人間の肩関節剛性の三次元姿勢特性と性別差異の研究

研究背景

肩関節は人間の構造の中で最も複雑な関節の一つであり、肩関節の安定性は肘や手首などの遠位関節の自然なコントロールと日常活動における手の細かい機能のために重要です。肩関節の安定性は、骨、靭帯、腱、筋肉の複雑な相互作用によって実現され、その中で剛性は外部の干渉に対して抵抗力を提供する特性です。近年の研究では、職業やスポーツにおいて女性の肩の傷害発生率が高いことが示されています。これにより、肩関節の剛性には性別差がある可能性が示唆されています。しかし、多次元空間、特に三次元（3D）空間での肩関節剛性およびその性別差異の研究は、まだ十分に行われていません。

論文出典

この研究はSeunghoon Hwang、Dongjune Chang、Aditya Saxena、Ellory Oleen、Soe Lin Paing、John Atkins、Hyunglae Leeらの学者によって共同で行われ、2023年のIEEE Transactions on Biomedical Engineering誌に発表されました。

研究目的

この研究の主な目的は、三次元空間において肩関節剛性を特徴づけ、特に筋肉をリラックスさせた状態でその性別差を探ることで、性別に依存する肩関節の安定性と肩部の傷害リスクの理解に役立つことです。

研究方法

参加者

この研究では、40名の健康な参加者（男性20名：年齢24.8±2.6歳、身長171.1±11.5センチ、体重67.5±8.1キログラム、女性20名：年齢23.8±4.1歳、身長163.8±8.5センチ、体重58.9±7.3キログラム）を募集しました。全ての参加者は右利きで、神経筋障害または肩の傷害歴がありません。本研究はアリゾナ州立大学倫理委員会の承認を受け、データ収集前に各参加者から書面によるインフォームド・コンセントを取得しました。

実験設定

研究には、三次元空間内で肩関節の回旋運動を生成するカスタム設計の肩部外骨格ロボット（4条ポール球状並列マニピュレータ4B-SPM）が使用され、特定の姿勢での肩関節の姿勢とトルクをセンサーで測定しました。測定の精度を確保するため、Vicon Nexus2三次元動作キャプチャシステムと6軸力/トルクセンサーを使用しました。さらに、実験中は主要な肩筋（前部三角筋、中央三角筋、後部三角筋）の筋電活動をモニタリングし、参加者が実験中に筋肉をリラックスさせた状態を保つことを確認しました。

実験手順

実験開始前に、主要な肩筋の最大随意収縮（MVC）を特定しました。実験では、肩の水平屈伸と水平外転/内転の異なる角度を含む15種類の腕の姿勢が含まれます。それぞれの姿勢で、参加者は45秒間、積極的な筋肉コントロールを行わない純粋な受動的運動状態を維持し、ロボットは肩関節に2°のルートミーンスクエアおよび3Hzのカットオフ周波数の誤差角で小さな姿勢の揺らぎを与えました。

データ解析

インパルス応答関数（IRF）を使用して、入力姿勢揺らぎと出力トルク応答の関係を定量化し、短いデータセグメントシステム識別方法を使用してIRFを推定しました。肩関節の剛性はIRFを積分して推定され、剛性推定の質を評価するためにバリアンス説明率（VAF）が使用されました。

研究結果

姿勢が肩関節剛性に与える影響

二要因反復測定分散分析（ANOVA）結果は、腕の姿勢が肩関節剛性に有意な影響を及ぼすことを示しました（p < 0.001）。肩関節の剛性は肩の屈曲角度が小さいときに増加し、肩関節の運動範囲の限界に近づくと増加しました。例えば、屈曲角度が45°、67.5°、90°の場合、剛性はそれぞれ17.4±3.3、12.7±1.7、10.3±1.9 N·m/radでした。

性別差の研究

混合分散分析（Mixed ANOVA）の結果、性別が肩関節剛性に有意な影響を及ぼすことが示されました（p < 0.001）。男性の肩関節剛性は女性よりも高かったです。また、体重で正規化した剛性データも有意な性別差を示しました（p < 0.001）、これは性別差が体重差だけに起因するものではないことを示唆しています。15種類の姿勢のうち、12種類の姿勢で性別差が統計的に有意なレベルに達しました。

分析と議論

この研究は、筋肉をリラックスさせた状態でも、肩関節剛性が異なる腕の姿勢により有意な差があることを示し、この差は肩関節の固有の物理的特性によるもので、神経制御や筋肉反射の補償によるものではないことを示しています。また、研究は初めて、男性と女性の肩関節剛性の有意な差異を系統的に明らかにし、この発見は性別に依存する肩関節の力学特性および関連するリスクの理解に重要な意義を持ちます。

結論

この研究は、肩関節剛性が三次元空間で腕の姿勢の変化および性別差異とどのように関連しているかの基本データを提供し、将来の様々な課題条件（例えば動的な肩の運動、筋肉の共収縮など）で肩関節剛性を特徴づける研究の基礎を築きました。研究結果は、物理治療、リハビリテーションロボット、アシストロボットなどの多くの分野で重要な影響を与えるでしょう。

研究のハイライト

• 三次元空間で初めて肩関節剛性およびその性別差異を系統的に特徴づけました。
• カスタム肩部外骨格ロボットを使用し、肩関節の物理特性を正確に測定しました。
• 肩関節剛性の姿勢依存性を明らかにし、特に異なる屈曲および水平外転角度での変化を示しました。
• 男性と女性の肩関節剛性の有意な差異を発見し、量化しました。これは肩関節の力学特性および関連リスクの理解に重要です。

今後の研究方向

今後の研究では、多方向からの干渉下での肩関節剛性を探り、異なる条件下（例えば、異なる運動課題、動的な姿勢、神経筋疾患など）での肩関節剛性の変化を調査すべきです。静的および動的条件下での肩関節特性の研究を総合することによって、肩関節の機能および力学特性をより包括的に理解し、リハビリテーション治療により強力な理論的支持を提供することができるでしょう。