ハムストリングスは膝関節を伸展させるか

―数理モデルによる検証―

抄録

【はじめに】膝関節周囲の悪性腫瘍による大腿四頭筋の広範囲切除によって膝関節伸展筋力は大幅に低下し，椅子からの立ち上がりや歩行などの日常生活動作に影響を及ぼすことが報告されている．一般的には，大腿四頭筋が膝関節伸展作用を発揮すると考えられているが，一部の先行研究ではハムストリングス（HAM）が膝関節伸展作用を発揮する可能性が提示されている．しかし，どのような姿勢でHAMが膝関節伸展作用を発揮するのかは明らかとなっていない．そこで本研究は，数理モデルを用いてHAMが膝関節伸展作用を発揮できる姿勢を明らかすることを目的とした．

 

【方法】身長1.8 m，体重80 kgの対象者を仮定し，体幹，大腿，下腿から構成される矢状面リンクモデルを構築した． HAMの膝関節屈曲および股関節伸展モーメントアーム（MA）はOpenSimのGait2392モデルで報告されており，HAMの筋張力を決定すれば，HAMによる膝関節屈曲および股関節伸展モーメントは一意に決定できる．本研究では10Nmの膝関節屈曲モーメントが発揮されるようにHAMの筋張力を設定した．膝関節を屈曲0度～90度，股関節を伸展30度～屈曲90度の範囲内で変位させ，順動力学シミュレーションを実施した．なお，純粋なHAMの作用を確認するため重力の影響がない姿勢を仮定した．HAM機能の判定には，シミュレーション開始時と終了時の膝関節屈曲角度の差を用いた．先行研究において，HAMが膝関節伸展作用を発揮するためには，HAMの股関節伸展MAが膝関節屈曲MAに比較して大きい必要があると報告されている．そのため，股関節伸展MAを膝関節屈曲MAで除した値（MA比）も算出した．上記の解析はScilab 6.0.0によって実施した．

 

【結果】HAMは膝関節屈曲7～0度かつ股関節屈曲2～62度（条件1），膝関節屈曲44～90度かつ股関節伸展30～屈曲50度（条件2），の2つの条件下で膝関節伸展作用を発揮した．条件1では膝関節角度が小さいほど，条件2では膝関節屈曲角度が大きいほど膝関節伸展作用が強くなる傾向にあった．また，MA比が大きい場合でも，HAMが膝関節伸展作用を発揮しないこともあった．

 

【考察】本研究の結果より，HAMの膝関節伸展作用の発揮はMA比の大小だけでは説明できないことが明らかとなった．先行研究において，筋の力学的作用はリンクシステムの姿勢により変化することが報告されている．本研究においても，姿勢の影響によりHAMの力学的な作用が修飾されている可能性が考えられた．

 

【結論】本研究は2つの条件下においてHAMが膝関節伸展作用を発揮する可能性を提示した．この結果から考えると，条件1・2におけるHAMの膝関節伸展作用をうまく活用することが出来れば，大腿四頭筋の機能不全を有する者であっても，椅子からの立ち上がりや歩行などの日常生活動作を円滑に遂行できる可能性が考えられた．

 

【倫理的配慮，説明と同意】本研究は数理モデルを用いた順動力学シミュレーションによる検証のため，倫理的配慮および説明と同意に該当する内容は含んでない．数理モデルに必要なパラメータは先行研究で報告されたものや既存のモデルを参照しているため，個人を特定する内容は含まれていない．