ABML2011

O2-14

2011年11月3日-5日 東京（芝浦工業大学）

足底部への振動刺激が立位姿勢に及ぼす影響
Effect of proprioception from plantar sole vibrations in human erect posture○ 安田勝一(芝浦工大)

加藤智久(芝浦工大)

山本紳一郎(芝浦工大)

Katuichi YASUDA,Shibaura Institute of Techonology
Tomohisa KATO, Shibaura Institute of Techonology
Shin-Ichiro YAMAMOTO, Shibaura Institute of Techonology
Abstract: Body lean response from vibrations of plantar soles was investigated in order to understand the influence of
proprioceptive input from plantar soles in human posture control. This study sought to analyze the postural responses
induced by separately vibrating with different frequencies to the toe and heel zones of both plantar soles in standing
subjects. Proprioceptive stimulation was applied to the plantar sole of 7 healthy subjects by two vibrators. Postural
responses were characterized by center of mass (COM) displacements in the anterior-posterior (AP) direction. The result
showed that the sole vibrations induced body leaning in postural orientation; the vibratory stimulation to toe induced bodyleaning backwards and vibratory stimulation to heel induced body leaning forward. And also the response of their bodyleaning is according to the frequency. We concluded that the body lean response by proprioceptive input from plantar soles
might be exist an optimal stimulus frequency.
Key Words: Vibration, COM, Posture control, Proprioception
1. 背景・目的
ヒトは視覚・前庭感覚・体性感覚からの情報を統合し処理することで姿勢を保持している．近年，この姿勢制御に働く制御システムの破たんが転倒を引き起こすと考えられており，加齢に伴う機能の低下と姿勢保持の機能を評価することで議論されてきた．従来の研究では補償動作を誘導する感覚器の働きと下肢筋群の活動動態に焦点を当てて議論がされてきた．例えば，Nashner らは立位姿勢を保持している被検者の支持面を急激に回転もしくは並進方向に移動する刺激を用いることで外乱刺激に対する補償動作を評価し報告している．彼らの研究では主に下腿筋群である内側 腓 腹 筋 (Medial Gastrocnemius:MGAS) ， ヒ ラ メ 筋(Soleus:SOL)，前脛骨筋(Tibials Anterior:TA)の特性が調査されており，各筋の活動動態と補償動作への働きかけの差異を報告している (1)．しかしながら，これまで明らかにされてきた筋の特性は筋のアクチュエータとしての特性であり，アクチュエータ(筋)への入力信号の感知を担っているセンサ(感覚器)の特性は考慮されていない．
一方，Kavounoudias らは感覚器へ振動刺激を印加することで感覚器-筋がどのように関与しているかを議論している．本研究でも感覚器に振動刺激を選択的に印加し各感覚器の働きと，振動刺激によって誘導される補償動作の働きを関連付けて姿勢調節機能の評価を試みた．
筆者らはこれまでに主として下腿筋群の筋腹(感覚器)に振動刺激(振動周波数:60,80,100[Hz])を印加することで起こる姿勢変調を数値化し，姿勢保持機能を評価した．その結果，同様の刺激に対して筋特異の姿勢変調が得られることが示唆された．次に筆者らは，ヒトが立位姿勢を保持する際の唯一の支持点である足底に着目した．足底は体表面積の 2%程度という狭い支持点で身体を支えている． 加藤らの先行研究より足底からの感覚情報が無くなると姿勢調節機能が低下することが報告されているように，姿勢保持を可能にする要因の一つに足底に備わる固有受容器等の感覚器の働きが知られている (2)．
そこで本研究の目的は，足底振動刺激によって誘導される補償動作から，感覚器の働きと姿勢調節機能を評価することとした．

2. 方法
2-1 実験方法
被検者は，本実験に参加同意を得た健常成人男性 7 名(age:22.0±1.1[year],height172±6.5[cm],weight:67.1±6.6[kg]) であった．姿勢動揺に対応する補償動作は足底部のつま先(Toe)と踵(Heel)の表面に振動刺激を印加することで誘導した．印加する振動刺激は 3[s]であった．
システム構成を Fig1 に示した．振動刺激によって誘導される補償動作は三次元動作解析システム(Motion Analysis製，MAC3D)を用いて計測した．計測条件は，両足底部のToe，Heel の 2 箇所に，3 つの振動周波数(60,80,100[Hz])を組み合わせて計測した．試行回数は刺激部位，振動周波数毎に 5 試行ずつ行った．振動刺激の生成には直動式振動子(Acouve Laboratory 製，Vp416)を使用した．
2-2 データ処理
三次元動作解析システムによって取得される身体座標位置(中足骨・外踝・外側踝・大転子・上前腸骨棘・肩峰・頭部に取り付けた計 13 個の反射マーカより取得，サンプリン
グ:200[Hz])は，デジタルフィルタ(遮断周波数 2[Hz])を用いて平滑化したのち，矢状面方向における身体重心位置(Center of Mass:COM)を算出した．振動刺激によって誘導される姿勢動揺は振動印加間の COM の積分量から定量的に評価した．本実験で得られ求められた指標の条件間の有意差検定には分散分析を用い，P<0.05 の有意水準に設定した．

Transducer
RecordingPC
Control PC

A/D BoxSequence
Controller
Function
Generator

AmplifierFig1. Experiment SystemO2-14-1

(B)COM[mm]
80[Hz](A)Example Postural response

50100[Hz]0posteriorToeanterior

60[Hz]
Vibration-50

posterioranterior

Head50Heel

ShoulderASIS
Hip
20[cm]

KneeAnkle

Toe

03

Time[s]

0-50

058

13

Time[s]058Time[s]13058Time[s]13Fig2(A).The typical example of the link model shift made from the marker positions between vibration.(B) Typical forward andbackward postural responses induced by stimulating separately Toe, Heel .
3. 結果
Fig2(A)は，各刺激部位(Toe,Heel)に 80[Hz]の振動刺激を 3秒間印加し誘導された姿勢動揺の典型例である．Toe へ振動刺激を印加すると被検者の身体は後方へと傾倒する傾向がみられた．一方，Heel に振動刺激を印加すると被検者の身体は前方へと傾倒する傾向がみられ，刺激される部位毎に引き起こされる姿勢動揺の方向が異なることを示した．
Fig2(B)は，各刺激部位(Toe,Heel)に対して 60,80,100[Hz]の三種類の振動刺激を印加した際，誘導された姿勢動揺の身体重心位置を示した図である．Toe へ振動刺激が印加される間，前方へ COM が移動していることを示した．一方，Heel へ振動刺激が印加される間，後方へ COM が移動していることを示した．
Fig3 は 各 刺 激 部 位 に 印 加 さ れ た 振 動 周 波 数(60,80,100[Hz])毎の刺激印加間の COM の積分値(移動量)を示している．振動刺激に応じた COM の移動量は Toe，Heel共に同等の移動量であった．また，振動周波数に応じた姿勢動揺の結果は，Toe,Heel 共に COM の移動量は 80[Hz]が最大となり，周波数によって異なる結果となった．
060-1050-2040-3030-402060-50

Heel
*

*

10Toe

*-60-60160*

The integration
value of COM[mm・s]

0ている (3)．加藤らの研究では，足底全体を冷却し感覚器の感度を減退させることで姿勢動揺量が増大することを報告しており，本研究と先行研究の結果を鑑みると，足底前後に発生する荷重情報の差異を検出できなくなったことが姿勢調節動態の低下を引き起こす要因の一つと考える (2)．即ち，本研究の結果は立位姿勢の調節動態に関して足底前後に加わる荷重情報の差異が重要な制御因子なっていることを示唆している．
また，荷重情報の差異を検知する足底の感覚器において，至適感度を有することも振動刺激の周波数より示した．しかし，Kavounoudias らの研究では，足裏の感覚器に関して特異値を持たず刺激周波数の増加に応じて姿勢動揺(COP)が増加すること報告しており本結果と異なった (3)．先行研
究との違いは，COP と COM といった評価指標の違いによるものかもしれない．先行研究で用いられた COP は厳密には COM の投影ではなく，足関節周りに生じるトルク量と比例関係にある評価指標と言われている．よって，先行研
究では足底への荷重情報が足関節周りの調節動態に関与していることを議論している．一方，本研究の結果は，身体の位置情報を議論する COM を用いて足裏感覚器の働きと関連付けて姿勢調節動態を議論している点に注目したい．
本研究において COM を評価指標とし直接的に姿勢調節機能を議論することで，足底感覚において足底領域の圧力差と刺激周波数が姿勢調節に関与している事が示唆された．

2803100[Hz]001602803100[Hz]Fig3. The integration value of COM
4. 考察
振動刺激を足底前(後)部へ印加することで姿勢変調が誘導されることを確認した．これは，足底前(後)部に振動刺激が印加されることで感覚器に疑似的な荷重情報が加わり，足底全体において前後の圧力差を均一にするように刺激した部位と逆方向に姿勢を傾倒(補償)させるためと報告され

参考文献(1) Horak FB, Nashner LM: Central programming of posturalmovements: adaptation to altered support-surface configurations.
J Neurophysiol; 55:1369-1381, 1986
(2) 加藤智久,野崎大地,中澤公孝,山本紳一郎,赤居正美,直立
姿勢制御における足底部皮膚感覚の寄与,第 17 回生体生理
工学シンポジウム論文集,231-232,2002(3) Kavounoudias A,Roll R,Roll JP:Foot sole and ankle muscle
inputs contribute jointly to human erect postureregulation.Journal of Physiology,532.3,pp.869-878,2001

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