個人の体型・身体組成の違いを考慮した身体部分慣性係数の算出

全文

(1)個人の体型・身体組成の違いを考慮した身体部分慣性係数の算出教科・領域教育学専攻生活・健康・総合内容系コース. M09208K楠本一樹【緒言】バイオメカニクスのスポ］ツパフォーマンス向上への利用が拡がる中，汎用ハイスピードカメラ等の普及により，動作中の変位，速度，加速度などのキネマティクステータを容易に知ることができるようになった．しかし，外力や，筋力や関節間力などの内力といったキネティクステータを知りたい場合には，外力は危rcep1a脆rmなどで直接測定ができる反面，内力は現状では推定算出する以外に方法が無い1これらを算出し，スポーツ動作の要因を知るためには，剛体リンク系の運動方程式を解く必要があり，その際，身体部分の質量，質量中心位置，慣性モーメントの身体部分慣性係数（以下BSP：body segment inertia parameters）の情報が必須となる．. BSP算出の方法として，MRIを用いた手法が筋肉，骨，脂肪等の身体組成を考慮でき，CTや X線のように被ばくによる悪影響も無いことから. び標準偏差はそれぞれ，21．5±1．91years，173．5 ±9．71cm，66．75±9．64kgであった．. 核磁器共鳴画像装置（MRI装置：1．5T，SIGNA. HDxt）を用いて，全身安静時のT1強調画像を SSFSE（sing1eshotFSE）にて，1pixe1あたり画像分解能0，078×O．078cm∼O．188XO．188cm，ス. ライス厚10mmで撮像した．全身の各横断MR 画像からVcat（理化学研究所）を用いて，本研究で考慮した身体組成（脂肪・骨・筋肉・心臓・肺・脳）ごとにマニュアルトレーシングを行い全身ボ. クセルモデルを作成した．また，スライス厚 10mmの間は画像と同様の形状・身体組成であると仮定した．. 作成した全身ボクセルモデルを阿江ら（1992）の方法を用いて14のセグメントに分け，セグメント毎の質量・質量中心位置・質量中心を通る3 軸（前額軸・矢状軸・長軸）まわりの慣性モーメ. ントを MATLAB so舟ware p1a此rm （The Mathwork，Natick，Mんで作成したプログラム. 最も優れていると考えられる（Mar止in et a1．，1989；Matsuo et a1．，1991）．しか. を用いて算出した．. し，現状として日本人の報告は無く，他の方法によるものも複数対象からの平均値がほとんどである．また，日本人アスリートの動作解析に多く. 用いられている阿江らのBSPは，公表されてから約20年が経過し，現在の日本人アスリートにどの程度適用できるのか不明な部分があること，. 各セグメント内の密度は均一であると仮定しているため，身体組成毎の密度の差を考慮できていないといった問題点がある．トップアスリートと. 一般人のBSPに大きな差があること（阿江ら，1992），同じ東洋人である日本人と中国人の体. 型やBSPに顕著な違いが認められていること（湯ら，1994）などから，丑SPは年齢，性別，体型はもとより個人で算出するべきである．. バイオメカニクスの主要な方法の1つとしてコンピュータ・シミュレ］ションがあり，その中に順動力学，逆動力学の2つの流れがある．本研究では，順動力学におけるシミュレーション精度の向上と，逆動力学における関節トルク算出までの精度向上の観点から，MRIを用いて個人の体型・身体組成の違いを考慮したBSPの算出を行うこ. 図1MR画像からのポクセルモデル作成. 【結果】. 体重の実測値とモデルから得られた推定体重. とを目的とした．. 【方法】. 被験者は陸上競技短距離選手である男子大学. 生4名（被験者A22years，170cm，72㎏，被験者B20years，168cm，65kg，被験者C20years， 168cm，54㎏，被験者D24years，188cm，76kg）とした．被験者の年齢，身長，体重の平均値およ. との平均誤差は，5．04±3．44％であった．本研究で得られた，質量・質量中心位置・質量中心を通る3軸（前額軸・矢状軸・長軸）まわりの慣性モーメントは表の通りである（表1）．質量比は身体質量に対する比，質量中心はセグメント長に対する中枢端からの比である（体幹部は胸骨上縁から，足関節は足先からの比）．また，表のkx・ky・kz はセグメント長に対する回転半径比としている．. 一400一.

(2) 表1MRIを用いて算出された個人BSP 櫨酸老年齢身長体重胎定国. D−4 1調而了丁．珊 4壇。宜量比、. 聞i中心 1茸. 宜旦中山. 1面’唱OOO. ｝. ｛佃60』＝o 引日＾o. ㎞畦宜量比、. ○目昌コ高. 包．胡 3．｛宮. ■坤. 11. 3s j4. ㎞. 31月O. ㎏. 皿亜比、. −1日月5. 1」4 1、一目. 聞董中山. Iv. コ5、・記. 10．了O. ㎞. 30j島. 1王. ∼ ㎏聞，批、. 質量中山 1｝. ㎞. ○宮j■. 14月4. o．珊. ｝．｛o. 11壇一. 目￡3 4．一5. 1｝. ㎏㎞吐. 聞i比．旺i中一一. 1買 1Ψ. ㎞㎞. 肥比、. 盟中山 1坤. 一目工田. 153珊f旧 1丁O口；j＝□〕. 3そ刷壇。 −o月｛ 1一．フ4. 一塩0 3．｛包. そ。．了；. ｛1丁．”. ｝. 一16．14. ㎞. 31え＝一〕. 甑比、趾里中山. ■o月ヨ. 1ヰ！3. ｝. 1王. ㎞㎞. 囲比．聞量中心 1世. ｝. 1＝ ∼. 目．71. 11．4一曲j＝ほ. ！胆比、. 宜旦中心. 1111．■D. 1110丘0 193目1 ｛百｛o ○日虫8. 1口坦7 5」｛7. 13由｛. 110 11価. 4邊丘9 4フ巧昌. ■3j目. 4皿〕. 聞皿比、亙，＝中山. ｝. 朝5ヨ. l■. 距道中心 1児. ㎏. 坦〇. 31』＝唱. 靱］ヨ. 亜ユ比．. 一罧. 目一. 41j3 宮10月3. 亜1中山. 宜量比、. o j3 51壇O 曲目肥。o0. ｝. 朋刃包. 11月5 一昌59 30．1｛ 1ヰ．，フ. ○扇珊 1｛」1 君工0. 5工5 04．τo. OO．14. 月6 11方自ヰ了．τヨ. 1、珊．目0. 110〕蛆O −o月ヨー。 j畠. ㎞. 閉居0 11正目. 410. ，囮比．. 51仙. 41．一0 551j＝由馳ロエ田 94．丁4. 胆中山｝. 5目50 1報．了‘. 0τ目3. ㎞. ”畠。. 11月. 1コ4. 0口止了. コ5j4 ヨ4壇7. 33正8 05］1. 1は. 41丘4. 質量比で差がみられたのは，体幹部・上腕部・足関部である．体幹部はL群が阿江らの値より大きくなり，S群が小さくなった．このことは，体. 幹部の密度をBMIや体脂肪率などによって，個人値で考慮する必要性を示している．データを比較すると，実測値と本研究の推定値の誤差の多くを体幹部が含んでいるため，今後は体幹に着目した詳細な検討も必要であろう．上腕部は阿江らに比べて全被験者で大きい値になったが，セグメント分け手法の影響であると考えられる．阿江らが肩峰で分けたのに対し、本研究では内部の筋構造でセグメントを分けたため，阿江らのセグメント分けでは体幹部に含まれていたものが，本研究では上腕部に含まれた．足関部は，阿江らが宇部・. 足関部については2cmゾ］ンモデルでは再現不十分であったと述べているため，その影響であると思われる．. 質量中心で差がみられたのは，頭部・上腕部・宇部・足関部である．頭部は、阿江らのモデルが. 競泳用の帽子内に髪を入れ撮影した影響であると考えられる．上腕部・宇部・足関部については. ∼. 筥3．47. 肥比、宜量中心 1封. 54山0. 質量比と同様の影響であると思われる．. ∼ 11. 34，1島. 慣性モーメントは多くの項目について差がみ. ∼. ，o互。. 05．靱. 14．10. 1 0 1．フ目. 031コ. コ4．1コ. 筥5㎜. 【考察】. 体重の実測値と本研究のモデルから得られた推定体重をそれぞれ実測値と比べると，被験者A. られた．4名は陸上競技短距離選手であるため，ランニングに大きく影響のある大腿部・下腿部に着目し，本研究のモデルから得られた推定慣性モ. 被験者D＋1．88％と対象によりばらつきがみられた．体重の実測値と誤差の大きかった2名をL. ーメントと阿江らの推定慣性モーメントを比較すると，10％以上の差や，被験者によっては最大で119．69％もの差が観察された、回転半径についても同部位に着目すると，kzの項目に標準偏差を. 群，少なかった2名をS群とした場合，BMIの. こえる値が多くみられた．. ＋8．83％，被験者B＋7．07％，被験者C＋2．38％，. 標準値（22）をL群が上回り，S群は下回る傾向があり，平均でみるとL群23，97に対しS群20．32 であった．. 表2BSP比較表自. セメ’ 豆頁口同. 続いて，日本人アスリートの動作解析に多く用いられている，阿江ら（1992）のBSPに対して，本研究の結果を比較した（表2）．このとき，阿江らの質量比・質量中心・回転半径比は平均値とし，質量・慣性モーメントは報告されている部分長と体重を独立変数とした重回帰式により算出した. ｛本車字音β. 質. 質量比質中心質. ㎞ ky 屹. 定体重の平均誤差は，本研究が5．04±3．44％であるのに対し，阿江らのものは8．18±3．00％であった．また，阿江らの被験者の平均身長175．1cm，. 平均体重69．6kgからBMIを算出すると，22−70 とL群が近かった．これらや比較表から，阿江らの推定式はL群2名のような筋肉が多くついた体型は推定可能だが，S群2名のような細身のアスリートは推定が困難であるといえ，BSPの個人値を用いることの有効性が示唆された．. 一401一. 1星. 35．98 2．50. ’L、. 1＝. 4．86 6」39 51．5宮. 329. 質中心質宇部右大腿音β1其 1y. 疋重 7フ43. 4■．35. 部質質量比. 1y. 本研究の推定体重と阿江らのモデルからの推. MRl. ■. 下腿部1買. ものとした．. MR1. 体重. 被験者 D. 40．フ5. 4562. 1143．40 1160．80. 20189 2638 26．5呂. 11．09 565．フ5. 58656 14376. k其. 2フ．96. ky 屹. 28．47. 14．10. 阿）工り. 疋重. 疋. 重. 一641盟. 82フ3. o“ ｡■. 男. フ79k且. 一3フ62. 冊. 一051. ％. 4096kg. 一3052 一1215. 6．90盟 82．10男 8．90％. 一「．55. 男％. ％. 2247. ％. 兜. 05目. ％. 52．90冊. ］12．15 一43．48. ％. 204k且 270. 目9」10％ 121538k且一〇r［■ 1151．54k宮一〇m’. 333．24k亘．om■ 27．昌O％ 2フ。o冊. 1520％. 509．84kg−orn3 500「1 』9．om’ 6544k目．ornユ 27．40％. 27r0％ 9．フ0％. 一5．92. ％緕. 0．馳克一39．42 一1．42. 亮完. 一〇．42. 晃. 一4．11. 緕. 10．9−7. 晃. 1フ29. 盟. 119．69. ％. O．56. 兜. 137. 晃. 4ヰ0. 男. 【結論】. BSPは個人で算出する必要があり，特に細身のアスリートを対象に動作解析を行う場合には，阿江らの推定式では推定が困難であり，個人値が重要であると示唆された．（主任指導教員山本忠志）（指導教員小田俊明）.

(3)