トルク-速度関係を用いた前十字靭帯再建後の回復を定量化する

サマリー

このプロトコルは、前十字靭帯再建術後のトルクと速度の関係をどのように評価できるかを示すことを目的としています。

要約

前十字靭帯再建術(ACLR)後、患者はしばしば大腿四頭筋の筋力に持続的な欠損を示し、生活の質を低下させ、長期的な機能障害を引き起こします。歴史的に、術後の筋肉機能評価は、単一の等速速度における最大等長トルクまたはピークトルクに焦点を当て、活動間で筋肉群にかかる多様な負荷や臨床的意思決定を導くために必要な精度を無視してきました。このデモンストレーションの目的は、異なる角速度での等速テストを用いてACLR後のトルクと速度の関係を特徴付ける方法を示すことです。プロトコルには参加者の準備、ダイナモメーターの設置、可動域の設定、椅子の位置やダイナモメーターの腕の長さなどの主要テストコンポーネントのアライメントが含まれます。筋力評価は、等長膝伸展テストと、60°/s、180°/s、240°/sでの同心等速膝伸展・屈曲テストで構成されています。2点法では、トルク速度は遅い試験速度と高速試験速度(例:60°/sと180°/s)の正規化されたトルク生成の差として計算されます。多速度の完全な特性評価のために、各速度で得られたピークトルク値はスプレッドシートや統計ソフトウェアにエクスポートされ、回帰分析技術で解析されます。過去の結果では、ACLR後の患者は、2点法を用いた場合、関与肢のトルク-速度関係が反対側の約半分の大きさであり、多重速度特性解析を用いて反対側の手足よりも傾斜が小さいことが示されています。トルク-速度関係は単一速度試験では捉えられない持続的な欠損を特定し、時間経過による回復の監視に利用できます。

概要

前十字靭帯の損傷はスポーツ界で最も一般的で、アメリカでは年間数十億ドルの医療費がかかること^{もあります。}手術技術と臨床ケアの進歩にもかかわらず、前十字靭帯再建術(ACLR)後、患者は持続的な大腿四頭筋筋力低下を定期的に発症します^2,3。大腿四頭筋の機能不足は、生活の質の低下、日常生活の完了能力の低下、そして全体的な機能の低下と関連しています 4,5,6,7。大腿四頭筋の機能の重要性を考えると、客観的な評価を含むテストバッテリーは、スポーツ復帰の意思決定時に多面的なテストバッテリーとして重要な役割を果たし^ます。

現在の臨床的筋機能評価では最大筋力が筋容量の指標として評価されますが、筋肉のパフォーマンスは追加の生理学的原理^8,9,10にも影響されます。力と速度の関係は、収縮速度と力の発生の逆関係によって定義される基本的な生理学的原理です^11,12。このモデルは、トルク-速度関係^12,13を通じて、さまざまなin vitroおよびin vivoの研究、さらには人間の全身筋で実証されています。トルク-速度関係は以前に等動ダイナメトリーによって特徴付けられており、ACLRの既往歴がある患者や固定、加齢、その他の病理によって変化することが示されています(14,15,16,17,18)。臨床用に1速または2速での試験が広く使われていることを踏まえ、この方法は筋肉の生理的原理の変化を監視するために開発されました。

ACLR後の等長検査および等動検査の使用は広く受け入れられています^19,20。単一速度でのトルク発生に限定して等長または等速テストを行うことは、日常生活や高レベルスポーツ中の筋肉要求の範囲を正確に反映しない^{可能性があります。}トルクと速度の関係を特徴付ける2点法は信頼性が高く、選択した速度が少なくとも90°^/sの角速度差を持つ限り臨床的に有用である^{可能性があります。}このプロトコルは、臨床用に2つの速度等速運動テストと、複数の速度を用いてトルク-速度関係をより詳細に特徴付ける方法を示しています。このプロトコルはピークトルクの解析に重点を置いていますが、ダイナモメーターは時系列データの完全なエクスポートも可能にし、時系列解析を可能にします。ピークトルクは最大力または出力の指標ですが、トルク発生率、ピークトルクまでの時間、ピークトルク角などの変数は、参加者が迅速に力を発生させ、さまざまな潜在的需要に応答できるかどうかを判断するための追加の方法を示しています(24,25,26,27)。

プロトコル

すべての代表データは機関審査委員会の承認後に収集され、全参加者からインフォームドコンセントが得られました。以下のプロトコルは、ACLR後12歳以上4か月後の参加者を対象に、移植片の種類に基づく制限なく実施されました。除外基準は妊娠、下肢付近の重篤な感染症、既知の筋肉異常、心肺疾患の既往でした。

1. 方法1:参加者準備とダイナモメーターの設置

注意:一貫したダイナモメーターのセットアップは、セッションや参加者間で有効かつ再現可能なトルク評価を保証するために不可欠です。メーカーの推奨に従い、ダイナモメーターは毎月校正されるべきです。このプロトコルのトルク、速度、位置データは100Hzでエクスポートされ、製造元の信号処理以外に追加の平滑化やフィルタリングは施されませんでした。このプロトコルは、患者がリハビリ中にオープンチェーン膝の延長を完了する前に完了すべきではありません。

1. すべての処置は関与していない部分から始めてください。
2. 参加者には、標準化されたウォームアップを約5分間、標準化された速度3.0マイルでトレッドミルで歩くことからなるものを終えさせます。
3. ダイナモメーターを起動し、ダイナモメーターアームを取り付けてください。
4. 椅子を85°の後ろ角度で配置し、ダイナモメーターの回転をメーカー標準に合わせて40°に設定します。
5. 参加者を腰を約85度に曲げて座らせ、直立姿勢を保ち、テスト中はダイナモメーターのハンドルを掴まないように指示します。
6. 背中の移動を調整し、膝窩は座面の端から約3〜4cm前方に位置します。
7. 椅子の位置とダイナモメーターアームの向きを調整し、機械軸が外側大腿骨頭と一致するまで調整します。
8. ダイナモメーターの腕抵抗パッドは、下腿前部の外側大槌の約5cm近位に位置します^28,29。
9. 試験用の腕をダイナモメーターのアームに固定してください。ストラップでダイナモメーターアームに固定する際は、回転を避けるためにシャンクがニュートラルな状態に保たれていることを確認してください。胴体と骨盤にストラップを通して参加者を安定させます。
10. 検査中の太ももをストラップで固定し、股関節の屈曲を防ぎ、利用可能な拘束具で反対側の四肢を固定します。拘束に加え、患者にはテスト中は検査された手足を伸ばしたり曲げたりするだけを試みるよう指示されなければなりません。
11. 追加の調整が不要になるように、四肢を全可動域で動かします。将来の評価のために椅子の位置、ダイナモメーターの位置、腕の長さを記録してください。

2. 方法2:可動域の設定

注意:ソフトウェアベースのストップと手動ストップを使用してください。

1. 解剖学的ゼロを180°/膝のフルエクステンションに設定してください。参加者に膝の完全な伸展がない場合は、ダイナモメーターのオフセット関数を使ってその制限を考慮してください。現在の四肢位置から解剖学的ゼロ度までの差をダイナモメーターのオフセットに入力します。可動域の制限は波形解析や最大トルク角に影響を与えることがあります。
2. ダイナモメーターの伸出限界を175°(解剖学的に膝の曲がりが5度、または最大膝の伸びがゼロ)に設定します。
3. 屈曲のダイナモメーター限界を70°(解剖学的に0から膝屈曲110°、または110°に達しない場合は最大膝屈曲)に設定します。
4. マニュアルの停止を適切に調整してください。
5. 四肢の重量は、参加者の快適さを損なうことなく、可能な限り膝の伸びに近づくように測定し、それを超えないようにすべきです。患者にリラックスさせ、体重が安定するまで3〜4回短時間で体重を量るよう指示します。
   注意:四肢の重量が1.5 Nm未満の変動であれば、重量は安定していると考えられます。重量が受け入れられると、ソフトウェアは自動的に重力補正を適用します。すべての解析には補正値を使用すべきです。

3. 方法3:強さの評価

注意:合図や指示の一貫性が非常に重要です。患者にできるだけ強く速く蹴るように指示してください。言葉での励ましを与えましょう。

1. 関与していない手足でテストを始めてください
2. 「できるだけ強く速く蹴る」「脚をできるだけ強く素早く引き戻す」「常に機械を動かしているが、機械は動いていない」といった標準化された口頭指示を提供しましょう。
3. すべての裁判において、強い口頭での励ましを提供しましょう。

4. 方法4:等角性検査

1. 膝屈曲角度90度でアイソメトリック膝伸展テストを行います。
2. まずは3回の慣れ返しから始めます。参加者に、認識する最大値の25%でキックアウトして収縮を維持するよう指示し、その後50%と75%で続け、収縮間に30秒の休憩を設けます。この休憩間隔は、等速運動および等長ダイナ^{メトリーを用いた}他の研究とも^{一致しています。}
3. 参加者にできるだけ強く速く蹴り出し、収縮を3〜5秒間維持するよう指示します。
4. 最大2〜3回の最大試行を行い、試行間に30秒の休憩を取る。

5. 方法5:等速運動試験

1. 同心円等速膝の伸出および屈曲試験を以下の速度で行います:60°/s、180°/s、240°/s。
   注:ダイナモメーターの設定では、同心円等速運動では作動薬とアンタゴニストの動作をデフォルトでペアにしますが、これらの結果は膝伸筋に焦点を当てます。なぜなら、過去に欠損が確認された膝伸筋がそこでです。
2. 各速度で、
   1. 4回連続してサブマキシマム練習を行い、低負荷からほぼ最大負荷(25〜75%)へと進行します。
   2. 最大限の努力を8回繰り返します。
   3. トルクと時間、またはトルク対位置の曲線を示すリアルタイムの視覚フィードバックを提供し、一貫した口頭での励ましを行いましょう。
   4. 新しい速度でテスト間に30〜60秒の休憩を取ってください。この休憩間隔は、等速運動および等長ダイナ^{メトリーを用いた}他の研究とも^{一致しています。}単一速度試験では30秒の休息間隔が用いられることが多いですが、複数速度試験を用いた研究では、60秒の休息間隔が疲労の影響を軽減するのに十分であることが示^{されています。}過度の疲労の兆候が現れた場合は、現場特有の休息時間の増加を検討してください。
3. ACLRの肢で手順を全て繰り返します。
4. 鋭い痛みや不快感を感じた場合は検査を中止するよう指示してください。

6. 方法6:データ処理と成果測定

注意:臨床使用の場合、すべての速度におけるピークトルク発生の対称性を評価し、収縮速度が増加するにつれてトルクの減少を確認してください。いずれかの等速速度の試験間変動係数が10%を超える場合は、患者が痛みを報告しない限り、時間が許す限り再検査を行います。

1. 最大トルクを生み出した繰り返しから、各速度と収縮タイプごとにピークトルク(瞬時トルク値の最高値)を特定します。
2. トルク値を体重(Nm/kg)に正規化します。
3. トルク速度計算のための2つの主要な速度セット(例:60°/sおよび180°/s)を特定します。2点計算では、トルク速度を低速と高速での正規化トルク生成の差として計算します。

7. 方法7:多速度トルク速度特性評価(任意)

1. 各テスト条件のピークトルク値をエクスポートし、等長(0°/s)およびすべての等速速度(60°/s、180°/s、240°/s)を含みます。
2. Microsoft Excelのスプレッドシートソフトウェアにデータを入力します:
   1. 列A:角速度
   2. 列B:関与するピークトルク(Nm)
   3. C列:ピークトルク(Nm)
      注意:生トルク値と正規化トルク値は、個々の参加者内で比例した傾きを生み出します。参加者間の比較のために、体重やその他の個別化要因を統計モデルの共変量として含めることがあります。
3. スプレッドシートソフトのSLOPE関数で、=SLOPE(torque_values, velocity_values)を使って追加の行を作成します。
4. 対称性を解析するために =(involved_limb_slope/uninvolved_limb_slope)*100 を追加行作成します(図1)。
5. その結果の傾き値を記録します
6. 必要に応じて、トルク、位置、速度、時系列データをエクスポートして後続解析を行います。エクスポートされたデータは、トルク発生率(トルクの時間経過による変化)やその他のトルク時間特性などの追加変数の計算に利用できます^26,32。

図1。簡略化された代表的なトルク速度データセットと迅速な解析ワークフロー。 ピークトルク値はスプレッドシートソフトにエクスポートされ、線形回帰線を使って角速度に対してプロットされました。これは単一参加者向けの簡略化されたデータ入力を表しており、各参加者ごとに追加の列を設け、縦断的評価のためのテストセッションを拡張すべきです。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

結果

このプロトコルを成功裏に完了すると、ゼロ速度(等長)で最大のトルク出力が得られ、等速収縮速度の増加とともにトルクは徐々に減少^します。以前のコホートでは、ACLRの既往歴を持つ患者を対象に、この進行性の低下は未関与の四肢でACLRの四肢よりも大きく見られました¹⁴。個々のトルクタイムまたはトルク位置グラフは比較的一貫した収縮を示すべきです。各反復セット内の理想的な変動係数は10%以下であるべきです。変動係数が15%を超える検査は最大努力の不安定さを示す可能性があり、参加者が痛みを報告しない限り繰り返し行うべきです。

2点および多重速度トルク速度の結果を導き出す代表的なデータセットと計算ワークフローは図1に示されています。臨床解釈の主な結果は二点法となります。過去の結果では、ACLR後の患者は、関与した肢の膝伸筋トルク速度が未関与肢の約半分であることが示されています...

ディスカッション

本プロトコルは、ACLR後に多モーダルダイナメトリーを用いて大腿四頭筋のトルク速度関係を評価する臨床的に実現可能な方法を説明しています。持続性大腿四頭筋筋の筋力低下は、年齢層やACLR移植片タイプで一般的です。^36,37。術後にスポーツに復帰する患者向けの従来のテストバッテリーは最大筋力に焦点を当てていますが、収縮要求の範囲にわたる大腿四頭筋の機能を完全に評価できない場合があります。最小筋力発生の評価には、低速の等速速度での単一速度試験または等長測定が最適であり、最大出力の評価には高速での試験が最適です。複数の角速度にわたる大腿四頭筋の評価により、臨床医や研究者は収縮速度の増加に伴うトルク減少という基本的な生理学的原理を検証できます¹³。2点法はこれまでより広い速度範囲での試験に合致しており、最大力と出力の両方を測定する時間効率の良い方法である可能性があります^(23,38...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
コンピューターワークステーション	任意の商用メーカー	N/A	ダイナモメーターソフトウェアを操作し、データをエクスポートするために使用
デジタル傾斜計	任意の商用メーカー	N/A	必要に応じて解剖学的ゼロ位置を確認するために使用
HUMAC NORM テストおよびリハビリテーションシステム	CSMi ソリューションズ	https://csmisolutions.com/	等尺性および等速性膝強度テストに使用されるコンピューター化されたマルチモードダイナモメーター
スプレッドシートソフトウェア	Microsoft	Excel (バージョン依存)	トルクデータのデータ入力とデータ処理に使用
トレッドミル	任意の商用メーカー	N/A	テスト前の標準化されたウォームアップに使用