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愛知県理学療法学会誌

第 31 巻第2号

2019 年 12 月

研究報 告

矢状面上の歩行解析における二次元動作解析システムを用いた
膝関節角度計測の信頼性と妥当性 *塚田晋太朗 1） 2） ・ 越智亮 3） ・ 江西一成 2） 3）【要 旨】【目的】 本研究の目的は， 歩行中の矢状面上の膝関節角度について， デジタルカメラを用いた二次元動
作解析 （以下， 2DMA） の日間信頼性， 三次元動作解析 （以下， 3DMA） に対する 2DMA の基準関連妥当性， および 2DMA の歪曲収差を調査することである． 【方法】 対象は健常成人男性 14 名とし， 歩行中の膝関節角度を 2DMA と 3DMA で検査日を変えて 2 回ずつ計測した． 統計学的分析には級内相関係数 （以下，ICC）， Bland-Altman 分析を用いた． また， 2DMA の画面中央， 左端， 右端の計測値を比較して歪曲収差を検討した． 【結果】 日間信頼性は， 2DMA， 3DMA ともに ICC （1， 1） は 0.39 ～ 0.61 で同程度であった．
2DMA の妥当性は， ICC （2， 1） が 0.31 ～ 0.71， ICC （3， 1） が 0.90 以上であり， 加算誤差を認めた． 歪
曲収差について， 画面中央と両端の間で計測値に有意差を認めた． 【結論】 2DMA で得られた膝関節角度は3DMA と同程度の信頼性を有しており， 3DMA の計測値と比較はできないが， 膝関節角度変化の傾向を捉えられることが示唆された．

キーワード ： 二次元動作解析， 妥当性， 歩行

はじめにヒトの運動や動作を客観的に評価する動作解析
はリハビリテーションの分野において重要である． 動作解析におけるゴールドスタンダードは三次元動作解析 （Three-dimensional motion analysis ：以下， 3DMA） であるが， 3DMA は高価であり，解析に専門的な知識を要する． リハビリテーショ* Reliability and validity of knee joint angle measurementin sagittal plane gait analysis using two-dimensionalmotion analysis system
1） 中部リハビリテーション専門学校 理学療法学科（〒 453-0023 名古屋市中村区若宮町二丁目 2 番地）
Shintaro Tsukada, PT: Department of Physical Therapy,
Chubu Rehabilitation College2） 星城大学大学院 健康支援学研究科
Shintaro Tsukada, PT, Kazunari Enishi, PT, PhD: Graduate
School of Health Care Studies, Seijoh University3） 星城大学 リハビリテーション学部 理学療法学専攻
Akira Ochi, PT, MSc, Kazunari Enishi, PT, PhD: Divisionof Physical Therapy, Faculty of Care and Rehabilitation,
Seijoh University# E-mail: tsukada@kzan.jp

ンの臨床場面において， 3DMA を有する施設は少なく， 患者の動作解析はビデオカメラを用いた二次元動作解析 （以下， 2DMA） が多い． ビデオカ
メラを用いた 2DMA は安価で簡便に行うことができ， 機器の操作に専門的な知識も必要ない．
2DMA の問題点として， 対象者の回旋運動に伴う見かけ上の誤差や， 画面の端に対象者が移動した場合のレンズによる歪曲収差が挙げられる．
2DMA の精度に関する先行研究 1） において， 回旋角度の増加に伴う二次元上の誤差の増大が報告されている． また， 被写体が斜投影面でかつ画面の端に写るほど実際の角度との誤差が大きくなる 2）．
このことから， 2DMA による矢状面上での歩行解析においては， 対象者が画面の端から他方の端へ移動するため， 画面の中央と両端では歪曲収差による誤差が生じると考えられる． 2DMA を臨床場
面でより活用するには， 上述の誤差を把握することに加え， 計測の信頼性， 3DMA に対する基準関
連妥当性を検証する必要がある． これらの問題を解決することで， 臨床場面においてより客観的な評価が簡便にできるようになり， 対象者の歩行に塚田晋太朗 ： 矢状面上の歩行解析における二次元動作解析システムを用いた膝関節角度計測の信頼性と妥当性おける問題点の把握や介入に対する効果判定の一助になることが考えられる．
健常者の正常歩行において， 膝関節は二重膝作
用 （double knee action） と呼称される運動を行う
ことで踵接地時の衝撃の軽減および重心の上下移動の振幅の減少に役立っている 3）． また， 膝関節は股関節や足関節と比べ運動自由度が小さいた
め， 歩行中の回旋運動に伴う見かけ上の誤差が最も小さい関節であると考えられる． そのため，
2DMA と 3DMA それぞれで歩行解析を行う上で，最も扱いやすいと考えられる膝関節を解析対象として着目した．
本研究の目的は， 矢状面上での歩行解析における膝関節角度を 2DMA と 3DMA を用いて計測し，両システムの信頼性および 3DMA に対する 2DMAの基準関連妥当性， 2DMA における歪曲収差について調査することである．

対象および方法

1．対象
対象者は健常成人男性 14 名 （年齢 22.6 ± 2.3
歳， 身長 168.6 ± 3.6 cm， 体重 63.9 ± 6.2 kg）とした． 各対象者には研究内容を説明し， 書面にて参加の同意を得た． 本研究は星城大学研究倫理委員会の承認を得て実施した （承認番号 ：2018C0013）．
2．方法
各対象者の大腿骨大転子， 大腿骨外側上顆，
腓骨外果に直径 25 mm のカラーマーカーを貼付した． その後， 各対象者に対してトレッドミル（SAKAImed 社， WOODWAY TRD-100） の上を裸足で歩くよう指示した． 対象者の大転子に貼付したマーカーが隠れてしまうことを防ぐために， 歩
行中は腕組みをするよう指示した． トレッドミルの速度を徐々に増加させていき， 対象者が普段通りの歩行速度と同等と感じた速度 （快適歩行速度）に設定した． 全対象者の快適歩行速度は 44.8 ±4.4 m/min であった． 2DMA および 3DMA ともに，歩行中の動画はデジタルカメラ （CASIO 社， EXFH25） を用いて撮影した． カメラのサンプリング
周波数は 60Hz， カメラのズームは最大広角 （35mm） とした． 後述する全てのカメラは水平に調整した三脚に固定し， レンズの高さは床から 75cmとした． この高さはトレッドミル上に立つ対象者の膝関節とほぼ同等の高さであった． 2DMA において， 対象者のトレッドミル歩行中の矢状面上の動画を撮影するため， カメラ 3 台を対象者および53

図 1．カメラの設置位置

トレッドミルの側方からベルトの進行方向に対して直角になるように設置した （図 1）． 中央のカメ
ラ②はトレッドミルのベルトの中央から 3 m 離れた位置とし， 対象者が画面中央に写るところに設置した． カメラ①とカメラ③は， カメラ②から左
右それぞれ 75 cm 離れた位置とし， カメラ①は対象者が画面の右 3 分の 1 に写るところ， カメラ③
は対象者が画面の左 3 分の 1 に写るところに設置した． つまり， 観察者のカメラから見て， 歩行している対象者が右から左へ移動する場面を想定した． もう 1 台のカメラ④はトレッドミルの後側方で， 対象者が画面の中央に写り， かつ全てのマーカーが追える位置に設置した． 3DMA には上述したカメラ 4 台で撮影した動画を使用し， 動作解析
システムを用いて三次元座標に変換した． 3DMAにおける時空間パラメータ抽出のためのキャリ
ブレーションフレームは縦 90 cm， 横 90cm， 高さ 130cm で， トレッドミルのベルト中央に設置した． また， 全てのカメラは撮影開始時に LED 発光
によりフレームを完全同期した． 日間信頼性の調査のため， 各対象者に対する 2DMA および 3DMAの記録は 2 回ずつ行い， 2 回目の撮影は初回から 3日以内に再び実施した．
2DMA および 3DMA の膝関節角度の抽出には
光学カメラ式の動作解析システム （東総システム
社， ToMoCo-VM） を用いた． 同システムはカメ
ラ 1 台毎に分けて解析ができ， 3DMA だけでなく
2DMA も可能である． 同システムは 5 mm の計測
精度でデータとして作成でき 4）， VICON MX による角度計測と相関があることが報告されている 5）．
2DMA による膝関節角度は， 対象者が画面の中央および両端に写るカメラ①から③の 3 台それぞれで計測した． 2DMA および 3DMA による膝関節角度は大腿骨大転子， 大腿骨外側上顆， 腓骨外果の54

愛知県理学療法学会誌

第 31 巻成す角度とし， 各カメラの動画からオートデジタ
イズにより得られた． 膝関節角度の計測は 10 歩行
周期分とし， 計測した各歩行周期を 100% で正規化した後に加算平均処理を行った． 加算平均処理波形から， 歩行周期中の膝関節の最大角度と最小角度を抽出し， データとして採用した．
3．統計処理統計処理は， まず Shapiro-Wilk 検定を用いて全てのデータの正規性を確認した． 2DMA の信頼性， 妥当性の分析については， 中央のカメラ （図1 のカメラ②） のデータを使用した． 両システム
それぞれの日間検者内信頼性として， 級内相関係
数 （Intraclass correlation coefficient ： 以下， ICC）の ICC （1, 1） を算出した． 次に， 3DMA に対す
る 2DMA の 基 準 関 連 妥 当 性 の 調 査 の た め， 1 回目の最大角度および最小角度を用いて， ICC （2,1） と ICC （3, 1） を 算 出 し た． ICC の 判 定 基 準は， Landis ら 6） の 報 告 を 参 考 に， 0.00 か ら 0.20
を Slight， 0.21 から 0.40 を Fair， 0.41 から 0.60 をModerate， 0.61 か ら 0.80 を Substantial， 0.81 から 1.00 を Almost Perfect とした． また， 2DMA と3DMA の歩行周期における膝関節角度変化の波形の類似性を確認するために， Kabada ら 7） の報告を参考に The adjusted coefﬁcient of multiple correlation（以下， CMC） 7-12） を算出した． CMC は 0 から 1の値をとり， 波形が一致している場合は 1 に近づき， 波形が一致していない場合は 0 に近づくという特徴をもつ． さらに， 3DMA に対する 2DMA の
系統誤差の存在を確かめるために， Bland-Altman
分析 13） 14） を用いて検討した． Bland-Altman 分析
では， 3DMA と 2DMA の計測値の差を y 軸， 両シ
ステムの平均値を x 軸とした Bland-Altman plot を作成し， 加算誤差と比例誤差の有無を確認した．
2DMA における画面の歪曲収差が関節角度に与える影響を確かめるために， 最大角度と最小角度について， 画面の中央， 右端， 左端のデータを対応のある t 検定を用いてそれぞれ比較し， Bonferroni
法で有意水準を調整した． 統計処理は統計ソフト（IBM 社， SPSS statistics 22） を用い， 有意水準は5% とした．

結果
2DMA と 3DMA の膝関節角度は表 1 に示した．
ICC の判定基準について Landis ら 6） の報告を参考にすると， 2DMA における ICC （1, 1） は， 最大角度で 0.61 と Substantial， 最小角度で 0.42 とModerate であった． また，3DMA における ICC （1,第2号2019 年 12 月

表 1．Two-dimensional motion analysis（2DMA）とThree-dimensional motion analysis（3DMA）の
膝関節角度
2DMA

3DMA

計測 1 回目

45.1 ± 4.8

55.6 ± 5.5

計測 2 回目

46.5 ± 5.0

57.1 ± 5.5

計測 1 回目

5.7 ± 2.5

7.9 ± 2.9

計測 2 回目

6.3 ± 2.6

8.3 ± 3.1

膝関節最大角度

膝関節最小角度

単位 ： 度， 平均値 ± 標準偏差
2DMA: Two-dimensional motion analysis, 3DMA: Three-dimensionalmotion analysis

表 2．両システムの日間信頼性
ICC (1, 1)

95% 信頼区間
下限

上限

膝関節最大角度

0.61

0.15

0.85

膝関節最小角度

0.42

-0.11

0.76

膝関節最大角度

0.61

0.16

0.86

膝関節最小角度

0.39

-0.14

0.75

2DMA

3DMA

ICC: Intraclass correlation coefficient, 2DMA: Two-dimensional motion
analysis, 3DMA: Three-dimensional motion analysis

1） は， 最大角度で 0.61 と Substantial， 最小角度
で 0.39 と Fair であった （表 2）．
2DMA と 3DMA の絶対一致度を表す ICC （2, 1）
は， 最大角度で 0.31， 最小角度で 0.71 であった．
また， 相対一致度を表す ICC （3, 1） は， 最大角度
で 0.96， 最小角度で 0.94 であった （表 3）． 2DMAと 3DMA の歩行周期における膝関節角度変化の波形の類似性を表す CMC は 0.96 ± 0.01 であった
（図 2）． Bland-Altman 分析から得られた 2DMA と3DMA における系統誤差に関して， 最大角度および最小角度ともに加算誤差 （p < 0.01） のみ認め，
比例誤差は認めなかった （表 4）． 加算誤差は最大
角度で -10.4 度， 最小角度で -2.2 度であった．
2DMA における歪曲収差について， 最大角度は
画面左端が画面中央および画面右端に比べて有意に大きく， 画面中央が画面右端に比べて有意に大きかった （p < 0.01）． また， 最小角度は画面左端
および画面中央が画面右端に比べて有意に大きかった （p < 0.05） （表 5）．

塚田晋太朗 ： 矢状面上の歩行解析における二次元動作解析システムを用いた膝関節角度計測の信頼性と妥当性

55

表 3．Three-dimensional motion analysis（3DMA）に対する Two-dimensional motion analysis（2DMA）の基準関連妥当性
95% 信頼区間

ICC (2, 1)

下限

上限

ICC (3, 1)

95% 信頼区間
下限

上限

膝関節最大角度

0.31

-0.01

0.74

0.96

0.87

0.99

膝関節最小角度

0.71

-0.06

0.93

0.94

0.83

0.98

ICC: Intraclass correlation coefficient(%)

2DMA: Two-dimensional motion analysis, 3DMA: Three-dimensional motion analysis
図 2．膝関節角度変化

表 4．Three-dimensional motion analysis（3DMA）に対する Two-dimensional motion analysis（2DMA）
の系統誤差
LOA
下限

上限

膝関節最大角度

-11.9

-9.0

膝関節最小角度

-3.1

-1.3

加算誤差

95% 信頼区間

比例誤差

下限

上限

傾き

-10.4 * *

-11.3

-9.6

-0.14

-2.2 * *

-2.7

-1.7

-0.18

Bland-Altman 分析， LOA: Limits of agreement （誤差の許容範囲）， * * ： 加算誤差あり （p < 0.01）

表 5．Two-dimensional motion analysis（2DMA）における歪曲収差
画面左端

画面中央

画面右端

膝関節最大角度46.5 ± 4.8 * *， ††45.1 ± 4.8 ††42.9 ± 5.0

膝関節最小角度

6.1 ± 2.3 †5.7 ± 2.5 †5.0 ± 2.6

単位 ： 度， 平均値 ± 標準偏差， * * ： 画面中央と有意差あり （p < 0.01）， †† ： 画面右端と有意差あり （p < 0.01），†： 画面右端と有意差あり （p < 0.05）

考察
本研究は健常者を対象に， 2DMA と 3DMA を用いた矢状面上の歩行解析における膝関節最大および最小角度の信頼性と 2DMA の基準関連妥当性について検討した． 動作解析装置の信頼性は， マー
カーサイズやデジタイズの精度に影響を受け， 用

いる機器によって異なることが考えられる． 一方， 本研究で用いたカメラとカメラの設置位置は同一であり， 2DMA と 3DMA をソフトウェア上で分けているのみである． さらに， トレッドミルの条件として 1 回目と 2 回目のベルト速度を統一したことや， 1 回目に計測した 3 日以内に 2 回目の56

愛知県理学療法学会誌

第 31 巻計測を実施しているため， 対象者の歩容の変化などの影響も最小にした． したがって， 本研究の結果は純粋に 2DMA と 3DMA の信頼性と妥当性の違いを反映したものと考える．
歩行時の運動学的パラメータなどの解析に関する信頼性の先行研究は多くあり， いずれも高い信頼性を報告している 11） 15） 16）． Meldrum ら 17） は， 歩行中の膝関節最大伸展角度， 遊脚期の膝関節最大
屈曲角度， 立脚期の膝関節最大屈曲角度の日間信
頼性について 3DMA を用いて計測し， ICC はそれ
ぞれ 0.64， 0.63， 0.60 であったと報告している．
また， Maynard ら 18） は健常者を対象に日間信頼性を調査し， 歩行周期の初期接地， 立脚中期， 遊脚
中期における膝関節角度の ICC は -0.41 から 0.64であったと報告している． さらに， 本研究で我々が用いた機器と同様のものを使用し， その精度を検討している先行研究 19） 20） では， 実測値との誤差はおよそ 0.5 から 5.6 度， 歩行中の踵接地における膝関節角度の ICC （1, 1） は 0.62 であったと報告されており， 本研究の結果はこれらの先行研究とほぼ同様であった． 計測値の信頼性に影響を及ぼす要因として， Schwartz ら 21） は内的要因と外的要因に分類している． 内的要因とは対象者の異なる試行における歩行速度や歩容の変化といった要因であり， 外的要因とはマーカー貼付の際の触診技術や貼付位置， カメラのキャリブレーショ
ン， データ処理などの方法論的な要因である． 本
研究では歩行速度を統一し， 1 回目と 2 回目の計
測日の間隔を 3 日以内としているため， 対象者に起因する内的要因は少ないと考える． 外的要因について， 本研究ではカメラの設置位置を施行毎に固定し， 歩行動作の記録に関する条件は毎回統一
した． また， 日間信頼性は低かったものの， 1 回
目と 2 回目で計測された膝関節角度の実測値の差は同システムを使用した計測精度と同等であった
ため， 機器の性能による影響は少ないと考えた．
Kadaba ら 7） は， 再計測時のマーカーの貼付について， 最大限配慮したにもかかわらず， 繰り返し可能な方法でマーカーを貼付することが困難であったと述べており， 本研究における再現性の低さはマーカーの再貼付による影響があったと考えられた． また， フォースプレートを使用しておらず，
各歩行周期のタイミングを動画から目視で行ったため， 対象者によっては膝関節最小角度となる初期接地のずれが影響した可能性が考えられた．
3DMA に対する 2DMA の基準関連妥当性について， 絶対一致度を表す ICC （2, 1） は最大角度で0.31 と低値であったが， 最小角度では 0.71 と最第2号

2019 年 12 月

大角度に比べて高値であった． しかし， 両者ともに 95% 信頼区間の下限が -0.01 および -0.06 と低かったため， 2DMA の値を 3DMA と同等の値と解釈することは困難であると考えた． 一方で， 相対一致度を表す ICC （3, 1） は高値であった． 3DMAに対する 2DMA の妥当性について， Ishii 22） は健常者における歩行中の膝関節角度計測は 2DMA と3DMA でほぼ同じ結果であったと報告しており，加えて， 鈴木ら 23） も 2DMA は 3DMA と同様の動きのパターンを捉えることができると報告している． 本研究の結果において ICC （3, 1） が高値であり， さらに波形の類似性を示す CMC も高値であったことから， 本研究で用いた 2DMA は歩行中の膝関節角度の推移について 3DMA と同様の傾向を捉えることが可能であると考えた． 3DMA に対する
2DMA の系統誤差について， Krause ら 24） はスク
ワット時における下肢関節角度を 2DMA と 3DMAで比較しており， 2DMA は 3DMA に比べて関節角度を過大評価する傾向にあると報告している． この研究で用いられている機器は 2DMA と 3DMA でそれぞれ異なるため， 角度の算出方法の違いによる影響が大きい． 一方で同一機器を使用した本研究の結果では， 歩行中の膝関節最大および最小角度において加算誤差を認め， 2DMA で計測角度が小さくなることが明らかとなった． これは，2DMA では下肢を平面に描写して角度を算出しているのに対して， 3DMA ではマーカーの座標を基に立体的な角度を算出しているため， 2DMA において計測角度が低値となったと考えた． まとめると， 臨床において， 同一患者であっても 2DMA と3DMA の関節角度の値を比較することはできない
が， 加算誤差を考慮した上で歩行中の膝関節の動きのパターンを 2DMA と 3DMA で比較することは可能であることが考えられた．
2DMA における画面中央と両端での計測誤差について， 最大角度および最小角度は画面に写る位置によって有意差を認めた． すなわち， 2DMA において歩行を矢状面から撮影する際には， 画面中
央に比べて両端では膝関節角度が異なる可能性がある． 臨床場面で撮影することが多い平地歩行では， 対象者が画面の一方からもう一方へ移動するため， 画面両端において膝関節の角度計測をする上で注意が必要である． しかし， その誤差はわず
かであり， 見かけ上の影響は小さいと考えられるが， 画面の歪曲収差は撮影に使用したレンズの特性や被写体までの距離などによって異なるため，
実際に使用する機器の性能や特性を把握しておくことが必要となる．

塚田晋太朗 ： 矢状面上の歩行解析における二次元動作解析システムを用いた膝関節角度計測の信頼性と妥当性
今回の結果から， 2DMA は 3DMA と計測値が異なるが， 健常者における歩行中の膝関節角度変化について同様の傾向を捉えられることが明らかとなった． したがって， 2DMA は動作の問題を把握する上でのスクリーニングとして有用であると考えた． しかし， 本研究の限界として， まず， 今回の対象者は健常者であり， 矢状面上の膝関節角度を計測したのみである． したがって， 膝以外の関節の計測や， 歩行時に回旋を伴う， あるいは立脚
期の左右非対称性を示すような中枢神経疾患や運動器疾患などの有疾患者に対して， 本研究結果と同様の 2DMA の信頼性や妥当性を認めるかどうかは不明なままである． 次に， 妥当性の基準とした3DMA のデータが他のトレッドミル歩行の先行研
究のデータ 25） と比べて膝関節の可動範囲が小さいため， 3DMA のカメラの設置位置やマーカーの貼付位置についても検討の余地がある．

結論
2DMA と 3DMA の日間信頼性については同程度であった． また， 3DMA に対する 2DMA の基準関連妥当性については， 3DMA と 2DMA の計測値は異なり， 2DMA では歩行中の膝関節角度が過小評
価されるが， 2DMA でも 3DMA と同様の傾向を捉えられることが明らかとなった． カメラを用いた
2DMA は， トレッドミル上での歩行のように画面の中央で対象者を捉え続けることができれば， 臨
床で有用な歩行分析の評価ツールになり得ることが示唆された．
【文 献】
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58

愛知県理学療法学会誌

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