TOTAL FITNESS MASTERY:1
「歩行の生体力学的原則」
こんにちは!
KEN kotakiです!
このコラムは、トータルフィットネスの基礎的な知識を網羅した辞書のようなものを作りたいと思い、作成しました。私自身、トレーナーや運動アドバイス、コンサルタントをしている際に、知っているけれども微妙な、曖昧な部分がよくあります。そのような曖昧な状態を解消したいと考え、基礎的な事柄をしっかり理解したいと思い、フィットネス関連の基礎知識を探求しようと思いました。同じように感じているトレーナーやトレーニング愛好家、フィットネス関連の仕事をしている方々に向けて、確かにしっかり知らなかったから、良い機会になった、と感じていただける事があれば幸いと発信をはじめました。
最初は本当に基礎的な事からはじめて、徐々にメディカル分野や、様々な分野も含めて探求していきます。
第1回目は「歩行についての生体力学」を取り上げます。
1.歩行の生体力学的原則
ウォーキングは、体内のさまざまな関節、筋肉、骨の協調的な動きを伴う複雑な生体力学的プロセスです。ウォーキングに関わるいくつかの重要な生体力学的原則を以下に説明します。
① バランスと安定性:バランスと安定性を維持することは、歩行中に非常に重要です。これには、支持の基部に対する身体の重心の継続的な調整が含まれます。サポートのベースは、地面と接触する足の間の領域です。体のセグメント、特に頭、体幹、骨盤の適切な配置は、安定性を維持するために重要です。
② 体重移動:ウォーキングには、片方の脚からもう片方の脚への周期的な体重移動が含まれます。スタンスフェーズ(足が地面に接触しているとき)の間、体重は支持脚からスイング脚に移され、体を前方に推進します。この体重移動は、前方の勢いを生み出すのに役立ちます。
③ 関節の可動性:体内のさまざまな関節は、歩行において特定の役割を果たします。足首関節は、スイングフェーズ中に足のクリアランスを可能にし、スタンスフェーズ中にプッシュオフパワーを提供します。膝関節は脚を曲げて伸ばすために機能し、最初の地面接触時に衝撃を吸収し、中間時に安定性を提供します。股関節は脚のスイングを可能にし、体を前方に推進します。
④ 筋肉の活性化:ウォーキングには、協調的な筋肉の活性化とリラクゼーションが必要です。ふくらはぎ、大腿四頭筋、ハムストリングス、臀部などの下肢の筋肉は、歩くために必要な力を生成するために共同して働きます。これらの筋肉は調整された方法で収縮し、リラックスし、安定性を提供し、ウォーキングの動きパターンを生成します。
⑤ エネルギー効率:ウォーキングは、その省エネルギーメカニズムにより、移動の効率的な手段です。そのようなメカニズムの1つは、歩行中の脚の振り子のような動きであり、エネルギー消費を最小限に抑えます。脚の自然なスイング運動は、ポテンシャルエネルギーの運動エネルギーへの移動を可能にし、前方移動に必要な労力を減らします。
⑥ アームスイング:アームスイングは、ウォーキングバイオメカニクスの重要な要素です。脚と連携して腕を振ることは、脚の動きによって生成される回転力を相殺するのに役立ちます。アームスイングはまた、バランスと安定性を維持するのに役立ち、歩行の全体的な効率に貢献します。
⑦ 歩行サイクル:歩行サイクルは、歩行の1つの完全なストライドの間に発生するイベントのシーケンスを指します。スタンスフェーズとスイングフェーズの2つのフェーズに分かれています。スタンスフェーズは、片足の最初の地面接触から始まり、同じ足が地面から持ち上げられたときに終わります。スイングフェーズは、足が空中にあるときに発生し、次の地上接触に備えて前進します。
これらの生体力学的原則を理解することは、歩行パターンの分析と改善、歩行異常の診断、および運動障害を持つ個人のための補助装置またはリハビリテーション戦略の開発に不可欠です。
2.ウォーキングの段階
ウォーキング時の足の状態には2つのタイプがあります。
・スタンスフェーズ
・スイングフェーズ
スタンスフェーズは足が地面に設置している時間です。スタンスフェーズは、歩行サイクルの約60%を占め、スタンスフェーズの一部では、両足は一定時間地面にあります。走行中は、スタンスフェーズが減少し、フロートフェーズと呼ばれる両足が地面から離れている時間があります。
スイングフェーズは、片足が地面にあり、もう一方の足が空中にあるときの局面を指します。
スタンスフェーズの5つの段階
① ヒールストライク:ヒールストライクフェーズは、踵が地面に触れた瞬間に始まり、足全体が地面に接地するまで続きます。
② アーリーフラットフット:アーリーフラットフットフェーズの始まりは、足全体が地面に接地している瞬間解いて定義されます。アーリーフラットフットフェーズの終わりは、体の重心が足の上を通過するときに発生します。体の重心は、私たちがウォーキングしているとき、背骨下の前の骨盤領域にあります。アーリーフラットフットフェーズの大きな目的は、足がショックアブソーバーとして機能し、足が着地する衝撃を緩和するのを助けます。
③ レイトフラットフット:体の重心が足の中立位置を通過すると、歩行の後半のレイトフラットフットフェーズの段階にあると言われています。このフェーズは、踵が地面から持ち上げられたときに終了します。この段階では、足はショックアブソーバーから、体を前進させるために役立つ固いレバーに変化します。
④ ヒールの上昇:名前が示す通り、"かかとの上昇段階"は、かかとが地面から離れ始める瞬間に始まります。この段階において、足は体を前進させるための硬いレバーの役割を果たします。ウォーキングのこの部分において、足を通過する力は非常に重要で、しばしば我々の体重の2〜3倍に達するといいます。これは、足が足首を中心にレバーアームを形成し、体重の力を増幅するからです。これらの高い力を考慮すると、平均的な人間が1日に3000〜5000歩(より活動的な人は1日に約10,000歩)しか歩かないことを思い浮かべると、足が中足痛、バニオン、後脛骨腱機能障害、骨腱炎、皮膜腱炎など、慢性的、反復的なストレス関連の問題に容易に見舞われるのは驚きではありません。
⑤ つま先が離れる:ウォーキングのフェーズから外れたつま先は、つま先が地面から離れたときに始まり、それは同時にスイングフェーズの開始を表しています。
※ウォーキングとランニングの決定的な違いは、走るときに両足が地面から離れている時間があるということです(フロートフェーズ)。さらに、ランニングの速度により、着地時に足を通過する力は体重の4-5倍、短距離走中は6-7倍になると言われています。
3.ウォーキング中の関節の動き
① ヒールストライク
l 足首:0°(中立位置)
l 膝:0°(フルエクステンション)
l 股関節:平均20°屈曲
【足首】
最初の接触時 - 外側の踵骨が最初に地面に当たる。
地上反力は、足と足首関節の回転軸のわずかに後方です。これにより、足首に足底屈曲の瞬間が生まれます。
足関節背屈はこの足底屈筋トルクに反対します - 内部トルクは、前脛骨筋、長肢伸筋と長拇指伸筋によって制御されます。
【膝】
最初の接触時 – GRF(地上反力)は膝関節の前方にあり、大腿骨の前方回転を作り出します。
GRFはエクステンションに移行する局面にあります。
進行スピードを制御するために、屈筋組織 - ハムストリングス - を利用する。
【股関節】
GRFは股関節の前方にあります。これは骨盤に外部トルク(前方回転)を生成します。
伸筋組織 - 臀部筋組織 - を利用して、進行または外部トルクに対抗/制御します。
② アーリーフラットフット
l 足首:0-5°の足底屈曲
l 膝:15°屈曲
l 股関節:15°屈曲
【足首】
圧力の中心は後踵骨に残ります - GRFは足首の後部に残ります。
足首で足底屈曲が起こるのを防ぐために、背屈筋を使用します。
【膝】
可動域は0-15°から動きます。
膝関節の回転軸の後方にあるGRF - 屈曲トルクを生成します。
伸筋組織を利用して、膝が屈曲に移行するのをコントロールします。
【股関節】
圧力の中心とGRFは 回転軸の前方です。
骨盤前傾は屈曲トルクを生み出します。
伸筋組織を利用して、このトルクを制御します。
③ レイトフラットフット
l 足首:5°背屈
l 膝:5°屈曲
l 股関節:0°中立位置
【足首】
GFRは、足首関節の回転軸前方にあり、脛骨が距骨に対して屈曲するように働きます。これにより、足関節で外部の背屈モーメントが生み出されます。このモーメントに対抗するために足底屈筋を働かせます。
【膝】
GFRは、膝関節前方にあり、これにより大腿骨が伸展方向に引っ張られ、外部の伸展トルクが生み出されます。このトルクは、内部の屈曲トルクによって相殺されます。
【股関節】
GRFは、股関節後方にあり、これにより外部の伸展モーメントが生み出されます。この伸展モーメントは内部の屈曲モーメントによって相殺されます。
④ ヒールオフ
l 足首:0°中立位置
l 膝:0°完全伸展
l 股関節:10-20°ハイパーエクステンション
【足首】
GFRは、足関節回転軸前方に存在し、脛骨を距骨に対して屈曲させようとします。これにより足関節で外部の背屈モーメントが生じます。このモーメントに対抗するために、足底屈筋を働かせます。
【膝】
GFRは、膝関節前方にあり、これにより大腿骨が伸展方向に引っ張られ、外部の伸展トルクが生み出されます。このトルクは、内部の屈曲トルクによって相殺されます。
【股関節】
GFRは、股関節後方にあり、これにより外部の伸展モーメントが生じます。このモーメントは内部の屈曲モーメントによって相殺されます。
⑤ つま先オフ
l 足首:20°足底屈曲
l 膝:30°屈曲
l 股関節:10-20°ハイパーエクステンション
【足首】
圧力中心/GFRは、足関節の回転軸前方に位置し続ける。これにより、外部の背屈モーメントが生み出されます。このモーメントは内部の足底背屈モーメントによって相殺されます。
【膝】
GFRは、膝関節の回転軸の後方にあります。これは、膝が屈曲する際に起こります。この状態の時、外部の屈曲モーメントが生成されます。このモーメントは、大腿四頭筋の伸展モーメントによって相殺されます。
【股関節】
GFRは、股関節回転軸後方にあります。これは、股関節が伸展する際に起こります。この状態の時、仙骨に後方傾斜が起こります。このモーメントに対抗するために、腸腰筋を利用します。
⑥ アーリースイング
l 足首:10°足底屈曲
l 膝:60°屈曲
l 股関節:20°屈曲へ移行
⑦ ミッドスイング
l 足首:0°中立位置
l 膝:30°屈曲へ移行
l 股関節:30°屈曲(股関節伸展へ移行)
⑧ レイトフラット
l 足首:0°中立位置
l 膝:0°完全伸展
l 股関節:30°屈曲
ROM最大値
l 足首:5°背屈:20°底屈
l 膝:0°完全伸展:60°屈曲
l 股関節:20°伸展:20°屈曲
4.ウォーキング中の足の主要な筋肉の動き
ヒールストライク - 初期のフラットフット
前脛骨筋が最も活発に働いており、さらに、脛骨前筋、長母趾伸筋、長趾伸筋が足をゆっくり地面に下ろすために働きます。もし、これらの筋肉がうまく機能しない場合、例えばドロップフットのような場合、足が地面に着地する際に音を立てて着地する傾向があります。
レイトフラットフット - ヒールライズ
体の重心が足の上を通過すると、後脛骨筋が収縮し始めます。このふくらはぎの筋肉の収縮は、体が前方に進む際の動きを制御し、体が前に倒れないようにします。歩行のこの段階では、ふくらはぎの筋肉が強く収縮し、伸長します。これは、エキセントリック筋収縮と呼ばれ、ふくらはぎの筋肉と、アキレス腱内に非常に大きな内部力を生成する役割を果たします。そのため、アキレス腱断裂やふくらはぎの筋損傷は、歩行のこの段階で最も起こります。レイトフラットフットの段階では、後脛骨筋も収縮して足をロックし、強いレバーを作り出します。したがって、後脛骨筋の機能不全を持つ患者では、扁平足の歩行や、踵上昇の制限、欠如が見られることがあります。
ヒールライズ - つま先オフ
踵の上昇フェーズでは、ふくらはぎの筋肉は引き続き収縮していますが、これは伸長ではなく、短縮を行います(コンセントリック筋収縮)。これは、つま先を地面から離すフェーズまで続きます。
【参考文献、データベース、ウェブサイト】
1 .Biomechanics of Walking
Edited by Justin Greisberg, MD
2. Phys Ther. 2010 Feb; 90(2): 157–174. doi: 10.2522/ptj.20090125
PMCID: PMC2816028PMID: 20023002
Dynamic Principles of Gait and Their Clinical Implications
Arthur D. Kuo,J. Maxwell Donelan
3. Joint Range of Motion During Gait
physiopedia