青森保健医療福祉研究資2（1）; 13-19: 2020

料

https://doi.org/10.24552/00002154   ©青森県立保健大学

身体運動時の下肢機能軸の変化に関する文献調査
羽場俊広，岩月宏泰
青森県立保健大学
抄

健康科学部

理学療法学科

録〔目的〕下肢機能軸（MA: Mechanical Axis）は膝関節の変形の指標として利用されている。本研究では身体運動時の MA についての文献調査を行うことで，MA の動作分析への利用に資する可能性を考察することとした。
〔方法〕「下肢機能軸」，「Mechanical axis」を検索語とし，日本語および英語のデータベースにおいて1983年～2020年の期間で検索した。対象論文は身体運動時の MA または MA が垂線と成す角度に関連する評価項目があるものとした。
〔結果〕124編の文献が抽出され，著者らの採択基準を満たした10編を分析対象とした。身体運動の分類では
片脚立位が 2 編と歩行が 7 編であり，MA が垂線と成す角度の報告は静止立位時の 1 編であった。身体運動時の MA についてはすべての論文が MA の膝関節通過点についての報告であり，荷重や歩行様式の違いと関連する変化を認めていた。
〔結論〕身体運動時の MA を報告している論文は少なかったが，膝関節の変形，片脚立位や歩行などの身体運動において MA が変化することを考慮すると，身体運動時の MA が垂線と成す角度を生体力学的に分析することは動作分析を行う上で有用であると考えられた。

《 キーワード》 下肢機能軸，生体力学的分析，文献調査

Ⅰ．緒言

下肢機能軸（MA: Mechanical Axis）は股関節中心と足関節中心を結ぶ線として定義され，Mikulicz線や荷重軸（Load bearing axis）とも表現される。
MA は変形性膝関節症（膝 OA: Knee Osteoarthritis）に対しての外科的治療である人工膝関節全置換術（TKA: Total Knee Arthroplasty）や高位脛骨骨切り術（HTO: High Tibial Osteotomy）の臨床結果と1）密接に関係し，Iseki ら は TKA や HTO の術前後の下肢アライメントを評価するための最適な指標であると述べている。実際に，TKA では術後の下肢2～4）アライメントが MA を基準に中立となるよう計画され，この目標を達成するために多くの検討がなさ4～6）れている 。また，HTO においても MA を基準に7）手術の計画が行われ，Liu ら は HTO の生体力学的な目的は，前額面において MA を外側に移動させることと述べており，近年では軟骨損傷の程度によっ
8）て目標とすべき MA の移動距離を調整する試み も行われている。
連絡先 羽場俊広（E-mail: t_haba@auhw.ac.jp）
青森県立保健大学 健康科学部 理学療法学科〒030-8505 青森県青森市大字浜館字間瀬58-1
Tel: 017-765-2098 Fax: 017-765-2099（2020年 3 月11日受付：2020年 6 月17日受理）

9）

Krackow は図 1 で示すように MA が垂線と成す角度が 3°となることを正常な膝の特徴とし，片脚立位や歩行時において膝関節の関節面が床面と平行になる理由について言及している。MA が片脚立位および歩行などの身体運動時の生体力学的指標となることが示唆される一方で，MA の評価は通常 X 線で行われるため，身体運動時の MA についての報告は少なく，臨床においては膝関節の変形の指標としての利用に留まると推測される。
本研究では，生体力学的指標としての MA の発展に寄与すべく，（1）片脚立位や歩行時などの身体運動時における MA の利用状況の把握，（2）MA が垂線と成す角度の検討を目的として，先行研究の文献調査を実施した。

Ⅱ．対象と方法
1 ．対象（採択プロセス）
MA に対する主要なアウトカムを得るために，MA を主題に含む1983年～2020年 3 月31日までの日本語と英語論文を検索した。日本語論文については，「下肢機能軸」を検索語とした。下肢機能軸は「Mikulicz 線（Mikulicz line）」，「下肢荷重線」，「下肢荷重軸」とも表現されるため，これらの検索語に対しても同様に検索を行った。英語論文については検索語を「Mechanical axis」，「Mikulicz line」，「Bearing axis」および「Loading axis」とし，各検13

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中心と足関節中心を結ぶ線として定義されない MAを設けた。主題および抄録からでは採択基準に該当するか判断が困難な場合は，本文を熟読し採択基準に合致するものを本研究の対象論文とした。なお，本研究は人を対象とする研究に該当しないことを確認して実施した。
2 ．方法（分析方法）
対象論文については抄録と本文を熟読し，MA の利用状況の把握を行った。MA の利用状況は著者，発表年，身体運動，研究目的，対象者，MA の計測機器および評価項目，研究結果を分析することで把握し，片脚立位，歩行などの身体運動の種類により分類した。また，MA が垂線と成す角度が記載されている場合も同様に一覧表（表 1 ）とした。

Ⅲ．結果

9）

図 1 ．下肢機能軸（MA）が垂線と成す角度

下肢機能軸（MA）は股関節中心（F）と足関節中心（A）を結ぶ線として定義される。片脚立位や歩行においては，膝関節の関節面が床面と平行になるために，MA が垂線と成す角度（θ）は正常な膝で約 3°と考えられている。（凡例，K：膝の中心，B：垂線との交点，T：大腿骨解剖軸の近位点，FF：左右の股関節中心を結ぶ線，AW：足関節の幅，β：大腿骨機能軸と大腿骨解剖軸の成す角度）

索用語は［Title］で絞り込みを行った。文献検索に使用したデータベースは医学中央雑誌，メディカルオンライン，MEDLINE（PubMed）とした。
重複論文の削除後，主題および抄録から本研究の採択基準と明らかに合致しないものを除外した。採択基準は，1）データベースで抄録の閲覧が可能である原著論文または総説，2）
身体運動時の MA またはMA が垂線と成す角度に関連する評価項目があるもの，3）
単に MA の評価や計測方法の検討に限定される論文以外のものとした。
「下肢機能軸」や「Mechanical axis」と検索する場合には，大腿骨と脛骨のそれぞれの機能軸が成す角度（HKA 角：Hip-KneeAnkle angle）と表現される場合がある。また，股関節中心や足関節中心とは異なる基準を用いて定義される MA が存在するため，除外基準として大腿骨頭141 ．論文の選考
文献調査の過程を図 2 に示す。データベースでの検索結果は医学中央雑誌20編，メディカルオンライ
ン21編，MEDLINE 95編であった。この中から重複論文を削除し，124編の論文に対して主題および抄録から採択基準に対するスクリーニングを行った。ス
クリーニングによって除外された論文は112編であり，採択基準を満たさない論文の多くは，MA がHKA 角として表現される論文，MA の測定方法について検討した論文（測定方法の改良，信頼性や再現性の検討など），膝関節の変形の指標として静的にMA を利用した論文（手術時のアライメント調整，臨床転帰への関連性，他の膝関節変形指標との比較など）であった。適格性判断のための本文精査では10）12編が選択され，本文吟味により田中ら ，Larose11）
ら の論文が除外された。MEDLINE での検索において「Mechanical axis」の検索結果では87件中 1件，「Loading axis」とした場合の検索結果では 4 件中 3 件が対象論文となった。そこで MEDLINE において，「Loading axis」［Title/Abstract］で再検索した69件（重複論文 5 件を除く）で採択基準を満たす論文を調査したが，基準を満たす対象論文は存在しなかった。最終的に10編の論文を本研究における分析対象とした。
2 ．採択した論文の概要
最終的に採択された研究の概要を表 1 に示す。身体運動時の MA に関連するアウトカムを認めた論文は 9 編であり，片脚立位が 2 編，歩行が 7 編であった。MA が垂線と成す角度が記載された論文は 1 編であったが，静止立位時の報告であった。
発表年では2020年 3 月31日を基準とした場合，半12～16）。対象者
数の論文が 5 年以内に発表されていたは膝関節の変形や膝 OA を有する患者，膝 OA 術後患者であり，対照群として健常者が研究に参加していた。MA の計測機器では主に X 線や CT が用いら
12～21）
れており，歩行時の MA の変化を計測する場合

静的199418）

動2018

吉田ら

浮城ら16）

2015

2018

14）

2010

15）

Nishino ら21）

2005

20）

Kawakami ら

木村ら

200519）Kawakami ら

寺島ら

2019

2007

2015

発表年

藤原ら13）

17）

12）

Desai ら

茨城ら

著者

結果

歩行歩行歩行歩行歩行歩行

歩行

片脚立位

【X 線，CT】
・MA と床反力の膝関節通 ① MA と床反力の膝関節通過点は一致しない。
過点【X 線，CT，動作解析装置】 ① HTO 術後は MA の内側移動が減少した。
・歩 行における MA の膝関 ② MA の前後方向および横方向への動きの変化は患者によって異なった。
節通過点の軌跡

歩行における MA の膝関節通過点の軌跡を評価し，HTO 術後の変化 HTO 術前後患者 3 例を調査する。

① MA の内側移動距離は健常者 7.9±5.4 mm，平均73.3歳の TKA 術後患者 【X 線，動作解析装置】
TKA 術後患者で歩行における MATKA 患者3.7±3.3であり，TKA 患者の内側33例37膝と平均26.8歳の健 ・歩 行における MA の膝関の膝関節通過点を明らかにする。
移動距離は小さかった。
節通過点の軌跡
常成人12例24膝①重度の膝 OA 患者では，立脚期を通して MA の平均26.8歳の健常者12例24
膝関節通過点は内側であった。
【X 線，動作解析装置】
重度の膝 OA 患者で歩行における膝と Lateral thrust を有する・歩 行における MA の膝関 ②荷重応答期における MA の内側移動量は重度のMA と Lateral thrust との関連を
平均72.5歳の重度膝 OA 患
膝 OA 患者で高値を示したが，内反角度変化量
節通過点の軌跡検討する。
者15例15膝は差を認めなかった。

【X 線，CT，動作解析装置】 ①膝 OA が進行するにつれて，MA の膝関節通過異なる重症度の膝 OA 患者で MA 健常者14例と膝 OA 患者27例
点は内側に移動し，重度の膝 OA 患者では急速・歩 行における MA の膝関の膝関節通過点の評価する。
（軽度 OA8例，重度 OA19例）な移動がみられた。
節通過点の軌跡① Lateral thrust の出現例では MA の内側移動が【X 線，CT，動作解析装置】みられた。
歩行における MA と Lateral thrust 平均57.5歳の健常者と膝 OA・歩 行における MA の膝関②内外反角度変化と MA の側方移動は高い正の相との関係性を評価する。
患者16例16膝節通過点と側方移動量
関関係を示した（r＝0.98）。

【X 線，CT，動作解析装置】① MA の膝関節通過点は膝関節の変形の影響を受
・歩 行における MA の膝関ける。
節通過点の軌跡

歩行における MA の膝関節通過点
84歳の膝 OA 患者 1 例 2 膝を視覚化する。

【X 線，六自由度電気角度計】① Stick picture において健常者では MA は垂線に・MA の Stick picture（背面MA の動的変化を三次元的に検討 18歳の健常者 1 例と膝 OA
比較的平行となるが，膝 OA 患者では内側に傾図）する。
患者 1 例斜する（MA と垂線の成す角度の記載はなし）。
・歩 行における MA の膝関②膝 OA 患者では MA の内側移動がみられた。
節通過点

MA と下肢に作用する荷重の方向
70歳の膝 OA 患者 1 例 2 膝を評価し，その適用例を報告する。

① MA と膝関節中心との距離は両脚立位と片脚立両脚と片脚立位において，膝関節位で変化した。
【X 線】の 変 形 が 2 種 類 の MA（通 常 の 膝関節の変形を有する患者
・MA と膝関節の中心との ②脛骨と距骨の成す角度が内反の患者では片脚立MA と床反力作用点を基準とした 33例
位時に MA と膝関節中心の距離が 3.4±2.4距離MA）に与える影響を比較する。
mm 大きくなった。

【MA の計測機器】
評価項目

片脚立位
（バランスを保つ程度の反対側の支持は許可）

対象者

【X 線】
MA と関節面の傾斜との関係につ 平均74歳の TKA 術前患者25① MA と垂線の成す角度は1.89±1.3°であった。
・MA と垂線の成す角度いて調査する。
例50膝② MA と関節面の傾斜は相関関係なし。
・関節面と水平線の成す角度

研究目的なし（立位）

身体運動表 1 ．採択された研究の概要

身体運動時の下肢機能軸の変化に関する文献調査

的15

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図 2 ．文献調査の過程

採択基準は，1）データベースで抄録の閲覧が可能である原著論文
または総説，2）身体運動時の MA または MA が垂線と成す角度に関連する評価項目があるもの，3）単に MA の評価や計測方法の検討に限定される論文以外のものとした。
18）

14～16,19～21）には電気角度計 や動作解析装置を追加で使用し，歩行時の膝関節の動きを運動学的に捉える工夫を行っていた。MA に関連する評価項目ではMA の膝関節通過点または膝関節中心との距離であり，膝関節に対する相対的な MA の変化を捉えてい
13～21）
た。また，MA が垂線と成す角度は立位における関節面との傾斜を求めるために副次的に計測され12）ていた 。研究結果では膝関節の変形や荷重・歩行様式の違いと関連して MA の膝関節通過点が変化するため，身体運動時の生体力学的指標となり得ると
14～21）の報告が多かった。MA が垂線と成す角度は膝12）
OA 患者における静止立位時の角度 のみが得られ，身体運動時や健常者における角度は本調査では得られなかった。

Ⅳ．考察
MA を主題とした論文の中で身体運動時の MA に関連するアウトカムについて言及した論文は抽出された全論文（124編）の10％未満であった。また，
MA が垂線と成す角度に対する記載を認めた論文は1 編に過ぎず，身体運動時の MA が垂線と成す角度を検討した報告は今回渉猟できなかった。
17）
18）
Desai ら ，寺島ら に代表されるように，本研究における対象論文の多くは身体運動時の MA の計測の重要性を述べている。また，TKA 術後患者の11）歩行について検討した近年の調査 でも，静止立位時の下肢アライメントと歩行時の下肢アライメントの間には相関がなく，X 線による下肢アライメントの評価では歩行動作を予測できないと述べている。
生体力学的指標として身体運動時の MA を考慮する必要性がある一方で，X 線では身体運動時の MA の計測が困難であるため，対象論文が少なかったと考える。
MA の計測においては股関節中心と足関節中心を評価する必要があるが，股関節は足関節と比べ周囲の軟部組織の厚みのため，体表面上から股関節中心を観察することは困難である。抽出された論文の中には，動作解析装置を使用して股関節中心を計測す16る研究も散見されるが，皮膚運動による測定誤差（skin-movement-artifact）や体表面上のランドマークから回転中心としての股関節の位置を推定するた22）
めの測定誤差 が問題とされる。近年では，股関節中心を機能的に予測するためのアプローチ方法である SCoRE（symmetrical centre of rotation estima23）tion）が開発 されている。本研究における対象論
文では膝関節の変形や荷重・歩行様式の違いと関連して MA の膝関節通過点が変化することが示唆されており，半数が 5 年以内に発表されていた。MA の性質を考慮し，今後更に身体運動の分析が活発に行われることが望まれる。
本研究の結果から，身体運動時の MA が垂線と成9）す角度については Krackow の報告 以降ほとんど検討されていないと判断できる。しかし，膝関節の変形や外科的治療により，MA が垂線と成す角度は容易に変化するため，片脚立位や歩行などの身体運動の分析は MA の変化を考慮する必要がある。実際，
7）
Liu ら は HTO の生体力学的な目的は，前額面において MA を外側に移動させることと述べており，外科的治療によって MA が変化することを示唆している。歩行は体幹の重心を支持側下肢へ変位させることと，片脚支持時に不安定な骨盤を支えるための股24）
関節外転筋の活動により維持される （図 3 A）。特に，体幹の重心の支持側下肢への変位は骨盤を側方25）移動することで行われる ため，股関節内転運動が9）関与する。Krackow の報告から正常歩行時の MAが垂線と成す角度が 3°内転位と仮定された場合，外科的治療によって MA が外転位となると片脚支持を保つために必要な骨盤の側方移動量が増加する（図3 B）。そのため，より大きな股関節内転の可動域が要求されると予測される。また，股関節内転の可動域制限や股関節外転筋の活動低下を認める場合は骨盤の側方移動を十分に行うことが困難となり，片脚支持を保つために体幹の側屈による修正が起こると予測される（図 3 C）。体幹の側屈による修正が行われた場合は重力の作用線が仙骨中央から離れるため，体幹を保持するためにより大きな体幹の筋活動を必要とする。外科的治療によって MA が垂線と成す角度が変化した場合，体幹を側屈（体幹の筋活動が増加）することで MA を外転位で保持する，あるいは股関節内転の可動域の拡大により MA を内転位で保持する場合など個人で姿勢戦略が異なると考える。
本研究の結果，MA が垂線と成す角度はほとんど着目されていないことが明らかとなったが，MA が垂線と成す角度の分析を行うことで姿勢戦略の予測が可能となれば，外科的治療後に MA を考慮した適切な運動療法（体幹筋の強化や股関節内転の可動域の拡大など）を選択することが可能となり，理学療法の発展に寄与できる。
本研究の限界として，対象論文の採択プロセスでMA を主題に含む論文と限定したことが挙げられる。
本研究では MA に関連するアウトカムを得るために検索条件を限定したが，主題に MA を含まない場合

身体運動時の下肢機能軸の変化に関する文献調査24）

図 3 ．MA の変化と歩行（Perry & Burnfieldの図を改変）

A：正常歩行。MA が垂線と成す角度（θ）は約 3°となる。歩行は体幹の重心を支持側下肢へ変位させるための骨盤の側方移動（矢印 a）と，片脚支持時に不安定な骨盤を支えるための股関節外転筋の活動（矢印 b）により行われる。B：外科的治療により MA が外転位となった場合の歩行。MA が垂線と成す角度を 3°とするためには，A に比べて骨盤の側方移動距離が増加する（矢印 c）。C：骨盤の側方移動を十分に行うことが困難な症例では MA が垂線と成す角度は 3°未満となり，体幹の側屈による修正（矢印 d）が行われると予測される。

でも，膝関節の変形の指標として MA を評価項目とする論文は多数存在し，その中には MA に関連するアウトカムについて述べられている報告もある。実26）
際，Yasuda & Sasaki は外側楔状足底板の生体力学的効果を検討し，MA が垂線と成す角度の変化について言及している（MA が垂線と成す角度の記載はない）。また，MA を評価項目としている研究では計測機器の性能を踏まえると，MA が垂線と成す角度を計測可能であるが，その指標を主たるアウトカムとし採用していないため，実際には計測されていない。そのため，本研究では採択基準を満たした論文のすべてにおいて MA が垂線と成す角度を検討できる事実を考慮できておらず，今後の研究課題として成り得たと考える。

利益相反
本研究において，開示すべき COI 状態はない。

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身体運動時の下肢機能軸の変化に関する文献調査

Information

Change in mechanical axes during dynamic motion:
A literature review
Toshihiro Haba and Hiroyasu Iwatsuki
Department of Physical Therapy, Faculty of Health Sciences,
Aomori University of Health and Welfare（Recieved March 11, 2020; Accepted June 17, 2020）

ABSTRACT［Objective］Mechanical axis（MA）is used as an index of knee joint deformation. The present review
aimed to provide the usefulness of MA for a motion analysis based on a literature search about MA
during a motion.
［Methods］The literature review was undertaken using Japanese and English databases. The key words
were “Mechanical axis”, “Mikulicz line”, and “Load bearing axis”. The literatures searched in thisreview involved an evaluation item related to MA during a motion or the angle between MA and aperpendicular line.
［Results］After selected 124 literatures, 10 literatures were evaluated. The literatures of MA during themotion were consisted of 2 literatures on one-leg-standing and 7 literatures on walking. There wasonly one literature on the angle between MA and a perpendicular line while an upright position.
［Conclusions］Although there were few literatures about MA during the motion, it was suggested thatMA changed during the motion, including knee joint deformation, one-leg-standing, and walking. The
biomechanical analysis of the angle between MA and the perpendicular line during motions may becontributed as the useful tool for the motion analysis.
Aomori J. Health Welfare, 2（1）; 13-19: 2020
Key words: mechanical axis, biomechanical analysis, literature review
Corresponding author
Toshihiro Haba（E-mail: t_haba@auhw.ac.jp）
Department of Physical Therapy, Faculty of Health Sciences, Aomori University of Health and Welfare
58-1 Hamadate Mase，Aomori City，Aomori, 030-8505, JAPAN
Tel: 017-765-2098 Fax: 017-765-2099

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repo.nii.ac.jp/?action=repository_opensearch&index_id=279, as well as this copyright and license must be included.

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