カッティング動作における様態が膝関節負荷に及ぼす影響
Effects of conditions on knee joint load during cutting movement
10M40040 鬼頭 正樹 Masaki Kito
指導教員：丸山 剛生准教授
審査員：須田和裕准教授 室田真男准教授
本研究は，カッティング動作の進入速度や進行方向，足接地時の足部方向といった動作条件の 違いが，どのように膝関節負荷に影響を及ぼすかを調査することを第一の研究目的とした．第二 の目的として，男性に比べ女性で膝の怪我の発生率が高いと報告されているので，性別による分 析値への影響を調査することとした．本研究で得られた結果は，膝の怪我の予防策の参考になる と考えられる． 実験参加者は，健常な学生 16 名(男性 10 名，女性 6 名)であった．下肢に反射マーカ 14 点を 取り付け，10 台の赤外線カメラで撮影し，3 次元運動解析システムを用いてマーカ 3 次元座標デ ータを，フォースプレートを用いて床反力を測定した．得られたデータからキネマティクスデー タと逆動力学計算を用いてキネティクスデータを算出した． カッティング動作の進入速度を変更することで，slow，mid に比べ fast で前後方向の下肢三関 節間力ピーク値が有意に大きく，膝への負荷が変化することが示唆された．また slow，mid に比 べ fast で膝関節内転モーメントピーク値が有意に大きく，膝関節外側側副靭帯への負荷が変化す ることが考えられる．さらに，slow に比べ mid，fast で膝関節外旋モーメントピーク値が有意に 大きく，内外旋を抑えるために筋や靭帯等が力を発揮していて，内外旋方向の軟部組織に負荷を かけていることが示唆された． 進行方向を変更することで，45°に比べ，90°で前後方向足関節，膝関節間力ピーク値が有意 に大きく，膝への負荷が変化することが示唆された．また，45°に比べ 90°で足関節回内モー メントピーク値が有意に大きく，足関節回内は，脛骨の内旋を生じ膝関節へ異常な力が伝達され ると報告されている．この異常な力は，大腿四頭筋の筋バランスの不均衡を引き起こし無接触膝 関節負傷の発生要因となると考えられる．足部方向を変更することで，toe outに比べ，toe inで足関節回内モーメントピーク値が有意に大 きく，進行方向を変更した際と同様に膝関節への異常な力の伝達が示唆された．
性差に関して男性に比べ女性は，膝関節屈曲角度が小さい傾向にあり，また前後方向膝関節間 力ピーク値が有意に大きく，無接触膝関節負傷の発生率に関連することが考えられる．
Effects of conditions on knee joint load during cutting movement
The purposes of this study were to clarify the effects of cutting movement conditions that were running speed before landing, the direction of turn and the position of landing foot such as toe-in, neutral and toe-out on knee joint motion, and to compare knee joint motion between male and female at cutting movement. This study was considered to be a reference to avoid knee joint injuries.
In this experiment, sixteen healthy subjects such as ten male and six female participated. Fourteen reflected markers were put on each subject’s leg, and cutting movements were recorded by ten infrared cameras. Then, the three-dimension coordinate data was measured by three-dimension motion analysis system and the foot ground reaction force was measured by multiple-component force plate. Kinematics and Kinetics data were calculated from these data by using inverse dynamics.
Running speed before landing of cutting movement were changed such as SLOW, MID and FAST. The results were showed as follows.
・Peak joint forces of lower extremity in Anterior-Posterior direction at FAST were greater than MID and SLOW significantly. Then it was suggested that the load to knee joint was changed by changing running speed.
・Peak knee adduction moment at FAST was greater than MID and SLOW significantly. Then it was suggested that the load to lateral ligament of knee joint was changed.
・Peak knee external rotation moments at MID and FAST were greater than SLOW significantly. Then it was suggested that force exerted by muscle and ligament around knee joint restrained the internal-external rotation, and the soft tissue of knee joint would be strained.
The directions of turn were changed such as ninety and forty five degrees. The results were showed as follows.
・Peak ankle and knee joint forces in Anterior-Posterior direction at ninety degrees were greater than forty five degrees significantly. Then it was suggested that the load to knee joint was changed by changing the direction of turn.
・Peak ankle pronation moment at ninety degrees was greater than forty five degrees significantly. Because it was reported that ankle pronation caused tibia internal rotation and extremely force acted to knee joint, it was suggested that the risk of non-contact knee injuries increased for ninety degrees turn. The positions of landing foot were changed such as toe-in, neutral and toe-out .The result was showed that peak ankle pronation moment at toe-out was greater than toe-in significantly. Then it was suggested that extremely force acted to knee joint same as changing the direction of turn.
Comparing between male and female, it was showed that female knee flexion angle was smaller than male, and female knee joint force in Anterior-Posterior direction was greater than male significantly. It was suggested that for female the risk of non-contact knee injuries would be higher than male.
1. 序論 1.1 背景 バスケットボールやハンドボールといっ たスポーツ中においてディフェンスの選手 を避けるために，片足で着地した後に進行方 向を変更するカッティング動作が数々用い られる．そのカッティング動作中に膝で怪我 が発生しやすいと報告されており(1)，この怪 我の発生メカニズムを解明することは，膝の 怪我を予防する上で重要である．その観点か ら数多く研究が行われてきた． 膝の怪我の中でも特に，実践復帰するまで に 6 ヶ月から 1 年程度のリハビリテーション を要する前十字靭帯損傷(以下 ACL 損傷)に 関する研究が多い．Hewett ら(2)は，ACL 損傷 を受傷していない 205 人の女性選手に drop vertical jump の試技を行い，その後 ACL 損傷 した選手群は，無傷の選手群と比較して，着 地時の膝関節外転角度が有意に大きかった ことと膝関節外転モーメントピーク値が大 きかったことを示した．そのため膝関節外転 は、ACL 損傷メカニズムの一つであり、予測 因子であると結論付けた． また Nagano ら(3)は，カッティングと片足 着地，両足着地動作の立脚期において膝関節 の角度変位，可動域といった生体力学的特徴 の比較を行った研究を報告している．片足着 地と比較してカッティング動作が脛骨内旋 と膝関節外転可動域の増加を示したので， ACL 損傷の危険性が高いと結論付けた． さらにKristof Kipp ら(4)は，女性選手の動 作特徴に基づく膝関節外転，内旋モーメント ピーク値の予測モデルを作成し，股関節屈曲 が膝関節外転，内旋モーメントと関連してい ると報告した．股関節屈曲を大きくすると， 膝関節外転，内旋モーメントを抑えられる可 能性も示唆した． 1.2 目的 先行研究では，カッティング動作を構成す る進入速度，進行方向，足部方向といった動 作条件による膝関節負荷に及ぼす影響をキ ネマティックス，キネティクス共に調査した 研究は少ない．そこで，本研究の第一の目的 は，カッティング動作条件における，関節角 度，関節間力，関節モーメントといった分析 値を調査することである．第二の目的は，性 別による分析値への影響を調査することで ある．本研究で得られた結果は，膝の怪我の 予防策の参考になると考えられる． 2. 方法 2.1 実験参加者 利き足が右足の健常な男子学生 10 名(年 齢：23.6±0.9 歳，身長：173±5.4cm，体重： 66.1±7.8kg，身長比大転子幅：19.5±0.8cm)， 女子学生 6 名(年齢：22.5±1.7 歳，身長：156 ±3.7cm，体重：49.2±5.3kg，身長比大転子 幅：21.0±0.9cm)計 16 名が，実験に参加した． ここで利き足とは，ボールを蹴る足として定 義した．実験参加者には，実験開始前に実験 内容に関する同意を得た． 2.2 動作試技 基本のカッティング動作は，mid のスピー トで進入し，右足を flat で着地し，進行方向 に対して左へ 90 度カッティングすることと 定義した． 2.2.1 実験 1 (進入速度) 遅い(slow)，普通(mid)，速い(fast)のランニ ング速度を自己選択速度でフォースプレー トに進入し，カッティング動作を行った． 2.2.2 実験 2 (進行方向) 進行方向に対して左へ 90 度(90°)， 45 度 (45°)カッティングする動作を行った． 2.2.3 実験 3 (足部方向) 右足で着地する際に足部方向を toe in，flat， toe out させて着地した後に，カッティング動 作を行った．(Fig. 1 参照)
Fig.1 Foot direction (left: toe in, center: flat, right: toe out)
なお，全ての実験試技において各実験参加 者は，本番前に十分な練習を行い，試合で使 用する動作を行うように指示した．各試技， 成功試技を 3 回計測した． 2.3 測定項目 反射マーカは，大腿部と下腿部，足部にお ける体節基準点(左・右上前腸骨棘，左・右上 後腸骨棘,左・右大転子，大腿骨内外側上顆， 脛骨内外側顆，内外果，第 2 中足骨頭，踵骨 隆起，計 14 点)に取り付けた．
マーカの座標データは，10 台の赤外線カメ ラ で 撮 影 し ， 3 次 元 運 動 解 析 シ ス テ ム (MAC3D system，Motion analysis 社製)を用い て，マーカの 3 次元座標データをサンプリン グ周波数 250Hz で測定した． また，フォースプレート 1 台(Kistler 社製) を用いて，カッティング動作時の右足の床反 力（以下 GRF）をサンプリング周波数 1kHz で測定した． 2.4 データ解析方法 測定したマーカ座標データは，10Hz の遮 断周波数で 2 次の Butterworth low-pass digital filter を双方向からかけて平滑化した．
また測定した GRF データは，10Hz の遮断 周波数で 2 次の Butterworth low-pass digital filter を双方向からかけて平滑化した．さらに， 鉛直方向の GRF が体重の 4%以上になった時 の区間を立脚期(Stance phase)と定義し，解析 区間とした． 分析値として，以下の 3 項目に関して測定 したデータから算出した． 2.4.1 パフォーマンス 試技のパフォーマンスを評価するために， 接地時間，GRF 第二ピーク値，力積，カッテ ィング動作後の速度の 4 項目を算出した． 2.4.2 キネマティクスデータ 初期接地時の足関節，膝関節，股関節角度， 角度ピーク値，角度変位を算出した． 2.4.3 キネティックデータ 下肢を剛体リンクモデルと仮定し，体節基 準点の座標データから関節座標系を定義し， 逆動力学計算を行い，Newton-Euler 方程式か ら足関節，膝関節，股関節に関する関節間力 と関節モーメントを算出した．算出したデー タは，スプライン補間を用いて，一定のデー タ数に統一した．関節間力は，体重(kg,BW) を用い，関節モーメントは，身長(m,HT)と体 重(kg,BW)の積で除して規格化を行った． 2.5 統計処理 試技間のパフォーマンスの比較には，対応 のある一元配置分散分析(実験 1,3)，t 検定(実 験 2)を用い，性差(2 条件)，試技(実験 1,3：3 条件，実験 2：2 条件)の比較には反復測定分 散分析を用いた．その後，多重比較を行い， 有意水準は，5%未満とした．統計ソフトとし て SPSS(ver.15.0, SPSS Inc.)を用いた． 3. 結果 3.1 実験 1 接地時間，GRF 第二ピーク値，力積，カッ ティング動作後の速度のパフォーマンスに 関して有意差は，認められなかった． 分析値においてピーク値で有意差が認め ら れ た 結 果 で あ る 前 後 方 向 膝 関 節 間 力 を Fig.2 に，膝関節内外転モーメントを Fig.3 に， 股関節内外転モーメントを Fig.4 に示す．
Fig.2 Time series of anterior-posterior knee joint force
Fig.3 Time series of adduction-abduction knee joint moment
Fig.4 Time series of adduction-abduction hip joint moment 3.2 実験 2 接地時間，GRF 第二ピーク値のパフォーマ ンスに関して有意差は，認められなかったが， 力積，カッティング後の速度で有意差が認め られた．
分析値においてピーク値で有意差が認め ら れ た 結 果 で あ る 前 後 方 向 膝 関 節 間 力 を Fig.5 に，足関節回内外モーメントを Fig.6 に 示す．
Fig.5 Time series of anterior-posterior knee joint force
Fig.6 Time series of pronation-supination ankle joint moment 3.3 実験 3 接地時間，GRF 第二ピーク値，力積，カッ ティング動作後の速度のパフォーマンスに 関して有意差は，認められなかった． 分析値においてピーク値で有意差が認め られた結果である足関節回内外モーメント を Fig.7 に，膝関節内外旋モーメントを Fig.8 に示す．また，有意差は認められなかったが， 傾向がみられた膝関節内外転モーメントを Fig.9 に示す．
Fig.7 Time series of pronation-supination ankle joint moment
Fig.8 Time series of internal-external rotation knee joint moment
Fig.9 Time series of adduction-abduction knee joint moment 4. 考察 4.1 実験 1 進入速度を変更することで，Fig.2 に示すよ うに slow，mid に比べ fast で前後方向膝関節 ピーク値が有意に大きく，膝への負荷が変化 することが示唆された．また同様に足関節， 股関節でも有意差が認められた．これは，進 入速度を減速するために力が働いたことが 考えられる．
Fig.3 に示すように slow，mid に比べ fast で膝関節内転モーメントピーク値が有意に 大きく，膝関節外側側副靭帯への負荷が変化 することが示唆された．先行研究(2)で ACL 損 傷の予測因子と報告されている外転モーメ ントでは，有意差が認められなかった． 4.2 実験 2 進行方向を変更することで，力積，カッテ ィング後の速度で有意差が認められた．これ は，90°に比べ 45°で力積が小さいのは，接 地時間が短い傾向にあることが考えられ，速 度が速いのは，進行方向を変更する力が小さ いことが影響していると考えられる． Fig.5 に示すように 45°に比べ，90°で前 後方向足関節，膝関節間力ピーク値が有意に 大きく，膝への負荷が変化することが示唆さ れた．これは，45°に比べ 90°は，進行方向
の角度変化が大きいために減速が大きくな ったことが考えられる． Fig.6 に示すように 45°に比べ，90°で足 関節回内モーメントピーク値が有意に大き い値を示した．過剰回内は，脛骨の過剰内旋 を伴い，膝関節への異常な力が伝達される(5) と報告されており，この異常な力は，大腿四 頭筋の筋バランスの不均衡を引き起こし無 接触膝関節負傷の発生要因となると考えら れる． 4.3 実験 3 足部方向を変更することで，Fig.7 に示すよ うに toe out に比べ，toe in で足関節回内モー メントピーク値が有意に大きく，実験 2 と同 様に膝関節へ異常な力の伝達が示唆された．
Fig.8 に示すように toe in，flat に比べ，toe out で膝関節内旋モーメントピーク値が有意に 小さく，内外旋を抑えるために筋や靭帯等が 力を発揮することが減少し，内外旋方向の軟 部組織への負荷を減らすことが示唆された． しかし，Fig.9 に示すように toe in, flat に比べ， 膝関節外転モーメントピーク値が大きくな る傾向が見られ，無接触膝関節負傷の発生要 因となると考えられる． 4.4 性差 実験 1 において Fig.2 に示すように男性に 比べ，女性で前後方向膝関節間力ピーク値が 有意に大きく，膝の怪我の発生率が高い原因 の一つであると考えられる．これは，実験 3 でも同様の結果であった．さらに全実験を通 して男性に比べ女性は，膝関節屈曲角度や角 度変位が小さい傾向にあり，先行研究(6)で怪 我が発生しやすい姿勢を取っていることが 考えられ，無接触膝負傷の発生率に関連する ということが示唆された． Fig.4 に示すように男性に比べ，女性で股関 節外転モーメントピーク値が有意に大きく， カッティング動作において下肢の前額面の 関節角度で有意差が認められなかったこと から，2 点考察される．1 つ目は，体幹の傾 きにより，身体重心位置が変化したことが考 えられる．2 つ目は，一般的に男性に比べ， 女性の骨盤が幅広いと言われていることが 身長比の大転子幅が広いことから本実験で も当てはまっていたと推測される．それが下 肢のアライメントへ影響したことが考えら れる． 5. 結論 本研究では，カッティング動作における様 態が膝関節負荷に及ぼす影響の調査として， 第一に進入速度，進行方向，足部方向の変更 による分析値への影響を調査した．進入速度 を速く変更することで，前後方向膝関節間力， 膝関節内転モーメントが変化し，膝への負荷 の変化が示唆された．進行方向を大きい角度 に変更することで，前後方向膝関節間力，足 関節回内モーメントが変化し，膝関節への負 荷の変化が示唆された．足部方向を toe in，toe out と変更することで，膝関節内旋モーメン ト，足関節回内モーメントが変化し，膝関節 への負荷の変化が示唆された．第二に，男性 に比べ，女性の前後方向膝関節間力が大きい 値を示すことと膝関節屈曲角度が小さい傾 向にあることから，膝の怪我の発生率と関連 していることが示唆された．また男性と比べ 女性は，股関節外転モーメントピーク値が， 有意に大きく，膝の負荷へどのように影響す るのか今後調査する必要がある． 参考文献
(1) Iwamoto J., Retrospective case evaluation of gender differences in sportsinjuriesin a Japanese sports medicine clinic, Gender Medicine, Volume 5, No, 4(2008), pp.405-414
(2) T.E. Hewett et al., Biomechanical measures of neuromuscular control and valgus loading of the knee predict anterior cruciate
ligament injury risk in female athletes. The American Journal of Sports Medicine, Volume 33, No, 4 (2005), pp.492-501
(3)Nagano Y., Biomechanical characteristics of the knee joint in female athletes during tasks associated with anterior cruciate
ligament injury. The Knee, Volume 16, (2008), pp. 153-158
(4)Kristof Kipp , Patterns of hip flexion motion predict frontal and transverse plane knee torques during a single-leg land-and-cut maneuver, Clinical Biomechanics, Volume26, (2011), pp.504-508
(5) Mark E. Beckett, Incidence of
Hyperpronation in the ACL Injured Knee: A Clinical Perspective, Journal of Athletic Training. Volume 27, (1992), pp. 58-60. (6) Kernozek TW, Torry MR, VAN Hoof H,
Cowley H, Tanner S. Gender differences in frontal and sagittal plane biomechanics during drop landings. Medicine & Science in Sports & Exercise, Volume 37, (2005) pp.1003-1012
