最大吸気圧測定の反復に伴う呼吸筋活動の変化
Changes in Respiratory Muscle Activity during Repeated Measurements of Maximal
Inspiratory Pressure
金子 秀雄
1)永井 良治
1)吉住 浩平
1)HIDEO KANEKO1), YOSHIHARU NAGAI1), KOHEI YOSHIZUMI1)
1) Department of Physical Therapy, Fukuoka School of Rehabilitation Sciences, International University of Health and Welfare:
137–1 Enokizu, Okawa-shi, Fukuoka 831-8501, Japan. TEL +81 944-89-2000
Rigakuryoho Kagaku 25(4): 487–492, 2010. Submitted Jan. 18, 2010. Accepted Feb. 16, 2010.
ABSTRACT: [Purpose] The purpose of this study was to clarify changes in diaphragm activity and abdominal muscle
activity during repeated measurements of maximal inspiratory pressure (PImax) that lead to an increase in PImax. [Methods] Eleven healthy male subjects underwent 20 PImax and 3 maximal expirator pressure (PEmax) measurements. Electromyography of the diaphragm and abdominal muscles (rectus abdominis, external oblique, internal oblique) were recorded by surface EMG during PImax and PEmax measurement. Short PImax (average of the first 3 highest values with <5% variability) and long PImax (average of the 3 highest values with <5% variability from all recorded measurement) were determined, and these PImax and the root-mean-square (RMS) amplitude of each muscle were compared. [Results] Compared to short PImax period, the long PImax and diaphragm RMS amplitude in the long PImax period were significantly increased. The RMS amplitude of abdominal muscles showed no significant increases, but the coefficient of variation of the internal oblique muscle RMS amplitude decreased. There was a significant negative correlation between the percentage of the RMS amplitude relative to PEmax in the short PImax period and the ratio of changes in RMS amplitudes for long PImax and short PImax. [Conclusion] The results suggest that increased PImax during repeated measurement is derived from not only an increase of diaphragm recruitment but also control of internal oblique muscle recruitment.
Key words: maximal inspiratory pressure, respiratory muscle, electromyography
要旨：〔目的〕本研究の目的は，反復測定による最大吸気圧（PImax）増大に伴う横隔膜と腹筋群の筋活動変化を明 らかにすることとした。〔方法〕健常男性11 名を対象に20 回のPImax と3 回の最大呼気圧（PEmax）測定を行い，そ のときの横隔膜と腹筋群（腹直筋，外腹斜筋，内腹斜筋）の筋活動を表面筋電図にて記録した。short PImax（最初 の5％変動内最高値の3 回平均）とlong PImax（すべての測定の5％変動内最高値の3 回平均）を定義し，それぞれの PImax と各筋の筋電図の実効値を比較した。〔結果〕short PImax に比べlong PImax が有意な増大に伴い横隔膜の実効 値も有意に増大した。腹筋群に有意差はなかったが，内腹斜筋実効値の変動係数は明らかに減少し，short PImax 法 の実効値（PEmax 時の実効値に対する割合）と実効値変化率（long PImax 法／ short PImax 法）の間に有意な負の相 関を認めた。〔結語〕反復測定によるPImax 増大には，横隔膜の筋活動増大だけでなく内腹斜筋の筋活動制御も関 与している可能性が示唆された。
キーワード：最大吸気圧，呼吸筋，表面筋電図
1) 国際医療福祉大学 福岡リハビリテーション学部理学療法学科：福岡県大川市榎津137-1（〒831-8501） TEL 0944-89-2000
I. はじめに 最大吸気圧（PImax）は呼吸筋力の臨床評価指標とし て利用されている。しかし，最大吸気努力は，日常的 に繰り返されることの少ない努力依存性の課題である ことから過小評価されやすい1)。一般にPImax の測定に は3 回の試行回数が推奨されているが2)，試行回数を多 くすることでPImax は増大する3-5)。そのため，再現性 を高めるには十分な説明と練習が必要となる。近年は， 測定前に吸気抵抗負荷を利用したウォームアップを実 施することで，再現性を高められることが報告されて いる6)。しかし，PImax が増大するメカニズムに関して は，不明な点もあり検討の余地が残されている。 PImax が増大するメカニズムには，学習効果5)，末梢 興奮性の増大7)，活動中の吸気筋間の相乗作用8,9)が考 えられている。しかし，学習効果については，吸気抵 抗負荷によるウォームアップだけで反復測定と同等の PImax増大が得られることから否定的である6,8,9)。Hawkes ら9)は，ウォームアップ前後におけるPImax 時の横隔膜 と肋間筋の筋活動を測定したところ，それぞれの筋活 動がともに増大したことから吸気筋間の相乗作用が高 められたと考察している。だが，PImax 測定時には呼気 筋である腹筋群においても筋活動が認められており10)， さらには最大吸気努力に呼出努力を組み合わせること で横隔膜活動が増加すること11)が報告されている。こ のように最大吸気努力時には吸気筋だけでなく腹筋群 も関与することが示されている。それゆえ，反復測定 やウォームアップによるPImax 増大のメカニズムには 吸気筋だけでなく，腹筋群も関連している可能性が考 えられる。横隔膜の拮抗筋である腹筋群の動員は吸気 作用の妨げとなるが，その一方で横隔膜の起始部とな る肋骨部は固定され，張力を発揮しやすくなる。つま り，より高いPImax を得るには適度な腹筋群の動員が 必要であると考えられる。しかし，PImax 増大に腹筋群 がどのように関与しているかを検証した先行研究はな い。 呼吸筋の筋電図学的評価には，針電極やワイヤ電極 を用いた侵襲的な方法と表面電極を用いた非侵襲的な 方法がある。一般に横隔膜など深層筋の選択的な評価 には，侵襲的な方法が利用される。しかし，近年，横 隔膜の筋活動評価を行った先行研究では表面筋電図を 用いた研究が散見される9,12-15)。磁気刺激による横隔膜 の潜時計測にも表面筋電図が利用されており，その妥 当性について示されている12)。 そこで，本研究では，表面筋電図を用いて，PImax 測 定を繰り返した時の横隔膜と腹筋群の筋活動を記録し， PImax 増大による横隔膜と腹筋群の筋活動の変化を明 らかにすることを目的とした。 II. 対象と方法 1. 対象 健常男性11 名（平均年齢 21 ± 1 歳，平均身長 1.73 ± 0.01 m，平均体重 59.5 ± 5.8 kg）を対象とした。本研究 は所属施設の倫理委員会の承認を得た後，すべての対 象者に本研究の説明と同意を得た。 2. 方法 PImax の測定は口腔内圧計（CHEST，HI-801）を用い て20 回測定した。最大吸気努力は腹筋群の活動を生じ させないように機能的残気量位にて行い，2 ～3 秒保持 させ，試行間にはおよそ1 分間休憩させた。円筒形のマ ウスピースを用い直径2 mmの穴により最大吸気努力時 の声門閉鎖を防ぐようにした。最大呼気圧（PEmax）は 3 回測定した。最大呼気努力は全肺気量位から行い，最 大呼気努力時の頬筋の利用を防ぐように行った。PEmax， PImaxは最大吸気圧および呼気圧が少なくとも1秒間維 持できたものを採用した。 横隔膜と腹筋群の筋活動評価には表面筋電図（Delsys，
Bagnoli-8 EMG system）と電極間距離1 cm の能動電極を 用いた。表面電極は，右側の横隔膜，腹直筋，外腹斜 筋，内腹斜筋に貼付した。貼付部位はアルコールで拭 き取り，電極は粘着テープを使いしっかりと固定した。 腹直筋の電極は臍上1 cmで中央線より2 cm外側とした。 外腹斜筋は，胸郭直下で最下肋骨縁と対側の恥骨結節 を結んだ線に沿って貼付した。内腹斜筋の電極は上前 腸骨棘の1 cm 内側で左右の上前腸骨棘を結んだ線より も下に貼付した16)。横隔膜の電極は右鎖骨中央線上の 最下肋間に貼付し9)，このとき腹式深呼吸を行わせ筋 電図波形が出現することを確認した。アース電極は胸 骨上とした。 筋 電 図 信 号 は 市 販 の ソ フ ト ウ ェ ア（Delsys，EMG Works）を用いて測定し，吸気努力開始からの5 秒間の 筋電図信号をパーソナルコンピューターに保存した。 筋電計は吸気圧をトリガーにしてサンプリング間隔100 ms の口腔内圧計と同期させた。口腔内圧計とマウス ピースの間に吸気スイッチ（徳永装器研究所，呼気ス イッチ（2S））を取り付け，吸気開始に同期させて筋電 図を記録した。筋電図に明らかな心電図波形の混入を 認めなかったため，筋電図信号はそのまま分析した。
筋電図信号のサンプリング周波数は1,000 Hz とし，20 Hz ～ 500 Hz のバンドパスフィルタを通過した後に 100 ms 間隔で実効値を計算した。PImax における各筋の実 効値は，最高吸気圧から0.5秒間の平均値を求めた。PEmax における腹筋群の実効値も，最高呼気圧から0.5 秒間の 平均値を計算した。さらに，安静時における各筋の実 効値は任意の1 秒間の平均値として計算した。最終的 には，PImax およびPEmax における各筋の実効値は，安 静時の値を引いた値として求めた。PImax における腹筋 群の実効値については，標準化するためにPEmax 時の 実効値に対する百分率（％PEmaxEMG）を求めた。 対象者はノーズクリップを装着して肘掛けつきの椅 子に座り，上肢は楽な姿勢を保たせた。電極を貼付し， 測定方法を十分に説明し数回の練習を行った後に，安 静時の筋電図を測定した。次に，機能的残気量位から 最大吸気努力を20 回行わせた。最後に，最大呼気努力 を3 回行わせた。すべての試行において背中は背もた れから離れないようにし，姿勢を変えないように実施 させた。2 ～3 秒間の最大吸気努力および最大呼気努力 時には口頭により励ましながら行った。 PImax はWen らの研究5)に準じて2 つの方法で計算し た。5％変動内で最初の最も高い 3 回の平均値を short PImax，すべての測定において 5％変動内で最も高い 3 回の平均値をlong PImaxとして求めた。また，short PImax， long PImaxに要した試行回数についても計算した。PEmax は3 回の測定における最大値とした。
short PImax，long PImax，PEmax と各筋の実効値は平
均値と標準偏差として表した。short PImax法とlong PImax
法の各測定値の比較には，統計ソフトSPSS，14.0J を使
い，対応のあるt 検定を行った。有意水準は 5％未満と
し，それ未満を有意とした。
III. 結 果
short PImax，long PImax，PEmax と各筋の実効値を表 1に示す。short PImax とlong PImaxの比較では，long PImax が8％増大し，有意差を認めた。long PImax とshort PImax
が得られた平均試行回数は，それぞれ5 ± 2 回，15 ± 6
回であった。
short PImax 法と long PImax 法の実効値を比較すると，
横隔膜はshort PImax 法に比べ long PImax 法で 31％増大
し，有意差を認めた。腹筋群では，腹直筋と外腹斜筋 の実効値がそれぞれ41％，34％増大し，内腹斜筋の実 効値は4％減少したが，ともに有意差を認めなかった。 しかし，腹筋群の実効値の変動係数をみると，外腹斜 筋は91％から 136％に増大したが，腹直筋は 120％から 101％に，内腹斜筋は 112％から 71％に減少しており， 内腹斜筋の実効値のばらつきが最も減少していた。
次に，short PImax 法における腹筋群の％PEmaxEMG
を表2に示す。腹直筋，外腹斜筋，内腹斜筋の％PEmaxEMG
は，それぞれ80％，35％，31％となり，腹直筋につい
ては対象者の内3 名が PEmax 時の実効値を越える値で
あった。一方，内腹斜筋ではすべての対象者がPEmax
時の実効値を越えることはなかった。
さらに，各測定値におけるshort PImax 法に対するlong
PImax 法の百分率（long ／short 比）を対象者別に比較し
てみると，1 名を除く10 名はlong PImaxが増大しており，
そのうち8 名は横隔膜の実効値も増大していた。変動
係数が減少した腹直筋と内腹斜筋に着目してみると， long PImax 法で実効値が増大した対象者数（long ／short 比＞100％）はそれぞれ5 名，4 名であった。これらの対
象者のshort PImax 法の％PEmaxEMG をみると，他の対
象者よりも低値であり，内腹斜筋では4 名すべてが 18
％以下であった。そこで，腹筋群におけるshort PImax
法の％PEmaxEMG と long ／ short 比の関連をみるために pearson の相関係数を求めると，内腹斜筋にのみ有意な 表1 PImaxおよびPEmaxにおける口腔内圧と横隔膜，腹筋
群の実効値
short PImax long PImax PEmax 口腔内圧（cmH2O) 107 ± 22 115 ± 22* 148 ± 39 横隔膜（V） 26 ± 29 34 ± 34* 腹直筋（V） 7.8 ± 7.1 11 ± 15 21 ± 23 外腹斜筋（V） 7.4 ± 8.9 9.9 ± 10 23 ± 13 内腹斜筋（V） 93 ± 104 89 ± 63 306 ± 161 値は平均値±標準偏差
*：short PImax 法と long PImax 法の比較（p<0.05）
表2 short PImax法における腹筋群の％PEmaxEMG お よ び PImaxと実効値の変化率（％） ％PEmaxEMG long/short 比 PImax 108 ± 6 横隔膜 164 ± 112 腹直筋 80 ± 85 151 ± 135 外腹斜筋 35 ± 34 152 ± 64 内腹斜筋 31 ± 24 244 ± 311 値は平均値±標準偏差 ％PEmaxEMG：PEmax 時の実効値に対する百分率 long/short比：short PImax法に対するlong PImax法の百分率
負の相関を認めた（r ＝–0.65，p<0.05）。
IV. 考 察
本研究では，表面筋電図を用いてPImax 増大による
横隔膜と腹筋群の筋活動の変化について検証した。Wen
らの 方 法5)に 準じ てPImax の測定を繰り返した結果，
short PImaxに比べlong PImaxでは8％の増大が得られた。
これは11％増大したとする Wen らの報告5)よりやや少
ないがPImax は有意に増大し，これに伴い横隔膜の実
効値も有意に増大した。腹筋群の実効値は有意な変化
を認めなかったが，内腹斜筋のみがshort PImax 法の％
PEmaxEMG と long ／ short 比の間に有意な負の相関を認 めた。 横隔膜筋活動の選択的な記録には針電極やワイヤ電 極が用いられるが，これは侵襲を伴うことに加え電極 設置の困難さや気胸のリスクもある。そのため，近年 は横隔膜に対して表面電極を利用した先行研究により， その有用性が示されている12,13,15)。今回の結果は先行 研究に準じて測定を行ったが，表面電極には筋と電極 間距離の変動や腹筋群や肋間筋からのクロストークの 制御などの問題がある。本研究で実施したPImax の測 定は，気道閉塞させて行うため横隔膜の位置が変化し にくく同じ課題を比較していることから，電極間距離 の変動の影響は少ないと考えられる。また，先行研究 で示された電極位置は外内肋間筋の影響が少ない位置 とされている。腹筋群に対しては，PImax 時にも姿勢を 変化させず，さらにPImax 時の実効値から安静時の値 を減算することで，姿勢保持および変化に伴う筋活動 の影響を最小限にするようにした。しかし，PImax 時に は腹直筋や外腹斜筋の筋活動が認められ腹筋群からの クロストークは無視できない結果となった。そのため， 横隔膜の実効値に対しては腹筋群のクロストークの影 響を考慮した議論を進めなければならない。 今回の結果では，PImax 増大に応じて横隔膜の実効 値は有意に増大した。一方，クロストークの影響があ る腹直筋，外腹斜筋について実効値の平均は増大した が，有意な変化ではなかった。つまり，横隔膜の実効 値には腹筋群からのクロストークが含まれているかも しれないが，実効値が有意に増大したのは横隔膜だけ であったことから，腹筋群からのクロストークを超え る横隔膜の筋活動増大があったと考えることができる であろう。Hawkes ら9)はウォームアップ前後のPImax と 吸気筋活動を測定した結果から，PImax 増大に伴う横隔 膜の筋活動増大について報告しており，これは本研究 の結果と一致する。この研究も表面筋電図を用いた研 究であるが，腹筋群の筋活動を測定していないため， 腹筋群からのクロストークについては議論されていな い。一般に，PImax は吸気課題であることから，呼気筋 である腹筋群は動員されにくいと考えられている。だ が，今回の結果において腹筋群の筋活動を認めたこと から，表面筋電図を用いた横隔膜活動の分析には，腹 筋群の筋活動を考慮した議論がなされるべきであろう。 腹筋群の％PEmaxEMG は，腹直筋の筋活動が最も大 きい筋活動レベルとなった。しかし，他の腹筋群に比 べ，腹直筋は運動学的機能としての役割が大きい。息 こらえ（最大）時の腹筋群の筋活動に関する先行研究17) では，体幹屈曲の最大等尺性収縮を加えたときの筋活 動に対して，内腹斜筋と外腹斜筋の筋活動はそれぞれ 42％，37％，腹直筋では 4％に過ぎないことが示されて い る。ゆ え に，今 回 の 結 果 に お け る 腹 直 筋 の ％ PEmaxEMG は高値を示したが，最大随意収縮時に対す る筋活動の割合は低く，腹直筋の影響は小さいものと 考えられる。逆に，内腹斜筋の％PEmaxEMG は3 筋の中 で最も低いが，内腹斜筋が息こらえで最も動員されて いることを考えると，最大随意収縮時に対する筋活動 の割合は腹直筋よりも大きくなる。 腹筋群は，肋間筋と同様に，横隔膜の筋活動効率を 高めるといわれている11)。肋間筋と腹筋群はともに横 隔膜の拮抗筋として働き胸腹部形状を維持させる。こ れにより肺などの呼吸器系の要素は保護され，横隔膜 は よ り 大 き な 筋 活 動 を さ せ る こ と が 可 能 に な ると 考 えられている。今回観察された腹筋群の筋活動は，こ れを支持する結果と考えられる。PImax 増大に伴い腹 筋群の実効値は有意に増大しなかったが，腹直筋と内 腹斜筋の変動係数は減少し，特に内腹斜筋において顕 著であった。そして，short PImax 法における内腹斜筋 の％PEmaxEMG を対象者別に比較すると，18％を境に， 低値の人は高値へ，高値の人は低値へと筋活動を変化 させていることがわかった。結果として，内腹斜筋の みがshort PImax 法の％PEmaxEMG と long ／ short 比に有 意な相関を認めた。先行研究では，内腹斜筋は呼吸活 動18)や腹腔内圧17,19)に深く関与し横隔膜と協調した活 動を行うことに加え，過剰な腹筋群の動員（腹腔内圧 の上昇）は吸気圧を低下させること20)が示されている。 つまり，内腹斜筋は横隔膜の筋活動効率を高めるよう 適度な筋活動を発揮させることで，PImax 増大に寄与 していると考えられる。 PImax 増大のメカニズムは，従来，学習効果として解 釈されていたが，現在は否定的である。これはウォー
ムアップによるPImax 増大が，反復測定による結果と 差がないことから説明されている6,8,9)。そのため，PImax 増大のメカニズムとして末梢興奮性の増大7)，活動中 の吸気筋間の相乗作用8,9)といった神経生理学的な効果 が考えられている。Hawkes ら9)は，ウォームアップ後 のPImaxにおける横隔膜と肋間筋の吸気活動を分析し， 吸気筋間における相乗作用について述べている。しか し，PImax 増大と腹筋群の筋活動の関連を検証した先行 研究はなく，本研究が初めての報告といえるであろう。 そして，PImax 増大に伴い横隔膜の筋活動が増大し内腹 斜筋の筋活動が制御されていた今回の結果は，PImax 増 大のメカニズムとして横隔膜と内腹斜筋の相乗作用が 関与することを示唆するものと考える。 非侵襲的に測定できるPImax は，吸気筋力の臨床評 価指標として幅広く利用されている。そして，様々な 効果を検証するためには，高い信頼性が求められる。 しかし，long PImax の平均試行回数は15 回となり，信頼 性を高めるために試行回数を繰り返すことは対象者へ の負担も多く現実的ではない。この点では吸気筋トレー ニング器具を用いたウォームアップは，信頼性を高め る有効な手段と思われる。ウォームアップでは40％PImax の吸気抵抗で30 回の呼吸が繰り返される。これにより 反復測定によるPImax 増大と同程度の効果が得られる ことが示されている8)。今回の研究では，ウォームアッ プによる効果は検証していないが，吸気抵抗を加える と腹筋群が動員されることから21)，ウォームアップを 行った場合においても腹筋群は横隔膜と協調した活動 が促されているかもしれない。 本研究の結果から，反復測定によるPImax 増大には 横隔膜の筋活動増大だけでなく内腹斜筋の筋活動制御 に関与している可能性が示唆された。しかし，横隔膜 の筋活動に関しては，表面筋電図を用いたことで腹筋 群からのクロストークを考慮する必要があった。今回 の研究では，侵襲的な手段を用いて横隔膜活動の選択 的な評価は行っていないため，クロストークの影響が どの程度であったかは明らかでない。今後は表面筋電 図による横隔膜活動に対する腹筋群のクロストークの 影響について検討を加える必要がある。また，今回は 健常者を対象とした結果であるが，呼吸障害患者に対 して同様な変化が生じているかは検証できていない。 慢性閉塞性肺疾患患者では反復測定によるPImax の増 大が報告3)されており同様な変化が生じている可能性 があるが，この点についても明らかにすべきであろう。 引用文献
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