2020 年度研究助成報告書

変形性膝関節症患者に対する小型慣性センサを用いた新たな歩行機能評価方法の開発

1

レッドミル上での歩行時における脛骨および大腿骨の加速度データより得られた値を，下肢角速度で除すことで，速度変化によって生じる変化を調整する方法を考案した。本研究では，開発された指標の妥当性について，観察によって歩行時の膝関節動揺を認めた膝 OA 患者

1）

三栖翔吾（PT） ，田中
浅井

2）

3）

創（PT） ，石原康平（MD） ，4）

5）

剛（PT） ，西上智彦（PT）と健常者の間で比較を行い，両者を分別できるかどうか検討することを目的とした。

1）

甲南女子大学看護リハビリテーション学部

対象と方法

2）

福岡整形外科病院リハビリテーション科

1．対象

3）

対象は，膝 OA と診断された Kellgren and Lawrence4）

分類がⅡ以上の患者 10 名（膝 OA 群，女性：5 名）と，

5）

健常成人 10 名（健常群，女性：5 名）とした。膝 OA

福岡整形外科病院整形外科
関西医科大学リハビリテーション学部
県立広島大学保健福祉学部群の対象者は，研究協力機関（一施設）の整形外科を受キーワード：変形性膝関節症，歩行，小型慣性センサ診し，脛骨骨切り術が予定されていた患者に対してリクルートを行った。健常群は，膝 OA 群のリクルートをはじめに行った施設に勤務する職員を対象とした。除外基準は，変形性膝関節症（以下，膝 OA）は，加齢とともに発独歩が困難である者，歩行に影響を及ぼす他の運動器疾症，進行する慢性の変性疾患であり，医学的治療やリハ患，神経疾患を有する者とした。膝 OA 群については，ビリテーションにより変形の進行，症状の増悪を予防す担当セラピストが観察による評価を行い，すべての患者ることが重要となる。膝関節への機械的ストレスは変形において患側膝に歩行時の膝関節動揺が指摘された。この進行に影響する要因のひとつであるとされており，特の評価方法の信頼性はすでに報告されているに，歩行時の外側スラストなどの膝関節動揺は，疼痛の疾患の状態を評価するために日本語版 Knee injury and増悪や関節変形進行の危険因子であることが報告されてOsteoarthritis Outcome Score

1‒3）

8）

。また，

9）の評価も実施した。

。これらの先行研究では，医師やセラピストに本研究は甲南女子大学および福岡整形外科病院の倫理よる主観的な評価によって膝関節動揺が評価されてお委員会による承認を得たうえで実施した。ヘルシンキ宣り，その動揺の程度は客観的に評価されていない。一方言に基づき，すべての対象者に本研究の内容，リスク，で，膝 OA 患者の長期的な治療経過を客観的に判定し参加の自由等を十分に説明し書面による同意を得た。

いるていくためには，歩行時の膝関節動揺を量的に評価する必要性がある。3 次元動作解析装置を用いて量的な膝関節動揺の評価を行っている報告は散見されるが

4）5），臨床的には使用できないことが多い。

2．歩行評価対象者には，両側の大腿骨外側顆および脛骨粗面に小型慣性センサ（マイクロストーン社製，MVP-RF8）をベ

小型慣性センサは，安価で操作性に富むため臨床的ルトで固定し，トレッドミル上を快適速度にて歩行してに広く使用可能であり，膝関節に伝わる衝撃や膝関節もらった。センサは，3 軸の加速度センサおよび角速度の動きを直接的に計測できる加速度データは，膝関節センサを内蔵し，得られたデータは Bluetooth にて無線動揺のよい指標になりうると考えられる。いくつかの研でノート型パソコンに送信，保存される。対象者は，小究では人工膝関節全置換術（total knee arthroplasty；型慣性センサを用いた評価を行う前に，歩行条件に慣れTKA）後の膝 OA 患者に対して，加速度データによるるためにトレッドミル上にて歩行練習を十分実施した。

歩行時の膝関節不安定性の評価の妥当性が検討されてい小型慣性センサにより得られたデータは数値計算ソフ

6）7）。しかし，膝関節不安定性を判別可能だったとすトウェア（MathWorks, Inc., MATLAB 2019a）を用いる報告がある一方で，判別は困難だったとする報告もあて解析し，歩行時の膝関節動揺の指標を算出した。解析り，その適用に関して一貫した結果は得られておらず，は，安定した歩行時における，膝 OA 群は患側，健常妥当性の高い評価方法は明確にはなっていない。その要群は左側の 10 ストライド分のデータを使用した。歩行8），時の膝関節動揺が生じると考えられる立脚期前半に注目

現行の評価法では下肢運動速度の影響を取り除けていなするために，まず，脛骨粗面の垂直方向加速度データいことが考えられる。また，歩行時の膝関節動揺が確認

および前後方向加速度データより Heel Contact およびされた膝 OA 患者の歩行と，健常者の歩行との比較がToe Oﬀ を同定し行えておらず，膝関節動揺を判定するカットオフ値も明次に，膝関節動揺の指標として，大腿骨・脛骨それぞれらかではない。の側方・前後方向の加速度データの Root Mean Square

る

因として，加速度データが速度依存性の特徴を有し我々は，新たな歩行時の膝関節動揺の指標として，ト10），立脚期前半のデータを抽出した。

（以下，RMS）を算出した。股関節の運動により，遊脚22020 年度研究助成報告書

表1

対象者特性の比較
膝 OA 群

年齢（歳）

女性 / 男性（人）

身長（m）

p値

健常群

n = 10n = 1060.5 ± 6.4

55.0 ± 4.6

0.04

5/5

5/5

1.00

1.61 ± 0.11

1.65 ± 0.88

0.47

体重（kg）

68.8 ± 16.8

58.7 ± 7.6

0.10

BMI（kg/m2）

26.2 ± 4.1

21.5 ± 1.4<0.01

患側：左 / 右（人）6/4−

K-L 分類 : II/III/IV（人）Oxford knee score

3/7/0−

32.4 ± 4.0−

膝 OA；変形性膝関節症，BMI；body mass index，K-L 分類；Kellgren and Lawrence
分類
値は平均値±標準偏差を示している．

表2

小型慣性センサより得られた歩行指標の比較
膝 OA 群

健常群

n = 10n = 10p値

歩行速度(km/h)

1.38 ± 0.36

1.95 ± 0.30

<0.01

脛骨：角速度統合 RMS(deg/s)

40.9 ± 10.6

59.5 ± 8.5<0.01

大腿骨：角速度統合 RMS(deg/s)

27.0 ± 6.7

34.3 ± 4.40.01

脛骨：側方加速度 A-RMS(m/s/deg)

0.030 ± 0.006

0.023 ± 0.006

0.01

脛骨：前後方向加速度 A-RMS(m/s/deg)

0.025 ± 0.009

0.020 ± 0.007

0.22

大腿骨：側方加速度 A-RMS(m/s/deg)

0.042 ± 0.012

0.039 ± 0.0090.47

大腿骨：前後方向加速度 A-RMS(m/s/deg)

0.057 ± 0.016

0.050 ± 0.021

0.44

膝 OA；変形性膝関節症，RMS；root mean square，A-RMS；adjusted RMS
値は平均値±標準偏差を示している．

期における進行方向に対する下肢の運動軸は変化する可とで表される。AUC は，曲線下の面積を算出したもの

能性があることから，遊脚期の下肢運動速度の指標とであり，この分類方法の精度を示す。統計学的有意水準

して，3 方向の角速度データの RMS 統合値を算出した。

は 5% とした。すべての統計解析は，JMP 14.3.0（SAS

加速度データの RMS を角速度統合 RMS で除した角速Institute Inc.）を用いて実施した。

度 調 整 RMS（adjusted RMS； 以 下，A-RMS） を 膝 関
節動揺の指標とした。

結果
膝 OA 群および健常群の対象者特性を表 1 に示す。

3．統計解析
膝 OA 群と健常群の両群間における対象者特性およ

膝 OA 群において，K-L 分類 II の患者が 3 名，III の患者が 7 名であった。膝 OA 群は健常群と比較して年齢

び小型慣性センサより得られた歩行時の指標に差があが有意に高く（膝 OA 群：60.5 ± 6.4 歳，健常群：55.0

るのかどうか，対応のない t 検定を用いて検討を行っ± 4.6 歳，p = 0.04），BMI が有意に大きかった（膝 OAた。群間に有意な差が得られた脛骨および大腿骨の側方群：26.2 ± 4.1 kg/m ，健常群：21.5 ± 1.4 kg/m ，p <A-RMS，前後方向 A-RMS については，Receiver Oper-0.01）。

22ating Characteristic（以下，ROC）曲線を作成して Area

小型慣性センサによる歩行評価により得られた歩行指Under the Curve（以下，AUC）を算出し，Youden index

標の群間比較結果を表 2 に示す。膝 OA 群において，歩を用いて 2 群を分類する際のカットオフ値，感度，特異行速度，脛骨角速度統合 RMS，大腿骨角速度統合 RMS度の算出を行った。ROC 曲線は，注目する指標のカッの値が，健常群に比べ有意に低値を示していた。さらトオフ値を変化させた際の偽陽性率，真陽性率の変化をに，膝 OA 群における脛骨の側方 A-RMS は（0.030 ±描画する曲線のことであり，横軸に偽陽性率（つまり 1‒ 特異度），縦軸に真陽性率（感度）をプロットするこ

0.006 m/s/deg），健常群と比較し有意に低値を示していた（0.023 ± 0.007 m/s/deg, p = 0.01）。

2020 年度研究助成報告書3

図 1 脛骨の側方 A-RMS により膝 OA 群の患側の歩行と健常群の歩行を判別す
る ROC 曲線
A-RMS；adjusted root mean square，膝 OA；変形性膝関節症，ROC；Receiver
Operating Characteristic
この ROC 曲線の area under curve（AUC）は 0.86．

脛骨の側方 A-RMS について，膝 OA 群の患側の歩行て膝関節動揺のある膝 OA 患者と健常者との比較を行っデータを判別する ROC 曲線を図 1 に示す。ROC 曲線のた点で優位性がある。最近では，Tsurumiya らが歩行

AUC は 0.86 であり，Youden index が最大となるカッ速度により調整を行った脛骨側方方向の加速度ピーク値

トオフ値は 0.0268 m/s/deg で，感度と特異度はそれぞが，膝 OA の変形重症度と関連することを報告しておれ 80.0%，90.0% であった。つまり，脛骨の側方 A-RMSり，我々の研究結果を支持した結果となっている11）。

においてカットオフ値を 0.0268 m/s/deg とするとき，脛骨における側方方向の A-RMS については膝関節動OA 群，すなわち歩行時の膝関節動揺が生じている者を揺を判別することが可能であることが示されたが，前後陽性と判定できる確率が 80.0%，健常群，すなわち歩行方向の A-RMS や大腿骨における A-RMS においては，時の膝関節動揺が生じていない者を陰性と判定できる確

膝 OA 群と健常群の間に有意な差を認めなかった。こ率が 90.0% であることを示す。の要因として，膝 OA 患者における膝関節動揺は側方に強く生じることが挙げられる

考4）。前後方向の動揺も生じることが想定されたが，本研究の対象となった膝 OA

察
本研究により，トレッドミル上での歩行時における患者における関節変形は中等度程度だったため，強い膝脛骨の側方 A-RMS は，健常者と比較して観察にて歩行関節動揺までは生じていなかった可能性がある。また，

時膝関節動揺を認めた膝 OA 患者で高値を示し，高いサンプルサイズが小さかったことも要因として挙げられ正確性で判別を行うことが可能であることが示された。

る。大腿骨については，脛骨より遠位に位置するため，

Roberts らは，TKA 術後の膝 OA 患者における，歩行膝関節の緩衝作用により動揺を鋭敏に判別することが難後に立ち止まる際の脛骨加速度データのピーク値が健しかった可能性がある。上記の側方以外の方向への動揺常者に比べて大きかったことを報告している

7）

。一方

で Soeno らは，TKA 術後の膝 OA 患者において，自覚的な膝不安定性の有無では脛骨加速度データからの指標
6）や大腿骨における動揺を評価することで，より多角的な評価となる可能性があると考える。
本研究の限界点として，膝 OA 群が健常群に比べ高に差がみられなかったことを報告している 。このよう齢であり，BMI が大きくなっていたことが挙げられる。に，膝 OA 患者における膝関節動揺を小型慣性センサ

これらは，交絡因子として結果に影響を及ぼしていた可により評価する過去の研究については一貫した結果が得能性がある。今後，さらなる検討が必要である。

られていなかった。本研究では，これらの報告では行われていなかった，運動速度の影響を調整した指標によっ4文2020 年度研究助成報告書献1）Wink AE, Gross KD, et al.: Association of Varus KneeThrust During Walking With Worsening WesternOntario and McMaster Universities Osteoarthritis Index
Knee Pain: A Prospective Cohort Study. Arthritis CareRes. 2019; 71(10): 1353‒1359.
2）Wink AE, Gross KD, et al.: Varus thrust during
walking and the risk of incident and worsening medialtibiofemoral MRI lesions: the Multicenter Osteoarthritis
Study. Osteoarthritis Cartilage. 2017; 25(6): 839‒845.
3）Lo GH, Harvey WF, et al.: Associations of varus thrustand alignment with pain in knee osteoarthritis. Arthritis
Rheum. 2012; 64(7): 2252‒2259.
4）Chang AH, Chmiel JS, et al.: Varus thrust and knee
frontal plane dynamic motion in persons with kneeosteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 2013; 21(11): 1668‒
1673.
5）Sosdian L, Hinman RS, et al.: Quantifying varus and valgus
thrust in individuals with severe knee osteoarthritis. ClinBiomech. 2016; 39: 44‒51.
6）Soeno T, Mochizuki T, et al.: No diﬀerences in objective
dynamic instability during acceleration of the kneewith or without subjective instability post-total knee
arthroplasty. PLoS One. 2018; 13(3): e0194221.
7）Roberts D, Khan H, et al.: Acceleration-based joint stability
parameters for total knee arthroplasty that correspondwith patient-reported instability. Proc Inst Mech Eng H.
2013; 227(10): 1104‒1113.

8）Fukutani N, Iijima H, et al.: Association of Varus ThrustWith Pain and Stiﬀness and Activities of Daily Living inPatients With Medial Knee Osteoarthritis. Phys Ther.
2016; 96(2): 167‒175.
9）Nakamura N, Takeuchi R, et al.: Cross-cultural adaptationand validation of the Japanese Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score (KOOS). J Orthop Sci. 2011; 16(5):516‒523.
10）Misu S, Asai T, et al.: Development and validity ofmethods for the estimation of temporal gait parametersfrom heel-attached inertial sensors in younger and olderadults. Gait Posture. 2017; 57: 295‒298.
11）Tsurumiya K, Hayasaka W, et al.: Quantitative Evaluation
Related to Disease Progression in Knee Osteoarthritis
Patients During Gait. Advanced Biomedical Engineering.
2021; 10: 51‒57.

発表実績【学会発表】
1）三栖翔吾，田中 創，石原康平，浅井 剛，西上智彦：変形性膝関節症患者における，小型慣性センサを用いた新たな歩行時膝関節動揺指標の開発．2021 年度 第 9 回日本運動器理学療法学術集会．2021 年 9 月 11 日・12 日【原著論文】なし