20240607: 膝蓋腱炎・変性疾患・バスケットボール・バイオメカニクス
膝蓋腱炎（PT）は「ジャンパー膝」に包含される病態で、一流バスケットボール選手などの競技ジャンプ選手に多く見られます。PT の有病率が高いのは、発症率と再発率が高いためです。報告されている PT の有病率は、大学アスリートでは24 %、プロアスリートでは 39% 以上で、 PT は男性アスリートの方が女性アスリートの 2 倍多く見られます。多くの場合、運動能力の低下やプレー時間の喪失が結果として生じます。PT に罹患したアスリートの約 30% は、回復に最大 6 か月を費やします。
バスケットボールのプレーには、シュート、リバウンド、その他の攻撃や防御の動きなど、反復的なジャンプと着地が必要です。これにより、膝伸展機構と関連組織構造に高い負荷がかかります。大腿四頭筋の高張力負荷は、膝関節全体に力とトルクを伝達し、運動エネルギーを分散させる膝蓋腱によって支えられます。膝が屈曲しているとき、膝蓋腱に大きな力が加わるため、腱は反復的な高いストレスに耐えます。
膝蓋腱に慢性的に過負荷がかかると組織の微細損傷が生じ、適切な回復がなければ損傷が蓄積してPTにつながる可能性があります。構造的には、膝蓋腱異常（PTA）は、膝蓋骨起始部から脛骨付着部までの腱の退行性変化を包含し、腱炎（炎症）を伴う場合と伴わない場合があります。臨床的には無症状の場合もあります。従来の画像診断では、磁気共鳴画像（MRI）と超音波（US）を使用して腱の形態を視覚化し、有害な変化を特徴付けます。さらに、自己申告による痛みと機能を捕捉する調査ツールを実装することが一般的です。ビクトリア州スポーツ評価研究所膝蓋腱（VISA-P）質問票は、症状、機能、およびスポーツ競技能力を特徴付け、統計的に有効です。
しかし、腱の病理は微妙な場合があり、画像診断による検査は、無症状のアスリートの臨床症状と必ずしも相関するわけではありません。画像診断による PTA 所見と PT 症状の間には乖離が残っています。これは機能評価を導入することで探ることができるギャップです。
着地やジャンプの運動パターンは、一般的にPTと関連しています。したがって、これらの動作を模倣する機能テストは、理論的にはPTの存在に関連するバイオメカニクスの変化を引き起こすはずです。しかし、過去30年間にわたって動的機能とPT症状の関係を調査した多数の研究にもかかわらず、決定的な証拠はまだ限られています。最近のレビュー記事では、運動パターンとPTの関係を超音波測定を含めて調査し続けることを推奨しています。バイオメカニクス、画像によるPTA、および症状測定の組み合わせは斬新であり、私たちの知る限り、このアプローチは科学的に研究されていません。
私たちの目標は、プレシーズンのエリート男子バスケットボール選手における、画像と症状指標で見られる臨床的に重要なPTAと機能的生体力学的戦略との関連性を調査することです。シーズン中の検出は最適ではなく、既存の膝蓋腱損傷が蓄積して進行段階に進行する可能性があると考えています。
したがって、PTAの早期検出が必要です。
1.画像上の PTA と症状の関連性を、着地ジャンプの生体力学的変数と評価します。放射線学的 PTA と自己申告による症状のある四肢では、健康な四肢と比較して、下肢の股関節、膝関節、足関節の戦略が 1 つ以上異なると仮定しました。
2.PTA と症状の両方を分類するために、生体力学的変数の相対リスクと精度をモデル化します。下肢の股関節、膝関節、足関節戦略により、放射線学的 PTA と症状のある四肢を強力に分類できると仮定しました。
超音波
両側の形態学的US測定値が得られました。各参加者は、米国超音波医学会および米国放射線学会の推奨に従い、評価する膝の下にウェッジ固定具を付けて仰臥位になり、膝の屈曲角度を20°一定に保ちました。US評価には、LOGIQ E9 USシステム（GE Healthcare）の9MHzトランスデューサーを使用しました。USデータをレビューする画像診断医（OKN）には、MRI評価は知らされていませんでした。
イメージング変数
形態学的 PTA 測定は、部位別に行われ、0 (正常)、1 (<33%、軽度)、2 (33%-67%、中等度)、3 (>67%、重度) の 4 段階の定性スケールを使用して等級分けされました。近位および遠位領域を評価しました 。US での等級分けは、腱の異常なエコー輝度と形態 (亀裂、肥厚、断裂など) の割合に基づいていました。MRI では、放射線科医が軸方向の中等度のエコー時間取得における異常信号の体積の割合に基づいて PTA を等級分けしました。
ジャンプ測定
ジャンプ テストの物理的寸法と配置。
(A) 動的ジャンプ タスクの初期接触、中間着地、最終接触の図。プラットフォームとフォース プレート オブジェクトはスケール通りに描かれています。プラットフォームの高さ h は 18 インチ (45.7 cm) でした。赤い矢印は地面反力ベクトルを示しています。
(B) 木製の箱、フォース プレート、ステージング プラットフォームの物理的配置を上から見た図。破線で示された足の配置はおおよそのものです。
(C) 3 次元動作再構築プログラム (Visual3D、バージョン 6、C-Motion) のフレーム。ML イベント付近の仮想世界と剛体モデルが青い地面反力ベクトル矢印とともに表示されています。
膝蓋骨の形態と生体力学的変数との関連
2元配置MANOVAモデルは、4つのMRIおよびUS PTA変数とVISA-P症状変数のそれぞれに対して、バイオメカニクス従属変数あたり52の四肢観察で適合された。5つのモデルがPTAと症状に関して有意であった。四肢優位性は重要な因子ではなかった。MRI PROXで測定したPTAの有意な効果は、股関節屈曲運動学グループ（F = 5.13、P < .001）およびVGRF運動学グループ（F = 3.50、P = .030）で確認された。US PROXで測定したPTAの有意な効果は、股関節屈曲運動学グループ（ F = 2.42、P = .041）で確認された。 VISA-P症状の有意な影響は、膝屈曲運動学グループで観察されました（F = 2.54; P = .033）
バイオメカニクスによるPTAと症状の分類
着地ジャンプのバイオメカニクス測定がPTAおよび症状と関連しているという証拠が見つかりました。最も強力な運動学的知見は、PTA肢と最大股関節屈曲速度の増加との有意な関連でした（MRI PROX PTA vs 非PTA肢：416 ± 74 vs 343 ± 94度/秒、P = .005）。一般的に、これらの結果はTayfurらによって報告された証拠と一致しています。この行動は、体幹、骨盤、股関節の減速を変更することで膝蓋骨の負荷を間接的に減らすである可能性があると推測しています。
また、PTA 肢では着地時の最大 VGRF が有意に低下したという強力な運動学的証拠もありました (MRI PROX PTA 対 PTA なしの肢: 169 ± 26 対 195 ± 29 %BW、P = .001)。平均して最大 VGRF 時間が長いこと (有意ではないものの) と合わせて、これは Harris らの研究結果と一致しており、彼らは PTA のあるバスケットボール選手は接地から垂直方向の最大力までの荷重率が低下していることを発見しました。さらに、接地中ずっと VGRF 曲線の変動が減少していることに注目し、これは肢を保護するために採用された戦略であると推測しています。この種の調整戦略は、以前に過剰使用による傷害に関連することが報告されています。 ICでの膝の屈曲が少なくなり、最大膝屈曲が大きくなったことが観察されました。これは可動域が広くなることを意味します。これにより減速する時間が長くなり、PTA 肢の荷重率と最大荷重が低下します。膝伸展トルクは、症状が最小限のPTグループと症状のないPTグループでそれぞれ減少すると報告されており、前者の結果は私たちの一般的な調査結果と一致しています。その他の膝屈曲運動は、平均して影響を受けた肢で低下しており、例えばピーク遠心着地パワーが低下しています。これは、VGRF振幅の減少と、VGRF観測のピーク着地までの持続時間が長くなったことで部分的に説明できます。
Tayfur らによる最近のレビューとメタ分析では、16 件の研究が特定され、PT と着地バイオメカニクスの関連性の証拠を求めて運動学および運動力学の結果を精査しました。彼らは、PT の選手の膝のパワーが低下することを裏付ける中程度の証拠を発見しましたが、これは私たちの主な調査結果と一致していました。彼らはまた、膝屈曲トルクと PT の間に関連性がないことを示す強力な証拠も発見しましたが、これは私たちの調査結果とは矛盾していると考えています。両方のレビューは、文献全体で統一性がないことを指摘し、主にコホートの選択と特定の実験タスクに関して、横断的デザインを使用し、異質であった過去の研究を批判しました。バスケットボール選手を含めた研究では、垂直ストップジャンプと水平着地の10 cm、15 cm、50 cm ドロップ着地を調べました。私たちのテストには、ドロップ着地と垂直ジャンプの両方の要素がありましたが、ランニングと横方向のストップ要素がありませんでした。
PTA 患者の VISA-P スコアは、例えば Kregel ら12の大学スポーツクラブのアスリートの PT (64 ± 17.2)、Visnes ら26のバレーボール選手 (76 ± 12)、ジャンプ競技選手 (72 ± 22) のPTを考慮すると、比較的健康的でした。これらの研究や他の研究では、PT の決定は主に痛みに基づいており、痛みは VISA-P ツールの主要な要素であるため、これはそれほど驚くべきことではありません。この結果は、診断画像と自己報告の症状スコアの不一致をさらに裏付けています。
生体力学的変数によるPTAとVISA-Pの分類
画像化 PTA 回帰モデルは良好なパフォーマンスを示し、概ね堅牢であったことから、バイオメカニクス指標はアスリートのスクリーニングに潜在的な役割を果たすことが示唆される。上位 5% の PTA モデルでは、予想どおり、頻度の高い変数が MANOVA の結果と概ね一致した。推定オッズ比は、PTA 結果間で一致がまちまちで、1 つの例では非常に異なる値を示した。画像化モダリティと膝蓋腱領域は、下肢バイオメカニクスと他の関係がある可能性があると推測される。バイオメカニクス指標を使用して臨床的に関連する PT を分類またはリスク割り当てた研究はほとんど報告されていない。Richards らによる初期の比較研究では、11 人のバレーボール選手のジャンプの 3 次元バイオメカニクスを測定し、膝蓋腱炎の痛みの陽性予測因子は膝屈曲の増加とピーク VGRF の増加であると報告された。最初のものは私たちの結果を裏付けたが、2 番目のものは裏付けなかった。したがって、研究デザインと方法論の多くの側面における違いを考えると、一致と緊張の両方を説明することは困難である。他の前向き研究では、Visnes ら は、バレーボール選手において、カウンタームーブメントジャンプの高さが高いことが症状のある PT を発症する有意な予測因子 (オッズ比 2.09 [95% CI 1.03-4.25]) であることを明らかにしましたが、バイオメカニクスの測定値は記録されていませんでした。バイオメカニクス変数は、全体的な分類は良好であったにもかかわらず、症状のある四肢を特定するのに不十分であることがわかりました。これは、症状の観察数が少ないことと、VISA-P 質問票スコアが特定の四肢に対して記録されなかったことが部分的に原因であると考えています。さらに、症状のある四肢の IC での膝屈曲の傾向が PTA 四肢と矛盾していることに注目しました。これは、症状と PTA の以前に報告された不一致を浮き彫りにし、従来の US と MRI で確認されました。一般に、回帰モデルは PTA のない四肢の特定においてより正確でした。これは比較臨床研究でも同様の結果が出ており、その研究でも複合的な指標（アスリートの痛みの履歴、機能性疼痛、VISA-P）がPTをより正確に特定すると結論付けられました。
臨床的に重要な PT を早期に検出することで、運動能力の向上や全体的な健康と幸福の向上につながる変化をもたらすことができます。この研究は新規であり、膝蓋腱の病理と運動プレシーズンのベースラインの生体力学的着地およびジャンプ パターンを関連付ける集合的研究に追加されるものです。
今後の研究では、臨床的に重要な PT が有害になる前にそれを検出する方法に焦点を当てる必要があります。シーズンをまたいで、画像、症状、生体力学的測定の前向き縦断的評価を強く推奨します。運動学的および運動学的生体力学的測定は、機能的コンテキストを追加する情報レイヤーを提供し、PT を対象とする既存の構造的および症状関連のフレームワークを結び付けるのに役立つ場合があります。定量的生体力学は、マルチモーダル機能スクリーニング ツールに組み込むと、負傷管理の必要性の異なるレベルのアスリートを特定したり、個別の動作修正プログラムを確立したり、画像と症状を評価してより効率的に治療の決定を導いたりするために役立つ可能性があります。多施設共同で、コントロールを含むより大規模なサンプルを収集する必要があります。機能テストには、より高いまたは複数の高さでの着地ジャンプ、カウンタームーブメントジャンプ、および横方向のストップジャンプ要素を含む動作を含める必要があります。さらに、一般化とリスクモデリングを向上させるには、女性アスリートや、高校、大学、レクリエーションなど、さまざまなレベルのトレーニングを受けているアスリートが必要です。
我々の研究結果は、PT に罹患している集団における機能的リスクを特徴付けるためにバイオメカニクス測定基準を使用できる可能性があることを示唆している。我々は、画像および無症候性および症候性の VISA-P スコアで見られるように、PTA のある四肢とない四肢の間の着地ジャンプバイオメカニクスの観察可能な差異を定量化した。バイオメカニクス測定基準は PTA のない四肢を正確に特定できたが、PTA のある四肢の特定はそれほどうまくいかなかった。一般的なバイオマーカーには、股関節屈曲、屈曲速度、および四肢の最大垂直荷重が含まれていた。
まとめ
膝蓋腱炎は、主にジャンプ動作を多用する競技の選手に発症する変性疾患です。シーズン前には症状が軽微であったり、まったく現れなかったりする場合もありますが、構造上の異常が存在する可能性があります。磁気共鳴画像法 (MRI) と超音波 (US) による膝蓋腱異常 (PTA) の評価と、ビクトリア州スポーツ評価研究所膝蓋腱 (VISA-P) による症状の分類は、生体力学測定と組み合わせることで、有用な知見が得られる可能性があります。
（1）着地ジャンプのバイオメカニクスパターンが、画像やVISA-Pスコアで見られる臨床的に関連するPTAと関連しているかどうかを評価し、
（2）PTAと症状の観察を分類するためのバイオメカニクスの寄与リスクと精度をモデル化すること。
プレシーズン中に、全米大学体育協会ディビジョン I および II の男子バスケットボール選手 26 名 (n = 52 肢) が募集されました。VISA-P スコア、US および MRI 形態測定による両側 PTA、高さ 18 インチ (45.7 cm) のボックスからの陸上ジャンプ テストによる両側 3 次元下肢運動学および運動測定を収集しました。
US および MRI 測定によると、PTA を伴う四肢は 19 ～ 24 本ありました。股関節と膝関節の運動学的戦略および地面反力負荷の差は、PTA と症状のある四肢とで関連していました。画像上で PTA を伴う四肢と伴わない四肢を比較すると、着地時の垂直地面反力のピークは有意に減少し (169 ± 26 % 体重に対して vs. 195 ± 29 % 体重、P = .001)、最大股関節屈曲速度は有意に増加しました (416 ± 74 度/秒に対して vs. 343 ± 94 度/秒、P = .005)。最初の接地時の膝屈曲は、症状のある四肢と健康な四肢で減少しました (それぞれ 17°± 5° vs. 21°± 5°、P = .045)。回帰モデルは PTA 四肢と症状のある四肢を 71.2% ～ 86.5% の精度で分類しました。臨床的に関連する PTA を観察するモデル全体で、股関節と膝関節の最大屈曲速度と垂直方向の地面反力の変数が最も一般的でした。