下肢ダイナミックアライメントの相違が
1ステップ
動作時の床反力に及ぼす影響
Influence of Difference of Dynamic Alignment in the Lower Extremity on
Ground Reaction Force during One Step Movement
粟井 瞳
1)木村 護郎
1)今野 宏亮
1)徳元 仁美
1)松原由未子
1)佐々木 誠
2)HITOMI AWAI, PTS1), GORO KIMURA, PTS1), HIROAKI KONNO, PTS1),
HITOMI TOKUMOTO, PTS1), YUMIKO MATSUBARA, PTS1), MAKOTO SASAKI, PhD, RPT2)
1) Department of Physical Therapy, Akita University College of Allied Medical Science: 1–1–1 Hondo, Akita 010-8543, Japan.
TEL +81 18-834-1111
2) Course of Physical Therapy, School of Health Sciences, Akita University
Rigakuryoho Kagaku 19(4): 317–322, 2004. Submitted May 24, 2004. Accepted Jul. 8, 2004.
ABSTRACT: The purpose of this study was on the one hand, basic research into the knee in and toe out leg position lessening stress on the anterior cruciate ligament (ACL), and also the clarification of a factor resolving the contradiction of so-called easily occurring, non-contact type ACL injuries in this position. With 20 healthy females (average age, 21.6 ± 4.6) as subjects we measured the ground reaction force in one step movement with 3 dynamic alignments: knee in & toe out, knee out & toe in, and a neutral position with the knee and foot facing forward. In one step movement, the ground reaction force of knee out & toe in acted more in the lateral direction than that of the neutral position. In con-trast, knee in & toe out ground reaction force acted inwardly to the rear, and additionally, at the time of movement, front-rear braking effort was poor. According to the results, we consider that in knee out & toe in, because a lateral shear force was generated on the femur which was receiving lateral torque from the tibia, tension on the ACL was heightened by toe in, making ACL injury easier to occur. Also, in knee in & toe out we consider that as stresses build up simultaneously, and shear force is generated in the forward direction on the femur, which is receiving torque in the forward direction from the tibia, which is exhibiting weakened brake force in the forward direction, ACL injury inci-dence would be higher.
Key words: dynamic alignment, one step movement, ground reaction force
要旨：本研究の目的は，膝関節外反・下腿外旋位（knee-in & toe-out）の肢位が基礎的研究で前十字靱帯（anterior cruciate ligament：以下ACL）へのストレスが少ないとされる一方で，この肢位で非接触型ACL損傷が発生しやすいと いう矛盾を解決する一要因を明らかにすることである。健常女性20名（平均年齢21.6±4.6歳）を対象に，knee-in & toe-out，膝関節内反・下腿内旋位（knee-out & toe-in），膝と足部が正面を向いた中間位（neutral）の3つのダイナミッ クアライメントでの1ステップ動作時の床反力を測定した。knee-out & toe-inは，neutralよりも1ステップ動作時に身体 外側に床反力が作用していた。対してknee-in & toe-outは，反対方向の身体内側に床反力が作用し，加えてneutralより もステップ時の前後方向制動力が弱かった。結果より，knee-out & toe-inでは，下腿内旋位で張力が高まったACLが， 脛骨が外側へのトルクを受け大腿骨に対する外側への剪断力が生じるため，neutralよりもACLが損傷しやすいと考え られた。また，knee-in & toe-outでは，膝関節の外反・外旋ストレスを増長すると同時に，前方への制動力を発揮しづ らく脛骨が前方へのトルクを受け大腿骨に対する前方への剪断力が発生して，ACL損傷の受傷率が高くなるものと考 えられた。 キーワード：ダイナミックアライメント，1ステップ動作，床反力 1）秋田大学医療技術短期大学部 理学療法学科：秋田県秋田市本道1丁目1-1（〒010-8543）TEL 018-834-1111 2）秋田大学医学部保健学科 理学療法学専攻 受付日 2004年5月24日 受理日 2004年7月8日
I. はじめに
前十字靱帯（anterior cruciate ligament：以下ACL）損傷 は，バスケットボール，サッカー，バレーボール，ラグ ビー，ハンドボール，フットボールなどのコンタクトス ポーツで頻繁に発生する1-5)。しかし，スキーや体操での 損傷も多く1,2,4)，コンタクトスポーツ以外の競技種目に限 らず，コンタクトスポーツにおいても非接触性に生じる 頻度が高い1-9)。ACL損傷の発生に関連する因子として， 外的要因と内的要因が考えられている8-11)。外的要因とし ては身体運動，筋力，サーフェイス，技術レベルなどが 挙げられており，内的要因としては関節弛緩性，ホルモ ン，アライメント，骨構造，靱帯のサイズなどが挙げら れている8-11)。スポーツ活動中の非接触型ACL損傷は，男 性よりも女性で多く発生することが広く知られている1-4, 8-13)。発生要因について男女差の検討がなされているが， その要因は多元的であり13），一致した見解が得られてい ない7)のが現状である。非接触型ACL損傷は着地，ひね り，ストップ（急激な減速，1ステップストップ），ジャ ンプ，踏み切り，ピボット，カッティングなどのスポー ツ動作で起こりやすく3,4,8,9,11,12)，女性におけるこのよう な動作時の下肢のダイナミックアライメントが一つの要 因であると考えられる。膝関節外反・下腿外旋位（knee-in & toe-out）で非接触型ACL損傷が生じやすいとされて おり1,2,6,7,13)，女性はスポーツ中にこの肢位をとる傾向が ある14,15)。 しかし，屍体膝関節による解剖学的な検討では，ACL の張力は下腿外旋位よりも内旋位の方が高く7,16-18)，ま た，外反ストレス下で段階的に内外旋トルクを加えると 内旋トルク下では脛骨は前方へ移動し，外旋トルク下で は後方へ移動することが明らかとされている7)。 knee-in
& toe-outでは，内側側副靱帯（medial collateral ligament： 以下MCL）の損傷を併発することなくして，ACLの張力 が増さない19-21)こと，いわゆる O’Donoghue の unhappy
traid 22)（不幸な3つの組み合わせ）を反映すると考えられ
る。すなわち，外反・外旋ストレスはACLの単独損傷を 引き起こさないものと考えた方が妥当と思われる。実際 には，スポーツ活動で頻繁に起こるknee-in & toe-outでの 非接触型ACL損傷は，単独損傷である場合が圧倒的に多 いとされている1-3)。
今回我々は，非接触型ACL損傷の発生に関する調査 データと解剖学的な研究での結果との矛盾を解決する一 要因を明らかにすることを研究目的とした。knee-in & toe-out，膝関節内反・下腿内旋位（knee-out & toe-in），膝
と足部が正面を向いた中間位（neutral）の3つのダイナ
ミックアライメントでの1ステップ動作時の床反力を測 定し，損傷の発生が少ないとされるneutral14,23-25)との比較
からknee-in & toe-outにおける膝関節へのストレスの特性 の一部を明らかにしたので報告する。 II. 対象と方法 対象は，本研究に関する説明を口頭ならびに文書で受 け，対象者としての参加に同意し，同意書に署名した健 常女性20名である。その年齢，身長，体重およびBMIの 平均値はそれぞれ，21.6±4.6歳，159.6±4.4 cm，55.0± 7.8 kgおよび21.5±2.4 kg/m2であった。 床反力の測定には可搬性フォースプレートMG-100（ア ニマ社製）を用い，サンプリング周波数は100 Hzとした。 三角形のフォースプレートを左右に二等分する正中線 （Y軸ライン）上で底辺（1ステップ動作における後ろ方 向）より11 cmの点にマーキングテープを貼った。この マーキング位置を中心にフォースプレートの手前の3箇 所に印をつけた。それはY軸ラインの手前側への延長線 上（左右0°），Y軸ラインと45°の角度をなす手前側へ の2本の線分上（右45°，左45°）の3点である。開始肢 位としてその3点のうちのいずれかの印と非計測側下肢 の足趾先端とを合わせて進行方向を向いた立位をとらせ た。フォースプレート上のY軸ラインに計測側の足部を 乗せ，非計測側の脚でフォースプレートをまたがせ，続 いて計測側の足をフォースプレートから降ろさせた。こ の一連の動作は歩行様に行わせ，速度は対象者が安楽で あるよう自由とした。これを上記の3点の開始位置から左 右両脚で測定した。例えば，右脚の測定で左45°からの 施行ではknee-out & toe-inに，0°からの施行ではneutral に，右45°からの施行ではknee-in & toe-outとなる（図1）。 左右脚ならびに測定肢位の測定順序はランダム化し，各 測定を1回ずつ行った。 解析パラメータは，垂直方向の第１ピーク荷重，垂直 方向谷荷重，垂直方向第2ピーク荷重，前後方向制動力 ピーク荷重，前後方向駆動力ピーク荷重，左右方向第１ ピーク荷重とし（図2），体重で除した値（単位；kg/BW） を用いた。統計処理として，knee-out & toe-inおよびknee-in & toe-out での測定値をneutralでの値と比較するため， Wilcoxon符合付順位和検定を行った。各測定は1回のみで あり統計的に第1種の過誤が生じないよう，統計処理結果 の有意水準は1％未満とした。
III. 結 果 1ステップ動作時の体重で除した床反力の各下肢ダイ ナミックアライメントでの測定値と検定結果を表1に示 した。 垂直方向第1ピーク荷重，垂直方向谷荷重，垂直方向第 2ピーク荷重，前後方向駆動力ピーク荷重には肢位の条件 間で統計的に有意差は認められなかった。 前後方向制動力ピーク荷重はneutralの－0.13 kg/BWと 比較して，knee-out & toe-inは－0.12 kg/BWで差を認めず， 図1 床反力測定のための1ステップ動作時の下肢ダイナミックアライメントの設定
図2 床反力測定波形の典型例（右脚におけるneutralでの測定）
knee-in & toe-outでは左右脚とも－0.09 kg/BWであり有意 差を認め（右脚 p<0.001, 左脚 p<0.01），neutralよりも0.04 kg/BW荷重が少なかった。
左右方向第1ピーク荷重については，neutralでは左右脚 とも身体外側に0.02～0.03 kg/BWの荷重がなされていた。 knee-out & toe-inでは，約0.1 kg/BW荷重量が多く有意差を 認めた（いずれの脚も p<0.001）が，neutralと同様に荷重 の方向は身体外側であった。knee-in & toe-outでは0.07 kg/ BW荷重量が高値であり有意差を認め（右脚 p<0.001, 左脚 p<0.01），その荷重の方向はneutralとは反対の身体内側方 向であった。 IV. 考 察 金森7)は，屍体膝関節による解剖学的な検討から，非接 触型ACL損傷の危険肢位は下腿外旋位よりも内旋位では ないかと推察している。また案浦ら1,2)も，特に非接触型 のACL損傷が，なぜ外反，外旋位に多くみられたのか， 受傷機序からすると理解しにくいと思われたと述べてい る。今回の研究では床反力計を用いて，knee-in & toe-out， knee-out & toe-in，neutralの3つのダイナミックアライメン トでの1ステップ動作時の床反力を測定し，その比較から knee-in & toe-outの肢位が基礎的研究でACLへのストレス が少ないとされる一方で，この肢位でACL損傷が発生し やすいという矛盾を解決する一要因を明らかにしようと 試みた。
その結果knee-out & toe-inは，neutralよりも1ステップ動 作時に身体外側に床反力が作用していた。対してknee-in
& toe-outは，反対方向の身体内側に床反力が作用し，加
えてneutralよりもステップ時の前後方向制動力が弱かっ
た。これは，knee-out & toe-inでは，下腿内旋位で張力が 高まったACLが，脛骨が外側へのトルクを受け大腿骨に 対する外側への剪断力が生じることよってストレスを受 けることで，neutralよりもACLが損傷しやすいことを意 味するものと考えられる。一方knee-in & toe-outでは，下 腿は外旋位であるが，身体が内側に振られ膝関節には外 反ストレスが生じ，同時に前方への制動力が作用しづら く脛骨が前方へのトルクを受け大腿骨に対する前方への 剪断力が発生して，ACL損傷の受傷率が高くなると考え られる。
knee-in & toe-outで非接触型ACL損傷が起こりやすいこ とに関して，この肢位での発生に疑問を呈した前述の案 浦ら1,2)は，下腿外旋でのACLの緩みを緊張させ安定させ るためには，大腿四頭筋による脛骨の前方への移動が必 要であり，この力が強いとACLは断裂する可能性がでて くるとしている。Kennedyら16)も，下腿の外旋のみでは ACLにストレスは加わらず，外旋の他に外反ならびに脛 骨の前方移動があるとACLの単独損傷が生じる，脛骨の 前方移動がなければMCLの張力の上昇が先行すると記述 している。更に，小林6)も，knee-in & toe-outでACLにスト
レスを加える因子として膝外反力，下腿外旋力，脛骨前 方引き出し力の3つを挙げている。すなわち，knee-in & toe-outでの非接触型ACL損傷の発生には，この肢位に加 えて脛骨の前方への移動が不可欠であると考えられる。 この脛骨の前方亜脱臼を示す臨床的証拠は，MRIにお けるBone bruiseの位置（脛骨後外側部と大腿骨外側顆）に 表1 体重で除した床反力の各パラメータの下肢ダイナミックアライメントの相違による比較
neutral knee-out & toe-in knee-in & toe-out 垂直方向第1 ピーク荷重（kg/BW） 右脚 1.03 ± 0.06 1.03 ± 0.05 1.03 ± 0.07 左脚 1.04 ± 0.06 1.03 ± 0.05 1.04 ± 0.04 垂直方向谷荷重（kg/BW） 右脚 0.83 ± 0.06 0.85 ± 0.06 0.86 ± 0.07 左脚 0.87 ± 0.06 0.85 ± 0.07 0.86 ± 0.06 垂直方向第2 ピーク荷重（kg/BW） 右脚 1.06 ± 0.21 1.06 ± 0.08 1.01 ± 0.08 左脚 1.04 ± 0.09 1.05 ± 0.08 1.02 ± 0.08 前後方向制動力ピーク荷重（kg/BW） 右脚 －0.13 ± 0.03 －0.12 ± 0.05 －0.09 ± 0.03** 左脚 －0.13 ± 0.04 －0.12 ± 0.04 －0.09 ± 0.04* 前後方向駆動力ピーク荷重（kg/BW） 右脚 0.10 ± 0.13 0.10 ± 0.13 0.09 ± 0.13 左脚 0.14 ± 0.10 0.11 ± 0.13 0.05 ± 0.13 左右方向第1 ピーク荷重（kg/BW） 右脚 0.02 ± 0.02 0.12 ± 0.02** －0.05 ± 0.04** 左脚 －0.03 ± 0.02 －0.12 ± 0.02** 0.04 ± 0.06* 平均値±標準偏差，Wilcoxon 符号付順位和検定． * p<0.01, ** p<0.001：neutral との比較．
あり，急激な大腿四頭筋の収縮が影響するものと考えら れる1, 2)，とされている。knee-in & toe-outで片脚着地をす
ると外反トルク，外旋トルクに加えて，neutralとは反対 に伸展トルクが生じ，大腿四頭筋が瞬間的に収縮したこ とを示すとの報告がある26)。一方，大腿四頭筋の遠心性 収縮時の状況を再現した実験で，外反ストレス下では何 もストレスをかけない状態や内反ストレス下と比較して ACLの張力に差がなく，外旋ストレス下では内旋ストレ ス下，ストレスをかけない状態の順に続いて，最もACL の張力が少ないことが示されている17)。しかし，これは 屍体膝関節での実験であり，クローズドキネティック チェインでの，かつダイナミックな動作での瞬間的な筋 活動や，脛骨と大腿骨との剪断力の発生とは，その様相 が異なるものと考えられる。高校バスケットボール一流 選手では，膝の伸展筋力が女性よりも男性の方が強いが， 遠心性筋力を等尺性筋力で除した相対的な筋力は女性の 方が高い27,28)とされている。女性におけるこの相対的な 遠心性筋力の強さが，女性のスポーツ活動時のknee-in & toe-outでの非接触型ACL損傷の受傷率が高いことを部分 的に説明するものと考える。
以上より，knee-in & toe-outでの1ステップ動作は，膝 関節の外反・外旋ストレスを増長すると同時に，前方へ の制動力を発揮しづらく脛骨が前方へのトルクを受け大 腿骨に対する前方への剪断力が発生して，ACL損傷の受 傷率が高くなると考えられた。スポーツ動作の改善によ りACL 損傷が予防できると考えられており4,6,14,23-25)， 我々も，膝関節をneutralに保った各種の動作を習得させ ることが大切である6,14,23-25)ことを支持する。 着地動作において knee-in をとる者は膝関節屈曲 0～ 30°で大きな外旋がおこり，また一端内反した後外反方 向に振れる不安定性を有する24)こと，180°ターンでは， 外反・外旋ストレスの発生の後内反し，直後に多大な内 反・内旋ストレスと，一連のストレスが膝関節に瞬時に 連続して起こること15)が示されている。本研究では床反 力の測定のみを行っており，足底が床面に接して荷重さ れる相における膝関節のストレスの変容を直接提示する ことはできない。関節の角度や加速度などのキネマティ クスのデータ，筋電図や関節トルクなどのキネティクス のデータを同期させて収集することで，非接触型ACL損 傷に対するknee-in & toe-outの肢位の影響についての本知 見を更に確実なものとすることができると考える。 引用文献 1) 案浦聖凡，王 享弘，小林 晶：前十字靱帯損傷の受傷機序 について．整形外科・災害外科，1996, 45: 339-343. 2) 案浦聖凡，王 享弘，小林 晶：スポーツにおける前十字靱 帯損傷の受傷機序について．整スポ会誌，1996, 16: 45-52. 3) 岩噌弘志：非接触型膝前十字損傷の損傷頻度．臨床スポーツ 医学，2002, 19: 985-990.
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