東京大学教養学部体育学紀要 (1995)", 31〜 37

羽 状 筋 の ア ー キテ クチ ャモ デ ル ー第 2報 ―川上泰雄・市之瀬慈歩・久野譜也・福永哲夫
東京大学教養学部体育科

An architcctural modcl oF a pcnnatc muscic
Yasuo Kawakami, Yoshiho lchinosc,
Shin― ya

Kuno and Tctsuo Fukunaga

Dcpt. Of SPOrtS SCicnccs, Collcgc of Arts and Scicnccs,

Thc Univcrsity of Tokyo

Abstract

Ultrasouod and MRI techoiques were used to amllse threedimensional arrangemeDt offascicles iD m. medial gast(xnemius (MG) in vivo. For oDe male subject, images of both
t.aDsverse aDd longitudbal sections were obtained using ultrasound at various sites in MG.
ln each cross-sectional image, muscle thickness was measured as the distance between thesuhutaneous adipoce tissue-muscle interface and the deep aponeurosis. Frcm the serial cross-s€ctional images of the lo\rer leg, outliDcs of MG were traced aDd the muscle wasrecoostructed threedimeDsiomlly. Based on this threedimensional ioformatioD, longitudiDal
ultrasonic images along the length of the muscle were also reconstructed and the le[gths offascicles wer€ measured. From these parameters, phpiological cr6s-sectional areas (PCSA)

of MG were determined. The arrangement of fascicles $ere not parallel and fascicle angles
agaiDst the apJneurosis were greater in the middle belly with larger muscle thickness. The
fascicle letrgths were alm(xt identical throughout the muscle.

32

川上

市之瀬 、久 野 、福 永

研究 目的
第 1報 (東 京 大学教養学部体 育学紀要 27:913)で は、超音波法を用 いて羽状筋 (外 側広筋)の 筋束配置について検討 したが、 これはあくまで 2次 元的な画像に基づ くものであ り、筋の 中央部 の縦断面上に配列する筋束 のみをとらえたものである。測定部位 の筋束に限 ってみれば この結果は正 しい と考 えられ るが、実際には、筋は 3次 元的な外形を有するので、その内部 では筋東 も 3次 元的に (単 に 2次 元的な面を平行に連ねただけではな く)配 夕1し てい るはずである。それ故、筋 の形状についてより正確 に検討するためには、筋束の 3次 元的配列についての理解を得 る必要が ある。
先行研究 (Wickiewiczら 、 1983)は 筋東長や羽状角が筋内で比較的一定であることを示 してい るが、厳密に一定の値を とるとは結論 しておらず、多少の変動は認めている。筋 の形状やその機能的意義 は、筋の近位 か ら遠位 までの様 々

︲︲
５ 列

′′ ′
︱′ ︲ 列 ︱﹁ヽ ヽ︲な箇所における筋束配列を求めることによって推測す ることができる。筋内における筋東配列の不均 ―性に関 してはこれまでにも報告 されてレヽ
る (Liebと Perry、 1968: Nariciら 、1992;
Scottら 、1993)。 Nariciら (1992)や Scottら(1993)は 、 ヒ トの生体筋 (大 腿 の筋群)の 形状をMRIを 用 いて検討 し、筋束 の方向な どを
調べ ている。 しか し、筋束 の 3次 元的な配列については、 ヒ トの生体筋はもちろん、動物 の摘出筋において もまだ明らかになっていない点が多 い。本研究では、超音波法 とMRI法 を用 いて,F腹 筋の筋東配列を in vivoで 調べ た。それに加えて、その機能的な意義 につ いて考察 し、 より精度 の 高い生理学的筋横断面積 の計算を試み

この30%の レベル をマーキングし、この レベルに平行に、Bモ ー ド超音波装置 (SSD 500、 Aloka、
超音波の発振周波数 5MHz)を 用 いて横断画像を確認 しながら〃卜腹筋内側頭 の幅 (内 側頭 と外側頭 の境界か ら内側頭の内側端 までの距離)を皮膚上か ら測定 した。その幅 の中央の部位 を通 り、俳腹筋内側頭 の長軸 (近 位 ―遠位)に 沿
つた方向を超音波画像 か ら確認 しなが らマーキングした。その線 を中心線 として、その線 の内側、外側に平行に 2本 ずつ、お互 いに2.0× 102
mず つ離 して計 4本 の線 をマーキングした。最終的に平行な線が 5本 引かれたことになる。 これ らを 「列」 と表現 し、外側か ら内側 に向かって第 1列 〜第 5列 とした。それぞれの列上に、
2.0× 102m毎 に測定点を 8点 設定 した。この とき、下腿長の30%の レベル が最近位 の点か ら数
えて 4点 日となるようにした。図 1に マーキ ン
グの概 要を示す。総計40点 の点がマー クされたが、第 5列 の 7番 目と 8番 目σ)点 0)Tヾ にはルト
腹
し
かったので
筋内側頭が存在 な
、測定′
点は計38
点 となった。
上述 の各測定′点において組織横断面像 お よび
縦断画像を得た。測定中被検者は立位 にて、足関節は底屈・ 背屈の中間位を維持 した。

た。
方 法
被検者
1名 の健常な男性が被検者 としての参加に同意 した。身体的特徴は年齢が27歳 、身長 1 80oll、
体 重75kgで あ った。
超音波lll定 部位 の決定
右下腿を測定対象 とした。下腿長を測定後、

図1

下腿のマーキングの概要〃F腹 筋内側頭全体にわたるよ うに、合計38点 のポ イン トを設定 した。 ポイン トは2.0× 102mの 間隔を とった。

羽状筋 のアーキテクチ ャモデ ルー第 2報 ―図2MR画 像 の 1例
左は 1部 位 における下腿の横断面像 であ る。連続横断面像 において,F腹 筋内側頭を トレース し、3次 元構築 した (右 )。

MRIに よる測定
下腿の連続組織横断面像をMRI(Signal.5T,GE)を 用 いて求めた。 ス ライス厚は 1.0× 102m、ス ライ ス間隔は 1.0× 102m、 反復時間は900ミ
リ秒、エコー時間は20ミ リ秒に設定 した。撮像
は 1画 面について 2回 行 い、その平均画像を得た。ボデ ィコイル 内で被検者は腹臥位 をとり、安静状態を保 った。足 関節 は樹脂製 の箱 とス ト
ラップを用 いて中間位 に固定 された。被検者の下腿の下には スポンジを敷き、圧迫によって筋に変形 が生 じない ように極力配慮 した。 図 2左にMR画 像 の 1部 を示す。MR画 像はいつたん
フ ィルムに焼 き付けたのち、 スキャナ (OT 3000、エ プ ソン)を 用 いて パ ー ソナ ル コン ピュー タ(MacintOsh Centris 660 AV, Apple Computer)に取 り込んだ。以 ドの分析はパー ソナル コンピュー タ上で ソフ トウエ ア (NIH Image,W.
Rasbandに よるフ リー ウエ ア)を 用 いて行 った。
MR画 像 より、〃F腹 筋内側頭をMbHerと Reif
(1993)に 従 って トレース し、解音1学 的筋横断
面積 (ACSA)を 求めた。皮下脂肪組織 と腱
組織は トレースの際に除外 した。 トレース と面積計算は 1つ の画像について 5回 ずつ行 い、最

大値 と最小値 を捨て、残 る 3つ の測定値 の平均
値を各画像 におけるACSAと して用 いた。 3
回 の測定値 の 変動係数 は全 ス ライ ス面 で0.2
〜5.1%の 範囲であ った。
筋内側頭が
筋長は
と最 も遠位 の画描出され ている最 も近位 の画像"F腹像 の間の距離 とした。筋体積は全ての連続解剖
学的筋横断面積 の総和 にス ライス厚を乗 じて求めた。図 2右 にMR画 像 より3次 元 構築 した〕ト
腹筋内側頭 の外形を示す。
次 に、連続MR画 像 の位置 と超音波測定 の際のマーキングの レベル を排骨外顆 か らの距離を手がが りとして対応 させた。 さらに、MR画 像
中の〃F腹 筋内側頭にお いて、超音波 による測定の際 の各測定列の位置を同定 し、それぞれの列におけるルト腹筋内側頭 の深部腱膜 の 2次 元座標
を画像 か ら求めた。各 ス ライ スにつ いて同様 の測定を行 って、 スライスの垂直位置 を加えた各測定点の深部腱膜 の 3次 元座標を得た。
超音波画像 の再構築
各列の各測定点において得 られた超音波縦断
画像 をつ なげて、列全体 の縦断像を再構築 した。
この ときに、MR画 像か ら求めた各測定′
点においける深部腱膜 の 3次 元座標を用 た。各列 につ

34

川上

市之 瀬

いて同様 の再構築を行 い、]1腹 筋内側頭全体 としての筋束の 3次 元配置を調べ た。図 3に 再構
築 した各列の縦断像 (2次 元)を 示す。

久野

福永

設定 した。 4箇 所 の部位は、下胆長の30%の レ
ベ ルが 2番 目となるよ うに、また、隣 り合 う点
が 4.0× 102mの 間隔 を もつ よ うに して決定したが、縦断面像において筋東に平行 したエコーが識別 しに くい場合には若千位置を変更 した。
これ らの′
点を各列近位 より第 1〜 4点 としたが、5列の第第 4点 は 腹筋内側頭 が存在 しないた
め、この列は計測点が"卜
3点 のみ とな った。それ
ぞれ の計測′点において、ルト腹筋内側頭 の筋厚 を皮下脂肪層 と筋層 の境界面 と深部腱膜 までの距離 として測定 した。また、縦断面像を用 いて、
深部腱膜 と筋束のなす角度を羽状角 として測定した。 さらに、各計測点の深 部腱膜 に結合 してい る筋束の結合点とそれが表層腱膜 に結 合 して
い る点の座標、および両点にまたがる筋東長を求 めた。
生理学的筋横断面積 の計算
リト腹筋内側頭 の生理学的筋横断面積 (PCSA)を、MRIに よって求めた筋体積 (VM)と 超
音波か ら求めた筋東長 (lF)お よび羽状角 (x)を用 いて、以下の 2通 りの方法で計算 した。
PCSAl=7M・ ノFcad・ COS α(1)

PCSA2=/H・ノF° COS α(2)

ここで、 ノ とα はそれぞれ、
Wickiewiczらって(1983)に よ報告 された筋線維長/筋 長比(0.14)に 本研究で求めた筋長を乗 じて求めた
筋線維長 と、羽状角の値 (15° 、筋線維長/筋長比 と羽状 角はそれぞれ屍体 3体 の平均値を用いた)を 示す。lFと αは本研究で求めた全ての測定点の筋東長 と羽状角の平均値 である。なお、(1)の 計算は これ までの方法 (Fukunagaら 、
1992)に 準ず るものであ った。

超音波縦断画像
上より第 1列 〜第 5夕 」(外 側 〜内側 )示す。左側が近位。各画像中央付近に腹筋の深部腱膜 が観察 され る。

を 排

図3

統計分析
各計測点の筋厚 と羽状角の間の関係を直線回
帰 し、相関係数を求めた。相 関の有意水準は P<0.05と した。
結の を

計測点の設定お よび筋束長 と羽状 角の測定
各′Jの 縦断超音波画像 より、排腹筋内側頭
近位端 か ら遠位端までの間の 4箇 所 の計測′点

果
図 4た に、りF腹 筋内側頭における筋厚 と羽状角の分布を示 した。 この図で、右側が外側、手前 が遠位 である。筋厚は筋腹中央部が厚 く、周羽状筋 のアー キテ クチ ャモ デル ー第 2報 ―35

筋 厚 (mm)″=0.488(Pく 005)︵
し 収 К戻

羽状角

(° )

15
10
5

筋厚 (mm)
図4筋厚 と羽状 角筋腹中央付近の筋厚 が大きく、羽状角も高か った (左 )。 筋厚 と羽状角の間 には有意な正の相関関係が認められた (右 )。

辺部にい くにしたがって薄 くな った。羽状角も筋厚 と同様 の傾向を示 し、各計測点の筋厚 と羽状角の間 には有意な正の相関関係 (r=0.488、

p<0.05)が 認められた (図 4右 )。
図 5に 示 したよ うに、筋束 の配置は各列平行
ではな く、また、各列において も近位か ら遠位まで同じ羽状角で筋東は配列 していなかった。
各計測点で求めた筋束長は5.1± 0.4× 102mであ り、変動は少なかった。 これは筋厚や羽状角の変動の大きさ(そ れぞれ 1.9± 0.5× 102m、 19±4° )と は対照的であった。
筋長は2.5× 102m
であ ったので、筋束長/筋 長比は0.2と な った。
なお、Wickiewicz(1983)に よって報 告 された
筋線維長/筋 長比を用 い ると、
筋線維 長は3.5×102mと 推定 された。

図 5 リト腹筋内側頭 の筋東配置の模式図
筋東長は全ての部位でほぼ等 しかったが、羽状角は異な っていた。
表 1に 、〃卜腹筋内側頭の筋体積、最大解剖学
的 筋 横 断 面 積 (ACSAmax)、

PCSAを

示す。 P

36

川上

市之瀬 、久 野 、福 永

CSAは (1)式 と (2)式 で大きな違 いがみられ た。先行研究 の うち、屍体 を用 い た もの
(Wickiewiczら 、 1983)と 、生体 と屍体 のデー
タを用 いたもの (Fukunagaら 、 1992)に ついても示 したが、屍体 のデー タのみによる ものが筋体積 、ACSAmax、 PCSAと もに小 さな値であ った。

効率 とい う′点では有利である。筋の周縁部で構造上筋厚を厚 くできない部分は この ような筋束配置を取ることで少ない筋量をカバ ー してい るのではないか と考 えられる。
5.lX10 2mと い う筋東長は死体 における筋線維長 (3.2〜 3.9× 102:wickiewiczら 、1983;
3.6〜 4.2× 102:Friedrichと Brand,1990)よ(× 101m:)(× 10｀ m:)

ヽにw嗜 らFuヽ unagaら

２ ・(× 10̀m→

Wに

４(× 10'n')

﹁璃級

¨
﹄
﹄
ｍ
表1

木研 究

本研究 と先行研究 における筋形状
パ ラメー タ論議
筋厚 と羽状 角の間 の有意な正の相関関係は、
筋厚 の厚 い部位 では羽状角も大きいこ とを示 している。 これは、上腕三頭筋における横断的なデー タ (Kawakamiら 、 1993)と 類似 した傾向で
あ り、筋 の内部にお いて も筋厚が厚 い部分は羽状角が高 く、 したがって、多 くの収縮要素が配列可能なことを示 している。
筋内において筋東がすべ て平行に配置 しているわけではない とい う結果は、羽状 角が筋内で一定であるとい う報告 (Wickiewiczら 、 1983)とは異なる。先行研究がどの部位 か ら筋線維 を
取 り出したかについての記述がないので明確ではないが、筋全体にわた って調べ ていない可能性があ り、そのために羽状角の変動が少なか ったのではないか と考 えられる。また、死体 の筋の固定作業にともな う変形 の影響 も無視できな
レ｀。
筋東長 の均 一性は先行研 究 (Wickiewiczら 、
1983;Friedrichと Brand,1990)を 指示するものである。 したがって、生理学的筋横断面積 の計算における同一の筋東長の仮定は妥当であると考えられ る。筋東長が一定であるの に対 して筋厚に変動が認め られ るために、羽状角にも変動が観察 された。 このこ とは、羽状角は筋線維の 配置 (packing)の 決定 因子 である とす る
Burkholderら(1994)の 結論を追証す るものである。筋厚 の薄 い周辺部羽状角が低 い とい うことは、腱膜 に対 して筋線維 の発揮 した力の伝達

りも大 き い 。 これ は 、前述 の よ うに測 定 時の 関節 角度 の影響が大 きい もの と思われ る。
Wickiewiczら(1983)の 求めたように、至適サル コメア長の ときの筋東長を求 めることがで き
れば彼 らの値 との比較が可能 であるが、本研究か らは明 らかにはできない。筋線維が筋東内で終わ り、筋束長 より筋線維長が明 らかになってい る(Royと Edgerton、 1992)が 、本研究の結果はこのことを反映 している と考えることもできる。 しか し、近位・遠位 の腱膜をつ ないでい るのは筋東である こと、また、筋東内で終わ り、重な り合 つてい る複数の筋線維は同一運動単位に属す ること (上 方、 1993)を 考慮すると、生理学的筋横断面積 の計算には筋線維長 よりも筋束長を用 い る (Burkholderら 、 1994)べ きであると結論できる。
表 1に 示 されたように、死体 の測定値に基 づいた計算では筋体積を低 く見積 もる結果 となる
こ とがわかる。本研究の筋体積は死体 の 2倍 近い値を示 してい る。屍体 の筋 では加齢や固定作業による萎縮 が生 じている可能性があ り、 この
こ とが生体筋 との差を生み 出 した もの と考えられる。筋体積■ll定 を生体 にお いて行 う必要性が指摘 される。生理学的筋横断面積 は、必 要なデー タを全 て 同 一被検 者 の in vivoの 値 を用 いて計算 した (2)式 の求め方 が現在の ところ最も正確な値 であると考えられ る。 (1)式 の結果 との差は筋東長 の差に基づ くものであるが、これ らの結果は生理学的筋横断面積 の計算 における筋東長の重要性を示 している。
筋東長は筋内で比較的一定であ ったが、羽状角や筋厚 が筋内で均 一ではないので、筋活動中に全ての筋線維が等 し く活動 した としても、腱膜 に対 して及ぼ され る力は場所 によって異なると考えられる。本研究の結果を用 いて、筋内の力分布について考察する。各測定点の羽状角の羽状 筋 の アー キ テ クチ ャ モ デ ル ー第 2報 ―余弦 を求 めてみ る と筋 内 で一 定ではな く、筋腹中央部 が周辺 部 に比べ て小 さか つた (図 6)。

す なわち、各測定点の筋線維 が等 しく活動 したとしても、腱 に伝 達 される力は測定点によって異な り、筋腹中央部が最 も少な くなる。 このことは逆に、仲張性筋活動において外力で強制的に筋が引き伸ば され るような場合 、筋の遠位端付近お よび周辺部 にかかる負荷 に比べ て中央部の負荷が大きくなるこ とを示 してお り、伸張性筋活動を原因 とする筋損傷 に部位差が存在す る(Komiと Buskirk、

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図 6 リト腹筋内側頭の各点における腱膜 に作用
す る筋束角法の全弦成分の大きさは筋腹中央部が最も小 さく、 これに比べ ると周辺は大きい。

J

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本研究での測定は被検者が安静状態の ときのものであ り、筋は活動 していない。筋活動中の筋束の状態は安静時 とは異なっている可能性があ り 0上 と福永、1994)、 筋活動時の筋東配列に関する検討も今後必要である。

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