下腿筋-腱複合体の弾性エネルギーと障碍発生要素に基づく
陸上短距離用スパイクシューズの評価
畠
圭 佑
*
・西條 暁里
*
・塩野谷 明
*
Evaluation of Spike Shoes for Short Distance Race from Standpoint of Elastic Energy of
Crural Muscle-tendon Complex and Element of Sport Injury Occurrence
Keisuke H
ATA,
*Toshinori S
AIJO,
*Akira S
HIONOYA*Abstract The purposes of this study are to investigate the effect of the elastic energy of the crural
muscle-tendon complex on sprint performance and evaluate the function of sprint spike shoes. For these purposes, subjects performed a planter flexion jump (PFJ), a counter movement jump (CMJ), and a drop jump (DJ) using a slider seat system developed in this study, while wearing the several spike shoes. According to the results, in wearing spike shoes having high plate elasticity the relationship between the using ratio of the elastic energy and the increasing ratio of the mechanicalpower was positive in DJ. Furthermore, the relationship between the forces added the foot joint toward the frontal-horizontal axis in wearing the above-mentioned spike shoes and that in bare foot was positive. These results suggest that the using ratio of the elastic energy in high density counter movement was dependent on an increase of the mechanicalpower in the foot joint which resulted from wearing spike shoes having high plate elasticity and was, however, related to the sport injury occurrence.
Keywords :spike shoes, elastic energy, EMG, muscle-tendon complex.
1. は じ め に 陸上短距離用スパイクシューズには，ソール部分の前足 部に金属製のスパイクピンを取り付けるためのプレートと 呼ばれるパーツがある．このプレートは，走行時に弾性エ ネルギー（elastic energy）を生み，走パフォーマンスに 寄与すると考えられている． 身体動作が反動を伴って行われる場合，筋腱複合体 （muscle tendon complex：MTC）は受動的に伸長された 後に短縮する．この現象は伸長-短縮サイクル（stretch-shortening cycle：SSC）と呼ばれl1m，この SSC を伴う 動作では，大きな機械的仕事量や機械的パワーの発揮が可 能となり，よりよいパフォーマンスを得られることが報告 されているl2m．伊藤らl3mは連続跳躍動作を用いて，SSC 動作による機械的仕事量の増大を検証し，その要因は伸長 局面で MTC の弾性要素に蓄積される弾性エネルギーであ ると考察している． 走動作においては，接地期前半の着地相で脚伸筋群の伸 張性収縮が生じる際に弾性エネルギーが蓄積され，接地期 後半のキック相で脚伸筋群に短縮性収縮が生じる際それが 利用される．弾性エネルギーは，特に高負荷の反動動作に おいて，出力増加に対する影響が大きいl4mということが 報告されており，陸上競技トラック種目の中でも，特に短 距離種目においてこの弾性エネルギーの利用が走パフォー マンスに影響を与えると考えられる． そこで本研究ではこの弾性エネルギーに着目し，スライ ダーシートを用いた実験システムを構築して，足関節のみ の動きによる SSC 動作での弾性エネルギーを種々のスパ イクシューズを履いた状態で定量化するとともに，障碍予 防を含めた観点からスパイクシューズの評価を行っていく ことを目的とする． 2. 方 法 2･1 被験者 被験者は陸上競技経験を有し，かつ短距離種目を専門と 48(2)：226-231, 2010
研 究
生体医工学シンポジウム 2009 発表（2009 年 9 月，千葉） 2009 年 8 月 1 日受付，2009 年 10 月 21 日改訂，2010 年 3 月 2 日再改訂Received August 1, 2009; revised October 21, 2009, March 2, 2010.
*長岡技術科学大学
する健康な男性 7 名とした．実験に先立ち，被験者に本研 究の内容および危険性を説明した上で，実験参加への同意 を得た．被験者の身体特性は，平均身長 174.09 ± 7.19 lcmm，平均体重 61.93 ± 9.13lkgm，100 m 走の平均ベス トタイムが 11.85 ± 0.56lsecm，年齢は平均年齢 20.43 ± 7.79 歳である． 2･2 運動課題 足関節のみの反動跳躍を可能にするために，本研究では 図 1 の実験システムを構築した．実験システムは，床面 との角度が 30 度のスロープ部，被験者が身体を乗せる シート部およびスロープ部と垂直な着地部で構成される． シート部とスロープ部は車輪で接しており，最小限の摩擦 でシート部がスロープ部を上下に滑走する構造となってい る．被験者は，シート部に仰臥位姿勢となり，上面に厚さ 20lmmmの陸上競技用全天候舗装材を貼り付けた接地用ブ ロック（木製：140 × 240 × 115lmmm）に左足つま先を 置き，左足関節のみによる反動跳躍を以下の 3 種類の方法 で行った．
① Plantar flexion jump（以下 PFJ）：足関節最大背屈位 での静止状態から反動を利用せずに足底屈のみで行う跳 躍．
② Counter movement jump（以下 CMJ）：最大底屈位 での静止状態から脱力し，最大背屈位に達した後に，反動 を利用して足底屈を行う跳躍． ③ Drop jump（以下 DJ）：身体-シート部を浮かせた状 態から落下し，左足拇指球で接地用ブロックに接地した 後，最大背屈位で切り替えして跳び上がる跳躍． なお，SSC 動作の負荷が CMJ よりも大きい DJ では， 全ての被験者が恐怖感や違和感なく DJ の実施を可能とす るものとして，予備実験の結果，スロープ部と床面のなす 角度を 30 度，落下距離を 26 cm とした．各跳躍動作の実 施に当たり，被験者に対しては全ての動作を最大努力で行 うように指示した．また本実験に先立ち，被験者はウォー ミングアップに加え，動作に慣れることを目的として各跳 躍動作毎に十分な練習を行った．各跳躍は 3 回ずつの試行 を行い，機械的仕事量の最も大きい試行をデータ分析の対 象とした． 2･3 スパイクシューズ 被験者は素足状態の他，以下の 3 種類の陸上短距離用ス パイクシューズを履いた状態で各跳躍動作を行った．（ ） 内は装着状態の省略記号であり，素足状態は NS とする． ( 1 )一般競技用スパイクシューズ（約 215lgm，S1）；主 に入門用として使用されるスパイクシューズであり，プ レートが爪先から前足部までの短プレートタイプである． ( 2 )素足感覚重視型スパイクシューズ（約 180lgm， S2）；プ レ ー ト が 前 足 部 ま で の 短 プ レ ー ト で，足 へ の フィット性能に優れた高性能タイプである． ( 3 )プレート弾性重視型スパイクシューズ（約 140lgm， S3）；プレートが踵部まで施された長プレートの高性能タ イプである． なお，各被験者には事前にシューズサイズの確認を行 い，26lcmmと 27lcmmのものを用意した． 2･4 測定項目 各動作の底屈局面において，以下の項目について検討し た． ( 1 )筋電図 動作中の下腿筋群（腓腹筋内側頭：MG，腓腹筋外側 頭：LG，ヒラメ筋：SOL および前脛骨筋：TA）の筋放 電量を，表面筋電図法により基礎医学研究用機器 Poly-mate AP1132（TEAC 社 製）を 用 い て 2 lkHzm で コ ン ピュータに記録し，全波整流および時間積分を行った．本 研究では，各筋放電量を PFJ における筋電図の時間積分 値を 1 として標準化するとともに，MG，LG および SOL の筋電図積分値を合計して，下腿三頭筋の筋電図積分値と した． ( 2 )足関節角度および角速度 各試行は，被験者の左側方より高速度デジタル動画カメ ラ（EXILIM EX-FH20，CASIO 社製）を用いて毎秒 210 フレームで撮影され，パーソナルコンピュータに取り込ん だ後，足関節角度および角速度を算出した．この際，足関 節動作は矢状面の二次元平面状で行われるものと仮定し た． ( 3 )足関節における出力 （i）足関節トルク（TQ） 各跳躍動作における足関節トルクを，高速度ビデオ画像 から得られた足関節角度と床反力計（フォースプレート Type9286，キスラー社製）により測定した反力の垂直成 分から，以下の式より算出した（図 2）． TQ / L・F TQ / L・Ff・cos Pq,1.57 radQ （L は足関節中心から拇指球までの距離（m），Ff は床反力 の垂直成分（N），q は足関節角度（rad）を表す） （ii）足関節の機械的パワー（P） 足関節の機械的パワー（P）は，足関節における角速度 とトルクの積により算出した． 図 1 実験システムの全景
P/TQ・w （iii）底屈局面の足関節の機械的仕事量（W） 底屈局面で足関節がなした仕事量は，機械的パワーを時 間積分することで算出した． W /
@
Te Ts Pdt ただし，Ts：底屈局面の開始時，Te：底屈局面の終了時 （iv）底屈局面における筋収縮および弾性エネルギー利 用による機械的仕事量（WMUS,WSEC） 底屈局面における筋収縮および弾性エネルギー利用によ る仕事量は，伊藤らl3m，杉崎らl4mと同様の方法で算出し た． ( 4 )内外方向への力 本研究では障碍発生の指標データとして，DJ における 底背屈局面での足部に対する反力の水平成分を足関節や下 腿筋群に加わる負担として記録した． 2･5 統計処理 全てのデータについて，平均値±標準偏差で表した．各 変数の実験条件間での比較には一元配置の分散分析を用 い，2 変数間の差の比較には t 検定を行った．2 変数間の 相関関係は，ピアソンの積率相関係数を用いて検討した． 全ての検定において，有意水準 5％未満をもって有意とし た． 3. 結 果 3･1 弾性エネルギー利用による機械的パワーの増強の 関係 底屈局面における各力学的変量は，DJ と CMJ の間に 有意な差はなかった．また，弾性エネルギーによる足関節 の機械的仕事量に対する弾性エネルギーの貢献度について も，有意な差はなかった． 一例として，図 3（A：CMJ，B：DJ）は S3 における 底屈局面での関節の最大パワーの増加率と仕事量に占める 弾 性 エ ネ ル ギ ー の 貢 献 度 の 関 係，図 4（A：CMJ，B： DJ）は S3 における底屈局面での関節の最大パワーの増加 率と仕事量に占める弾性エネルギーの仕事量の関係，表 1 から表 3 にはそれらを統括的に示す． 弾性エネルギーの貢献度と最大パワーの増加率の関係に おいては，S3 の CMJ で有意水準 5％で有意な正相関が認 められた．また，弾性エネルギーの仕事量と最大パワーの 増加率の関係においては，NS の CMJ および S3 の DJ に おいて有意水準 5％で正の相関が認められた． 3･2 各シューズ装着時の内外方向への力 各シューズ間における内方向および外方向への力の有意 図 2 足関節トルクの算出モデルFig. 2 Calculation model of ankle torque.
図 3 S3 における弾性エネルギーの貢献度とパワー増加率の関
係
Fig. 3 Relationship between contribution of elastic energy
and increase of the mechanicalpower in S3.
図 4 S3 における弾性エネルギーの仕事量とパワー増加率の関
係
Fig. 4 Relationship between work by elastic energy and the
差は認められなかった．また，各シューズにおける内方向 の力に対する外方向への力は全て有意水準 5％で高値で あった．NS における外方向への力と各シューズ使用時に おける外方向への力の関係は，S1，S2 において有意水準 5％で正の相関が認められた．NS における内方向への力 と各シューズ使用時における内方向への力の関係は，S3 において有意水準 5％で正の相関が認められた．図 5 に一 例として，NS における内方向の力と S3 における内方向 の力の関係を示す．また，表 4 に各シューズ装着状態に おける内方向および外方向の力について示す． 4. 考 察 本研究では，これまで報告されている MTC の弾性エネ ルギーによる機械的パワーおよび機械的仕事量の増加につ いて，陸上短距離用スパイクシューズを装着した状態で検 討し，障碍発生要因を含めた評価を行った． 素足状態（NS）での機械的パワーの増加率と弾性エネ ルギーの貢献度の間には CMJ および DJ において有意な 相関が認められなかったが，シューズを装着せずに同様の 実験を行った杉崎らl4mと同様，2 変数間に正相間の傾向 が見られた．S1 においては，CMJ で弾性エネルギーの貢 献度と機械的パワーの増加率の相関関係が低くなる．S2 においては，CMJ での弾性エネルギーの貢献度と機械的 パワーの増加率には正の相関の傾向があるが，DJ では相 関傾向が低くなっており，CMJ，DJ でともに有意な相関 関係は認められなかった．S3 においては，CMJ で弾性エ ネルギーの貢献度と機械的パワーの増加率との間に正の相 関が認められたが，DJ では相関が低くなるっている．こ のことから，CMJ で最大パワーの増加率は全体の仕事量 に対する弾性エネルギーの割合である弾性エネルギーの貢 献度との間に依存関係があり，特に S3 においてはこの依 存関係が高いと考えられる．しかし，3 種類のスパイク シューズを装着した状態では DJ において両者間に負の相 関，または相関関係が低くなる傾向が認められた．これ は，素足と比較してスパイクシューズのピンが接地ブロッ ク上の全天候舗装材に突き刺さることで接地時間が変化し たためであると考えられる． また，機械的パワーの増加率と弾性エネルギーによる仕 図 5 NS と S3 における内方向への力の関係
Fig. 5 Relationship of force to inside direction in NS and S3. 表 1 底屈局面における足関節の最大パワー
Table 1 Maximum power of ankle during plantar fl exion phase［W/kg］. PFJ CMJ DJ NS 7.52±3.90 8.23±1.75 11.00±5.13 S1 8.29±1.97 8.85±2.31 11.76±4.63 S2 8.47±3.71 9.09±2.31 11.12±1.94 S3 8.58±2.27 9.46±2.48 11.12±3.40 表 2 筋収縮による機械的仕事量
Table 2 Mechanical work by muscle contraction ［J/kg］. （ ）: mechanical work［％］ PFJ CMJ DJ NS 1.14±0.423 0.93±0.37 1.06±0.40 （100） （69±23） （64±17） S1 1.11±0.18 0.95±0.29 1.01±0.52 （100） （68±16） （54±21） S2 1.11±0.33 0.94±0.37 1.07±0.30 （100） （64±23） （61±21） S3 1.14±0.27 0.86±0.22 1.07±0.44 （100） （59±15） （56±17） 表 3 弾性エネルギー利用による機械的仕事量 Table 3 Mechanical work by reuse of elastic
energy［J/kg］. （ ）: mechanical work［％］ PFJ CMJ DJ NS 0.00 0.41±0.29 0.57±0.30 （31±23） （36±17） S1 0.00 0.45±0.22 0.79±0.32 （32±16） （46±21） S2 0.00 0.52±0.34 0.74±0.49 （36±23） （39±21） S3 0.00 0.63±0.28 0.85±0.40 （41±16） （44±17） 表 4 DJ における内外方向への力 Table 4 Force to direction of inside
and outside to DJ［N/kg］. outside inside NS 1.94±0.35 0.21±0.18 S1 1.78±0.62 0.27±0.25 S2 1.72±0.86 0.45±0.39 S3 2.01±0.74 0.36±0.27
事量の関係については，素足状態（NS）での CMJ で両者 の間に正の相関が認められるが，DJ では相関が低くなる． そのため弾性エネルギーの仕事量との依存関係が低いと考 えられる．S1 においては，弾性エネルギーによる仕事量 と機械的パワーの増加率の関係で，CMJ で正の相関傾向 が見られるものの，CMJ，DJ では相関関係が認められな かった．S2 においては，CMJ および DJ で弾性エネル ギーによる仕事量と機械的パワーの増加率の間に正の相関 傾向が見られるが，相関関係の有意性は認められなかっ た．さらに，S3 においては，CMJ での弾性エネルギーに よる仕事量と機械的パワーの増加率の間に有意な相関関係 は認められなかったが，有意水準 10％において有意であ ることから相関の傾向があり，DJ では有意水準 5％で正 の相関が認められた．これらのことは，最大パワーの増加 率が弾性エネルギーの仕事量と依存関係にあることを示唆 する．さらに，S3 においては弾性エネルギーの仕事量と パワーの増加率との依存関係が高いと考えられる． 以上のことから，弾性エネルギー利用の程度から最大パ ワーの増加率を評価した場合，S3 は弾性エネルギーの利 用による依存関係が高く，DJ のような高負荷の反動動作 においても出力の増加が弾性エネルギーの利用の程度に依 存することが示唆された．また，DJ は走動作における着 地相からキック相に至る接地期の状態に最も近いと考えら れ，実競技において S3 装着時の弾性エネルギーの利用は パフォーマンスへの寄与が大きいと考えられる．これらの ことは，S1 および S2 が弾性エネルギーを発生させると考 えられるプレートが前足部のみに施された短プレート構造 であるのに対し，S3 はプレートが前足部から踵に至る足 裏全体に施され，より多くの弾性エネルギーを蓄積すると いうシューズの構造的な部分に起因すると考えられる． さらに，各シューズ使用時における DJ での足部に対し て側方向への水平成分は，各シューズ使用時において外方 向への力が，内方向への力に対し有意に高値であり，NS での内方向への力と S3 での内方向への力に有意水準 5％ で正の相関関係を示した．これに対し，S1 および S2 にお いては，NS での内方向への力とシューズ装着時の内方向 への力がほぼ無相関であった．以上のことから，S1，S2 に比較して，S3 は弾性エネルギーの利用によるパワーの 増強効果が認められるが，大きな外力が働くと考えられ る．外方向への力の発生に加えて内方向への力の発生は， 足関節を安定させる方向に働く下腿筋群に機械的刺激が加 わることで，脛骨付着部の筋膜を牽引し，炎症を引き起こ しうるためl6m，S3 は他のシューズよりも障碍が発生する 可能性が高いと示唆される．これらの点は，昨今のジュニ アスポーツ競技会や中高齢者のマスターズ等，競技志向の 強い大会が広い年齢層で拡大していることを考えると，生 体医工学的観点から重要な課題を含んでいると考えられ る． 5. ま と め 本研究では，下腿筋-腱複合体の弾性エネルギーの定量 化をするとともに，障碍発生要素を含めた観点からスパイ クシューズの評価を目的とした．その結果を以下にまとめ る． ( 1 )素足状態およびスパイクシューズ装着時において， 各跳躍動作における機械的パワー，機械的仕事量およびそ れらの増加率に有意な差は認められなかった． ( 2 )機械的パワーの増加率と弾性エネルギーの貢献度の 間には，S3 の CMJ において正の相関，機械的パワーの増 加率と，弾性エネルギーによる仕事量の間には，素足状態 での CMJ および S3 での DJ で正の相関が認められ，プ レートの弾性を重視したスパイクシューズにおいて，高負 荷の反動動作での出力の増加が弾性エネルギーの利用の程 度に依存することが示唆された． ( 3 )また，S3 において，側方向への力の発生から障碍 が発生する可能性が他のシューズに比べ高いことが示唆さ れた． 文 献
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畠 圭佑（ハタ ケイスケ） 2009 年長岡技術科学大学工学部経営情報 システム工学課程卒業．長岡技術科学大学大 学院修士課程 工学研究科経営情報システム 工学専攻在学．スポーツ工学・バイオメカニ クスの研究に従事． 西條 暁里（サイジョウ トシノリ） 2008 年長岡技術科学大学大学院修士課程 工学研究科経営情報システム工学専攻修了． 2008 年長岡技術科学大学大学院博士後期課 程工学研究科生物統合工学専攻入学，現在に 至る．現在は，スポーツギアの機械的情報と 生体情報の計測に関する研究に従事． 塩野谷 明（シオノヤ アキラ） 最終出身校：福島大学（昭和 59 年）日本 体育大学大学院（昭和 61 年）．勤務機関での 略歴：長岡技術科学大学工学部助手（昭和 61 年），同大学大学院エネルギー環境工学専 攻論文博士（平成 11 年）・博士（工学），同 大学助教授（平成 12 年）を経て現在准教授． 大学院博士課程生物統合工学専攻主指導教員．現在の所属：長 岡技術科学大学経営情報系准教授．専門研究分野：スポーツ工 学，バイオメカニクス． 所属学会：生体医工学会，機械学会，バイオメカニズム学会 他．
