運動療法における膝蓋大腿関節の負荷指数

膝蓋大腿関節症と荷重の関係

膝蓋大腿痛は、身体的に活動的な青少年および若年成人の間で最も一般的な筋骨格疾患の 1 つであり 、一般人口の年間有病率は 23% です。膝蓋大腿痛は自然に治まる症状ではなく、影響を受ける人の身体活動レベルを低下させます。膝蓋大腿痛は膝蓋大腿変形性関節症の発症に関連している可能性があり  、これは若くて活動的な患者が関節の健康を長期的に維持するための適切な治療戦略の重要性を強調しています。
膝蓋大腿痛のリハビリテーションの基本は運動です。最先端のリハビリテーション戦略により、膝蓋大腿部の痛みを軽減し、短期的に患者の機能を改善することができます。しかし、研究によると、5～ 20年の追跡調査で患者の30～50％が好ましくない回復を報告しているため、膝蓋大腿痛の長期予後は依然として不良であることが示されています。最近の系統的レビューでは、現在のリハビリテーション運動プログラムは単純すぎるため、膝蓋大腿痛の主要な病理学的側面に対処できない可能性があることが示唆されています。臨床試験におけるほとんどのリハビリテーション プログラムは、非荷重位置での単独の膝の動きによるオープン運動連鎖運動に焦点を当てています。
対照的に、多面的な動きを伴う体重負荷運動はリハビリテーションではあまり活用されておらず、膝蓋大腿関節の機構と生物学的健康に対するその寄与をより深く理解する必要があります。
膝蓋大腿痛の現在の病態機械モデルは、運動や日常生活活動中の異常な膝蓋大腿関節負荷が症状の直接的な原因であることを示唆しています。したがって、関節への治療的負荷を進行させることができるリハビリテーション計画を実施するには、一般的な演習や活動中の膝蓋大腿関節の負荷を理解することが不可欠です。これまでの生体力学的研究では、ウォーキング、ランニング、階段、およびジャンプ、 スクワット、ランジなどのいくつかの一般的な運動などの日常生活活動中の膝蓋大腿関節のピーク力とストレスが評価されています。しかし、膝蓋大腿関節の負荷プロファイルは、膝蓋大腿または膝前部の痛みのリハビリテーションで一般的に使用されるエクササイズの大部分については不明のままです。さらに、大規模なリハビリテーション演習中の膝蓋大腿関節の負荷が、同じ個人の日常的な歩行やランニングとどのように比較されるかを報告した研究はありません。比較可能な根拠が不足しているため、臨床医はリハビリテーション運動プロトコルを開発する際に、一般化された経験と直感に頼らなければならないことがよくあります。患者固有の回復ニーズに合った膝蓋大腿関節リハビリテーション戦略を知らせるためには、より定量的なデータが必要です。

リハビリテーション中の段階的な治療負荷を規定する定量的なガイドラインを確立するために、有用なアプローチの 1 つは、膝蓋大腿関節への負荷に基づいてエクササイズをランク付けして分類することです。Willy と Meira は、ピークの大きさだけを超えて膝蓋大腿関節の荷重プロファイルを特徴付けることが重要である可能性があることを示唆しました。特に、膝蓋大腿痛のリハビリテーション計画を立てる際には、長期にわたる膝蓋大腿関節の累積負荷に注意を払う必要があります。最近の研究では、25 種類の一般的なリハビリテーション運動におけるアキレス腱の負荷の進行を特徴付ける負荷指数システムを開発しました。このシステムは、臨床医がカスタマイズして、患者固有のリハビリテーションに合わせて運動プロトコルを調整できます。この荷重指数システムは、荷重のピークだけでなく、荷重速度と累積荷重力積も考慮した包括的なデータセットに基づいています。しかし、このような完全な荷重データセットは、膝蓋大腿痛を持つ身体的に活動的な人に関連する、一般的に処方される体重を支える膝蓋大腿関節エクササイズの多くには欠けています。このデータセットを確立することは、膝蓋大腿関節用の同様の多要素の調整可能な荷重指数システムを開発することが必要です。

膝蓋大腿関節の負荷指数

負荷指数によると、ほとんどのリハビリテーション演習では、中程度のレベルの膝蓋大腿関節負荷 (階層 2) が生成されます。体重負荷を伴うエクササイズでは、日常的な歩行に似た低レベルの負荷 (階層 1) や、強度が高く持続時間の長い高レベルの負荷 (階層 3) を提供するものはほとんどありません。中程度の負荷を伴うエクササイズが豊富にあることは、臨床医が膝蓋大腿痛のリハビリテーション手順をいくつかの一般的なエクササイズに簡素化できる可能性があることを示唆しています。具体的には、臨床医は、膝蓋大腿関節への負荷が中程度のレベルまで進行したリハビリテーション後期段階で、患者がスポーツやランニングなどの日常運動を再開する準備をしているときに、患者のニーズと機能的能力に最も適した運動を選択できます。逆に、低レベルの負荷を与える体重負荷運動が不足していることは、たとえ歩行中に症状がない患者であっても、臨床医は関節への過負荷を避けるために、早すぎるさらなる体重負荷への移行に注意すべきであることを示唆している。Powers et al は、座った状態で膝を伸ばすと、第 1 段階の運動である 60 度両脚スクワット と同様のピーク膝蓋大腿応力が発生し、膝をより屈曲した位置に置くことで徐々にゼロに向かって軽減できると報告しました。リハビリテーションの初期段階では、このようなオープン運動連鎖エクササイズは、より耐えやすく、歩行未満のレベルの負荷を与えるのに実行可能である可能性があります。分析した 35 のエクササイズのうち、ロー ステップ アップのみが荷重指数 <0.2 で膝蓋大腿関節への負荷を提供し、他の 3 つのエクササイズ (60 度両脚スクワット、ロー ステップ ダウン、ハイ ステップ アップ) のみがさらに負荷を与えます。スポーツ関連の活動 (高速の横ジャンプなど) よりも低い段階的な負荷。したがって、初期から中期のリハビリテーションでこれらの運動を処方して、関節の耐荷重能力を歩行を超えて向上させ、それによって患者の機能範囲を徐々に改善することが重要である可能性があります。一方、スパニッシュ スクワットとシングルレッグ デクライン スクワットは、Tier 3 でフルシングルレッグ スクワットより上位にランクされた唯一のエクササイズです。これら 2 つのスクワットのバリエーションは、一般的な機能的な活動や日常的な運動ではないことを考慮すると、スポーツや仕事関連の活動で膝蓋大腿関節に日常的に高い負荷がかかる患者にとって、最終段階のリハビリテーション運動としてのみ有用である可能性があります。

中程度の膝蓋大腿関節負荷を伴う運動は、患者固有のリハビリテーション計画に最も多様なオプションを提供することがわかりました。ここでは、そのような多様性を示すために、運動の 2 つの代表的なサブタイプ、つまり「高強度」運動と「長時間」運動を提案します 。多くの高強度エクササイズは、負荷のピークと負荷率の間に適度な相関関係があることもあり、速いスピードと高い負荷のピークの大きさの両方を特徴としています。
分析した 35 のエクササイズの中で、ラン アンド カットは負荷のピークが 2 番目に高かった (7.1 ×BW) のに対し、3 秒のスパニッシュ スクワットはすべてのエクササイズの中で最も負荷のインパルスが大きかった (13.0 ×BW·s) 。注目すべきことに、ランアンドカットは速いペースと短いステップ時間（0.8×BW・s）により推進力が低かったのに対し、準静的なスパニッシュスクワットは中程度の負荷ピーク（4.5×BW）を示しました。このため、負荷指数 > 0.9 に達した運動はなく、アキレス腱への負荷とは異なり、ほとんどの運動では同時に膝蓋大腿関節に大きな規模と持続時間の負荷がかからないことが示唆されています。私たちの負荷指数に基づいて、高強度（例：ランアンドカット）および長時間（例：ブルガリアンスクワット）のリハビリテーションエクササイズは、膝蓋大腿関節に同等レベルの全体的な負荷を与える可能性があるため、代替オプションとして使用でき、段階的な治療負荷を処方することができる。しかし、これらの負荷のランクと段階は、負荷のピーク、インパルス、速度の重み、つまり、これらの負荷指標の中で認識されている臨床的重要性に依存することを強調します。たとえば、関節軟骨の荷重速度に依存する機械的特性 と、膝蓋大腿部の痛みを持つ人はランニングに戻るのに苦労することが多い ことを考慮すると、臨床医は荷重速度を主要な指標として認識する可能性があります。したがって、臨床医はこれらのエクササイズを、負荷速度のスムーズな進行を優先する別の順序に並べ替えることができます。これは、負荷指数の重みを増やすことで達成できます。
このような患者固有の意思決定を行う臨床医を支援するために、オンラインの付録に使いやすいワークシートを提供します。このワークシートには、グループレベルの負荷データが埋め込まれており、変更可能な負荷指数メトリックの重みが含まれています。研究者は、このツールを使用して、さまざまなデータ駆動型運動プログラムの有効性を設計および比較し、膝蓋大腿負荷を最適に進める臨床基準を確立することもできます。

運動強度と関節負荷はかなrずしも一致しない

中レベルから高レベルの負荷エクササイズ (層 2 および 3) の大きなコレクションの中で注目すべき傾向の 1 つは、膝の高屈曲を伴う重量負荷エクササイズでは、膝蓋大腿への全体的な負荷レベルがより高くなる傾向があるということです。検証された数学モデルに基づいて、膝蓋大腿関節と大腿四頭筋腱の間の力の関係を膝屈曲角度の関数として定義しました。このモデルでは、特定の大腿四頭筋腱の力のバランスを取るために必要な膝蓋大腿関節の力は、膝が 0° から 90° まで屈曲するにつれて増加します。膝の高屈曲を伴う多くのエクササイズは、負荷指数によると膝蓋大腿関節全体の負荷において比較的上位にランクされているため、我々の結果はこのモデル定義を裏付けています。膝の屈曲角度が深いほど膝蓋大腿関節の力がより高いと報告した以前の生体力学的研究とも一致します。対照的に、ランニングや片足早送りホップなどの高速で高強度の運動の多くは、臨床的には高強度のリハビリテーション運動であると認識されていることが多いにもかかわらず、全体的な負荷は低レベルまたは中程度のレベルにすぎません。これらの発見は、回復中の膝蓋大腿関節への負荷をスムーズに進めるために、リハビリテーション中に高強度および高膝屈曲運動の順序を変更することの潜在的な利点を裏付けています。

一連の一貫した数学モデルを使用して、大規模なエクササイズのコレクション全体にわたる膝蓋大腿負荷を定量化しました。予想どおり、私たちの負荷推定値は、以前の研究で報告されたものとほぼ一致しています。歩行中の負荷のピーク推定値 (0.6 ×BW) は、文献で公開されている値の範囲 (0 ～ 0.8 ×BW) に匹敵します。日常の運動としてよく研究されているランニングについて、Lenhart et al  は、膝蓋大腿関節の最大関節力が 5.8 ×BW であると報告しましたが、これは私たちの推定値 5.4 ×BW にほぼ匹敵します。他の動的運動中の膝蓋大腿関節負荷は、文献報告と我々の結果との間でより多くのばらつきを示した。Escamilla et al は、片脚スクワット中の膝蓋大腿関節力を最大 4 ×BW と推定しましたが、これは私たちの推定値 (6.9 ×BW) よりも著しく低いです。Cleather ら は、両脚反対運動ジャンプ中の膝蓋大腿関節力のピークが 4.2 ×BW であると報告しましたが、これも我々の推定値 (6.4 ×BW) よりも低かったです。これらの意見の相違は、運動戦略の違いによって部分的に説明される可能性があります。たとえば、Escamilla et al は参加者にゆっくりとしゃがむように指示しましたが、私たちの参加者は自分で選択したペースでしゃがみました。これまでの研究では、ピーク力を超える膝荷重プロファイルを報告したものはほとんどありません。スクワット時間が長ければ、Escamilla et al によって報告された全体的な膝蓋大腿負荷レベルは私たちのものと同等であった可能性があります。いずれにせよ、すべてのエクササイズにわたって同じ方法を使用して膝蓋大腿負荷を推定したため、それらの相互の負荷指数は、これら 35 のエクササイズ間の負荷の進行順序を確実に表すはずです。

膝蓋大腿関節負荷指数の臨床応用

リハビリテーションの膝蓋腱負荷プロファイル (負荷ピーク、負荷インパルス、負荷速度に基づく負荷指数) を評価し、リハビリテーション中に膝蓋腱負荷の速度と大きさを段階的に増加させるための臨床ガイドラインを検討する。
健康な成人 20 名（女性 10 名/男性 10 名、25.9 ± 5.7 歳）が、スクワット、ランジ、ジャンプ、ホップ、着地、ランニング、およびスポーツ特有のタスクのさまざまなバリエーションを含む 35 のリハビリテーション運動を実施しました。運動学的および運動学的データが収集され、負荷ピーク、負荷速度、および累積負荷インパルスの加重合計を使用して、膝蓋腱負荷指数が各運動ごとに決定された。次に、負荷指数に応じて、運動を Tier 1 (負荷指数 ≤ 0.33)、Tier 2 (0.33 < 負荷指数 < 0.66)、Tier 3 (負荷指数 ≥ 0.66) にランク付けした。
シングルレッグデクラインスクワットは、最も高い負荷指数 (0.747) を示しました。その他の Tier 3 エクササイズには、片足フォワード ホップ (0.666)、片足カウンタームーブメント ジャンプ (0.711)、ランニング カット (0.725) が含まれていました。スパニッシュスクワットは、ランニング（0.612）、両脚カウンタームーブメントジャンプ（0.610）、片脚ドロップ垂直ジャンプ（0.599）、片脚フルスクワット（0.580）、ダブルと同様に、ティア2エクササイズ（0.563）に分類されました。 - レッグドロップ垂直ジャンプ (0.563)、ランジ (0.471)、両脚フルスクワット (0.428)、片脚 60 度スクワット (0.411)、およびブルガリアン スクワット (0.406)。Tier 1 のエクササイズには、20 cm ステップアップ (0.187)、20 cm ステップダウン (0.288)、30 cm ステップアップ (0.321)、両脚 60 度スクワット (0.224) が含まれます。
3 つの膝蓋骨腱負荷段階は、負荷ピーク、負荷インパルス、および負荷速度の組み合わせに基づいて確立されました。臨床医には、膝蓋腱障害のある患者のリハビリテーション中、および膝蓋骨腱骨移植片を使用した前十字靱帯再建後の膝蓋腱負荷を段階的に増加させるためのガイドとして、これらの負荷段階の使用を推奨する。