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筋力,筋電図を用いた正常人膝の遠心性収縮と求心性収縮の比較

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(1)

理学療法 学 第 19巻 第1号  30

35頁 (1992年 )

報    告

筋電

た 正

性収 縮

      

高 柳 清 美

D

井 原 秀 俊

2)

中 山 彰

3)

吉 村  

’)

哲 郎

’)

寿

1)

    

文 生

3)

下 畑 博

1) 要旨  正常人を対 象に伸 筋と屈筋の 心性および求心性の筋収縮様式と筋活 動, 収縮速度の関係につ い て検討した。 その結果

屈筋は速度 増加に従い

遠 心性

求心 性 収縮で筋活 動は変化しない の に対し

伸 筋の筋 出 力は遠 心 性 収縮で速度変 化に無 関 係に高値を示し

筋活動は逆に減 少 傾向を示 し た。 ま た筋 出力を筋 活 動 量で除 し基準 化 する と

収 縮 速 度の増 加に伴い筋 出力も増加 する傾 向が認め られ た

こ の こと より筋 損 傷 予 防のた めの

E

位 中 枢 神 経の抑 制が示 唆さ れ た。 特に膝 伸 筋は遠 心 性 収 縮におい て筋 出 力に占める弾 性要素の割 合が高 く

ル ギ

の蓄 積

分 散を行ない

さらに収縮速 度に関連 深 く, 速 度が上が るほどその割 合が増 大 する と考え た

ド 遠 心 性収縮

求心性収縮 カ

速度関係

1

  は じ め に  ス ポ

ツを始め とする諸動作に お け る膝の割は大 き く

関節のき に より運 動エ ル ギ

ー,

位置エネル ギ

の産 生, 蓄積

吸収を効率よ く合 目的的に行っ てい る。 こめ筋

関 節メカ; ズムを解 明す ること は近 年 増加 し たス ポ

ッ損 傷の予 防

治療

あ るいは運 動療 法を処

A

 Comparison wiLh  Ecuentric and

 

Concentric

 

Muscular  Contraction on  Flexors and  Extensors 工n しhe Normal

 Human  Knee using  Muscular  Strerlgth and  EMG 1)

九 州 労 災 病 院リ

シ ョ ン科

 Kiyomi Takayanagi

 RPT

 Osamu  Yoshimura

  MD

 Teturo Hamada

 RPT

 Hisako Ohno

 RPT

 Hiromasa

 Shimohata

 RPT : Department  Qf Rehabilitation

 Kyushu Rosai HospitaI

n 同   整 形 外 科

 Hidetoshi Ihara

 MD :Department of Orthopaedic  Sur

 gery

 Kyushu  Rosai Hospital

3〕

九 州リ

ビリテ

ショ ン大 学 校

 Akikazu  Nakayama

 RPT

 Fumio  Tutumi

 RPT :De

 partment  of  Physical Therapy

 Kyushu  CoUege  of Reh

  abilitaiton

別刷請求 先 (現所 属):高柳清美(九州リハ ビ リテ

ショ ン大学校)

  (受 付日1990年11月 1日/受 理日1991年3月10日)

実行さ せ る上でめて重要で あ る。 関節運 動の動力

源で あ る筋は その収 縮によ り遠心性収 縮 (eccen

tric contraction :以 下

ECC

) と求 心 性 収 縮 (concen

tric contraction :COC ) およ び等 尺 性 収 縮 〔isometric

contraction :ISC) の三様 式が存 在 する。 そ れ らの最

大出力は

      ECC >ISC>COC

と な り, 特にECC

・COC

の筋出力は収縮速度と関連 深 く

力 (負荷)

速度 関係と して数多い実験

報告がな さ れてい る。  摘出した動 物の単

筋に電気 刺 激を加え

強 (定 常 ) 収縮さ せ るin vitro の実験は古 くから行わ れ てい る が

HilP はカエ ル の筋を用い 収縮に より産 生さ れる熱を 測定し て求め た定数と, 力学的 実 験よ り求め た定数が

致し, 負荷

速度関係は直角双曲線で表現で き ると し

以 下の筋の特 件 方 程 式 を求め た

         〔P十α)(γ十

b

わ(Po十a)  (P :負 荷

v :短縮 速 度

 Po:最 大 張 力

 a :熱 定 数

  b:エ ルギ

遊 離 速 度 )

(2)

筋力

筋 電 図を用いた正常入膝の遠心性収縮と求心性 収縮の比較

3

 Abbott ら2)はこ の程式が他の動 物の筋に も当て は

ま ることを 報 告 した

筋の

ECC

験と して

真 島ら3)

は カエ ル の筋 を用い

負 荷によ る伸 張 速 度を測 定し た結 果

力 学 定 数が代わ る だけで

速 度の角 双 曲 線 関 係は保たれると し

Hillの

coc

にお ける方 程 式を

Ecc

に まで拡 張した

 動 物の摘 出筋で は

COC

で収 縮速度の増 加に従い 出力 は低 下 する が

,ECC

で は伸 張速 度の加に出力は 増 加 し

徐々 に増 加率は低下し

限界を迎え るこ とを示 したD  これ らin vitro の摘 出筋に対し

生 体 筋の カ

速 度 関係 は多 少 異な る とい う報告4

9)が な さ れ て 。 今回の 研究は生 体 筋のカ

ー一

速 度 関係の解 明を目 的と して

荷重 関節 と して重 要な膝の伸 筋

屈 筋における筋収縮様 式と 筋活動 および 収 縮 速 度の関係を明ら かにすることであ る。 皿

 

対 象 及び方

 

q

> 対  象  某大 学バ トボ

に所属し, 膝に特 別の疾 患 を有さ ない健 康 成人男子

9

女子

11

名の計 20 名 (21

4

±

0.

7

歳 )を対象と し た。   〔2) 方   法

 

筋力 測定には動 力 源を有し

遠心性

求心性筋力が測 定 可 能 な 等 速 性 筋 力 測定 機 器 (

KIN ・COM

, ジャ パ ン チャ タヌ ガ株 式 会 社 )を用いた

測定 肢位は端座位と し

大腿部

骨 盤 部

胸 部 をベ ル ト に て固 定し

上肢は機器 側方を把持させ た 伸 展0

°

を 某準と し た機 器 角 度O

90° を運動範 囲と し

,30,

120

2GO° /sec の

3

種の角 速 度にお け る右膝の随意 性 最 大 遠 心 性 および求 心 性の筋 力 を

3

回ずつ 測定し

その重 力 補 正゜)した

3

回の平 均 値を 筋 力デ

タ と して用い た

測 定に先 立 ち数 回の練 習 を 行 わ せ

速度

収 縮様式 を覚え さ ぜ た

また 各角速度の測 定 間には充 分な休憩を入れ, 疲労の影響を少な く す るよ うに心が け た。   筋力の情報と しては

般 的に用い ら れ る最大筋力と し て の ピ

ク ト ルクを体重で

補正 を 加え た値 (cor

rected  peak torque ;

CPT

) と

, 3

種の異な る角速度 間に おける活 動 量

筋 出 力との関係が比 較で きる よう

等 速 度 を 維 持で きた角 度 範 囲 約10

8G

°

の経 時 的 ト ル ク値を 所要 時閤お よ び体 重で除 し た平 均 補 正 トル ク

(average  corrected  torque :

ACT

)を用いた

 運動 単 位の動 評 価 と して測 定 時 同 期 し たKIN

COM

備え付けの表 面 筋 電図 を 用い

大 腿 直 筋

内 側ハ

ム ス ト リングの筋活 動を 記録し た。 こ の筋 電 整 流 波よ り

所要時間で除し た平均整 流 波値 (average  rectified  sig

nals :

ARS

)を求め た。  統 計 処 理と して特に ア

チ ファ ク トな どの雑 音の 混入 のな か っ た男 性6 名

女 性 9名の計

15

名の デ

タ を採 用 し

繰 り返 しのあ る

2

元 配 置 法と

棄 却 検 定と して t 検 定 と対 応のある t検 定を用い処 理し だ 1)  皿  結    果  {1}

CPT 一

速度関 係   伸筋の ECC   COC の収 縮様式間で有 意 差を認め (F

=115.

10,

p<

O,

001)ECC が高 値 を 示 し

角 速 度 間で も有意 差を 認 め た (F

=11.

26

, p< 0

Gl)

 COC の角 速 度 間におい て は高速に な るに従い

CPT は減 少したが

ECC

で は有意差を認めず, 角 速度に無関係に高値を示 し た (表 1)。 屈筋におい て は伸筋ほ ど著明で は な かっ た が

ほ ぼ同様の結果を示し

収縮様 式間 (

F =104,

32,

1

 膝伸筋に お け る各計測値 別の収縮様 速度

ECC

COC

30e

/sec 120

°

/sec 200

°

/sec 30

°

!sec 120

°

/sec 200

°

/sec

  CPT(m         2

721ゴ:0

687   2

628:ヒ0

710

  ACT(m         1

652土0

323   1

554±0

351   ARS (mv )       0

506:ヒ0

211  0

462±O

136 ACT /ARS (m /mv )   1

877±0

641   1

796士O

552 2

697:ヒ0

583 1

715土0

337 0

441:ヒ0

176 2

250士D

8993) 2

281±0

680   1

735±0

435   上

363±0

36Sl) 1

400士0

323   1

157±0

253   1

041土0

3362) 0

507士0

176   0

532士0

222   0

522± 〔レ

185 1

544±0

598   1

245±0

496   1

110:ヒ0

4774)

CPT

:補 正ピ

ク トル ク値

 

ACT

:平 均 補 正 トル ク値,

ARS

:平 均 整 流 波 値

1

)30

120

°

/sec (P<

0.

05

 

30−

200e/sec (P<0

01)に有 意差 あり

2

30−

120

°

〆sec (P<0

01)

 3e

200esec (P<0

01)に意 差 あ り

3

)30

200

°

/sec (Pく0

05)

120

200e/sec (P〈

O.

Ol

)に有 意 差 あ り

4

)30

200

°

/sec (P〈O

05)に有意差 あり

(3)

32 理 学 療 法学 第 19巻 第1号 p<

0.

001

角速 度 問で有 意差を認め た (F

5

46

p<

0.

01

)。 各角速度 間で は

ECC

で有 意 差を認め なかっ たが

COC で有 意 差を認め

高 速になる に従い値は減少し た (表

2

)。  〔2) ACT

速度関係   CPT

速 度 関係とほ ぼ同様, 収縮様 式間 (伸筋 lF

83.

18

, p<

0.

001

;屈筋:

F − 91.

66

,  p<

O.

001

), 角 速 度間に有意 差を 認 め (伸 筋 :

F − 4.

92,

p

0.

Ol

;屈 筋 :

F =

・4.

07,

p

0.

05

), 

ECC

COC

よ り高値を示し た。 各角速 度 間で は

COC

において伸筋 ・屈 筋と もに高 速にな るに

ACT

も滅 少 する傾 向を示し た が

  ECC においては有 意 差 を 認めず 角 速 度には関 連 性 が 薄い結 果 を示し た (表 1

2)

  (3

ARS 一

速 度 関 係  伸 筋で は収 縮 様 式 間に有 意 差 を認め (F

 

5.

35,

p< 0

05)

COC が大きい筋 活動を示し た が

各角 速度間に おいてはECC ,  COC と もに有意 差は認め ら れ な か

た (表

1

)。 ECC

 

COC

間の検定を おこなっ てみると 120

200° /sec で有意 差を認め (p<

0.

05

角速増 加に 従い差の 拡大 が認め ら れ

,ECC

にお け る筋 活動の相 対 的減少が 認 め ら れ た。  

方 屈 筋で は収 縮 様 式

角 速 度 間 共に変化を 認 め ず, ほぼ均

的な安 定 した筋 活 動 を 示 した (表

2

)。  (4) ACT /ARS

速度 関係   ACT 値に筋活動の 影響を加味する目的で ACTIARS

速度関 係め る と

伸 筋収縮様 式 問有 意 差 を認 め (

F =45.

25,

p< O

001

  ECC が高 値 を示 した

各 因 子 間の定 結 果は

,COC

で高 速になるに従い 出力 が 低 ドし たの に対し

ECC で は

  CPT

  ACT

度 関係 と は異 な り

,30

°

fsec

200

°

/sec 間

120a 

f

 sec と

200°

sec 間に有 意 差を認め

高速になるに従い増加す る傾 向を示し た (表 1)

。 一

方 屈 筋で は収縮様式 間で有 意 差 を 認 め

F

 

一38.

62

, p<

O.

001

), 各因 子 問で は COC で同様の傾 向を示し た が

 

ECC

で は有 意 差を認め な かっ た (表

2

    屈 筋 /伸筋比 (

H

Q

比)  

CPT

に よ る屈 筋と伸 筋の筋 出 力比 (H〆

Q

比 )の収 縮 様 式 問

各 速 度 間の関 係は

両 省 と もに有 意 差 を認 め な かっ た。 各角 速 度 間で は

ECC で変 化が 認 め ら れ な かっ たの に対し

,COC

で は高 速になる に従い高値を示 し  (表

3

相対的に屈 筋の 出力が増 加し た

ACT

ACT

ARS

を用いた H/

Q

比で は収縮様 式

角速度間に 表2 膝 屈 筋におけ る各 計 測値 別の 収 縮 様式

角速度

        

ECC

COC

30

°

/sec 120

°

/sec 20〔l

°

/sec

30°

/sec 120

°

/sec 200

°

〆sec

  CPT (m )        1

582±0

584   1

516:ヒ0

413   ACT (m )      1

181±0

381  1

138士O

283   ARS (mv )        0

577士0

198  0

579±0

219 ACTIARS (m /mv )  1

119±O

459  1

114±O

513 1

402ゴ:0

371 1

104±0

294 0

559±0

234 1

167土0

623 1

111士0

311   1

015士O

264   0

905±0

2231) 0

863:ヒ0

283   G

790士0

217   0

674±O

1252) G

581±O

244   0

583:ヒ0

249   0

576:ヒO

227 0

856:ヒ0

397   0

783±0

350    0

666:ヒ0

2603) CPT :補正 ピ

ク トル ク値, ACTl 平 均 補正トル ク値, ARS :平 均 整 流 波 値 1 )30

200ツsec (

P

<0

05)に有 意 差 あ り

2

)30

− 200“fsec

(P<O

Ol)に有意 差 あり

3

30−200”

/sec (P〈

0.

05

,120

− 200e

/sec (P<

0.

05

)に有 意 差 あ り

哀3  各 種 補 正 筋 力にお ける屈 筋 /仲 筋 比

ECC

COC

30D

/sec 120

°

/sec 200

°

/sec

30°

/sec

120ワ

/sec

200

°

sec   CPT   ACTACT /ARS O

737士0

209   0

756士 〔}

241 0

907:ヒ0

268   0

950:ヒ〔}

291 0

800:ヒ0

312   0

824±0

364 0

668:ヒ0

197 0

821±0

250 0

702土O

304 0

626±0

128   0

743±0

138   Q

849±0

1691) 0

787土0

242   0

862±O

176   0

866±0

225 0

778±0

379   0

795±0

301  0

815±0

296

CPT

補 正

ク トル ク値

 

ACT

平 均 補 正トル ク値

 ARS ;平 均 整 流 波 値

(4)

筋 力

筋 電 図を用い た正 常 人 膝の遠 心 性 収 縮 と求 心 性 収縮の比較

33

有意差を認めず

APT

と同様で, 各 角速度間で も

ECC ,

CQC と もに有意 差 を認めず

角 速 度の変 化に よ る H

Q

活 動 比に差 異 は認められ な か っ たQ

IV

  考 察  (1)in vivo に お け る

度 関の問題点   Wilkie

s)

  Komi

  Thorstenson らL5) は生 体筋に対 し

最大 努力下の最 大 出力と速度 関係を求め た結果

摘 出 筋に近 似し た関係を示 し た と報 告してい る。 しか し生 体関 節 運 動におけるカ

速度関 係の解明に は

3

っ の間 題 点 が 存 在 す る。  まず 第 1に

筋 刺 激が

定 と成りに くい ことが挙 げ ら れる。 摘 出筋で は電気に よ る定常 刺激で

刺激強度を

定とすること がで き るの に対し

生体筋で は随意性最大 努 力にお け る出力で ある ため

心 理的影響あるい は中枢 神経が関 与し

神経

筋 活動が必 ずしも

定と は成りに くい。   第

2

筋 は筋 長によりその出 力が異なり

な ど の弾 性 体とは異なる特 殊な力 学 曲線を描 くこと が解 っ て い る  (張 カ

長 さ関 係 物。 故に膝の屈 曲 角 度に よ り出 力に相違が生じ, ピ

ト ルク で はそ の屈 曲角度

張 カ

関 係影 響 を受 け

こ で

Perrine

らe

 

Prietto

ら5 〕 採用 する筋 力値の角度を

定にする方 法 (角 度 限 定 法 )で

筋の張 カ

長さ関係か ら くるバ イ オニ ズム

理学 的 問 題 点を解 消して い る

膝 伸 筋 屈 筋を対 象に実 験し た結 果

等 尺 性と低 角 速 度での出 力が低 く

摘 出 筋のカ

速 度 関 係と多 少 異 なるこ とを 報 告 してい る

  3番 目の 問 題 点と して

勤 筋

拮 抗 筋の 共 同 収 縮の 活 動度 合が挙げら れ るIT)。 関節運動で は

般的に角速度が 上 が るにつ て, 相 対 的に拮 抗筋 活 動 が 増 加 す る と考え ら れて い る。 連続し た反復 運動では その出力が拮抗筋に よっ て相 殺さ れ たり

逆に加 算さ れ

特に運 動 終 末 部に おい て筋 出 力に影 響を与える。   以 上の点よ り

in viVO の膝 関 節にお ける我々 の実 験 で は

筋 活 動の不 均

性につ い て筋 活 動 量で除 する補 正 に よ り均

性に近づ け た

さらに反 復 運 動 を 避け

運 動 の切り替えに生じ る拮 抗 筋 活 動を制し

出 力時に 影 響 を与 える と考えられるエ ル ギ

の蓄 積’s

1!) を 減 少 さ せ る よ う心が けた

  崗   各 種 補 正 筋 カ

速 度 関 係   結 果 と して

COC で CPT

速 度

  ACT

速 度 お ACT /ARS

速 度 関 係に殆ど差が み られず2°)

滅 少 関 数 と な ること が統 計 的に裏づけ られた。 直 角 双 曲線を示す か否かにつ い て は 3 種の速度のみの測定で微妙な変 化 が 捉 え られ な かっ た ため明確に はで き なかっ た。  

方, EC¢ の

CPT

, 

ACT 一

速度関 係は統 計 的に角 速 度 間に有 意 差を 認 め ず

ほ ぼ横ばいを示し

明ら かに直 角双曲線と は異なり, 他の生 体筋に おける研 究 報 告 e”) 同様の 結を示し た。  そ の原 因の

1

つ に は今の実 験 結 果から も示 すように

運 動 単 位の活 動 量の減 少など収縮要素 自体の不均

が 考えられる

こ の不 均

性は膝 仲 筋 ARS の速度増 加 に伴 う相対的 減少と併せ て考え ると, 生体筋は摘 出筋と は異な る た め

心理的 限 界を含め た上位 中枢 神経か らの 抑制 作用が働い て い る た め と思わ れ る。 こ の上位 中枢 神 経に よ る抑

ECC

に より生 じた高 出 力に対 する筋

腱損 傷予防のた めの ゴル ジ腱器 官

筋 紡 錘の情 報 を基に し たフ ィ

ドバ ッ ク機 構によ る抑 制 作 用 と推 測できる。   2番 目の原 因と して

膝 屈 筋の補 正 後の ECC 筋 力が 統 計 的に殆 ど角 速 度に影 響 さ れ ず

膝 関 節角度全域に わ た り安 定 した出 力

筋 活動が可 能で あ るこ と より2D

各 筋の身 体 運 動にお ける機能的 あるい は構造的要因による 相違 も否定で き ない  しか し

方で は

,ACT

ARS 一

速度関係は伸筋

屈 筋 と も に

ECC

で 高 値で

伸 筋

ECC

で は高 速に な る に従 い高 出 力を示し

摘 出筋 を用い た実 験結 果に近づいた。 こ の こ と は

ECC ・

COC 閤で は単 位 筋 活 動に お け る出力 効 率は異な り22

23冫 , また膝 伸筋で は ECC で高 速にな る ほど出 力に占め る収 縮要 素以 外の

直列弾 性要素の 割合を高くする性質を持っ こと が考え られ る。 これ らの 機 能は

伸 張

短縮回 路18

]9> で説 明さ れる ようなエ ル ギ

蓄積

あ るいは運 動

位 置エ ル ギ

の分 散に大 き く関 与す る と 思 わ れ

さ らに は収 縮 速 度に関連 深く

高速にな る ほ ど その力に占め る弾 性 要 素の割 合 が 増 加 すること が示 唆さ れる。   (3> 各 種 補 正 筋 力の H〆

Q

比  ピ

ク ト ルクを 用い た H/

Q

比は

般 的に角速度の増 加に従い高 値とな り

相 対 的に伸 筋に 比べ屈 筋の出 力が 大 き く なる24

2% これに対し角度隈 定 法を用い た H/

Q

比は逆に速にを示し

屈 筋の出 力が減 少 す る と報 告されて い る% 今回の実験で

, CPT

H

Q

比は 角速度の増 加に増大し, 「司

関 節で も運 動 方 向によ り異な る結 果 を 示 すこ とはピ

ク トル ク を用いた先 行 実 験と

1

司様となっ た し か し

ACT

 

ACT

ARS

を用いた

(5)

34

理学療法 学 第

19

巻 第

1

号 よ る角速度の 影響は認 められ なかっ た 伸筋

屈筋の 差 異に よ る H/

Qr

速度関 係は結果が異な り, 現時点で は明 確な見解は得られていない。 さ ら な る検 討が必要で あ ろ う。  生 体の関 節 運 動におい て は  関 節 自体の形状

  主動 筋

共 同 筋

拮 抗 筋の配 列

走 行

活 動 度 合な ど筋 機 構 の

  収 縮 速 度や収 縮 様 式の相 違による運 動 単 位の 活 動 量 増 加

減 少 な ど収 縮 要 素 自体の不 均

  随 意 性最大 筋力に存 在する心 理的

生 理的限界!S) など, 諸要 因がカ

速度関係を複雑に して い る。 そ れ故筋力 評価の 際に は

これ ら種々の要 因を充分考 慮し たうえで結 論を 出すべ きで あろ う。 引 用 文 献

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<Abstract>

A Comparison with Eccentrieand Concentric Muscular Contractions on Flexors and Extensors inthe Normal Knee using Muscular

Strength

and EMG

Kiyomi

TAKAYANAGI,

RPT,

Osamu

YOSHIMURA,

MD,

Tetsuro

HAMADA,

RPT, Hisako

OHNO, RPT, Hiromasa SHIMOHATA, RPT

Dopartment

ofRehabilitation,

Kbeushu

Rosai

lfospital

Hidetoshi IHARA, MD

Dopartment

of

OrthQpaedic

Surgery,

Klyushu RosaiHbspital Akikazu NAKAYAMA, RPT, Fumie TUTUMI, RPT

Department

of

Physical711terapy,1fyushu

Coltege

ofRehabilimtion

The

purpose of thisstudy was toinvestigatethe relationship

between

muscular strength, average rectified signals ef

EMG

(ARS)

and angular velocity under concentric

(COC)

and

eccen-triccontractions

(ECC)

for

extensor and

flexor

muscles

in

the

knee.

The subjeets were

healthy

9 male and 11female college students.

Peak

and averaged torques were obtained at three vel-ocities

(30,

120,

20001sec) using a

KIN

'

COM

isokinetic

dynamometer, which were corrected

forthe effect of gravity

(the

latterwas ACT), Synchronized ARS was recorded from rectus femoris and medial hamstring muscles.

The

results were as

follows;

The corrected peak torque and ACT were gradually

decreased

with the increaseinangular velocity on

flexors

and extensors in

the

phase of

COC.

But

during

the phase of

ECC

on exten-sors, those values were relatively constant with the

increase

inangular velocity.

On

the con-trary,

ACT!ARS

were gradually

increased

with the

increase

in

angular velocity on extensors

in

thephase of

ECC,

which was

in

agreement with themany previou$ results on

isolated

mus-cEes.

It

is

speculated that

ECC

is

inhibited

by

nervous system protected

from

muscle injuryand

参照

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