20240720: 腓腹筋損傷・慢性的変化・超音波画像・遠心性運動で伸長される
人間のハムストリングやふくらはぎの筋肉の筋肉の緊張障害は、競技選手とアマチュア選手の両方で最も一般的なスポーツ傷害の 1 つであり、高い再傷害率と関連しています。ふくらはぎの筋肉の緊張障害は、高速走行と急加速を伴うスポーツで頻繁に発生します。以前の研究では、筋肉の緊張障害はほぼ例外なく、筋肉と腱 (腱膜) の境界面で発生することが示されています。
腱膜への筋線維の挿入が影響を受けるため、緊張障害後に筋線維と結合組織の間のしっかりとした機能的な付着を再構築することが、最適な機能を回復するために必要です。これは、境界面が強い筋力に耐え、筋力を腱膜、腱、そして骨に効率的に伝達できることを意味します。しかし、これまでの研究では、筋肉の緊張による損傷は、ハムストリングとふくらはぎの筋肉の両方で長期にわたる筋萎縮、 線維症、および脂肪浸潤を引き起こすことが多く、修復プロセスが不完全であることを示唆していることが実証されています。
損傷したヒトの骨格筋および腱膜の構造変化については、ほとんど調査されていない。腱膜はシート状の腱構造で、筋腹の一部を覆い、筋線維の付着部として機能する。重要なのは、腱膜が複数の方向に正のひずみを受ける可能性があるため、腱膜の負荷パターンが複雑であることだ。腱膜は、縦方向および筋肉の作用線に直交する方向に伸張を受ける可能性がある。
さらに、筋肉の異なる部分の腱膜は異なる挙動を示すことがわかっている。ヒラメ筋中腹腱膜は最大下収縮中に正のひずみを示したが、遠位腱膜では負のひずみが報告されており、腱膜の機械的特性の複雑さが増している。腱膜のこれらの明確な機械的特性が、緊張損傷後に変化するかどうかは不明である。
ハムストリングスでは、大腿二頭筋長頭 (BFlh) の束の長さが短いことが、ハムストリングスの肉離れの危険因子であることが最近確認されました。さらに、ノルディック ハムストリングスなどのエキセントリック エクササイズは、ハムストリングスの肉離れの予防に有意な効果があることが繰り返し示されており、エキセントリック エクササイズは束の長さを長くすることが示されています。これらの知見は、エキセントリック エクササイズの保護効果の少なくとも一部は、束の長さの増加によるものであることを示唆しています。興味深いことに、ハムストリングスの肉離れと、早期にエキセントリック エクササイズを開始したリハビリテーションの効果に関する最近の研究では、負傷したハムストリングスの束の長さは、負傷していない健康なハムストリングスよりも大きく増加していることが示されました。また、この研究では、スポーツ復帰（RTS）が最も長く、おそらく最も損傷が大きかった参加者は、リハビリ期間中に筋束の長さが増加しなかったことも興味深い。損傷の重症度、腱膜や適応などの関連構造、またはリハビリテーションや筋腱ユニットへの重い負荷に対するこれらの反応の欠如との間には関連がある可能性がある。損傷後、長期間にわたって筋束と関連構造がどのように機能するかは不明のままである。さらに、ハムストリングス損傷については、予防的およびリハビリテーションの両方でかなりの研究が行われていますが、腓腹筋損傷は、その有病率が高いにもかかわらず（たとえば、プロ男子サッカーではシーズンあたり 6%）、ほとんど注目されていません。
技術的な点では、ハムストリングスの筋束の長さの研究では、筋束を浅部から深部腱膜まで追跡できないという課題があります。超音波 (US) プローブの長さの寸法により、筋束の長さの目に見える部分が約 50% に相当し、長さは線形外挿法を使用して計算する必要があり、筋束と腱膜の曲率は考慮されません。重要なことに、最近のUSの研究では、参加者間で異なると思われる系統的誤差が報告されており、筋束の長さに関する研究の解釈を複雑にしています。腓腹筋 (GM) を研究する明らかな利点は、筋束をその起点から停止点までほぼ追跡できるため、外挿法による系統的誤差が大幅に減少することです。
構造的変化に加えて、筋損傷後には神経筋の変化が起こる可能性があります。実際、筋損傷後には遠心性収縮中の BFlh の表面 EMG 活動が減少することが報告されており、筋損傷後には筋肉の活動パターンが慢性的に変化する可能性があります。ふくらはぎの筋肉の筋損傷後に筋肉の活動パターンが変化するかどうかは調査されていません。
今回の研究では、以前の大腿四頭筋の筋損傷が、安静時および筋収縮時の筋束、羽状角、深部腱膜の形態に及ぼす影響を調査しました。さらに、片側かかと上げ動作中の大腿四頭筋とヒラメ筋の筋電図を、反対側の健側と比較しました。健常な大腿四頭筋と比較して、負傷した大腿四頭筋では筋束の長さが短く、羽状角は急勾配であるという仮説が立てられました。さらに、かかと上げ動作中の大腿四頭筋のEMG活動は、健常なふくらはぎと比較して負傷したふくらはぎで低下しているという仮説も立てられました。
羽状角
3つの異なる足関節位置で撮影されたUS画像の分析では、統計的な相互作用は明らかになりませんでした。遠位GMのすべてのスキャン位置について、足関節角度の有意な主効果が認められました。中心位置では、110°の羽根状角度は、90°および80°と比較して大きかったです。同様に、内側位置では、110°の羽根状角度は、90°および80°よりも高かったです。外側位では、羽状角は 80° 位と比較して 110° 位でのみ有意に大きかった 。遠位スキャン位置のいずれにおいても、負傷側と健側との間で羽状角に統計的な差はなかった。これらのデータは、以下に示すビデオ分析の観察結果と一致しており、リラックスした状態での羽状角は負傷した GM と健常な GM で同様であった。腹部中央での羽状角は、中央位置ではなく、内側と外側で足関節角度の主な影響を示した。内側位置では、羽根角は90°および80°と比較して110°の方が急峻であり、羽根角も80°と比較して90°の方が大きかった。
外側位置では、羽根角は90°および80°と比較して110°の方が大きかった。
さらに、中央および内側の位置では、負傷していないGMと比較して、負傷したGMの羽状角が大きい側の主効果もありました。
かかと上げ動作中のビデオ録画では、遠位部（F1 と F2 の両方）の羽状角が、筋肉の収縮状態と側（損傷/非損傷）との間で有意な相互作用を示していることが示された。遠位 F1 では、非損傷 GMと損傷 GMで弛緩状態から最大収縮までの羽状角の増加が認められた。羽状角の増加は、損傷側の方が非損傷側よりも有意に大きかった。 F2では、 弛緩状態から最大収縮まで、 健側と損傷側のGMの羽状角も増加した。増加は、健側と比較して損傷側で再び有意に大きかった。定量化可能なデータに加えて、損傷側の遠位束は収縮中に内側に巻き込み、最大収縮時に湾曲した外観を呈することが観察されたのに対し、健側の緊張した束の形状は GMの中腹では、羽状角の相互作用は見られませんでしたが、収縮状態の主効果は、F3およびF4で収縮とともに増加を示しました。さらに、GMの中腹部分では、収縮中の束の湾曲した外観は観察されませんでした。
束の長さ
US静止画像で測定された束長には交互作用はなかった。遠位GM、内側位置では、足関節角度の主効果が認められ、110°では90°および80°と比較して束が短かった。中央位置および外側位置では足関節角度の影響は見られなかったが、中央位置では側面（損傷 vs. 非損傷）の主効果が認められ、損傷したGMの方が非損傷のGMと比較して束長が短かった。内側および外側の位置において、損傷した GM と損傷していない GM の間で束の長さに統計的な差はありませんでした。
腹部中央部では、3 つのスキャン位置すべてで足関節角度の主な効果が見られ、側面による効果は見られませんでした。中央位置では、110° の束は 80° に比べて短かったです。内側位置では、110° の束は 90° および 80°に比べて短かったです。側方位では、110°では90°および80°と比較して束が短かった。
ビデオ解析では、いずれの束についても、側方と収縮状態の間に相互作用は見られなかった。側方の主な影響は遠位束 F1 でのみ観察され、損傷側では非損傷側と比較して短くなっていた (11.9 mm、p = 0.009、CI = 3.8–19.9 mm) (図 7A )。すべての束は収縮状態の主な効果を示し、収縮時に短縮しました（F1、F2、 F3、F4で それぞれ18.7 mm、 p < 0.0001、CI = 15.0〜22.3 mm、19.5 mm、p < 0.0001、CI = 16.7〜22.3 mm、19.6 mm、p < 0.0001、CI = 15.6〜23.5 mm、18.3 mm、p = 0.0003、CI = 13.2〜23.5 mm）（図7A〜D）。一般に、損傷した遠位束が湾曲しているように見えるため（図 5）、束の長さを正確に測定することが難しく、現在の測定は束の挿入部と起点の間の線形外挿に基づいているため、束の曲率を無視していることに留意する必要があります。
腱膜の厚さ
遠位部（D1およびD2）の腱膜の厚さについては、筋肉の収縮状態と側（損傷/非損傷）との間に有意な相互作用があった。より近位の点（D3）では相互作用は見られず、側方の主効果が見られた。遠位部D1では、損傷したGMでは弛緩状態から最大収縮まで腱膜の厚さが増加したが、非損傷GMでは増加が見られなかった。腱膜の厚さの増加は、非損傷側と比較して損傷側で有意に大きかった。 D2でも同様で、損傷したGMでは弛緩状態から最大収縮まで腱膜の厚さも増加しましたが、損傷していないGMでは増加しませんでした。D1と同様に、D2では、損傷していないGMと比較して、損傷したGMで腱膜の厚さがより大きく増加しました（1.4 mm、p = 0.02、0.2〜2.5 mm）。D3での腱膜の厚さについては、側方の主効果が見られ、損傷したGMでは非損傷のGMと比較して腱膜が有意に拡大していることを意味します。GMの中央腹部では、相互作用は見られず、収縮状態の影響もありませんでした損傷した腱膜は、損傷していないGMと比較して、損傷部でより拡大していた。
かかと上げ運動中、筋間EMG活動に有意差があった。かかと上げ中の正規化されたGM EMGは、負傷したふくらはぎと負傷していないふくらはぎで差はなかったが、かかと上げタスク中の正規化されたヒラメ筋（SOL）EMG活動は、負傷したふくらはぎの方が健康なふくらはぎよりも有意に高かった。
その結果、SOLのEMG活動に対するGM EMG活動の比率は、負傷したふくらはぎの方が負傷していないふくらはぎよりも有意に高かった。参加者の中には、かかと上げ中のEMG活動が膝を伸ばしたMVC中よりも大きかった人もいたが、これは予想外のことだったが、負傷した脚と負傷していない脚の両方で正規化が同様に行われたため、この2つの比較は依然として有効であると考えられる。MVC中の筋力出力は、負傷したふくらはぎと負傷していないふくらはぎで差はなかった。
ヒトの筋損傷が長期的、おそらくは永久的な機能的および構造的変化を引き起こすことを示唆している。損傷した遠位筋群の羽状角は、損傷していない筋群よりも収縮時に著しく増加し、最遠位の束は短くなっている。腱膜は顕著に肥厚しており、筋肉の収縮時にさらに拡大する。かかとを上げる動作中、以前に損傷したふくらはぎの筋肉の神経筋活性化パターンが変化する。実際、動的US記録中の損傷した筋群の最遠位束の挙動は、かかとを上げる動作中に観察される束の顕著な湾曲により、以前の損傷部位が積極的に収縮力を生成していないことを示し、束短縮がないことを示唆している。最後に、著しく肥厚した腱膜は、損傷中に結合組織（すなわち、腱膜）が実質的に関与し、それによってその後の修復プロセスにも関与していることを明確に示している。
動的 US 記録の分析により、末梢部の筋束は健常な筋束と比較して異なる挙動を示すことが示されており、これらの観察結果は不活性で収縮していない筋線維を表していると仮定しています。さらに、筋束が収縮するときに腱膜を引っ張るのではなく、腱膜によって筋束が引っ張られていると仮定しています。損傷した末梢筋束の収縮時の急峻な羽根状角度は、この理論を裏付ける定量化可能なデータを提供します。さらに、末梢筋束の収縮の終わりに向かって深部腱膜に挿入する部分の筋束の顕著な曲線形状は、より定性的な観察結果となります。技術的な点では、少なくとも曲率が最も顕著な挿入部では、羽状角がさらに高いことを意味します。この研究で US ビデオ録画の羽状角を計算するために使用した自動マクロは、筋束が直線状であると仮定しており、直線であると仮定すると、実際の湾曲経路に比べて筋束の長さが過小評価されることになります。遠位損傷 GM のもう 1 つの観察結果は、最も収縮した状態で筋束が容易に識別できない領域が存在することです。
これは、これらの領域の構造と筋束の周囲の構造が変化していることを示唆しています。考えられる 1 つの説明は、慢性筋損傷に関する以前の研究で報告した広範な脂肪浸潤である可能性があります。
今回の研究では、損傷したGMの遠位筋束と腱膜の微細構造を定量化することができず、その部位からの生検が必要であったにもかかわらず、筋束が異なる挙動を示すことは明らかである。運動中の腱膜の変位測定は行われていないが、測定したどの部位でも腱膜が大幅に拡大し、収縮時にさらに顕著になることは、腱膜の材質、組織、そしておそらく材質特性も、損傷していないふくらはぎと比較して異なることを示唆している。この仮説に沿って、GMの慢性的な緊張損傷では、2つの構造間の強固な接続が適切に回復されていないと我々は提案する。当グループのこれまでの結果は、この主張を裏付けている。これが腱膜の材質特性の弱化によるものか、運動単位の動員が少ないために遠位GMが収縮できないことによるものかは、これらのデータに基づいて答えることはできない。ハムストリングとふくらはぎの筋肉の両方で、筋緊張損傷後には筋肉量の大幅な減少が報告されています。外傷後の筋萎縮のメカニズムは多因子である可能性が高く、固定関連の影響に加えて、ある程度の運動単位の動員の低下が含まれる可能性があります。筋収縮の欠如は腱膜と筋肉-結合組織界面の強化を妨げる可能性があると推測し、さらにこの腱膜と筋肉-腱膜界面の強化の欠如が、筋緊張損傷に関連する再損傷の高リスクの主な要因であると仮定しています。
現在の研究では、材料特性そのものを分析することはできませんが、負傷した側の腱膜の挙動は健常側と異なることが観察されています。第 1 に、腱膜は健常なふくらはぎに比べて大幅に拡大しており、負傷した GM の中腹部分まで広がっています。第 2 に、筋肉の収縮の結果として、負傷していない GM の遠位部では腱膜の厚さがわずかに増加し、負傷していない GM の中腹では腱膜の厚さがわずかに減少していますが、負傷したふくらはぎでは見られません。代わりに、負傷した筋肉が収縮すると、両方の部位で腱膜の厚さが大幅に増加します。中腹のビデオは 6 人の参加者のみで録画されていたため、2 つの部位を直接比較することはできませんが、観察されたパターンは注目に値します。Finni ら は、中腹部位の SOL 腱膜が長くなり、遠位腱膜が短くなるという、健康な腱膜の長さに沿った不均一な歪みを報告しました。健康な GM 腱膜で得られたデータは、Finni らの観察とよく一致しており、
1 つの軸に沿った中腹腱膜の寸法の減少 (薄くなる) は、別の軸に沿った増加 (長くなる) を示唆し、遠位端ではその逆になります。腱膜の不均一な歪みは、ネコの GM 筋肉でも報告されており、 Azizi と Roberts は、野生の七面鳥の収縮中に GM 腱膜の長さと幅が同時に増加することを報告しています。
機能レベルでは、片側かかと上がり運動中に得られた EMG データは、健康なふくらはぎと比較して、損傷した GM の活動に比べてヒラメ筋の筋電活動が高いことを示した。2 つのふくらはぎの筋肉の活性化パターンのこの違いは、負傷したふくらはぎが動作課題を遂行するための明確な戦略を示唆しており、負傷したふくらはぎでは健康なふくらはぎと比較して SOL の貢献度が高い。これらのデータは、ハムストリングスの筋挫傷後の以前の報告と一致しており、著者らは、遠心性筋動作中に、以前に負傷した BFlh の EMG 活動レベルが、負傷していない BFlh よりも低いことを記録した。また、以前に負傷したハムストリングスの筋電活動に関する最近のレビュー論文では、特に遠心性筋収縮中に、ハムストリングスの筋の活性化パターンが健康なハムストリングスと比較して異なるように見えるという中程度から限定的な証拠が報告されている。我々の EMG データでは求心性フェーズと遠心性フェーズを区別できず、特にかかとを上げる動作の遠心性成分に大きな差があった可能性がある。筋緊張損傷の結果として生じる痛みは、筋電活動の低下として測定可能な神経機能の不適応の要因として議論されてきた。しかし、慢性的な痛みは本研究に参加した個人のいずれにも報告されておらず、数か月から数年前の急性外傷による痛みが依然として筋肉の活動パターンに影響を及ぼしている可能性は低いと思われる。むしろ、ヒラメ筋の活動が高い本 EMG データは、保護メカニズム、または損傷した遠位筋群の運動単位動員の潜在的な低下に対する代償メカニズムとして解釈できるかもしれない。しかし、これは推測の域を出ず、今回の研究では、制御されたゆっくりとしたかかと上げ以外の動作中の筋電活性化パターンをテストしていないため、爆発的な動作中の筋間活性化パターンも、以前に負傷したふくらはぎと負傷していないふくらはぎでは異なると推測することしかできません。筋肉のさまざまな部位の筋肉活性化パターンを識別するために高密度 EMG 法を使用したのではなく、腹部の中央部に電極を配置した EMG を使用したことも重要です。この中央部は、負傷部位ではなく、筋束の長さと羽状角の最も顕著な変化がある側でもありません。
ノルディック ハムストリングス運動などのハムストリングスの反復性遠心性筋収縮は、ハムストリングスの初回の肉離れだけでなく再発性損傷も予防することが確実に示されています。遠心性運動の予防的役割は、筋束の長さの増加に関連付けられており、逆に、筋束の長さが短いと、ハムストリングスの肉離れ損傷のリスクが高くなります 。同じパターンが GM に当てはまるかどうかは調査されていませんが、GM の筋束の長さが短いと、ふくらはぎの損傷のリスクも高まると想定するのが妥当です。今回の研究では、安静時および最遠位部で最大収縮時に、有意に短縮した筋束を測定しました。この研究ではサルコメアのデータは得られていませんが、慢性の肉離れ損傷を受けた筋肉の生検材料に基づく以前のレポートでは、無秩序で過剰収縮したサルコメアとサルコメア構造の損失が示されました。これらのデータを総合すると、損傷したGMの構造と機能は永久的に変化していることが示唆されます。これまでのところ、損傷したGMを標的とした遠心性トレーニングによって、非常に遠位部でも筋束の長さが増加するかどうかは不明です。
この研究には限界がないわけではありません。筋束の長さを計算する際の直線性の仮定は、この研究の明らかな限界です。特に、損傷した筋束の長さと羽状角の測定では、筋束が顕著な曲線経路をたどるためです。しかし、損傷した筋肉では構造的破壊が頻繁に観察されるため、線維を正確に追跡して実際の曲線経路を定量化することはできませんでした。動的運動中、特に遠位部では、プローブの下で動く筋束と筋束の完全な位置合わせを維持することが困難な場合があります。しかし、動的収縮中の 2D 技術で可能な限り位置合わせに近い記録が得られると確信しています。さらに、US 記録は腱膜の機械的特性を測定するようには設計されておらず、測定されていれば、筋緊張損傷後の腱膜の働きについてさらに詳しい情報が得られていたでしょう。さらに、すべての測定は 2 次元 US 画像とビデオで実行されます。このレポートには、左右の違いをコントロールするための健康な対照群は含まれていません。最後に、通常の日常的な身体活動中の動きに似せた動的動作として、かかと上げテストを実施することを選択しました。参加者が指示に従えるように、動作をできるだけ厳密に制御しようとしました。ただし、より制御された等尺性収縮の方が、より標準化されたテスト状況であったでしょう。これに合わせて、かかと上げは求心性および遠心性のコンパートメントに分けられておらず、これによりより多くの情報が得られました。さらに、高密度 EMG により、筋肉のさまざまな領域における筋肉の活性化パターンに関するより詳細な情報が得られました。
今回の研究は、筋束が収縮中に羽状角の急激な増加を示し、さらに引っ張られて内側に曲がっているように見えるという点で、損傷した遠位筋群の一部が健側と比較して異なる挙動を示すことを示すデータを提供していると結論付けています。この挙動は、筋緊張損傷後に筋束が活発に収縮していないことを視覚化すると仮定しており、さらなる分析でこの仮説を確認する必要があります。また、損傷後の腱膜は構造と機能の両方で変化していることも報告しています。慢性の筋緊張損傷におけるふくらはぎの筋肉の神経筋活性化パターンの変化は、EMG データによって潜在的に裏付けられています。参加者の大多数はこれらの測定の何年も前に損傷を受けたため、筋肉および筋肉と腱膜の境界面のこれらの変化は永続的である可能性があります。
現在のデータは、以前に損傷したGMの一部が非常に異なる挙動を示し、活発に収縮しない可能性があることを示唆しています。筋緊張損傷後に遠位GMの束が随意筋活動で収縮しない場合は、筋肉だけでなく関連する結合組織（腱膜）も重要な機械的張力を受けません。これらの知見は、筋肉の緊張損傷後に筋肉量の減少と脂肪浸潤の発生が発生するため特に重要であり、筋萎縮と脂肪浸潤の両方が本報告書で提示された観察に直接関連している可能性があります。私たちの観察は、筋緊張損傷後の再発リスクが高いことを説明し、損傷後遺症を軽減するための筋肉緊張損傷後のリハビリテーション対策の新たな考え方を促す可能性があります。