東京大学教養学部体育学紀要 (1993)27, 9〜 13筋厚 と筋線維角度 に基づい た羽状筋 のア ー キテ クチ ャモ デル一第 1報 一

川上泰雄・ 安部孝 *・ 福永哲夫

東京大学教養学部*東 京都 立大学

Architectural model of pennate muscle based on muscle
thickness and iber angle

Yasuo Kawakami, Takashi Abe* and Tetsuo Fukunaga
Depto of Sports Scien∝ s, College of Arts and Sciences,

ne unlК rsity of To町 o*TOb′ O Metropolitan UniversityAbstractMuscle thicknesses and muscle-fiber pennation angles were measured using
to investigate ia vi@ muscle architecture of m. vartulr lateralis. From theultrasonographyimage of a B-mode ulrasonography, muscle thickness (Mf) and fiber angles (ANG) weredetermined, the former as the distance between the fat/muscle and muscle/bone interfaces
and the latter as the angles between the interspaces of fascicles of rrastus lateralis and thedeep aponeurcis Botb MTs and ANGs varied with loogitudinal positions of the vastus
lateralis, rangrng ftom 12 to 23 mm for MTs and from 6 to 12' for Al.IGs, aod were
proportional to each other. Based on these obcervations, a tentative model was propoed

for the of muscle architecture of vastus lateralis.

川 上、安部 、福 永

10は じめ に羽状筋 にお いて は ,筋 線維 は筋 の 長軸方 向 (力発揮方 向 )に 対 してあ る角度 を も って腱 に付着 してい る。筋線維 が発揮 した力の うち ,筋 の 長軸方向に対する成分が関節の回転モー メン トの大きさを決定するので,こ の筋線維の角度 (pennationangle)は 羽状筋の力発揮特性 に影響を及ぼす因子として重要な役割を果たす。 これまで,い くつかの筋について,筋 線維角度が報告されている
1・1°bミ,こ れらの報告は屍体の筋を解剖した実測結果に基づいている。 しか し,屍 体は加齢や筋固定3),生体 における筋 の作業 に伴 って萎縮 してお り
構造 を完全 に再現 してい るか ど うか確 かであると

方 法
被験者は健常 な成人男子 1名 (年 齢35歳 ,身 長17 2cm,体 重 64kg)で あ った。被験者 の 同意 を得た後 ,大 腿部 の組織断層像 を Bモ ー ド超 音波診断装置 (ア ロ カ社 製 SSD‑500)を 用 いて撮 影 した。測定部位は ,大 腿長 の50%の 部位 で ,大 腿 の周径 に沿 つて超音波装置 のプ ロープを大腿骨に対して直角になるように横向きに当て ,組 織 の横断面像 を得た。画像 か ら大腿直筋 と外側広筋 の境界
お よび外側広筋 とハ ムス トリン グスの境界を確認
し,そ の 中間点を基準 として,図 2に 示 した ような測定部位を決定 した。外側広筋 の周径 に沿 つて3列 ,そ れぞれ の列 につ き筋の長軸方向に沿 つて5点 ,合 計 15点 とな った。列はハ ムス トリングスはい えない。また ,屍 体筋 における筋線維角度は側か らRowl,R ow2,Row3と した。基準点は
図 1に 示 した ような幾何学 モデルに基づいて測定
1),このモデルの妥当性 も不明で ある。 Row2の 3番 目,す なわち測定部位 の中心 であ つ
され てお りた。なお ,外 側広筋は これ らの 15点 を完全に含ん
Tendonでいることを画像か ら確認 した.

Fiber angle
Muscle fiber length

棚IuSCle nber length l Musole layer thicknω
Fiber angle=arcsin● ソ(Amtts et aL 1979)

Fig。 lDetermination of fiber angle in humancadavers. (Amis et al. 1979)1)

Fig.2 Positions for the measurement ofmuscle thickness and fiber angle of m.

vastus lateralis.
近 年 ,超 音波や MRIな どを利用 した組織 断層
撮影 か ら筋 横断 面積や筋厚 を測定 しよ うとい う試
みがな され て い るが ,最 近 にな って ,さ らに筋線
維 の 角度 を超 音波法 に よ って求 め よ うとす る試み
6。 9),筋の 力 7ゴ yaな 形態的が始め られ てお り
4°

特性 が明 らか にな りつ つ あ る。本研 究 で は ,超 音波法 に よ って筋厚 と筋線維 角度 を筋 の様 々 な部位″ 7ゴ ″ な アー キ
で 測定 し,羽 状筋 内 の 筋線維 の ゴ
テ クチ ャ (配 列様相 )に つ いて 考察す るこ とを 目的 とした。

15の 部位 の横断面像 か ら,外 側広筋 の筋厚を測定 した。また ,各 部位 について ,プ ロープ を外側広筋 の長軸方向に沿 つて 当てることで ,組織 の縦断面像を得 た.外 側広筋 と考え られ るエ コーの中に平行 した縦縞が観察 されたが (図 3),こ れは筋東 に平行 した組合組織 のエコーで あ ることをあ6).
らか じめ屍体 の体肢における実測か ら確認 した
この縦縞 と大腿直筋 の深部腱膜 とのなす角度 を求め,筋 線維角度 とした。なお ,測 定 の再現性 につ6)。
いて も確認済みで ある
また ,プ ロープが結合筋厚 と筋線維角度に基づいた羽状 筋 のアーキテクチ ャモデ ル

Fis.3 Ultrasonic images of n. vastus lateralis (left, cross - section ; right, sagittalsection). lluscle thickness uas determined from the cross - sectionEl image as the.

distance between fat,/muscle interface and deep aponeurosis. Fiber angle uas
iletermined from the sagittally sectioned image as the angle between faseicles and thedeep aponeurosis as indicated in the right drawing. Fat i subcutaneous fat; VL: m.
vastus lateralis, VI: m. vastus intermedius; B0NE: fenur.
Table. I

組織 の水平方向 と平行 になっていない とエコー を得 ることがで きないこ とか ら,筋 線維 の走行 に対して斜 めにプ ローブを当てることによって生ず る}{uscle thickness and fiber angle atthe measurement pos is ions. Seefig.2 for the positions.
Ro v3

ANG

２ η ５︲０ ■ ０ ８ ６１︲M「︲ ２ ８ ２η ２１ ︲!ANG
２ ０９ ２
１ ︲ ︲ ９M「

９︲８ η ３ ７ ３︲ ︲︲!ANG
８ ０１ 鯰 Ｈ ８M「position

角度 のずれは起 こ りえない と考えられた。
15の 部位それぞれについ て,筋 厚 お よび筋線維
角度 を測定 した。得 られたデー タか ら,両 者 の関係お よび筋内における分布状態について検討 した。

R側 2RGvl

longitudinal

MT:Murle thicknes(mm)
ANG:Fiber angle(deg)で筋厚お よび筋線維角度が最 も高 くなる傾向がみられた。
筋厚 と筋線維角度 との関係を図 4に 示す。両者の間 には r=0。 788(p<0。 01)の 高い相関関係が認められた。
筋厚 ,筋 線維角度 それぞれの測定値を部位 に対してプ ロ ッ トしたのが図 5で ある.両 者 とも類似した分布傾向 を示 し,遠 位部 (各 列 の 4〜 5の 部位)に 行 くに従 つて減 少 した。

Fig.4

Relationship between muscle thickness
and figer angle。

14ｍ目■ ﹄００︼
︵ ０﹁︶ ０一﹄

結 果
表 1に ,各 測定部位 における筋厚お よび筋線維角度 の測定値 を示 した。 3列 とも,筋 厚 お よび筋線維 角度は一定ではな く,筋 厚は 12〜 23mm,筋 線
維角度は 6〜 12度 の範囲で変動 してお り,中 央部

y=l.E+0.4x R=0.7E8

o rorvl! rorv2
A row312■■010o8641△01214161820Muscle thickness(nlln)

2224川 上、安部 、福 永論議

Muscle fibers (same length)

本研究 の結果 ,筋 厚同様 ,筋 線維 角度 も筋内で均一ではな く,部 位 に よっては 2倍 近 くの変動を示す ことが明 らかにな った。このことは ,図 1に1)は筋 のアーキテクチャを表示 した よ うなモデル
わす もの として適 当ではないこ とを示 してい る。

Fig.6

筋厚が遠位 になるほど減少す ることは ,筋 腹付

of m. vastus lateraliso The model is

近 で筋厚 が最大になる ことを示 してお り,羽 状筋も紡錘筋 と同様な形状 になってい ることがわかる。
筋線維 角度 もこれ に呼応 した変化を してい ることか ら,筋 腹維は筋 の全長で平行 に並んで い るというこれまでの報告133。 10)まA tentative model for the architecture

based on the assumption that muscle
fibers of the same length run fromtendon to tendon throughout thelength of the muscle.

再考 の余地がある と思われる。
筋線維長は筋内で比較的 一定 してい る とい う先
3)を考慮 にいれて ,本 研究の結果 に基づい行研究のアーキテクチて羽状筋ャのモデル を構築す ると,

図 6の よ うになる と考えられ る.筋 線維長が一定であ り,直 線的 に配列 してい る とすれば ,筋 厚 の大きな筋腹付近 で筋線維角度 は図の ように大きくな らなければな らず ,本 研究の結果は このモデルを支持 している。ただ し,こ れはあ くまで 1断 面
のみ の 2次 元的な モデルで あ り,測 定部位 の列によって筋厚 と筋線維角度 の分布 が変化 していることか ら,3次 元的にみると筋 のアーキテクチ ャはこのモデル よりもさらに複雑な もの となるであろう。
筋 の生理的横断面積 (PCSA)は 次式に よつて計算 される:°PCSA=筋 線維 の横断 面積 の合 計 ×cos αな燿︒
２ ６
１ ２︲ヽ

︵Ｅ ︶
ｏ一
Ｃ ■舅 ヨ

ここで ,α は筋線維角度である.oos α は ,筋 線
維 の横断面積 が筋の長軸方向の成分 として筋力発揮 に貢献 す る分を考慮 してい る項であるが ,本 研
究で示 されたモデルの ように筋線維が配列 しているとす ると,上 式 の右辺は筋 の部位 に応 じて変化す るものであ り,単 一の角度を用 いてしま うと誤差 の原因 となる。筋腹付近 の角度を用 い るとPCSAを 過小評価 してしま うことになろ う。 ただし
筋線維角度は上式 では余弦項 としてはた らいてい,げこ︵豊鴨ョ ﹄窒12・1086る。例えば外側広筋の場合 に本研究で得 られた角度を用 い るとすると,6〜 12度 の範囲で 2倍 近 くの変動を示 した として も,余 弦をとるとそれぞれ0.995,0。 978と な りPCSAの 計算にお よばす変化はそれ ほど大きくはない と考えられる。
最近 になって,筋 線維は腱 か ら腱 へ とつ なが っているだけではな く,途 中で終わ っている もの も3),筋のアーキ
存在す ることがわかつてきてお り
テクチャはこれまでに示 され てきたほど単純 ではない ようである。また,筋 の力発揮特性 には このFig.5 3-D presentation of muscle thickness(upper) and fiber antles (lower) atthe measurement Potitions.

ほかにも,筋 線維組成や神経系な どの因子が影響
7),こを及ばしてお り
れ らを含めた筋 モデル を構築す ることが今後 の課題である。

筋厚 と筋線 維 角度 に基 づ いた 羽状 筋 の ア ー キテ クチ ャ モ デ ルtfi

1) Anis, A. A., et al. : lluscle strengths andnusculo skeletal teouetry of the uDper I itb. Eng:ngi.

lled. , 8:41-48,1979.
2) An, K. N., et al. : Iluscles across the elbor joint :a biorechanical analysis. J. Biotech., l{:659-669,1981.
3) Friedrich, J. A. and Brand, R. A. : Iluscle fiberarchitecture in the hunan lorer I irb. J. Biorech. , 23:9l-95,1990.

4) Henriksson - Larsen, K., et al. : Do luscle fibreize and f ibre ang:ulat ion correlate in pennated hurannuscles ? Eur. J. Appl. Physiol., 6l:68-72,1992.
5) Ikai, I. and Fukunaga, T. : Calculation of ruscle
strength per unit cross-sect ional area of huran ruscle
sby neans of ultrasonic reasurere[t. Int. Z. Anger.
Physiol. Einschl. Arbeitsphysiol., 26:26-32,1968.

6) Karakati, Y. , et al :lluscle - f iber Dennat ion angles

are greater in hypertrophied than in nornal nuscles. J.
Appl. Physiol. (in Dress)
7 ) Kol i , P. Y. : lleur0ruscul ar perf ornance: f actors
influencint force and sDeed production. Scand. J.
Sports Sci., t:2115, l9?9.

8) Loeb, G. E., et al. : Distribution and innervation ofshort, interdigitated ruscle fibers in parallel-fiberedruscles of the cat hindl inb. J. llorpholosy, l9l: l-15,I 987.

9) R,utherford,'0. ll. and Jones, D. A. : Ileasurenent off ibre pennation using ultrasound in the huuan
quadriceDs in vivo. Eur. J. Appl. Physiol., 65:{33-43?,I 992.

l0) tickiericz, T. 1., et al. : Iluscle architecture of
the hunan lorer I irb. Cl in. 0rthopaed. Rel. Res. , l?9:275-283,1983.