the swing phase of the right leg. The time of the swing phase of the right leg was normalized so that the take-off of the right foot, touchdown of the left foot, take-off of the left foot, and touchdown of the right foot were 0%, 100%, 200%, and 300%, respectively. For every 5% of normalized time, partial correlation analysis was conducted between the right leg kinetics and SF index (controlling SL index) and SL index (controlling SF index).

The SF index was associated with a large hip flexion torque and a large hip extension torque during 10–60% and 250–280% of the swing phase, respectively. Moreover, large peaks of the hip flexion torque and positive power were associated with a high SF index (r = -.718, p <0.01; r = .531, p <0.05, respectively).

The SL index was associated with a hip flexion torque during 20–30% of the swing phase, although there was no significant partial correlation between the SL index and peak hip flexion torque (r = -.381, p = .161). In addition, a high SL index was associated with early appearance of the peak hip flexion torque power (r = -.759, p <0.01). In conclusion, throughout the top speed phase of a sprint, a high SF index requires a large torque and hip joint power for the leg swing over a short duration, and a high SL index requires an early increase of hip flexion torque power. Key words : joint torque, power, running velocity, SF index, SL index

キーワード:関節トルク,パワー,疾走速度,ピッチ指数,ストライド指数

Ryoji Toyoshima1 and Shinji Sakurai2: The relationship between kinetic factors of the swing leg and each of step

frequency and step length during the top speed phase of sprint running. Japan J. Phys. Educ. Hlth. Sport Sci.

Ⅰ 緒 言

陸上競技の 100 m 走はおもに,加速局面,最 大速度局面,減速局面に分けられる(Delecluse et al., 1995; Mackala, 2007; Schiffer, 2009).その中で も,最大速度局面における疾走速度は,記録との 関係が非常に強いとされてきた(Mackala, 2007; 松尾ほか,2010).最大疾走速度は,世界一流選 手の中には 70 m 以降に出現する例もみられるが (Mackala, 2007),40―60 m 区間で出現すること が多い(阿江ほか,1994;森丘ほか,1997;羽田 ほか,2003;松尾ほか,2010).よって,この局 面における疾走動態の分析からは,100 m 走の競 技パフォーマンス向上に必要となる,運動学的 要因および力学的要因についての有用な知見が 得られると考えられる(Kunz & Kaufmann, 1981; 宮 下 ほ か,1986; 伊 藤 ほ か,1994; 伊 藤 ほ か,

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1998;渡邉ほか,2003a;Bezodis et al., 2008;矢 田ほか,2011;矢田ほか,2012). 疾走速度は,1 秒間あたりの歩数であるピッチ と,1 歩あたりの身体の移動距離であるストライ ドとの積である.疾走速度を向上させるには,一 方を高めながらも他方の低下を抑制すること,ま たは,両者を高めることが必要となる.これま で,疾走速度が高い選手は,ピッチが高いことを 示した報告と(Ae et al., 1992; Mann and Herman, 1985; 福 田 ほ か,2010;Morin et al., 2012), ス トライドが大きいことを示した報告(阿江ほか, 1994;Gajer et al., 1999;Mackala, 2007;矢田ほか, 2011)との両方が存在している.また,同程度の 疾走速度においても,ピッチ型の選手およびスト ライド型の選手が存在することが示されてきてい る(阿江ほか,1994;宮下ほか,1986;内藤ほ か,2013).ピッチとストライドとの組み合わせ は,身長に影響されると考えられてきた(宮丸, 1971;内藤ほか,2013;Paruzel-Dyja, 2006).一方, 身体資源が同一とみなせる個人内においても,ピ ッチとストライドとの組み合わせが変化すること が報告されている(内藤ほか,2017;豊嶋ほか, 2015).これらのことから,ピッチとストライド との組み合わせは,身長だけでなく,力発揮や疾 走動作等の要因にも影響を受けていると考えられ る.選手は,疾走速度の向上を目指す上で,自身 のピッチの高さおよびストライドの大きさに応じ て,どちらかの改善に焦点をあてることが多い(中 田ほか,2003;土江,2004).よって,身長が同 等と考えられる場合においても,最大速度局面に おける高いピッチおよび大きいストライドそれぞ れに関係する要因を明らかにしておくことは重要 である. ピッチとストライドとの間には,一方が高けれ ば他方が低い傾向にあるという,負の相互作用が 存在する(Hunter et al., 2004a)ため,ピッチおよ びストライドのうち,一方を高める要因は,同時 に他方を低下させる要因となり,疾走速度を高め る要因にはならない可能性がある.よって,疾走 速度を高めるための高いピッチおよび大きいスト ライドのそれぞれに関係する要因を明らかにする ためには,ピッチとストライドとの間の相互作用 を取り除いて検討する必要がある.Toyoshima & Sakurai(2016)が,ストライドが類似した選手 群における高いピッチ,および,ピッチが類似し た選手群における大きいストライドのそれぞれに 関係する疾走動作を検討していることは,その一 例として挙げられる. 疾走動作は,様々な関節まわりの力発揮の複合 的な結果として生じるものであるため,実践場面 により有用な知見を与えるためには,関節トルク やパワー等のキネティクス的分析が必要である. これまで,疾走速度が異なる選手の下肢キネティ クスを比較した研究(Bezodis et al., 2008; Vardaxis and Hoshizaki, 1989; 渡邉ほか,2003a;矢田ほか, 2012)においては,高いピッチおよび大きいスト ライドのそれぞれに関係するキネティクス的要因 は検討されていない.また,疾走速度を約 3 m/s か ら約 9 m/s まで変化させた際の,ピッチおよびス トライドの変化と下肢キネティクスとの関係を調 査した研究(阿江ほか,1986;Dorn et al., 2012) は存在するが,疾走速度領域の差を考慮すると, 9 m/s を越えるような短距離走における最大速度 局面においても同様の結果が得られるとは言い切 れず,短距離走におけるピッチおよびストライド と下肢キネティクスとの関係を検討する必要があ る. 疾走中に受ける外力は,空気抵抗を除くと地面 反力および重力のみであり,このうち,疾走中の 重力は一定であるため,地面反力が作用する支持 脚のキネティクスは,疾走速度に強く影響すると 考えられる.一方,遊脚期の下肢キネティクスも 疾走速度との関係が強いとされており(Schache et al., 2011; Vardaxis and Hoshizaki, 1989),豊嶋ほ か(2015)および Toyoshima & Sakurai(2016)は, 遊脚の動作要因が,地面反力の鉛直成分(以下 「鉛直地面反力」と略す)に影響し,結果として ピッチおよびストライドに影響することを示唆し ている.さらに,中田ほか(2003)は,支持脚よ り遊脚の方が,動作の改善が容易であることを示 していることから,遊脚の動作改善に焦点を当て ることは,ピッチおよびストライドのそれぞれを

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高めるために有効な手段であると考えられる.し かし,動作は関節まわりの力発揮によって変化す るため,運動学的知見のみでは不十分であり,遊 脚キネティクスとピッチおよびストライドそれぞ れとの関係を明らかにすることが必要である.ま た,遊脚キネティクスの分析は,競技会における 測定データ(矢田ほか,2012)とも比較可能であ り,更なる発展が見込まれる研究に成り得ると考 えらえる. 以上のことから本研究では,上述した身長の影 響およびピッチとストライドとの相互作用を考慮 し,短距離走の最大速度局面において,遊脚キネ ティクスとピッチおよびストライドのそれぞれと の関係を明らかにすることを目的とした. Ⅱ 方 法 1. 被験者および実験試技 男子学生短距離競技者 16 名(年齢 19.3 ± 0.6 歳, 身長 1.74 ± 0.06 m,体重 66.1 ± 5.2 kg)を対象と した.なお,被験者の競技会における 100 m の自 己最高記録の平均値±標準偏差は,11.06 ± 0.45s であり,最高値は 10.29s,最低値は 11.89s であ った.実験は,中京大学大学院体育学研究科倫理 審査委員会の承認を得た上で実施した.被験者に は,研究の目的や実験手順などを事前に説明し, 書面で実験参加の同意を得た. 被験者には,十分なウォーミングアップを行わ せた後,全天候型走路における 60 m の全力疾走 を 2 回行わせた.試技においては,各被験者が日 常的なトレーニングにおいて用いているスパイク シューズを着用させた.試技間には,十分な休憩 をとらせた.2 回の試技のうち,後述する疾走速 度が高かった方の試技を,分析試技とした.なお, 実験は強風や雨天時を避け,天候の影響を小さく するよう配慮した. 2. データ収集および処理 2 台のハイスピードカメラ(EX-F1, CASIO 社製) を用いて,試技中の 42.5―50 m 区間を毎秒 300 コマで固定撮影した.1 台はスタート後方に,光 軸が疾走方向と平行になるように設置し,他の 1 台は,46.5 m 地点の右側方に,光軸が疾走方向と 垂直になるように設置した.分析の際,2 台のカ メラの映像は,被験者の足部が地面に接触する瞬 間を基準に,時間的に同期した.試技の撮影に先 立ち,0.5 m ごとにマークが付けられた長さ 2 m のまっすぐな棒を,走路の両側に 2.5 m ごとに垂 直に立て,較正用の映像を撮影した. 撮影した映像を PC に取り込み,デジタイズソ フト(Frame DIAS V,DKH 社製)を用いて,右 足接地から次の右足接地までの 1 サイクルおよび その前後 20 コマにおける,身体特徴点 24 点の位 置をデジタイズし,3 次元 DLT 法によって実座 標値を得た.なお,この際のキャリブレーション による標準誤差は,左右方向が 0.51 cm,進行方 向が 0.60 cm,鉛直方向が 0.41 cm であった.得 られた座標データは,4 次のバターワース型ロー パスフィルタによって平滑化した.その際の遮断 周波数は,渡邉ほか(2003a),矢田ほか(2012), Toyoshima & Sakurai(2016)などを参考に,6Hz とした.座標データは矢状面に投影し,2 次元平 面上で分析した. 3. 算出項目 収集した座標データから,以下に示す項目を算 出し,分析した.なお,(1)―(3)に示す項目は, 1 歩ごとに算出し,連続する 2 歩の平均値を,各 被験者の代表値とした. 3.1 ピッチ,ストライド,疾走速度 ピッチ[Hz]は,1 歩に要した時間の逆数とし, ストライド[m]は,1 歩における身体重心の前 方への移動距離とした.疾走速度[m/s]は,ピ ッチとストライドとの積とした. 3.2 ピッチ指数,ストライド指数 短距離走におけるピッチおよびストライドと力 学的な要因との関係を検討する際,身長が交絡因 子となる可能性がある.つまり,身長が異なる被 験者のピッチおよびストライドの差は,身長の差 の影響と,力発揮や疾走動作の差の影響が混在し

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ている可能性がある.そこで,Alexander (1977) を参考に,ピッチ指数およびストライド指数(以 下, そ れ ぞ れ を「SF index」 お よ び「SL index」 と略す)を,以下の①および②の式によって算出 した. は支持距離,FD は滞空距離を表している.ピッ チは支持時間と滞空時間との和の逆数であるこ と,ストライドは支持距離と滞空距離との和であ ることに基づき,③および④式は SF index を算出 する①式から,⑤および⑥式は SL index を算出 する②式から得られたものである. 3.4 遊脚期における下肢関節のキネマティクスお よびキネティクス変数 遊脚期における股関節,膝関節,および足関節 の,角度,角速度,関節トルク,および関節トル クによるパワー(以下「トルクパワー」と略す) を算出した.関節トルクは,脚を足部,下腿部お よび大腿部からなる剛体リンクにモデル化し,逆 動力学的手法を用いて算出した.その際,各セグ メントの質量中心座標,質量,および慣性モーメ ントは,阿江ほか(1992)の身体部分慣性係数を 用いて算出した.関節角速度およびトルクは,伸 展を正の値,屈曲を負の値とした.トルクパワー は,関節トルクと角速度の内積とした.関節トル クおよびトルクパワーは,各被験者の体重で除し た値を分析に用いた. 4. 時間の規格化 遊脚期における下肢関節のキネマティクスおよ びキネティクスデータは,時間で規格化した.矢 田ほか(2012)を参考に,規格化は,右足の離地 から左足の接地までを 0―100%,左足の接地か ら離地までを 100―200%,左足の離地から右足 の接地までを 200―300% として行った(Fig. 1). ただし,SF はピッチ,h は各被験者の身長,g は重力加速度(= 9.8 m/s2),SL はストライドを 表している.①式は,単振り子の長さを L とし た場合,L が長い方が 1 周期に長い時間を要し, その周期(T)が T= 2π√L⁄g で表されることに基 づき,②式は,歩幅が身長に比例するという考え に基づいていると考えられる.これらの式は,こ れまで多くの研究(斉藤・伊藤,1995;伊藤ほか, 1998;末松ほか,2008)で用いられており,ピッ チおよびストライドを無次元化し,身体の大きさ を考慮してピッチの高さおよびストライドの大き さを評価できるものである. 3.3 支持時間,滞空時間,支持距離,滞空距離 支持期および滞空期それぞれについて,所要時 間を支持時間[s]および滞空時間[s]とし,身 体重心の前方への移動距離を支持距離[m]およ び滞空距離[m]とした.支持時間および滞空時 間はピッチ,支持距離および滞空距離はストライ ドの構成要因であることから,これらの変数も身 長を考慮する必要があると考えた.そこで,支持 時間,滞空時間,支持距離,滞空距離から身長の 影響を排除した値をそれぞれ,ST index, FT index, SD index, FD index とし,上述した SF index およ び SL index の算出式をもとに,以下の③―⑥の 式によって算出した.

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5. 統計処理

ピッチとストライドとの間には,負の相互作用 が存在する(Hunter et al., 2004a)ため,単相関分 析を用いた場合,高い SF index に関係する要因は 低い SL index に関係し,高い SL index に関係す る要因は低い SF index に関係する可能性があり, これらは高い疾走速度を獲得するための知見とは いえない.そこで,本研究においては,SF index および SLindex のそれぞれと,他の算出項目との 間の偏相関係数を算出した.SF index について検 討する際は SL index を,SL index について検討す る際は SF index を制御変数とした.規格化した時 系列データにおいては,5% ごとに偏相関係数を 算出した.有意水準は p < .05 とした. Ⅲ 結 果 1. 時空間変数間の関係 Table 1 に,疾走速度,ピッチ,ストライド, SF index および SL index それぞれの,平均値,標 準偏差,最大値および最小値を示した.疾走速 度の平均値±標準偏差は,9.59 ± 0.38 m/s であ った.Table 2 には,SF index および SL index と, ST index,FT index,SD index お よ び FT index と の偏相関係数を示した.SF index は,ST index, FT index との間に有意な負の偏相関が認められ, SD index および FD index それぞれとの間には有 意な偏相関は認められなかった.一方,SL index は,ST index とは有意な負の偏相関,FT index お よび FD index とは有意な正の偏相関が認められ た.SD index との間には,有意な偏相関は認めら れなかった. 2. 時系列変化における偏相関分析 Fig. 2 左列(A―D)には,股関節の角度,角速度, 関節トルクおよびトルクパワーの平均値の時系列 変化および,有意な偏相関が認められた局面を示 した.股関節角度(Fig. 2A)は,SF index とは有 意な相関がみられず,SL index とは 55―150% に おいて有意な負の偏相関が認められた.股関節角 速度(Fig. 2B)は,SF index とは有意な偏相関は みられず,SL index とは,30―75% において有意 な負の偏相関,135―150% においては有意な正 の偏相関が認められた.股関節トルク(Fig. 2C) は,SF index とは 10―60% において有意な負の 偏相関,250―280% においては有意な正の偏相 関が認められた.SL index とは,20 - 30% にお いて有意な負の偏相関,60―100% において有意 な正の偏相関が認められた.股関節トルクパワー (Fig. 2D)は,SF index とは 45―70% において有 意な正の偏相関が認められた.SL index とは,30 ―50% において有意な正の偏相関,85―100% お よび 255―260% において有意な負の偏相関が認 められた. Fig. 2 中列(E―H)には,膝関節角度,角速 度,関節トルクおよびパワーピッチの平均値の時 系列変化および,有意な偏相関が認められた局面 を示した.膝関節角度(Fig. 2E)は,SF index と の有意な偏相関はみられず,SL index とは,10― 110% において有意な負の偏相関が認められた. 膝関節角速度(Fig. 2F)は,SF index とは,55― 65% において有意な負の偏相関が認められ,SL

Table 1 Step parameters of all subjects.

Mean SD Max Min

Speed [m/s] 9.59 0.38 10.22 9.12

SF [Hz] 4.61 0.22 4.92 4.11

SL [m] 2.08 0.08 2.23 1.92

SF index 1.98 0.08 2.06 1.77

SL index 1.20 0.03 1.25 1.14

SD: standard deviation, SF: step frequency, SL: step length.

Table 2 Partial correlation coefficients among spatiotemporal parameters.

Control variable ST index FT index SD index FD index

with SF index SL index -.844*** -.624* -.424 (N. S.) .424 (N. S.)

with SL index SF index -.754** .736** -.322 (N. S.) .882***

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index と は 90―155% に お い て 有 意 な 正 の 偏 相 関,260% においては有意な負の偏相関が認めら れた.膝関節トルク(Fig. 2G)は,SF index とは 有意な偏相関はみられず,SL index とは 80―85% において有意な正の偏相関が認められた.膝関節 トルクパワー(Fig. 2H)は,SF index とは有意な 偏相関はみられず,SL index とは 115―140% に おいて有意な正の偏相関が認められた. Fig. 2 右列(I―L)には,足関節角度,角速度, 関節トルクおよびパワーピッチの平均値の時系列 変化および,有意な偏相関が認められた局面を 示した.足関節角度(Fig. 2I)は,SF index とは

Fig. 2 The time series of mean value of the hip(left) , knee(center), and ankle (right) parameter.

SF, SL: Significant partial correlation (p < .05) with SF index and SL index, respectively. +, -: Signs of the significant partial correlation coefficients.

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有意な相関は認められず,SL index とは,170― 250% において有意な正の相関が認められた.足 関節角速度(Fig. 2J)は,SF index とは有意な相 関が認められず,SL index とは,55―85% におい て有意な正の相関が,280―300% においては有 意な負の相関が認められた.足関節トルク(Fig. 2K)は,SF index とは,45―90% において有意 な負の相関が認められ,SL index とは,0―10% において有意な負の相関が認められた.足関節 トルクパワー(Fig. 2L)は,SF index とは,290 ―295% において有意な負の相関が認められ,SL index とは,0―5%,60―80%,155―160%,およ び,275―285% において有意な負の相関が認め られた. 3. 遊脚に関する変数のピーク値の偏相関分析 Table 3 には,Fig. 2 左側に示した股関節に関す る変数の時系列変化において,明確に表れたピー ク値(角度の最大値および最小値,角速度の最小 値,関節トルクの最小値および最大値,トルク パワーの正の第 1 ピーク値と第 2 ピーク値)と, SF index および SL index との偏相関分析の結果を 示した.また,Table 4 には,これらの股関節の ピーク値が出現した規格化時刻と,SF index およ び SL index との偏相関分析の結果を示した.SF index は,股関節トルクの最小値との間に有意な 負の偏相関,股関節トルクパワーの第 1 ピークと の間に有意な正の偏相関が認められたが(Table 3),各ピーク値の出現時刻との間には,有意な 偏相関はみられなかった(Table 4).SL index は, 各ピーク値との間には有意な偏相関はみられず (Table 3),股関節角速度の最小値および股関節ト ルクパワーの第 1 ピークそれぞれの出現時刻との 間に,有意な負の偏相関が認められた(Table 4). 股関節と同様に,膝関節に関するピーク値(角 度の最小値,角速度および関節トルクの最小およ

Table 3 Partial correlation coefficient between peak value of the hip parameter and SF index, SL index.

Mean (SD) Partial correlation coefficient with SF index with SL index Angle

[degree]

Extension peak 198 (4) -.319 (N. S.) -.135 (N. S.)

Flexion peak 102 (4) .045 (N. S.) .054 (N. S.)

Angular velocity

[degree/s] Flexion peak -797 (67) -.312 (N. S.) .229 (N. S.)

Torque [Nm/kg] Flexion peak -3.22 (0.24) -.718** -.381 (N. S.) Extension peak 3.36 (0.21) .153 (N. S.) -.216 (N. S.) Power [W/kg] 1st peak 21.77 (3.48) .531* .162 (N. S.) 2nd peak 20.09 (3.27) .147 (N. S.) -.295 (N. S.) *: p < .05, **: p < .01, N. S.: Non-significant.

Table 4 Partial correlation coefficient between peak appearance time of the hip parameter and SF index, SL index.

Mean (SD) [%]

Partial correlation coefficient with SF index with SL index

Angle Extension peak 18 (4) .252 (N. S.) -.240 (N. S.)

Flexion peak 204 (8) .220 (N. S.) -.342 (N. S.)

Angular velocity Flexion peak 113 (14) -.081 (N. S.) -.519*

Torque Flexion peak 23 (11) -.064 (N. S.) .181 (N. S.)

Extension peak 241 (11) .241 (N. S.) -.390 (N. S.)

Power 1st peak 64 (10) -.124 (N. S.) -.759**

2nd peak 260 (16) .231 (N. S.) -.113 (N. S.)

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び最大値,トルクパワーの第1ピーク値と第 2 ピ ーク)の偏相関分析の結果を Table 5 に,それら の出現時刻の偏相関分析の結果を Table 6 に示し た.SF index は,各ピーク値およびその出現時刻 ともに,有意な偏相関はみられなかった(Table 5, 6).SL index は,各ピーク値との間には有意な偏 相関はみられなかったが(Table 5),膝関節角度 の最小値の出現時刻との間には,有意な負の偏相 関が認められた(Table 6). Ⅳ 考 察 本研究では,短距離走の最大速度局面における ピッチおよびストライドそれぞれと,遊脚の動作 およびキネティクスとの関係を明らかにすること を目的とした.その際,身長の影響を排除するた め,SF index および SL index を算出した.さらに, SF indexとSL indexとの相互作用を排除するため,

Table 5 Partial correlation coefficient between peak value of the knee parameter and SF index, SL index.

Mean (SD) Partial correlation coefficient with SF index with SL index Angle

[degree] Flexion peak 33 (7) .061 (N. S.) -.108 (N. S.)

Angular velocity [degree/s] Flexion peak -1174 (89) -.459 (N. S.) -.078 (N. S.) Extension peak 1179 (87) .141 (N. S.) .301 (N. S.) Torque [Nm/kg] Flexion peak -1.69 (0.10) .165 (N. S.) .134 (N. S.) Extension peak 0.66 (0.13) -.004 (N. S.) -.015 (N. S.) Power [W/kg] 1st peak -10.26 (1.58) -.380 (N. S.) -.134 (N. S.) 2nd peak -25.96 (3.35) .001 (N. S.) -.083 (N. S.) N. S.: Non-significant.

Table 6 Partial correlation coefficient between peak appearance time of the knee parameter and SF index, SL index.

Mean (SD) [%]

Partial correlation coefficient with SF index with SL index

Angle Flexion peak 132 (7) -.008 (N. S.) -.627*

Angular velocity Flexion peak 53 (7) .058 (N. S.) -.419 (N. S.)

Extension peak 210 (10) .315 (N. S.) -.219 (N. S.)

Torque Flexion peak 252 (8) .348 (N. S.) -.409 (N. S.)

Extension peak 92 (26) -.055 (N. S.) .168 (N. S.) Power 1st peak 79 (14) -.111 (N. S.) -.225 (N. S.) 2nd peak 236 (8) .202 (N. S.) -.401 (N. S.) *: p < .05, N. S.: Non-significant. それぞれを制御要因とする偏相関分析を行った. その結果,SF index および SL index には,異なっ た要因が関係していた.以下,それぞれに関連す る要因を考察する.ただし,足関節に関する変数 ついては,時系列変化の相関分析では SF index お よび SL index との有意な相関がみられる局面が あったが,トルクおよびトルクパワーの大きさは, 股関節および膝関節の値と比較して極めて小さか った(Fig. 2).このことから,先行研究(Mann, 1981; Vardaxis & Hoshizaki, 1989)で示されている 通り,遊脚期においては,ピッチおよびストライ ドに対する足関節まわりの力学的要因の影響は無 視できるほど小さいと考え,股関節および膝関節 に関して考察することとした. 1. SF index に関係する要因 1.1 時空間変数について

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ある.SF index が高いほど,ST index および FT index ともに短いという結果であった(Table 2). Toyoshima & Sakurai(2016)は,ストライドが類 似している場合は,ピッチが高いほど支持時間お よび滞空時間が短いことを示しており,偏相関分 析によって SL index の影響を制御した本研究の 結果は,これを支持するものであった.遊脚期は, 2 回の滞空期と 1 回の支持期で構成されることか ら,SF index が高いほど,遊脚期も短いと考えら れる.以下,この短い時間に対応するための遊脚 の動作およびキネティクスについて検討する. 1.2 遊脚の動作およびキネティクスについて SF index は,股関節角度および角速度の時系列 変化やピーク値との関係はみられなかった(Fig. 2A お よ び B).Toyoshima & Sakurai(2016) は, ストライドが類似した選手間でピッチが高い選手 の大腿部について,接地時に後方スイング角速度 が高く,離地時の後方変位が小さかったことを報 告している.本研究において,SF index が高い被 験者にこのような特徴がみられなかった理由の 1 つとして,被験者間の疾走速度やピッチの幅が小 さかったことが挙げられる. 規格化された時系列変化の分析では,股関節 の動作と SF index との関係がみられなかったが, SF index が高い被験者は,遊脚期の実時間が短い と考えられることから,SF index が低い被験者と 比較して,より短時間で角速度を変化させて(= 角加速度を高めて),1 サイクルの動作を完了し ていると言える.この観点から,SF index と下肢 関節キネティクスとの関係を検討する. 股関節キネティクスについて分析したところ, SF index が高いほど,離地後に出現する股関節屈 曲トルクのピークが大きく,この屈曲トルクによ る正のトルクパワーのピークも大きかった(Table 3).一方,股関節伸展トルクは,ピーク値と SF index との関係はみられなかったが(Table 3),SF index が高いほど接地前に高い値を示す局面がみ られた(Fig. 2C).遊脚期の股関節トルクを大き くすることは,大腿部の角加速度を高めることに 作用し,短時間で脚のスイング動作を行うことに 貢献すると考えられる.しかし,大腿部の角加速 度は,股関節トルクだけではなく,膝関節トル ク,運動依存トルク,重力トルクによっても変化 する.そこで,SF index に対する股関節トルクの 重要性を検証するため,Hunter et al. (2004b) の方 法を参考に,以下の式によって,大腿部に働く重 力トルク(以下,”GT” と略す)および運動依存 トルク(以下,”MDT” と略す)を算出した. ただし,mt,ms,mf,はそれぞれ,大腿部,下 腿部,足部の質量であり,rhtは股関節と大腿部 質量中心点との距離,ltは大腿長,g は重力加速 度(= 9.8 m⁄s2),θ は本研究の定義に基づく大腿 部の角度,Itは大腿部の質量中心まわりの慣性モ ーメント,αtは大腿部の角加速度,HT および KT は,股関節トルクおよび膝関節トルクを表して いる.GT および MDT は,HT および KT と同様 に,股関節が伸展する方向にトルクが働く場合を 正の値とした.そして,Fig. 3 には,大腿部に働 く全てのトルクの時系列変化を示した.0―100% においては,股関節トルクのほか,重力トルクも 屈曲方向に作用していたが,その値は股関節トル クと比較して,極めて小さかった.また,200― 300% においては,股関節トルクおよび重力トル クが伸展方向に作用していたが,重力トルクの値

Fig. 3 All torques acting on the thigh of the swing leg.

HT: Hip joint torque, KT: Knee joint torque, GT: Gravity torque, MDT: Motion dependent torque at hip joint.

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は股関節トルクと比較して,極めて小さかった. 運動依存トルクは,絶対値は股関節トルクと比較 的類似した値であり,その変化は股関節トルクと は逆位相となる傾向を示した.つまり,Huang et al.(2013)が報告しているように,遊脚においては, 股関節トルクが運動依存トルクを相殺して股関節 の角加速度を高める役割があるといえる.さら に,股関節の角加速度を,角速度を時間微分する ことで算出し,0―100% および 200―300% のそ れぞれにおける平均値について,大腿部に働く各 トルクとの関係を分析し,その結果を Table 7 に 示した.0―100% において,股関節の角加速度 との間に有意な相関がみられたのは股関節トルク のみ(r = .528,p < .05)であり,200―300% に おいても,股関節トルクのみが,股関節の角加速 度との間に正の相関を示す傾向がみられた(r = .439,p = .089).以上のことから,SF index が高 い被験者は,大きな股関節屈曲トルクを発揮する ことにより,短時間で股関節の角速度を変化させ ること(=角加速度を高めること)が可能となり, 脚の回復が遅れることを抑制していたと考えられ る.0―100% における運動依存トルクと股関節 角加速度との相関係数は,有意ではないがやや高 い値(r = -.426)であった.物理的には,股関節 トルクの大きさが同じであれば,股関節トルクと は逆方向へ作用する運動依存トルクを小さくする ことによっても,大腿部の角加速度を高めること ができる.運動依存トルクの影響や,それらを変 化させる要因については,今後も検討する余地が ある. Dorn et al.(2012)は,異なる 4 種類の速度で 疾走させた際の筋の働きを,筋骨格モデルを用い て調査し,個人内における 7 m/s から 9 m/s 前後 となる全力疾走までの疾走速度の増加は,腸腰筋, 大殿筋,ハムストリングスなどの股関節まわりの 筋群が,股関節や膝関節を大きく加速させること によって生じる,ピッチの増加によるものであ ると示唆している.本研究は,9 m/s から 10 m/s 程度の横断的な比較であるが,Dorn et al.(2012) の報告と本研究の結果を踏まえると,7—10 m/s 程度の疾走速度領域においては,股関節まわりの 筋群が大きなトルクを発揮し,股関節の角加速度 を高めることが,高いピッチに関係すると考えら れる. 膝関節については,SF index が高いほど,離地 後の滞空期に屈曲角速度が高くなる局面がわずか にみられたのみであり(Fig. 2F),その他の膝関 節に関する項目と SF index との間に有意な関係 はみられなかった.Schache et al.(2011)は,約 7 m/s から 9 m/s まで疾走速度を増加させた際,ピ ッチとともに,遊脚期における膝関節まわりの負 のパワーが増大したことを報告している.しかし, 本研究の結果から,9 m/s から 10 m/s 程度の疾走 速度領域においては,遊脚期における膝関節の力 学的要因は高いピッチにあまり関係しないことが 示唆された. 2. SL index に関連する要因 2.1 時空間変数について Table 2 に示した様に,SL index が高いほど滞 空距離が長く,SL index は支持距離との関係はみ られなかった.また,SL index が高いほど,ST index が低く FT index が高かった.これは,Toyo-shima & Sakurai(2016)が示している,ピッチが 同程度の選手間におけるストライドが大きい選手 の特徴と一致するものであった.つまり,長い滞 空時間によって獲得される長い滞空距離が大きな ストライドを生み出し,長い滞空時間は短い支 持時間と相殺されることによって,ピッチに差 は生まれないと考えられる.ST index が低く,FT

Table 7 Correlation coefficients between hip angular acceleration and torques acting on the thigh.

HT KT MDT GT

Hip angular acceleration 0-100% .528* -.193 (N. S.) -.426 (N. S.) .199 (N. S.)

200-300% .439# .057 (N. S.) -.154 (N. S.) .409 (N. S.)

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index が高いことは,短い時間で大きい鉛直成分 の力積(以下「鉛直力積」と略す)を獲得してい ること,つまり,鉛直地面反力が大きいことを意 味していると考えられる.このことを踏まえ,以 下では,SL index と下肢キネティクスとの関係を 考察する. 2.2 遊脚の動作およびキネティクスについて SL index が高いほど,右足離地後の滞空期中 盤(55%)から,左脚支持期中盤(150%)まで, 右股関節角度が小さかった(Fig. 2A).豊嶋ほか (2015)は,最大速度局面において,接地時に遊 脚大腿部がより前方まで回復されていることによ り,遊脚大腿部に働く股関節間力の鉛直成分(以 下「鉛直股関節間力」と略す)が大きくなり,そ の反作用として支持脚に働く鉛直下向きの力が大 きくなることで鉛直地面反力が大きくなることを 示唆し,その結果として滞空時間が長くなること を報告している.そこで,本研究においても,遊 脚の鉛直股関節間力を算出し,地面反力が作用 する局面である 100―200%における 5% ごとに, 股関節角度の平均値に対する鉛直股関節間力の平 均値を,Fig. 4 に示した.鉛直股関節間力は,股 関節角度が 100% 時の 156 degree から屈曲するに 従って増大し,132 degree(130% 時)の時に最 大値(4.85 [N/kg])となった.本研究における 100% 時の股関節角度の被験者間の範囲は,142 —173 degree であり,この範囲内では,接地時に 遊脚の股関節が屈曲しているほど,鉛直股関節間 力が高い状態で接地することになるといえる. これらのことを踏まえると,本研究においても, SL index が高い被験者が,右股関節を早いタイミ ングで屈曲させていたことは,上述した豊嶋ほか (2015)が示唆しているメカニズムと同様にして, 左足接地直後に大きな鉛直地面反力を獲得でき, 短い支持時間でも滞空時間を長くするために必要 な鉛直力積を獲得することに貢献したと推察され る.SL index と股関節角度との有意な偏相関は, その局面に先立って現れた,SL index と股関節屈 曲角速度との有意な関係(Fig. 2B)に起因すると 考えられる.そこで,股関節屈曲角速度が早期に 高まる要因を明らかにするため,股関節のキネテ ィクスについて検討した. SL index と股関節角速度との間に有意な偏相関 が発生した時点(30%)の直前である 20―30% において,SL index が高いほど股関節屈曲トルク が大きいという関係がみられた(Fig.2C).この 統計的な結果と,上述したように,この局面にお ける大腿部の屈曲方向への角加速度は,ほとん どが股関節屈曲トルクによるものである(Fig. 3) ことを踏まえると,SL index が高かった被験者 の 20―30% における大きな股関節屈曲トルクが, その後の高い屈曲角速度に貢献していると考えら れる.しかし,股関節屈曲トルクのピークの大き さは,SL index とは無関係(Table 3)であり,そ の出現のタイミングも,SL index と直線的な関係 はみられなかった(Table 4).ここで,SL index と股関節屈曲トルクとの偏相関が有意であった 20 - 30% において,股関節角速度の平均値(標 準偏差)を求めたところ,-111 (56) degree/s であ った.ピーク値が -797 (67) degree/s であることを 考慮すると,20—30% は,股関節の屈曲開始直 後であると捉えられる.矢田ほか(2012)は,世 界一流選手と学生短距離選手を比較した結果,世 界一流選手はストライドが大きく,離地時から股 関節屈曲開始直後まで,遊脚の股関節屈曲トルク が大きかったことを報告している.以上のことか ら,遊脚の股関節屈曲トルクについては,そのピ ーク値よりも,股関節屈曲開始直後に大きいトル

Fig. 4 Relationship between hip joint angle and vertical

hip joint force of swing leg during stance phase of the opposite leg.

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クが発揮されることが,股関節屈曲角速度を高め ることを介して,大きい SL index に関係すると 考えられる. 股関節屈曲トルクパワーは,SLindex が高いほ ど,正のピークが早く出現していた(Table 4). 時系列データの 30―50% における正の相関,お よび 85―100% における負の相関は(Fig. 2D), ピーク出現のタイミングの違いを反映した結果で あり,この股関節トルクパワーの早期増大は,股 関節屈曲角速度の増大をさらに促進することで, 股関節が早期に屈曲したと考えられる.そこで, SL index との偏相関が有意であった局面をもと に,30―50% における股関節屈曲トルクパワー の平均値と,55―150% における股関節角度の平 均値との相関関係を分析したところ,股関節屈曲 トルクパワーが大きいほど股関節角度が小さかっ た(r = -.843,p < .001).一方,股関節屈曲トル クパワーのピーク値と 55—150% における股関節 角度の平均値との相関関係は有意ではなかった(r = -.187,p = .487).以上のことから,股関節屈 曲トルクパワーが早期に高まることは,股関節を 早期に屈曲させるための重要な要因であり,結果 として大きい SL index で疾走するために必要な 要因であると考えられる. ここまで,遊脚期開始後の滞空期中盤(55%) から,SL index が大きいほど股関節が屈曲してい ることとその力学的要因について述べてきた. この特徴は,遊脚期の終盤までは継続せず(Fig. 2A),股関節角度の最小値も,SL index との有意 な関係はみられなかった(Table 3).これは,股 関節屈曲トルクおよびトルクパワーが,離地後 の滞空期(0―100%)後半において,SL index が 大きいほど小さくなっていた(Fig. 2C および D) ことが要因として考えられる.つまり,SL index が大きい被験者は,遊脚期前半において股関節を 早期に屈曲させている一方,股関節屈曲に作用す るトルクやパワーを早期に低下させ,遊脚期中盤 における股関節屈曲角速度を低くすることにより (Fig. 2B),過剰な屈曲によって股関節の伸展が遅 れることを抑制していたと考えられる. 膝関節については,離地後から逆足の接地後ま で,SL index が高いほどより屈曲しており,逆足 接地後,より早く伸展し始めていた(Fig. 2E お よび F).一方,膝関節のトルクやパワーは,SL index との関係はあまりみられず,逆足接地前に 膝関節トルクと,逆足接地後に膝関節トルクパワ ーとの正の相関が,わずかにみられたのみであっ た(Fig. 2G および H).馬場ほか(2000)は,遊 脚期前半の膝関節屈曲角速度は,股関節屈曲トル クとともに発生する膝関節間力によるものである ことを報告しており,Huang et al.(2013)は,遊 脚期前半は運動依存トルクが膝関節を屈曲させる 方向に働くことを示している.これらの報告を踏 まえると,本研究における SL index と膝関節角 度や角速度との関係は,SL index と股関節との関 係に伴って受動的に生じたものであり,膝関節の トルクおよびトルクパワーは,SL index の高さと はあまり関係がないと考えられる. 3. 実践場面への示唆 ここまでに示された結果から,高いピッチでの 疾走を目指す場合と,大きいストライドでの疾走 を目指す場合のそれぞれに対して,最大速度局面 の遊脚に関する示唆を示す. 3.1 高いピッチでの疾走に必要な要因 本研究において,遊脚の股関節まわりで発揮 されるトルクやパワーの最大値を増大すること が,高いピッチでの疾走に必要であることが示さ れた.これらの結果と,最大速度局面における股 関節屈曲トルクおよび伸展トルクの大きさはそれ ぞれ,ハムストリングスおよび内転筋群の横断面 積と関係している(渡邉ほか,2003b)ことを踏 まえると,高いピッチで疾走するためには,股関 節屈曲および伸展筋群の肥大を狙った筋力トレー ニングが有効となる可能性が考えられる.これま では,高いピッチには神経系の機能が影響する という考え(Salo et al., 2011)から,脚を速く動 かすドリル(Cissik, 2005)や,坂下り走(小池, 2013)などが提案されていたが,本研究によって 新たな可能性が示された. 3.2 大きいストライドでの疾走に必要な要因

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本研究の結果から,大きなストライドでの疾走 を目指す上では,股関節の屈曲が開始される時に 大きな力を発揮し早期にパワーを高めるという, 力発揮のタイミングの改善が必要となる可能性が 示された.実践場面において,力発揮のタイミン グを評価することは困難であるが,接地時に遊脚 の股関節がより屈曲しているかどうかが,1 つの 指標となるであろう.これまで,大きなストライ ドにはメディシンボール投げの能力が関係してい る(酒井ほか,2013)ことや,ストライドが増大 していく加速局面における加速能力と,足首を使 ったリバウンドジャンプ能力との関係(Nagahara et al., 2014)が報告されている.これらは,支持 脚の力学的要因を介してストライドに影響すると 推察されるが,ストライドを大きくすることを目 指す上での遊脚の重要性が,本研究において示さ れた. Ⅴ まとめ 本研究では,短距離走の最大速度局面における 遊脚キネティクスについて,SL index を制御した 場合の SFindex の高さ,および,SF index を制御 した場合の SL index の高さとの関係を分析した. その結果は,以下の様にまとめられる. (1) SF index が高いほど,支持時間および滞空 時間が短かった. (2) SF index が高いほど,股関節屈曲トルクの 最大値および,股関節屈曲トルクによる正 のパワーのピーク値が大きかった. (3) SL index が高いほど,支持時間が短く,滞 空時間が長かった. (4) SL index が高いほど,股関節屈曲開始直後 における股関節屈曲トルクが大きかった. (5) SL index が高いほど,股関節屈曲トルクに よる正のパワーのピークが早期に出現し た. 以上のことから,短距離走の最大速度局面にお いて,高い SF index で疾走するためには,股関 節屈曲に作用する大きな力やパワーによって脚を 加速させ,短い遊脚期の時間に対応することが必 要であることが示唆された.また,高い SL index で疾走するには,トルクやパワーの大きさよりも, それらの発揮のタイミングが重要であり,遊脚股 関節について,屈曲開始時に大きな屈曲トルクを 発揮し,正のトルクパワーを早期に高めることで, 逆足接地時までにより屈曲位にすることが必要で あることが示唆された. 文 献

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Published online 2018/6/15

Table 2  Partial correlation coefficients among spatiotemporal parameters.
Fig. 2  The time series of mean value of the hip(left) , knee(center), and ankle (right) parameter.
Table 4  Partial correlation coefficient between peak appearance time of the hip parameter and SF index, SL index.
Table 5  Partial correlation coefficient between peak value of the knee parameter and SF index, SL index.
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参照

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