半腱様筋腱と薄筋腱を用いた膝前十字靱帯再建術後
9
週の歩行立脚初期における膝関節伸展モーメントと
1
年後の脛骨前方移動量の関係
Correlation of Knee Extension Moment during Walking with Anterior Tibial
Translation at 1 Year after Anterior Cruciate Ligament Reconstruction
with Hamstring Tendon Autografts
池野 祐太郎
1,2)田中 聡
3)山田 英司
1)福田 航
1)片岡 悠介
1)濱野 由夏
1)竹内 謙太
1)川上 翔平
1)二宮 太志
4)五味 徳之
4)YUTARO IKENO, RPT1,2), SATOSHI TANAKA, RPT, PhD3), EIJI YAMADA, RPT, PhD1),
WATARU FUKUDA, RPT, MS1), YUSUKE KATAOKA, RPT1), YUKA HAMANO, RPT1), KENTA TAKEUCHI, RPT1),
SHOUHEI KAWAKAMI, RPT1), TAISHI NINOMIYA, MD4), NORIYUKI GOMI, MD, PhD4)
1) Department of Physical Therapy in Affilation with a Center of Orthopaedic Surgery, The Taijyukai Foundation (social medical
corporation) Kaisei General Hospital: 3-5-28 Muro, Sakaide-shi, Kagawa 762-0007, Japan. TEL+81 877-46-1011 E-mail: [email protected]
2) Prefectural University of Hiroshima, Graduate School of Comprehensive Scientific Research
3) Department of Physical Therapy, Faculty of Health and Welfare, Prefectural University of Hiroshima
4) Center of Orthopaedic Surgery, The Taijyukai Foundation (Social Medical Corporation) Kaisei General Hospital
Rigakuryoho Kagaku 30(2): 291–295, 2015. Submitted Oct. 17, 2014. Accepted Dec. 16, 2014.
ABSTRACT: [Purpose] The relationship between the knee extension moment in the early walking stage at 9 weeks
after anterior cruciate ligament (ACL) reconstruction surgery with hamstring tendon autografts (STG) on anterior tibial translation (ATT) at one year post-surgery were investigated to clarify the influence of knee extension moment on ligament reconstruction. [Subjects] Ten cases of ACL reconstruction using STG (20 limbs: 10 operated, 10 non-operated). [Methods] The knee extension moment of the early walking stage at 9 weeks post-surgery was computed from 3D motion analysis data and ground reaction force, and normalized to body weight. At one year post-surgery ATT was determined. [Results] The knee extension moment at 9 weeks post surgery of the operated side showed a significantly lower value than that of the non-operated side, but it was not related to ATT at one year post-surgery. [Conclusion] To prevent secondary injury, improvement of the decreased knee extension moment in the early walking stage at 9 weeks after ACL reconstruction surgery is necessary.
Key words: anterior cruciate ligament, knee extension moment, anterior tibial translation
要旨：〔目的〕半腱様筋腱と薄筋腱（STG）を用いた膝前十字靱帯（ACL）再建術後9週における歩行立脚初期の膝 伸展モーメントと1年後の脛骨前方移動量（ATT）の関係を検証し，膝伸展モーメントが再建靱帯に及ぼす影響を明 らかにすること．〔対象〕STGを用いたACL再建術後患者10例20肢（健側，患側）とした．〔方法〕歩行立脚初期 の膝伸展モーメントは術後9週に三次元動作解析装置と床反力計から算出し，体重で正規化した．また，術後1年に ATTを求めた．〔結果〕術後9週の膝伸展モーメントは健側より患側で有意に低値を示し，術後9週の患側の膝伸展 モーメントと術後1年のATTに関連はなかった．〔結語〕二次的損傷予防から，ACL再建術後9週では歩行立脚初 期の膝伸展モーメント低下の改善が必要である． キーワード：膝前十字靱帯再建術後，膝関節伸展モーメント，脛骨前方移動量 1) 社会医療法人財団大樹会総合病院 回生病院関節外科センター附属理学療法部 : 香川県坂出市室町 3-5-28（〒 762-0007） TEL 0877-46-1011 2) 県立広島大学大学院 総合学術研究科 3) 県立広島大学 保健福祉学部 理学療法学科 4) 社会医療法人財団大樹会総合病院 回生病院関節外科センター 受付日 2014 年 10 月 17 日 受理日 2014 年 12 月 16 日
I．はじめに
膝前十字靱帯（Anterior Cruciate Ligament; ACL）は， 脛骨前方移動（Anterior Tibial Translation; ATT）を制動 する靱帯である．ACL損傷者はACL機能不全による
ATT制動不全や下腿前外側回旋動揺により，二次的に
半月板損傷や関節軟骨損傷を呈し，長期的に，変形性膝 関節症を引き起こすことが報告されている1,2)．また，
宗田ら3)はACL不全により前方剪断力（anterior shear
force）を抑える機能やメカノレセプターを失うため， 膝関節を安定化させる膝周囲筋の働きが受傷前とは異な ることを報告している． Houckら4)は，ACL損傷慢性期の歩行時における膝 関節伸展モーメントが大腿四頭筋収縮の反映となること を 報 告し てい る．ACL損 傷者 の 歩 行分 析 に 関 し て， Berchuckら5)は歩行立脚初期に膝関節伸展モーメント が健常例を統計的に下回る現象（Quadriceps Avoidance
Gait; QAG）の存在を報告している．ACL再建術後の歩
行分析に関する臨床研究では，Knollら6)は，骨付き膝
蓋腱（Bone patellar tendon Bone; BTB）を用いたACL
再建術後患者のQAGに関して縦断的に研究しており，
ACL再建術後6週では残存，術後4ヵ月で消失，術後
8ヵ月で正常パターンに回復したと報告している．また，
Websterら7)は，ACL再建材料としてBTBを用いた群
と半腱様筋腱・薄筋腱（Semitendinosus and Gracilis
tendon; STG）を用いた群で歩行立脚期の膝関節伸展 モーメントを比較し，STGを用いた群はBTBを用いた 群より膝関節伸展モーメントが高かったことから，採取 腱は膝関節伸展モーメントに影響すると報告している． ACL再建靱帯の成熟は時間を要するため，膝関節伸展 モーメントの低下はATTの抑制という点でリスク管理 上有利となる8)． STG腱を用いたACL再建術後患者において，全荷重 許可後の膝関節伸展制限が消失した時期における膝関節 伸展モーメントの低下は，再建靱帯に対しストレスを減 少させる機能を有するが大腿四頭筋萎縮の要因とも考え られる．そこで本研究では，全荷重許可後膝関節伸展制 限の消失した術後9週における歩行立脚初期の膝関節伸 展モーメントと再建靱帯の成熟の指標となる1年後の ATTの関係を検証し，膝関節伸展モーメントが再建靱 帯に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした．
II．対象と方法
1．対象 対象は当院で同一術者によりSTG腱を用いた解剖学 的二重束ACL再建術を施行し，追跡可能であった10 例20肢（健側，患側）とした．ACL再建術後患者の属 性を表1に示す．なお，ACL受傷機転は全例非接触型 であり，ACL再建術後の理学療法は当院で行われる一 般的なプログラムであり，全例同一とした（表2）．対 象者の取り込み基準は，測定時期にADLが自立してお り，歩行時に疼痛を有さない者，初回のACL再建術を 施行された者とした．除外基準は関節可動域制限や疼痛 が歩行に影響している者，疼痛や腫脹の強い者，整形外 科的疾患の既往がある者とした． 倫理的配慮に関して，本研究は『ヘルシンキ宣言』あ るいは『臨床研究に関する倫理指針』に従った．対象者 および親権者には本研究の実施計画を文書および口頭に て十分に説明し，書面による同意を得た．また，データ の収集・分析・公表では，個人情報が特定できないよう に連結匿名化を行った．なお，本研究は総合病院回生病 院に帰属する倫理審査委員会の承認を得て実施した（承 認番号：2011-4）． 2．方法 研究デザインは観察研究とした． 測定時期はACL再建術後の膝関節屈曲拘縮が膝関節 伸展0° まで改善された術後9週とした． 測定機器は三脚上に取り付けた4台のデジタルビデオ カメラ（SONY社製，DCR-HC7 ［サンプリング周波数 60 Hz］） と1枚 の 床 反 力 計（AMTI-JAPAN社 製， AccuGait ［サンプリング周波数60 Hz］）で構成された 三次元動作解析装置ToMoCo-VM・FP （東総システム社 表1 膝前十字靱帯再建術後患者10例の属性 測定値 性別（例） 男7，女3 年齢（歳） 24.4±6.7 身長（cm） 168.5±9.5 体重（kg） 64.7±13.8 BMI （kg/m2） 22.6±2.7 合併症（例） 半月板損傷2 内側側副靱帯損傷1 ACL損傷から手術までの待機期間（ヵ月） 3.7±3.6 ACL再建術時脛骨前方移動量（mm） 7.5±4.3 平均値 ± 標準偏差．BMI; Body Mass Index．製）を用いた．なお，三次元動作解析装置ToMoCo-VM
（東総システム社製）の信頼性については事前に健常者
5例を対象に歩行中の膝関節角度データから検討した結
果，級内相関係数（Intraclass correlation coefficient; ICC）は検者内信頼性（intra-class reliability; 1，1）0.78， 検者間信頼性（inter-class reliability; 2，1）0.80と信頼性 の高いデータであり，ICCを0.9とするために必要な測 定回数はスピアマン・ブラウンの公式により検者内信頼 性（1，1）2.5回，検者間信頼性（2，1）2.3回であるこ とから3回の平均値をデータとして使用すれば非常に高 い信頼性が保証できる9)． デジタルビデオカメラ設置位置は，1つのカラーマー カーに対して2つのデジタルビデオカメラから撮影され る必要があること，1台のカメラで全身が映ることの条 件を考慮し，床反力計から5.7 m離し，水準器付きの三 脚でデジタルビデオカメラを水平に固定した．対象者は 体表面に密着するスパッツを着用し，両面テープを用い て，臨床歩行分析研究会推奨の解剖学的特徴点である左 右肩峰，左右股関節（大転子中央と上前腸骨棘とを結ぶ 線上で大転子から1/3の位置），左右膝関節外側（大腿 骨遠位部最大左右径の高さで矢状面内の膝蓋骨を除いた 幅の中央），左右足関節（外果中央），左右第5中足骨骨 頭の計10点に直径30 mmカラーマーカーを触診にて同 定し貼付した．マーカー貼付の際，マーカーの振動を防 ぐためにマーカーの土台の上からサージカルテープで固 定した．測定場所はカラーマーカーの自動認識を良くす るため明るい場所とし，マーカーを貼付した状態で，デ ジタルビデオカメラ4台にて撮影した． 測定課題は歩行速度や歩幅を規定しない，また靴や靴 下による影響を除外し，足部にマーカーを貼付するため に裸足での自由歩行とし，スタート位置のみを決めて 「前を向いて歩いてください」と指示し，健側患側各3 回測定した．なお，歩行時の手の振りや荷重は任意とし た．測定した歩行立脚期を100％正規化し，3歩行周期 を加算平均した．そのなかで0∼50％を歩行立脚初期 として解析対象とした．なお，踵接地は床反力の鉛直成 分が10 N以上を記録した時点，足尖離地は踵接地以降 に初めて床反力の鉛直成分が10N未満を記録した時点 とした．撮影した画像は，動画解析ソフトToMoCo-VM （東総システム社製）を用いて，サンプリング周波数 60 Hzで出力し，4台のデジタルビデオカメラを同期さ せるため，開始時に画面内でLEDを発光させて，発光 開始の各フレームを確認した．デジタイズ処理は，カ ラーマーカーを使ったオートデジタイズを実施し，マー カーが隠れた部分はアキマの多項式による近似10)を利 用した補間計算を使用し，デジタイズ処理後はフィルタ リング処理を実施した．関節中心は岡田ら11)の身体部 分慣性特性を基に対象者の身長，体重，臨床歩行分析研 究会推奨の10点マーカー座標から算出した．関節モー メントは関節中心位置，対象者の身長，体重および動作 中の床反力をもとに，大腿・下腿など各セグメントをピ ンジョイントでつないだ剛体とみなし，各時点における 力と慣性力の釣合を仮定して，力学的負荷を計算する逆 動力学計算を用いた．なお，各対象者間の体重差の影響 を取り除くために求めた関節モーメントは対象者の体重 で正規化した．膝関節伸展モーメントは，三次元動作解 析装置と床反力計から得られた表面マーカーおよび床反 力データと対象者の身長・体重，さらに岡田ら11)によ る 身 体 部 分 慣 性 特 性 を 基 に， 力 学 的 計 算 ソ フ ト ToMoCo-VM・FP（東総システム社製）から算出した． なお，歩行立脚初期の膝関節伸展モーメントピーク値は 健側患側各3回の平均値を解析値として算出した．また， 全身麻酔下にてACL再建術1年後において抜釘術を行 う際に補助診断として，熟練した同一医師がKneeLax （インデックス社製，KNL）を用いて1年後のATT健 患差を測定した．なお，解析値は牽引力がマニュアルマ キシマム時のデータとした． 統計学的解析に関して，ACL再建術後9週の膝関節 伸展モーメントピーク値において，健側と患側の比較に はWilcoxonの符号付き順位検定を用いた．また，患側 の 膝 関 節 伸 展 モ ー メ ン ト と1年 後 のATTの 相 関 は Pearsonの積率相関係数を用いた．数値は全て平均値 表2 ACL再建術後理学療法プロトコール 術後期間 理学療法プロトコール 翌日 車椅子移動 1週 松葉杖1/3部分荷重 2週 松葉杖1/2部分荷重 3週 片松葉杖2/3部分荷重 1ヵ月 全荷重歩行，階段昇降，スクワット，カーフレイズ 2ヵ月 フォワードランジ 3ヵ月 ジョギング 4ヵ月 ランニング 5ヵ月 ダッシュ，ステップ，ジャンプ，ストップ動作 6ヵ月 スポーツ復帰
± 標準偏差（mean±SD）で示した．統計解析ソフト
はIBM SPSS Statistics GRAD PACK，version 22.0を使
用し，すべての検定における危険率は5％とした．
III．結 果
本研究において，マーカー認識誤差は最大で15 mm であり，立位姿勢で関節角度の測定誤差を確認した結果， 平均3° であった．また，検定に先立ってデータが正規 分 布 に 従 う か をShapiro-Wilk検 定 で 確 認 し た 結 果， ATTと患側の膝関節伸展モーメントは正規分布してお り，健側の膝関節伸展モーメントは正規分布していな かった． ACL再建術後9週の膝関節伸展モーメントは健側1.79 ±2.28 Nm/kg，患側0.02±0.05 Nm/kgであり，患側 の膝関節伸展モーメントは健側に比べ有意に低かった （表3）．また，1年後のATT健患差は0.90±1.69 mm であり，患側の膝関節伸展モーメントと1年後のATT に相関はなかった（r=0.50，p=0.14）．IV．考 察
ACL再建術後の器質的回復においてリモデリングの 不十分な術後8 週までは再建ACLの脆弱性と再断裂の リスクを認識しなければならず12)，またACL再建術後 早期では骨孔と移植腱の癒合は不十分であり，移植腱に 張力のかかる膝関節伸展訓練や荷重位での運動，歩行に おいて荷重量の制限が必要13)と報告されている．また， Solomonowら14)は，ACLへ の 機 械 的 刺 激 を mechanoreceptorが感知し，膝関節安定性に作用すると いう神経─筋協調機構による関節防御機能の存在を報告 している．われわれ15)はACL再建術後1年における ACLの緊張度に影響を及ぼす因子を検討した結果， ACL再建術後2週の膝関節伸展角度に制限を認めると ATTは減少することを明らかにし，ACL再建術後早期 の膝関節伸展角度の改善や大腿四頭筋収縮等のACL再 建靱帯へのストレスによる術後1年のATT増加に配慮 することが重要という知見を得た． 一方，歩行立脚期の膝関節伸展モーメントの低下が長 期間残存するものは大腿四頭筋萎縮や膝蓋大腿関節障害 の原因になり，長期的に変形性膝関節症性変化の原因に な る と い わ れ て い る3,16)． ま た， 八 木17)に よ る と， ACL再建術後は膝関節伸展モーメントが低下する可能 性があるため，大腿四頭筋筋活動を高めた正しいパター ンでの歩行獲得が重要とし，また今屋ら18)は術後，大 腿四頭筋の筋力低下や筋萎縮を防ぐために早期荷重を促 すべきと報告している．さらにBarberら19)は荷重歩行 の開始時期が膝関節の前方動揺性に影響しなかったと報 告している．ACL再建術後は荷重が不十分であり，膝 関節伸展筋の収縮を避けることによる膝関節伸展モーメ ントの低下がみられ18)，膝関節伸展モーメントの低下 が長期にみられるものは大腿四頭筋萎縮のリスクがある といわれている3)．本研究結果からACL再建術後9週 の膝関節伸展モーメントと1年後のATTに相関はみら れなかったことから，ACL再建術後9週では大腿四頭 筋萎縮のリスクを防止するために，足踏み運動により荷 重位での膝関節伸展筋収縮を十分に学習すること，骨盤 の後方回旋や身体重心を健側方向に位置させることでの 膝関節伸展筋収縮を避ける場合は鏡を用いて視覚的に確 認し，徒手的に骨盤や身体重心位置の誘導により，歩行 立脚期における膝関節伸展筋の収縮や荷重を促すことで 膝関節伸展モーメントの低下を改善することが重要18) と考えられた． 本研究の限界として，4台のデジタルビデオカメラで 撮影した動画はLEDを用いて同期しているが，最大で 1/60秒の誤差が生じる可能性があること，自由歩行と 規定しており，歩行速度と歩幅を求められないことであ る．また，大腿四頭筋，ハムストリングスの筋活動量を 測定していないため，膝関節伸展モーメント低下の詳細 な原因の判断が難しい点である．今後の課題として， ACL再建術後における歩行立脚期の膝関節伸展モーメ ントの変化を経時的に調べること，床反力計を複数用い て歩行同期を同定し，歩行速度を求めること，歩行解析 時に筋電図計を用いて大腿四頭筋，ハムストリングス筋 活動量と膝関節伸展モーメントの関係を検討することが 必要と考えられた． 本研究では，STG腱を用いたACL再建術後9週にお ける歩行立脚初期の膝関節伸展モーメントと1年後の ATTの関係を検証し，膝関節伸展モーメントが再建靱 帯に及ぼす影響を明らかにした．ACL再建術後9週の 膝関節伸展モーメントは患側が健側と比べ有意に低値を 示し，患側の膝関節伸展モーメントと1年後のATTに 相関はなかった．ACL再建術後9週の膝関節伸展モー メント低下は大腿四頭筋萎縮を招くリスクと考えられ， 表3 歩行立脚初期における膝関節伸展モーメントピーク値の健側と患側の比較 健側 患側 95％信頼区間 膝関節伸展モーメントピーク値（Nm/kg） 1.79±2.28 0.02±0.05* 0.097∼3.260 平均値 ± 標準偏差，単位：Nm/kg．*: p<0.01，健側と患側の比較．膝関節伸展モーメント低下を改善するために患側下肢へ の荷重や膝関節伸展筋収縮を促す等の理学療法介入が重 要と考えた． 本研究を行うにあたりご協力していただいた社会医療 法人財団大樹会総合病院回生病院関節外科センター附属 理学療法部およびリハビリテーション部理学療法課ス タッフの皆様，測定にご協力いただいた患者様，親権者 にご深謝申し上げます． 引用文献
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