身体姿勢制御ルールの解明と展望

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身体姿勢制御ルールの解明と展望 243 はじめに 今後の運動器理学療法の発展は，脳の運動制御機能，体幹四肢の機能連鎖解明にあるといっても過言ではない。元来，運動学（Kinesiology）は「Kinematics」と「Kinetics」に大別される。臨床での関節可動域（range of motion；以下，ROM）や歩行分析は「Kinematics」評価にあたり，筋力は「Kinetics」評価にあたる。「Kinematics」評価は視認可能な形態評価で，日常の研究・臨床現場で汎用される。一方，「Kinetics」評価は形態ではなく機能を測定する評価手法であるが，測定機器が高価なことや，分析過程で目に見えない力学的考察を伴うため，臨床では汎用されにくい。つまり，臨床では患部機能の評価結果に準じた治療選択が行われているが，評価から治療選択のプロセスは形態評価に偏った還元論的臨床推論に留まり，機能評価を重視した治療選択に弱い現状がある。種々の動作は患部を含めた身体すべての機能連鎖であることを考えると，還元論的臨床推論のみでは，身体一部の機能評価から身体全機能の問題点抽出は難しい。全体から診た患部障害像形成過程の推察は，具体的には身体全機能のルールに従った評価を行い，患部が形成されるプロセスまで推察する方法を指す。これを全体論的推論という。障害像の正確な把握には，還元論的思考とともに全体論的思考を加えた仮説検証を行うことが必要となる。本稿では全体論的思考から身体全機能のルールを導き出し，「Kinetics」を基にした姿勢制御ルールの仮説論証を行う。 1．還元論と全体論物事の捉え方には，個々から全体を捉える考え方と，全体から個々を捉える考え方があり，これらは還元論と全体論と呼ばれ，今現在も議論が続く考え方である。 1）還元論（René Descartes；1596 ∼ 1650）物事の全体は個々の集合によって成り立っており，個々を理解することで全体を把握し，理解することにつながるという考え方である。物事には，それを構成する要素が多種多様であり，さらにそれらが複雑な関係を有している。そのため，ひとつの物事を理解するために各要素を個々に分解し，それらを個別に分析することで，複雑に絡み合った関係や物事の性質，構造を解釈していくことが還元論的思考である。

2）全体論（Willard van Orman Quine；1908 ∼ 2000）物事全体はひとつであり，そこから分解された個々には異なる性質がある。全体は，個々の集合体であるが個々の総和以上の性質を有しており，個々だけの理解では全体を理解したことにはならないという考え方である。物事は全体的な構造をもって存在し，多種多様な要素は全体構造の一部を担うパーツである。そのため，各パーツに分解したところで，全体構造は見えにくい。全体構造が理解されたうえで，各パーツの意味を解釈していくことが，全体論的思考である。 2．還元論的臨床推論とその限界膝関節の荷重痛を訴える患者が来院したとする。その患者に対してセラピストは，患部の痛みや機能障害など，患者のあらゆる情報を集めて評価を行う。その結果，①膝関節の拘縮， ②大腿四頭筋筋力低下，③ヒールコンタクト時のハムストリングス反応性収縮力低下が考えられたとするならば，①膝関節の ROM トレーニング，②大腿四頭筋筋力トレーニング，③下肢閉鎖的運動連鎖トレーニングといった，それぞれの問題点に対する治療方法を選択する。その際，患部と周囲機能の関係について仮説を立て，その仮説に沿ってアプローチを行うが，目標としていた治療効果が得られなければまた別の仮説を基に評価ならびに治療を選択する。治療法の選択は評価結果に準じて行われるべきであり，これらは，同じ病名であったとしても各患者に合わせて行われなければならない。このような仮説検証型の思考は，臨床推論（Clinical Reasoning；以下，CR）と呼ばれ，近年広く臨床現場に用いられている。CR とは，セラピストがクライアントとその家族，および他の医療チームメンバーと共同し，臨床データやクライアントの意思や希望，専門的知識から導き出された判断などを基に，治療の意義，到達目標，治療方針などを構築する過程であると定義されている1）。 CR では，類似した症状であったとしても画一的な治療法を判断・選択するのではなく，患者毎の要素に合わせて個別の判断を下すことが重要であるとされている。しかし，患者毎に合わせた評価・治療を実施し，各問題点が解決したとしても，痛みの改善が得られないという経験があるのではないだろうか。理学療法学第 41 巻第 4 号 243 ∼ 246 頁（2014 年）

身体姿勢制御ルールの解明と展望

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脇元幸一

1）

尾崎純

1）

嵩下敏文

1）

内田繕博

1）

アドバンスドセミナー

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The Elucidation of Human Postural Control and the Future Prospects

1）清泉クリニック整形外科静岡

（〒 411‒0904 静岡県駿東郡清水町柿田 191‒1）

Koichi Wakimoto, PT, Jun Ozaki, PT, Toshifumi Dakeshita, PT, Yoshihiro Uchida, MD: SEISEN Orthopedic Clinic Shizuoka キーワード：運動力学，姿勢制御，ニュートン運動法則 Japanese Physical Therapy Association

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理学療法学第 41 巻第 4 号 244 そこには，セラピストの技量もさることながら，原因の捉え方の違いから機能的問題点を見落としている可能性がある。患者が訴える痛みなどの症状，筋力低下や ROM 制限といった問題点に対し，筋力強化や ROM トレーニングなどを行うことが還元論的思考である。一方，患部の痛みや機能障害は結果であり，その結果が生じたのはなぜかを考え，他の部位や姿勢，さらには生活習慣・生活環境までを含めた広い視野で原因を捉え，対処することが全体論的思考である。還元論的思考に偏ると小さな視点で物事を捉えることとなり，還元論的思考のみで展開された CR では，治療がうまく効果を示さないといった結果につながりやすい。つまり，還元論的思考に加え，全体論的思考から仮説検証を行うことが必要である。次項では，全体論的思考から「Kinetics」を基にした姿勢制御ルールの仮説を論証する。 全体論的思考から「運動」を捉える 物事には必ず原因と結果が存在し，「痛み」を結果と捉えるならば，なぜそのようになったのかという原因からプロセスを追究しなければ，結果を変えることはできない。そのためには，還元論的思考に全体論的思考を加えると真の問題点発掘が可能となる。それには，ヒトをひとつの物質であると捉え，地球上における物質運動の力学的特徴を理解することが，全体論的思考を加えた推論へと繋がる。 1．重力場のルール地球上における身体運動には重力場のルールが存在し，そのルールは年齢・性別・人種に左右されない重力ストレスに対する身体応答である。重力場のルールに従って身体運動の制御ルールを紐解いていくために必要なのが，人体運動学（Kinesiology）である。 2．人体運動学人体運動学とは身体諸器官の中で筋・関節などの運動効果器を対象とし，その運動を研究する学問であり，運動学（狭義）と運動力学に分類される。 1）運動学（kinematics）物質の質量やそこに加わる力を考慮せず，質点あるいは物質の変化だけを分析する。ROM や歩行分析，表面筋電図などが運動学的評価に相当し，角度や距離といった視認可能な幾何学的評価手法で，日常の研究・臨床現場で汎用されている。 2）運動力学（kinetics）物質に運動を起こしたり，運動を変化させたりする力の働き，つまり力や質量，そして加速度などを分析する。床反力解析や重心動揺計などの評価が，運動力学的評価に相当する。身体の運動・姿勢を治療対象とするセラピストは，物質の変化のみならず，その動きを司る力を分析する運動力学を理解する必要がある。姿勢制御ルールに基づく運動力学的評価・問題点の抽出ができれば，全体論的思考を含めた臨床推論が可能となる。 3．ニュートンの運動 3 法則運動力学はニュートンの運動 3 法則の基に成り立つ。静止している物質が運動をはじめたり，運動している物質が速度を変化させるのは，物質が力のエネルギーを発した，または外部から力のエネルギーが働いたことを示している。運動 3 法則それぞれと物質の関係について解説する。 1）ニュートンの第 1 法則：慣性の法則物質には，力のエネルギー（抵抗）が加わらない限りそのままの状態を続けるという性質があり，この性質を慣性という。力のエネルギーが加わらなければ止まっている物質はそのまま静止し続け，動いている物質はそのまま動き続ける。これをニュートンの第 1 法則または慣性の法則という。また，物質の質量は慣性の大きさを示す尺度であり，質量が大きいほど運動状態を変化させ難く，反対に質量が小さいほど変化が容易となる。 2）ニュートンの第 2 法則：運動の法則物質には，力のエネルギーが加わると質量に反比例した加速度（動き）が生じるという性質がある。つまり，同じ力のエネルギーを加えた場合には，質量が大きいほど加速度が少なく，同じ加速度を得るためには，大きい質量ほどより大きな力のエネルギーを加える必要がある。これがニュートンの第 2 法則または運動の法則であり，F（力）＝ m（質量）× a（加速度）の運動方程式で表される。 3）ニュートンの第 3 法則：作用反作用の法則作用力エネルギーに対して，等しく，かつ反対向きの反作用力エネルギーが常に存在する（図 1）。つまり，物質には力のエネルギー（作用力エネルギー）が加わると同じ大きさの力のエネルギー（反作用力エネルギー）で押し返すという性質がある。ボクサー骨折などがその典型例である。どのような力のエネルギーであっても，常に作用力エネルギーと反作用力エネルギーは一対となって存在（同期）している。これをニュートンの第 3 法則または作用反作用の法則という。 ニュートンの第 3 法則（作用力＝反作用力）と身体運動 筋代謝，血圧，心拍数，血糖，呼吸機能，骨リモデリングなど身体のあらゆる機能は，すべて重力場のルールに従って身体運動を行うために存在する。地球上での身体運動は常にニュートン運動の法則のもとに成り立っており，ニュートンの第 3 法則から身体機能を捉えたとき，そこには身体運動を効率よく行うために，2 つの機能的側面（身体剛性と身体柔性）のルールが存在する。 図 1

Japanese Physical Therapy Association

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身体姿勢制御ルールの解明と展望 245 1．身体剛性と作用力エネルギー（運動エネルギー + 位置エネルギー）身体剛性とは，身体内の骨格筋が生成する運動エネルギーと質量が有する位置エネルギーによって決定される。この運動エネルギーと位置エネルギーの合算が作用力エネルギーとなって運動を起こす。歩行を例にとると，脳の筋緊張制御システムは，身体に加わる瞬間的な外力や荷物などの定常的負荷，路面状況による負荷の変化にリアルタイムで対応し，環境や状況変化に即した身体剛性の調節を行う。 2．身体柔性と反作用力エネルギー身体で生成した作用力エネルギーの発揮は，同時に身体で反作用力エネルギーの吸収という形で動作が成立する。この反作用力エネルギーを吸収する物質の性質を柔性という。以上をまとめると，筋張力が生み出す運動エネルギーと質量が有する位置エネルギーが合算し，作用力エネルギーとなって身体剛性を高めて動作を起こす。同時に反作用力エネルギーを吸収する柔性機能が発揮され，はじめて「運動」が成立するのである。つまり，パフォーマンスレベルが高いほど，高い剛性と高い柔性が必要になる。 ニュートン運動の第 3 法則から脳の筋緊張制御システ ムルールを考える 脳の筋緊張制御系システムの一端を，運動力学の観点から推察すると，運動力学のルールに沿った制御であることがわかる。運動が成立する際には，図 1 に示す機能的な「作用力エネルギー（F ベクトル A）」の発生と同時に，同量の機能的な「反作用力エネルギー（F ベクトル B）」の吸収があることを示している。動作が姿勢変化の連続であることを考えると，スムーズな作用力エネルギーを生み出す身体力学的姿勢と，効率的に反作用力エネルギーを吸収する身体力学的姿勢を「同期」した姿勢制御の連続で動作が成立することになる。換言すると，動作の成立には身体が発揮した作用力エネルギー量と吸収される反作用力エネルギー量は常に一定に保たれる。つまり，脳の筋緊張制御系システムの筋出力制御には，反作用力エネルギー吸収機能の状態が常に反映され，姿勢が有する反作用力エネルギー吸収量を超えた作用力エネルギーは発揮されないことになる。以上から，筋出力抑制を改善するには，まず身体全体の柔軟性（身体柔性）の回復が必要であるという仮説が立つ。この仮説は，身体全体の柔軟性を上げると体幹四肢の筋力が上がる（筋出力抑制が改善される）という現象で，容易に観察できる。 慢性疼痛患者の身体力学的特徴 健常人と慢性疼痛患者の身体力学的環境の違いを推察するデータを図 2，3 に示す。縦軸は大腿四頭筋等尺性最大筋力の体重比（Weight Bearing Index；以下，WBI），横軸は全体重に占める筋質量（総蛋白質量）の割合（％ Muscle Volume；以下，％ MV）を表す。全身筋量と大腿四頭筋筋断面積の相関（r=0.67 p ＜ 0.05）をもとに，健常人を対象とした％ MV と WBI の関係を調べてみると相関関係にあることがわかる（r=0.67 p ＜ 0.01，図 2）。また図 3 には同じく慢性疼痛患者群の％ MV と WBI を示す（r=0.58 p ＜ 0.01）。図 2，3 の回帰直線を図 4 に示す。すると，慢性疼痛患者群は健常群に比較し，％ MV に対する WBI が有意に低下していることがわかる。これは，慢性疼痛患者群は健常群より筋出力抑制が大きいことを意味している。この筋出力抑制因子を身体力学的環境から推察してみると，図 1 に示すニュートンの第 3 法則から，身体柔性（反作用力エネルギー吸収量）が低下すると，作用力エネルギーのうち筋張力の運動エネルギーが制限される，つまり筋出力抑制が大きくなると考えられ，筋出力抑制の原因が身体柔性障害である仮説が成り立つ。 図 2 図 3 3）より引用一部改変 図 4 （嵩下敏文，脇元幸一：Spine Dynamics 療法，新人・若手理学療法士のための最近知見の臨床応用ガイダンス，嶋田智明，他（編），p. 100，2013，文光堂より許諾を得て一部改変し転載）

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理学療法学第 41 巻第 4 号 246 慢性的な荷重動作痛と力学的エネルギー 次に，ニュートン運動の第 3 法則から慢性的な痛みの発現仮説を立ててみる。痛みを感知する神経終末・受容器は，炎症産物による化学的エネルギー，熱エネルギー，機械的振動エネルギーに反応2）し，炎症所見の乏しい慢性的な痛みは，機械的振動エネルギーに反応した痛みであることが推察される。図 1 の「反作用力エネルギー（F ベクトル B）」を，「吸収された反作用力エネルギー（F ベクトル B1）」と力のエネルギーとして吸収されずに「機械的振動エネルギーに変換されたもの（F ベクトル B2）」に分解してみる（図 5）。痛みはこの「F ベクトル B2」のエネルギーによって発現するとすれば，「F ベクトル B1」量を大きくすることで痛みが軽減することがわかる。つまり，身体柔性を上げると患部の痛みは減り，加えて筋力が回復し，筋による関節制動向上に伴う可動域改善も期待できると仮説が立つ。これは荷重動作痛を訴える患者の体幹柔軟性を高めると，痛みが軽減することで観察できる。 おわりに ヒト身体の進化は，Darwin の進化論からうかがわれるように，少ないエネルギーで効率よく身体剛性を高め，同時に身体柔性を高め，身体移動を速く，そして遠くへ移動させるという方向性をもつ。つまり，少ない筋張力エネルギーで姿勢を保ちながら動作に必要な作用力エネルギーを生む，かつ反作用力エネルギーを吸収できる身体力学的環境を同期させながら動作を成立させるという，エネルギー効率の向上が姿勢制御システム進化の方向性であることがわかる。これらを治療学へ発展させると，身体動作の改善には，身体剛性機能と身体柔性機能の向上を目的とする身体力学的アプローチの研究開発が望まれる。具体的な姿勢および動作の改善とは，姿勢修正を可能にするための十分な可動性（mobility）を回復させることにある。つまり身体柔軟性の向上は，柔性回復による筋出力（作用力エネルギー）抑制を改善し，身体運動制御ルールの解明へとつながる。以上のように，脳の姿勢制御システムは，物理学ルールをそのまま反映した能動的なシステムで常にコントロールされており，動作に必要な筋力と関節可動域はこれにより決定される。「筋力」は体の力学的環境に合わせて常に「筋出力抑制」を受けていること，力学的エネルギー伝達可能な関節可動範囲が ROM であり，関節が伝える力学的エネルギーの大小で ROM は容易に変化するという仮説も今後検証できていくであろう。最後に，運動器理学療法発展の指針は，従来の「Kinematics」評価に「Kinetics」評価を反映させた治療システムの研究開発にあると考えている。これから先，新しい力学的アプローチの研究開発によって，障害を起こした力学的成因プロセスを追従できる。また，患部以外の機能的関連因子まで治療対象にでき，即効性のあるプログラム立案が可能になる時代が到来すると期待している。 文献

1） Jones MA, Rivett DA: Clinical reasoning for manual therapists. Butterworth Heinemann, Australia, 2004, pp. 1‒24.

2）黒川幸雄，鈴木重行：理学療法 MOOK3 疼痛の理学療法．三輪書店，東京，1999，pp. 2‒14. 3）嵩下敏文，脇元幸一，他：慢性疼痛疾患患者と健常人における筋質量（％ MV）と体重支持指数（WBI）の比較検証．専門リハビリテーション．2008; 7: 42‒45． 4）嵩下敏文，脇元幸一：Spine Dynamics 療法，新人・若手理学療法士のための最近知見の臨床応用ガイダンス筋・骨格系理学療法．島田智明，他（編），文光堂，東京，2013，pp. 93‒102． 図 5

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