純ダーツスローイングモーションにおける運動面の計測
宇都宮大学大学院機械知能工学プログラム生体計測・福祉工学研究室修士 2 年
片柳尚記（かたやなぎなおき）【概要】ダーツスローイングモーション（以下 DTM）は手首が橈背屈から尺掌屈へ向かう運動のことを言い、橈骨手根関節で運動が生じない DTM を純 DTM と呼ぶ。運動が生じないことからリハビリテーションの効果が期待されるが、DTM の研究は少なく不明瞭な点も多く存在する。そこで本研究では成人男性を対象に CT 撮影を行い、DTM 時の手根骨運動を調査することで純 DTM の運動面の算出をした。その結果、橈屈 8°、背屈 15°から月状骨、舟状骨ともに橈屈 0°、背屈 14.75°を通る運動面が、各手根骨の運動が生じない純 DTM であることが判明した。また橈屈 8°、背屈 30°から月状骨では橈屈 0°、背屈 17.77°を、舟状骨では橈屈 0°、背屈21.40°を通る運動面が、各手根骨の運動が生じない純 DTM であることが判明した。この研究を行い電動義手への応用が可能になれば、栃木県の高齢者や障害のある方へのサポートが期待できる。
1.緒言
日常生活において手関節の掌背屈、橈尺屈の組み合わされた動きが必要と言われており(1、2)、その中でも特にありふれた動きがダーツスローイングモーション（以下 DTM）である。DTM とは手首が橈背屈から尺掌屈へ向かう運動（図 1）のことを言い(3)、日常生活ではハンマーを振る、靴紐を結ぶなどの動作に用いられる。運動のほとんどが手根中央関節によるもので橈骨手根関節の動きは最小限であることから、橈骨手根関節を怪我した際のリハビリテーションの場でも用いられ、DTM を行うことによって日常生活にあまり不自由をきたさないと言われている(4)。また橈背屈から尺掌屈へ向かう間に橈骨手根関節の動きが 0 に近い運動は純 DTM と呼ばれている(5)。しかし、DTM を包括的に検討した研究は比較的少なく、この機能的な斜めの動きの定義や用語さえ不明瞭である。そのため、DTM の機能を正確に理解するためにも DTM 時における手関節（図 2）運動を調査し、純DTM の運動面を算出する必要がある。そこで本研究では、橈背屈①、②、基本姿勢、背屈①～④（表 1）の 7 つの手関節姿勢時における手関節の CT 撮影を行い、ソフトウエア上で得られた CT 画像から三次元骨モデルを構築した。橈背屈から他の姿勢に運動した際における手根骨（月状骨、舟状骨）の三次元運動を有限ヘリカル
軸表示を用いて調査し、純 DTM の運動面の算出をした。

図 1 DTM の動き

図 2 手関節部

表 1 計測の 7 姿勢

2.実験概要および計測方法
2・1CT 撮影と三次元骨モデル構築
被験者として手に疾患や外傷のない成人男性 10 名を選出した。伏臥位で右腕を伸ばし全ての指を伸展した状態で、治具（図 3）を用いて手関節の角度だけを変化させた姿勢でＣＴ画像を撮影した。腕遠位部、前腕中央部、上腕遠位部を治具とラップフィルムにて固定することにより手関節のみが可動するようにした。ＣＴ撮影時のアーチファクトを回避するために、治具はポリスチレンフォームで作成した。
三次元構築ソフトウエア(Mimics、ver.23、Materialise 社製)を用いて、橈骨および尺骨中央より遠位にある全ての骨をＣＴ画像から抽出して、各骨の三次元骨モデル（図 4）を作成した。ソフトウエアの機能により、まずＣＴ値が 226HU 以上の領域を抽出し、その後、目視で調整を行った。 またモデル化に際しては、第三中手骨と手根骨の月状骨、舟状骨とそれ以外の手掌部の 4 つに分けモデル化を行い、それぞれを独立のモデルとした。
2・2 計測方法
橈背屈から他の姿勢に移行した際に、手根骨の運動が発生する。これらの運動の回転軸が不明なため、有限ヘリカル軸表示を用いて、これらの運動を求める(6)。手根骨の運動を表示するために必要なパラメータは、回転軸であるヘリカル軸、ヘリカル軸周りの回転角度、ヘリカル軸に沿った平行移動量である。角度データを算出した手根骨として、近位列より舟状骨と月状骨を選択した。また、手関節角度を正確に取得するために、第三中手骨の角度データも算出した。橈背屈と他の姿勢（基本姿勢、背屈①～④のどれか一つ）の２姿勢の骨モデルを三次元 CAD ソフトウエア(3-matic、ver.15、Materialise 社製)で取り込み、このソフトウエアのレジストレーション（位置合わせ）機能を用いて、２姿勢の橈骨を一致させた（図 5）。２姿勢における各手根骨の骨モデル表面から、６点の特徴点を選出した。特徴点の位置は、可能な限り分散させて、各骨モデルの近位部と遠位部から各３点とした。第３中手骨の骨モデルから８点の特徴点を選出した。特徴点の位置は、近位部と遠位部から各３点と骨幹部から２点した。２姿勢における骨表面の特徴点は、レジストレーション機能を用いて、対象となる骨を一致させたのちに設定された。被験者ごとに特徴点の位置は異なっている。基本姿勢と他の姿勢における特徴点データを用いて、橈背屈から他の姿勢に移行した際における各骨のヘリカル軸パラメータを算出した。

図 3 撮影姿勢

図 4 骨モデル

図 5 橈骨のレジストレーション

3.計測結果
図 6～9 にＹ軸が橈背屈①、②が基準時の各手根骨の回転角度、X 軸が背屈角度のグラフを作成した。その両者の関係を式（1）で近似した。
(1)
y = 𝑎(𝑥 − 𝑏)2式（1）の係数を最小二乗法を用いて求めた。 橈背屈①、②と X 軸の接点（係数ｂ）における背屈角度（橈尺屈は 0）との間で、各手根骨の運動が 0 であることを示している。橈背屈①、②の姿勢からこの背屈角度を通る運動面が純 DTM の運動面となる。 橈背屈①において、月状骨では 8 人について、舟状骨では 10 人について純DTM の運動面が確認できた。その平均値は月状骨、舟状骨ともに 14.75°であった（図 10）。橈背屈②において、月状骨では 3 人について、舟状骨では 2 人について純 DTM の運動面を確認することができた。その平均は月状骨が 17.77°、舟状骨が 21.40°であった（図 11）。しかし、数人しか純 DTM の運動面が確認できなかったことから橈背屈②が基準時はほとんどの人が純 DTM を利用していないと考えられる。

図 6 橈背屈①月状骨

図 7 橈背屈①舟状骨

図 8 橈背屈②月状骨

図 9 橈背屈②舟状骨

図 10 橈背屈① 各手根骨の純 DTM 運動面

図 11 橈背屈② 各手根骨の純 DTM 運動面
4.結言

本研究では成人男性 10 名に対して、DTM 運動（橈背屈①、②）および基本姿勢、背屈①～④時における手関節を CT 撮影し、CT 画像から構築した三次元骨モデルを用いて、橈背屈から他の姿勢に運動した際における手根骨（月状骨、舟状骨）の三次元運動を有限ヘリカル軸表示（回転角度）を用いて調査した。その後、回転角度を基に各骨の純 DTM の運動面を算出したところ以下の結論を得た。
・手関節が橈屈 8°、背屈 15°の橈背屈①において、月状骨、舟状骨ともに橈屈 0°、背屈 14.75°を通る運動面が各手根骨の運動が生じない純 DTM の運動面である。
・手関節が橈屈 8°、背屈 30°の橈背屈②において、月状骨では橈屈 0°、背屈 17.77°を、舟状骨では橈屈0°、背屈 21.40°を通る運動面が各手根骨の運動が生じない純 DTM の運動面である。しかし、数人しか純DTM の運動面を確認できなかったことから多くの人が純 DTM を利用していないことが考えられる。
文献(1) Palmer, A.K., Werner, F.W., Murphy, D. and Glisson, R., Functional wrist motion: A biomechanical study,

The Journal of Hand Surgery, Vol.10A, No.1 (1985), pp.39–46.
(2) Brigstocke, G. H., Hearnden, A., Holt, C. and Whatling, G., In-vivo confirmation of the use of the dartthrower's motion during activities of daily living, The Journal of Hand Surgery, Vol.39E, No.4 (2014),
pp.373–278.
(3) Ishikawa, J., Cooney, W. P., Niebur, G., An, K.N., Minami, A. and Kaneda K., The effects of wrist
distraction on carpal kinematics, The Journal of Hand Surgery, Vol.24A, No.1 (1999), pp.113–120.
(4) Crisco, J. J., Coburn, J. C., Moore, D. C., Akelman, E., Weiss, A. P. and Wolfe, S. W., In vivo
radiocarpal kinematics and the dart thrower's motion, The Journal of Bone and Joint Surgery, Vol.87A,
No.12 (2005), pp.2729–2740.
(5) Morimoto, H., Apergis, E. P., Garcia-Elias, M., Werner, F. W. and Wolfe, S. W., International Federationof Societies for Surgery of the Hand 2013 Committee's report on wrist dart-throwing motion, The Journalof Hand Surgery, Vol.39A, No.7 (2014), pp.1433–1439.
(6) Woltring, H. J., Huiskes, R., de Lange, A. and Veldpaus, F. E.. Finite centroid and helical axis estimationfrom noisy landmark measurements in the study of human joint kinematics, Journal of Biomechanics,Vol.18, No.5 (1985), pp.379–389.