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筋骨格系モデルを用いたスポーツ科学へのアプローチ
下肢動作に関するシミュレーション研究
○長野明紀, 深代千之, 姫野龍太郎理化学研究所 情報環境室
東京大学大学院 生命環境科学系
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トレーニングが跳躍パフォーマンスに及ぼす影響
Nagano and Gerritsen, Journal of Applied Biomechanics (2001)
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JH
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問題
• 神経・筋・骨格系のどの特性をトレーニングするべきか?–最大発揮張力–最大収縮速度–最大刺激強度
• どの関節の筋群をトレーニングするべきか(股、膝、足首)?
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コンピューター・シミュレーション
• ヒトの神経・筋・骨格系モデルを構築• パラメーター値を変化させる
– Fmax, Vmax, ACTmax
–トレーニング効果のシミュレーション
• 最適な筋刺激パターンを見出す• 跳躍パフォーマンスの比較
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筋・骨格系モデル
股関節伸展筋
膝関節伸展筋
足関節底屈筋Fmax: 最大発揮張力Vmax: 最大収縮速度
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筋の刺激パターン
Ton Toff
Amplitude
Time
ACTmax:最大刺激強度
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最適化
最適化 :Bremermann アルゴリズム目的 :跳躍高の最大化
Ton Toff
Amplitude
6 XSGI OctaneDADSMATLAB
Time
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神経・筋・骨格系のどの特性をトレーニングするべきか?
• Fmax, Vmax, 及び ACTmax を個別及び同時に増加させた
• すべての筋について同時に強化を行なった
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トレーニング効果のシミュレーション
パラメーター 前 後Fmax 96% 100% 104% 108% 112% 116% 120%Vmax 96% 100% 104% 108% 112% 116% 120%
ACTmax 88% 90% 92% 94% 96% 98% 100%
中間
トレーニング
Davies & Young (1983)Hakkinen et al. .(1998)
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最適化
∆Fmax∆Vmax∆ACTmax
最適化 :Bremermann アルゴリズム目的 :跳躍高の最大化
Ton Toff
Amplitude
6 XSGI OctaneDADSMATLAB
Time
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跳躍高の増加
トレーニング前 トレーニング前 トレーニング前
120% 120% 100%
JH (
cm)
140
150
r2=1.000 r2=0.999 r2=1.000
Fmax Vmax ACTmax
∆JH=+6.99 cm ∆JH=+3.83 cm ∆JH=+4.26 cm
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0
5
10
15
20
Fmax: +6.99 cmVmax: +3.83 cmACTmax: +4.26 cm
合計: +15.08 cm
同時個別
+16.62 cm
∆JH
(cm
)
跳躍高の変化
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どの関節の筋群をトレーニングするべきか?
• 股関節伸展筋群、膝関節伸展筋群、足関節底屈筋群を個別及び同時に強化した∆Fmax (20%), ∆Vmax (10%) 及び∆ACTmax (10%) の強化を同時に行なった
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最適化
∆Fmax∆Vmax∆ACTmax
最適化 :Bremermann アルゴリズム目的 :跳躍高の最大化
Ton Toff
Amplitude
6 XSGI OctaneDADSMATLAB
Time
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0
5
10
15
20
Hip: +1.68 cmKnee: +9.61 cmAnkle: +3.15 cm
合計: +14.44 cm
同時個別
+16.62 cm
∆JH
(cm
)
跳躍高の変化
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考察
• 筋の最大発揮張力が最も重要な特性である• 膝関節伸展筋群が最も重要な筋群である• トレーニングに伴った筋の刺激パターンの変更も必要である
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モーメントアーム長が関節における力学的出力に及ぼす影響
Nagano and Komura,Journal of Biomechanics (2003)
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Fmus
Fmus
MA
Mjoint
Mjoint = Fmus・MA
関節モーメント=筋張力・モーメントアーム長
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筋肉の力-長さ関係
至適長 +55%-55%長さ
力
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筋肉の力-速さ関係
アイソメトリック(速度ゼロ)
エキセントリック(伸張)
コンセントリック(収縮)
速さ
力
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目的
• モーメントアーム長が関節における力学的出力に及ぼす影響を評価する
–筋張力
–関節モーメント
–関節パワー
–仕事
• ヒラメ筋(足関節)
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∆ins = 0 cm
∆ins = +1 cm ∆ins = -1 cm• DOF=1
• ヒラメ筋• Delp (1990)
• 筋肉の付着部位を変化させた
筋骨格系モデル
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プロトコル
• ヒラメ筋を最大努力で収縮
• 足関節を一定角速度で動かす
• 様々な角速度
–底屈運動(コンセントリック運動)
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底屈運動(コンセントリック運動)
プロトコル
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Fmus (N)
θankle (deg)
ωankle (deg / s)
∆ins = +1cm∆ins = 0 cm∆ins = -1 cm
-210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0
遅い速い
筋張力
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θankle (deg)
ωankle (deg / s)
Mankle (N m)
-210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0
∆ins = +1cm∆ins = 0 cm∆ins = -1 cm
遅い速い
関節モーメント
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θankle (deg)
ωankle (deg / s)
Pankle (W)
-210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0
∆ins = +1cm∆ins = 0 cm∆ins = -1 cm
遅い速い
関節パワー
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仕事
ωankle (deg / s)
∆ ins = +1cm ∆ ins = 0 cm ∆ ins = -1cm
210 4 7 9180 7 9 12150 10 13 16120 15 18 2090 21 23 2660 28 30 3330 38 40 420 - - -
Wankle (J)
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結果の要点
• 角速度が大きい際にはモーメントアームが短いほうが高い力学的出力が得られる
– 120 rad/s
–筋肉の力-速さ関係に由来する
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考察
速さ
力
∆ins = -1 cm
∆ins = 0 cm
∆ins = +1cm
収縮 伸張速度ゼロ
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考察
• 特に身体運動の速さが要求される競技において、モーメントアーム長が短いことが有利に働くことを示唆する
• 細身の運動選手が高いパフォーマンスを示すという観測との関連
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今後の方向性
• より多様なスポーツ動作の考察• 神経制御機構の考察• リハビリテーション等への応用