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序章

人類は様々な姿勢と動きを作り、ある場所から別の場所へ動く能力、つまり移動する能力を有しています。すなわち、運動機能である。 これらの機能を実現するのが、体節への荷重や動きを支える筋骨格系である。 この機能は、人間のバイオメカニクスの原理が組み込まれています。 バイオメカニクスは、運動パフォーマンスの向上、運動障害の軽減、運動に関連する傷害や状態への介入といった分野に主に応用されている。 理学療法の現場では、可動域の原理、能動的・受動的不全、凹凸の法則、力の法則、運動と機械などのバイオメカニクスの概念が治療運動に応用されています。また、人間工学のトレーニングや高度歩行補助具などの最新の整形外科機器の設計は、バイオメカニクスの概念の応用に基づいて行われています。 したがって、バイオメカニクスは、運動に関連するいくつかの怪我や症状に対して最適なケアを提供するための理学療法実践における基本知識の1つであると考えられています。

How Do We Solve Problems in Biomechanics?

バイオメカニクスの原理が理学療法において大きな役割を担っていることを知った上で、バイオメカニクスにおける問題をどのように解決するかを知ることは重要です。 バイオメカニクスの問題を解決する方法には、定量的分析と定性的分析の2つがあります。 定量的分析では、解決したい問題のバイオメカニクス変数を保存し、生成された変数の数値分析を行う必要があります。 Knudson and Morrisonは、バイオメカニクスの質的分析について、パフォーマンスを向上させるために最も適切な介入を行う目的で、人間の動きの質について系統的な観察と内省的評価を行うと説明しています」

Basic Biomechanics Terminology

Mechanics is a branch of science that deals on forces and the effects produced by these force. この科学を生体系に応用したものがバイオメカニクスと呼ばれるものです。 人間のバイオメカニクスは、力が筋骨格系にどのように作用するか、また、身体組織がこれらの力にどのように反応するかに焦点を当てている。 運動や姿勢の生成に関わる力を用いて、バイオメカニクスは外部バイオメカニクスまたは内部バイオメカニクスのいずれかの文脈で論じることができる。

• 外部バイオメカニクスは体節に対する外力と体の動きに対するその影響、
• 内部バイオメカニクスは体組織から生じる力と動きに対するその影響について説明されている。 “筋肉の力と、筋肉の力が骨格を介して伝達されることによって生じる骨や関節の力 “が含まれる。

外力（外部バイオメカニクス）

力学領域

力学（バイオメカニクス）には静的と動的という二つの領域がある。

• 静的とは、静止または一様な運動状態にある物体を分析する力学の一分野である
• 動的とは、物体が動く条件を研究するものである。 力学の概念は、運動学と動力学の下でさらに議論することができる。
  • 運動学の概念は、身体の運動とそれを引き起こす力を扱う。
  • 運動学は身体の運動を、その運動を生み出す力を無視して記述する。 運動学では、運動または変位の種類、位置、方向、大きさ、運動または変位の速度の5つの変数が注目される。

  Kinematics Variables

  Type of motion

  Human motion is described as general motionすなわち運動の直線成分と角度成分の複合的な組み合わせである。 そして、ほとんどの場合、人間の運動は直線運動か角度運動のいずれかとして分析されます。この2種類の運動は基本的に「純粋な」運動と考えられているからです。

  • 直線運動は並進運動または並進運動としても知られています。 直線運動では、身体のすべての部分が同じ方向に同じ速度で動いており、この運動が直線に沿って起こる場合、それは直線と呼ばれます。 直線運動は直線で起こる場合、曲線運動は曲線に沿った運動が起こる場合です。
  • 角運動は、回転軸として知られている中央の仮想線の周りに発生する回転として記述されます。

  歩行、走行、水泳のような人間の純粋な直線運動は、互いに体節の向きが絶えず変化するため、めったに発生しません。 スケートとスキージャンプのような活動では、純粋な直線運動の短い瞬間があるかもしれない。

  人間の場合、以下の例で説明するように、全身の動きは一般的な動きとして表現される。 人が歩くとき、頭と体幹の動きはかなり直線的であるが、脚と腕の動きは人の体が前に並進するとき、直線と角度の動きが同時に起こる。 自転車の場合も同様で、頭部、体幹、腕はかなり直線的に動くが、脚は直線的な動きと角度のある動きを同時に行う。 人体のような多セグメント体の運動で、セグメントの直線運動と角度運動を同時に行うものを、通常、一般運動と呼ぶ。

  Magnitude of motion

  角度運動については、その大きさは、ゴニオメータを用いてラジアンまたは度数で測定することが可能である。 一方、セグメントの直線運動は、オブジェクトがカバーする直線距離によって測定され、これは6分歩行試験のような歩行評価ツールで評価することができる。

  運動の速度

  速度または速度は、運動の速度を測定するために使用し、速度の変化は加速度になる。 運動の平面は、身体の仮想の平面を通る運動の特定の次元として記述することができ、軸は体節が回転している仮想の線である。 身体には矢状面、前頭面、横面の3つの運動平面がある。

  • 矢状面はその軸を縦軸と横軸とし、横軸とも呼ばれる
  • 前面（冠状）面と横面はその軸をそれぞれ前後軸と縦軸としている。

  運動の方向

  運動の方向は、平面と軸に沿ってどのように運動が起こるかという観点から記述することができる。 矢状面で関節角度を小さくする運動を屈曲といい、「伸展」運動は関節角度を大きくする。 矢状面における他の一般的な運動方向は、背屈と足底屈である。 可動域の極端に広がる動きは、過伸展のように「ハイパー」と呼ばれることが多く、これも矢状面で発生する。 前額面でセグメントが正中線から離れる動きを “外転”、正中線に戻る動きを “内転 “と呼ぶ。 この平面でよく見られる他の運動方向には、外転と内転がある。 横断面に沿った一般的な運動は、内旋と外旋、プロネーションとスーピネーションも横断面に沿った一般的な運動である。 解剖学的な位置に対する体節の位置を表すのに役立つ他の方向性の用語があり、これには上と下があり、それぞれ頭や足に向かっての体位を表している。 また、前方や後方は、それぞれ身体に対する前方や後方の方向として、身体に関連する対象を表現するために使用することができます。 体の正中線に向かう部位や動きをmedial、体の側面に向かう動きや位置をlateralと呼ぶ。

  Kinematic chain

  kinematic chainは、文献ではkinetic chainとも呼ばれる。 開放運動連鎖では、自由度は関節が体節を動かすことができる方向の数を表し、空間におけるオブジェクトの位置を正確に特定するために使用される独立した座標の数である。 自由度の組み合わせによって運動連鎖が形成され、運動連鎖は開いたり閉じたりすることができる。ある関節は他の関節から独立して動くことができるが、閉じた運動連鎖では連鎖の一端が固定されたままである。 LevangieとNorkinは、open and closed park position conceptは、体重がかかっている状態とかかっていない状態で行われている動きを説明するのに役立ち、運動が単一または複数の関節を対象とする場合は、これらに注意することが重要であると解明している。 例えば、肩の場合、前のリンクに障害があると、肩に悪影響を及ぼす可能性があります。 したがって、肩の管理は、すべての運動連鎖の障害を回復するように試みられ、治療セッションは、運動連鎖の順序で、プロプリオセプション、柔軟性、筋力、持久力の統合エクササイズを行う必要がある」

  Kinetic Concept in Motion Analysis

  Kinematic conceptが身体の運動のセグメントを説明するのに対し、Kinetic conceptはその運動に関する力についてアイデアを与える。 そして、運動解析のキネティックコンセプトにつながるわけですが、まず、バイオメカニクスにおける力とは何かという定義から始めたいと思います。 力とは、バイオメカニクスにおける負荷を表す簡単な方法で、ある物体が他の物体に及ぼす作用と定義することができます。 力には外的なものと内的なものがあります。

  外力とは、体の外から発生する体への引っ張りや押しつけのことで、内力とは、体の構造に作用する力や体の組織から発生する力のことである。 力は物体の形状を変化させ、物体の運動状態を変化させることができる。 また、力は、大きさ、方向、作用点によって特徴付けられる。 これらすべての要素によって、力が物体に及ぼす影響が決まります。 物体に作用する力は複数ありますが、これらの力を分解して、他のすべての力が一緒に作用するのと同じ効果を持つ1つの「結果」力にすることが可能です。 これらの2つ以上の力を1つの結果としての力にまとめるプロセスは、力の合成として知られています。 力とは何かを理解した上で、力の適用を導くいくつかの法則を調べることが不可欠である。

  Levangie と Norkin は、力には 3 つの主要な規則があることを繰り返し述べている。 1. セグメントに作用する力は何かから来るものでなければならない、2、セグメントに接触するものはそのセグメントに力を生じさせなければならない、3、重力はすべての物体に力の影響を及ぼすと考えられている。 最初のニュートンの運動法則は慣性の法則（慣性とは物体が運動状態を変化させる抵抗）としても知られ、物体は正味の力が偏らない限り静止または均一な運動のままであることを述べている。 ニュートンの慣性の法則では、物体の質量が大きいほど、それを動かすための力が大きくなるという概念を示しています。 例えば、内胚葉型（体脂肪率の高い人）を車椅子に乗せるには、外胚葉型（痩せた人）を乗せるよりも大きな力が必要です。 また、運動の第一法則が適用される分野として、静的解析がある。 静的解析とは、物体が相互作用したときに生じる力とモーメントを解析するための工学的手法である。 この概念は、筋骨格系における筋肉や関節反応の未知の力を推定するためのバイオメカニクスに適用されます。

  ニュートンの第2法則は、正味の力は、オブジェクトが加速または減速することによって、その運動量を変更するためにオブジェクトに作用することを述べています。 ニュートンの第3法則は、すべての作用に対して、等しく反対の反作用があることを述べている。 この概念の応用例として、アスリートは、体を推進するのに必要な反対の地面反力により、砂地と比較してコンクリート地面を速く走ることができます。

  動作解析における運動学の概念

  運動学の概念が体の運動のセグメントを記述するのに対し、運動学の概念はその運動と関連する力についてアイデアを提供します。 運動解析の運動学的概念を論じる場合、バイオメカニクスにおける力を定義する必要がある。 力とは、バイオメカニクスにおける負荷を表す簡単な方法で、ある物体が別の物体に及ぼす作用と定義することができます。 外力は、身体の外から発生する身体への引き込みまたは押し出しのいずれかである

• 内力は、身体の構造に作用する力であり、身体組織によって発生する。

力は物体の形状を変えることができ、物体の運動状態を変化させることができる。 また、力は大きさ、方向、および適用点によって特徴付けられる。 これらすべての要素が、物体に対する力の影響を決定する。 物体に作用する力は複数ありますが、これらの力を分解して、他のすべての力が一緒に作用するのと同じ効果を持つ1つの「結果」力にすることが可能です。 これらの2つ以上の力を1つの結果としての力にまとめるプロセスは、力の合成として知られています。

Levangie と Norkin は、力には 3 つの主要な規則があることを繰り返し述べている：

1. セグメントに作用する力は何かから来る必要がある
2. セグメントに接触するものはそのセグメントに力を生じさせなければならない
3. 重力はすべてのオブジェクトに対して力の効果があると考えられている。

運動のバイオメカニクスを理解する原則は、力、ニュートンの運動の法則、仕事、エネルギーについての深い理解です。

ニュートンの運動の法則

ニュートンの運動の法則は、力と運動の効果について説明しています。

ニュートンの運動の第1法則は慣性の法則（慣性とは、運動状態を変えようとする物体の抵抗）としても知られ、物体は正味の力が偏らない限り静止または均一な運動のままであることを述べている。 ニュートンの慣性の法則では、物体の質量が大きいほど、それを動かすための力が大きくなるという考え方がある。 つまり、動きの変化を生み出すためには、結果的に力を変化させる必要があるのです。 例：

• エンドモーフ（体脂肪率の高い人）を車椅子に乗せるには、エクトモーフ（痩せた人）を乗せるよりも大きな力が必要になります。
• サッカー選手がサッカーボールを蹴るとき、ボールが動くように、ボールにかかる結果の力を変化させるのです。
• 車の中の乗客は、車が動いているのと同じ速度で動き、車が急にブレーキをかけると、乗客は、シートベルトをしていなければ、車がブレーキをかける前と同じ速度で前進し続けることになる。
• 重い物を持ち上げるには、持ち上げる人がその物の重さ以上の上向きの力を出さなければならない、そうでなければ、その物は動かない。

運動の第一法則が応用されるもう一つの分野は、静的解析です。 静的解析は、オブジェクトが相互作用するときに生じる力とモーメントを解析するための工学的手法です。 この概念は、筋骨格系における筋肉や関節反応の未知の力を推定するためのバイオメカニクスに適用されます。

ニュートンの運動第二法則は、力のインパルスに関連しています。 この法則は、正味の力が物体に作用して、物体を加速または減速させることによって、その運動量を変化させることを述べている。 衝動・運動量原理」とも呼ばれ、スポーツの分野でもさまざまな応用がなされている。 スポーツパフォーマンスとは、人体やスポーツ用具の運動速度を上げたり下げたりすることである。 この原理は、例えば砲丸投げのように、いかに長く力をかけられるかというスポーツ技術の向上につながっている。

ニュートンの第三法則は、すべての作用には、等しく反対の反作用があるというもの。 この概念の応用として、アスリートは砂地よりもコンクリート地の方が、身体を推進するのに必要な地面反力が反対になるため、より速く走ることができるようになる。 これは2つの物体が互いに接触しているときに発生する。 これらの間の力は、法線力反応と摩擦に分解することができる。

• 法線力 – 2つの物体が相互作用している面に対して垂直な力です。 以下のビデオで詳細をご覧ください。
• 摩擦 – 平行な面に作用する力。

接触力に関する知識は、たとえば運動靴やトレーニングシューズの設計において、摩擦力を導入して接地反力を向上させるために不可欠なものです。

Moment of force or torque
バイオメカニクスで重要な分野は、物体に作用して回転させることができる力、すなわちモーメントまたはトルクである。 力のモーメントは力と距離の積であり、セグメントの回転力をも意味する。 この概念の重要性は、筋肉が体重の負担を維持するために効果的に機能するためには、力のモーメントが重要であることである。 例えば、膝の場合、膝蓋骨は膝の回転中心を中心に大腿四頭筋と効果的なモーメントを作り、体重を支えるのに十分な膝の伸展が維持される。
Simple Machine
いくつかの外力を個別に考えてきたが、機械という形で特定の機能に対してこれらの力がどう組み合わされているかを見ることが重要である。 機械はエネルギーをある形態から別の形態に変換し、そのエネルギーは仕事をする能力である。 力によって物体が動かされるとき、仕事が発生します。 機械は、仕事をすることによって、エネルギーをある形から別の形に変換する、つまり、動きを生み出すのです。 筋骨格系は、荷重を支え、動きを生み出すために協働する一連の単純な機械である。
人間の筋骨格系には、レバー、車輪と車軸、滑車の3つの単純機械しかない。 この単純機械は、力と運動の増幅、加えた力の方向の変化という3つの機能を可能にする。 しかし、筋骨格系のこれらの単純機械のほとんどは、力よりもむしろ運動を増幅するように設計されている。
レバーシステム
筋肉に張力が生じると、それは骨を引っ張って、体節にかかる負荷の抵抗を支えるか、あるいは動かす。 筋肉と骨はテコのように力学的に機能している。
• レバーとは、支点を中心に回転するあらゆる剛性セグメントのことです。
• 支点とは、レバーが回転する支持点、または軸のことである。
• レバーシステムは、2つの力が反対のモーメントを発生させるように適用されたときに存在する。
• 結果モーメントを生成している力は、努力力（EF）と呼ばれる。
• 反対のモーメントを発生させているもう一方の力は、抵抗力（RF）と呼ばれます。
荷重、努力力、支点レバーの配置により、第1種から第3種に分類される。 人体で一般的な解剖学的レバーは3級であり、その理由は、筋肉の挿入部が通常作用する関節に近いため、努力は通常支点と抵抗の間にあり、3級レバーであるためである。 この設計は、身体が動きと速度を得るのに役立ち、したがって、人間の筋骨格系は、力を犠牲にして速度と可動域を得るように設計されています。
Wheel & axle
筋骨格システムでは、車輪と車軸の配置によって力と運動の両方の増幅を実現しています。 この例として、肩関節の内側と外側の回転が挙げられる。 この概念は、車椅子の設計とその手動推進にも応用されています
Pulley
anatomical pulley は、車輪と車軸の改良型です。 プーリーの主な機能は、タスクが容易になるように力をリダイレクトすることである。 アナトミックプーリーは、このように筋力の機械的優位性を高め、関節軸から離れた筋肉の作用線を偏向させることによって、このタスクを容易にします。 メカニカルアドバンテージ（MA）は、テコの機械的効率の指標であり、抵抗力に対する努力力の有効性の関数です。
理学療法士にとって興味深い解剖学的滑車には、クラスIからクラスIVの4つのクラスがあります。
• クラス1のプーリーは、外部からの支持によるものである。 滑車の役割をする外部支持からくる筋の働きを改善するものである。 例としては、膝蓋骨が滑車のように作用して大腿四頭筋の機能を向上させます。
• Class IIの滑車は、骨、軟骨、腱によって形成されます。 その一例として、骨がプーリーとして機能する場合、これは腓骨の外側マレットが長腓骨筋のプーリーとして機能することで説明される。
• III級滑車は、関節が滑車として機能する場合です。 例として、大腿骨上顆は、脛骨に挿入されるグラシリス腱に好ましい挿入角度を与える。
• IV級は、筋肉が滑車として機能する場合です。 例としては、上腕二頭筋があり、挿入角度が大きくなるにつれてサイズが大きくなります。 理学療法における滑車の応用としては、特に肩関節炎の状態において、可動域や協調性を向上させるための滑車運動が挙げられる。
Conclusion
Kinetic and Kinematic concepts are important in understanding human movement and the implication of force on body segments while moving.は、人間の運動と、移動中の身体セグメントへの力の影響を理解する上で重要です。
1. 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 Levangie PK, Norkin CC.のバイオメカニクス概念に基づく設計が必要とされる。 関節の構造と機能：包括的な分析。 4th. Philadelphia: FA. Davis Company. 2005.
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