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ﾄﾞﾊﾞｲｽ､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ｸﾞ愛好家､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､徐々にﾒﾃﾞｨｶﾙ分野や､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
ｳｫｰｷﾝｸﾞは､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ﾌﾟﾛｾｽです｡ｳｫｰｷﾝｸﾞ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 ﾊﾞﾗﾝｽと安定性:ﾊﾞ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｡ｻﾎﾟｰﾄのﾍﾞｰｽは､地面と接触する足の間の領域です｡体のｾｸﾞﾒﾝﾄ､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:ｳｫｰｷﾝｸﾞには､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｡ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞ(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ｸﾞ脚に移され､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､ｽｲﾝｸﾞﾌｪｰｽﾞ中に足のｸﾘｱﾗﾝｽを可能にし､ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞ中にﾌﾟｯｼｭｵﾌﾊﾟﾜｰを提供します｡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ｸﾞを可能にし､体を前方に推進します｡
④ 筋肉の活性化:ｳｫｰｷﾝｸﾞには､協調的な筋肉の活性化とﾘﾗｸｾﾞｰｼｮﾝが必要です｡ふくらはぎ､大腿四頭筋､ﾊﾑｽﾄﾘﾝｸﾞｽ､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､ｳｫｰｷﾝｸﾞの動きﾊﾟﾀｰﾝを生成します｡
⑤ ｴﾈﾙｷﾞｰ効率:ｳｫｰｷﾝｸﾞは､その省ｴﾈﾙｷﾞｰﾒｶﾆｽﾞﾑにより､移動の効率的な手段です｡そのようなﾒｶﾆｽﾞﾑの1つは､歩行中の脚の振り子のような動きであり､ｴﾈﾙｷﾞｰ消費を最小限に抑えます｡脚の自然なｽｲﾝｸﾞ運動は､ﾎﾟﾃﾝｼｬﾙｴﾈﾙｷﾞｰの運動ｴﾈﾙｷﾞ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 ｱｰﾑｽｲﾝｸﾞ:ｱｰﾑｽｲﾝｸﾞは､ｳｫｰｷﾝｸﾞﾊﾞ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｡ｱｰﾑｽｲﾝｸﾞはまた､ﾊﾞ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ﾄﾞの間に発生するｲﾍﾞﾝﾄのｼｰｹﾝｽを指します｡ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞとｽｲﾝｸﾞﾌｪｰｽﾞの2つのﾌｪｰｽﾞに分かれています｡ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞは､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｡ｽｲﾝｸﾞﾌｪｰｽﾞは､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､歩行ﾊﾟ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ﾋﾞﾘﾃｰｼｮﾝ戦略の開発に不可欠です｡
2.ｳｫｰｷﾝｸﾞの段階
ｳｫｰｷﾝｸﾞ時の足の状態には2つのﾀｲﾌﾟがあります｡
･ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞ
･ｽｲﾝｸﾞﾌｪｰｽﾞ
ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞは足が地面に設置している時間です｡ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞは､歩行ｻｲｸﾙの約60%を占め､ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞの一部では､両足は一定時間地面にあります｡走行中は､ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞが減少し､ﾌﾛｰﾄﾌｪｰｽﾞと呼ばれる両足が地面から離れている時間があります｡
ｽｲﾝｸﾞﾌｪｰｽﾞは､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｡
ｽﾀﾝｽﾌｪｰｽﾞの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ｽﾞは､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ｽﾞの始まりは､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ｽﾞの終わりは､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ｸﾞしているとき､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ｽﾞの大きな目的は､足がｼｮｯｸｱﾌﾞｿｰﾊﾞｰとして機能し､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ｽﾞの段階にあると言われています｡このﾌｪｰｽﾞは､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､足はｼｮｯｸｱﾌﾞｿｰﾊﾞｰから､体を前進させるために役立つ固いﾚﾊﾞｰに変化します｡
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ﾊﾞｰの役割を果たします｡ｳｫｰｷﾝｸﾞ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ﾊﾞｰｱｰﾑを形成し､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､ﾊﾞﾆｵﾝ､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:ｳｫｰｷﾝｸﾞのﾌｪｰｽﾞ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ｸﾞﾌｪｰｽﾞの開始を表しています｡
※ｳｫｰｷﾝｸﾞとﾗﾝﾆﾝｸﾞの決定的な違いは､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(ﾌﾛｰﾄﾌｪｰｽﾞ)｡さらに､ﾗﾝﾆﾝｸﾞの速度により､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.ｳｫｰｷﾝｸﾞ中の関節の動き
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｡
進行ｽﾋﾟｰﾄﾞを制御するために､屈筋組織 - ﾊﾑｽﾄﾘﾝｸﾞｽ - 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°ﾊｲﾊﾟ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°ﾊｲﾊﾟ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 ｱｰﾘｰｽｲﾝｸﾞ
l 足首:10°足底屈曲
l 膝:60°屈曲
l 股関節:20°屈曲へ移行
⑦ ﾐｯﾄﾞｽｲﾝｸﾞ
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.ｳｫｰｷﾝｸﾞ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､例えばﾄﾞﾛｯﾌﾟ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 - ﾋｰﾙﾗｲｽﾞ
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､強いﾚﾊﾞｰを作り出します｡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｡
ﾋｰﾙﾗｲｽﾞ - つま先ｵﾌ
踵の上昇ﾌｪｰｽﾞでは､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ｽﾞまで続きます｡
【参考文献､ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ､ｳｪﾌﾞｻｲﾄ】
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