日常生活における膝蓋大腿関節反力｜研究

はじめに

膝蓋大腿関節反力は、膝関節屈曲時に大腿四頭筋が膝蓋骨を大腿骨の関節面に押し付けることにより生じる。これらの力は、大腿四頭筋の力が大きいほど、また膝関節屈曲角度が大きくなるほど大きくなる。こうすることで、膝蓋大腿関節にかかる負荷は、特定の活動の方が他の活動よりも大きくなる。このような観点から、膝蓋大腿関節にどのような負荷がかかるかを研究することは、運動処方やリハビリテーションの指針として非常に有益である。そこで、本総説では、日常生活における様々な動作における膝蓋大腿関節反力を調査し、健常者と膝蓋大腿部痛患者を比較することを目的とした。膝蓋大腿部痛は変形性膝蓋大腿関節症に先行すると考えられることが多いため、この状態も健常者と比較した。

方法

このシステマティックレビューに含める論文をできるだけ多く検索するため、日常動作や治療的エクササイズ中の膝蓋大腿関節反力に関する横断研究または介入研究を含む包括的検索戦略を用いた。膝蓋大腿関節反力を次のように定義した。「大腿四頭筋と膝蓋腱が膝蓋骨に作用することにより、膝蓋骨と大腿骨の間に生じる正味の反力の大きさ。異なる研究を比較できるように、力は体重（BW）で表した。

結果

71件の研究がシステマティックレビューに含まれた： 63件の被験者内研究、1件のRCT、7件の横断研究がある。歩行時の膝蓋大腿関節反力のピークは、健常人を対象とした9件の研究、膝蓋大腿部痛を有する被験者を対象とした3件の研究、膝蓋大腿関節軟骨欠損を有する被験者の膝蓋大腿関節反力を報告した1件の研究からプールされた。プールされたピーク力は、健常者では0.9±0.4BW（歩行速度は1.33～1.50m/s）、膝蓋大腿部痛患者では0.8±0.2（歩行速度は1.32～1.36m/s）であった。膝蓋大腿関節軟骨欠損を有する被験者を対象としたある研究では、歩行速度1.55m/sにおいて、膝蓋大腿関節荷重は1.3±0.5BWであった。

階段昇降時の膝蓋大腿関節反力は、健常者では3.2±0.7BW、被験者では2.5±0.5BWであった。階段降下時の膝蓋大腿関節反力は、健常者で2.8±0.5BW、膝蓋大腿部痛のある被験者で2.6±0.8BWであった。膝蓋大腿骨OA患者を対象としたある研究では、これらの力は階段昇降時に1.6±0.4BW、階段降降時に1.0±0.5BWであった。

ランニング中の力に注目すると、プールされたデータから、膝蓋大腿部痛のある健常者ではそれぞれ5.2±1.2BW、4.1±0.9BWであった。走行速度は前者が2.33～4.47m/s、後者が2.77～4.00m/sであった。

残念なことに、その他の日常的な活動、治療的なエクササイズ、身体的な介入におけるプーリングは不可能だった。健常者と膝蓋大腿部痛/OA患者との膝蓋大腿関節反力の比較でも同様であった。一般的に、両者を比較すると、膝蓋大腿関節反力は膝蓋大腿部痛のある患者の方が低いようである。

個々の研究によると、膝蓋大腿関節反力のピークは、治療的エクササイズで約1～18xBWであった。スクワット中のピークフォースは1～18xBWである。ランジでは、膝蓋大腿関節反力のピークはBWの3～6倍であった。サイクリングはBWの1倍から7倍と報告されている。ジャンプにより膝蓋大腿関節反力はBWの9倍から11倍と高くなった。治療的エクササイズには、膝蓋大腿関節を他のエクササイズよりも高い膝蓋大腿関節反力にさらすものがある。例えば、膝蓋大腿関節反力のピークは、ストライドのないランジよりもストライドのあるランジの方が高く、膝がつま先より上にあるスクワットの方が膝がつま先より後ろにあるスクワットよりも高いことが報告されている。

質問と感想

膝蓋大腿部の関節反力は、膝蓋大腿部に愁訴のある被験者の方が大きいと予想していたか？臨床医は、膝蓋大腿関節に負荷をかけないようにと、大腿四頭筋の強化エクササイズを処方することがある。しかし、大腿四頭筋と膝蓋腱の緊張によって膝蓋骨が膝蓋大腿関節に押し付けられ、反力が生じる。つまり、大腿四頭筋を強化することは、単に関節のストレスを増大させるだけなのだ。しかし、膝蓋大腿部に不定愁訴がある場合は、関節に負荷をかけないようにしたほうがいい。むしろ、膝蓋大腿関節の負荷耐性を高めるように努める。膝関節の屈曲角度を大きくすると、膝蓋大腿関節反力も大きくなるが、膝蓋骨が大腿骨と接触する面積が大きくなるため、膝関節の屈曲に伴って接触面積が大きくなり、力はより均等に分散される。したがって、膝蓋骨が大腿骨溝を適切に追従しているかどうかを確認することは興味深い。そのため、アライメントに問題がある場合は、マルトラッキングに対処する必要がある。このような特徴が矯正不可能な場合、唯一の解決策は膝蓋大腿関節の荷重耐性を高めることであり、したがって、リハビリを通して荷重を徐々に増加させるべきである。このレビューでは、負荷を段階的に増加させるのに役立つ可能性のある活動に光を当てている。

オタクな話をしよう

このレビューでは、英語以外の論文は除外し、外部妥当性に関してバイアスのリスクが高い研究をすべて対象とした。本研究のもう一つの限界は、対象となった研究の多くが、膝周りの大腿四頭筋の有効モーメントアームのような関節反力を計算するために、死体データを使用しているという事実にある。しかし、死体による研究は、真の運動学を十分に反映していない可能性があるため、除外することがあらかじめ指定されていた。また、ほとんどすべての研究が、3次元の動きについて報告するために2次元モデルを使用している。

残念ながら、治療目的のエクササイズについては、データをプールすることは不可能であり、個々の研究から報告された結果は、ピーク力に大きな差があった。これは、本研究の方法論に欠点があったためではないが、対象となった研究間で測定方法や運動の実施に大きなばらつきがあることを考慮に入れるべきである。関節力を体重に正規化することで、著者らは異なる研究の結果をより比較できるようにした。もう1つ重要な点は、プールされたデータは、健常者と膝蓋大腿部痛を持つ被験者を直接比較したわけではないということである。
歩行速度は研究によって異なっており、歩行変数が歩行速度の変化に対して敏感であるため、観察された違いに影響を与えた可能性がある。しかし、歩行速度は膝蓋大腿部痛によって左右される可能性があるため、これは逆の可能性もあった。

持ち帰りメッセージ

この総説は、膝蓋大腿関節にかかる関節反力について明らかにするものであり、膝蓋大腿関節痛のある被験者では、健常者と比べて一般的に関節反力が低いか、同程度であった。他の関節と同様、膝蓋大腿関節も健康であるためには負荷をかける必要がある。したがって、健康的な関節機能を確認するためには、運動学、可動域、筋力を最適化することが重要である。大腿四頭筋の力を最適化し、膝関節の全可動域を通じて筋肉の連動性と運動パターンを改善する。この見直しは、リハビリを通して負荷を徐々に調整する活動を見つけるのに役立つかもしれない。