女性の胸部のバイオメカニクス

世界の半分の人口が乳房を発達させる一方で、乳房の構造や動きに関する研究は限られています。しかし、乳房の構造と動きを理解することは、乳房再建、乳房の病態をより正確に診断し治療するための乳房モデリング、そして効果的なスポーツブラの設計など、さまざまな応用にとって極めて重要です。将来の乳房の生体力学研究が影響を持つためには、特に乳房の組成と密度に関する知識の不足を補完し、三次元の乳房の複雑な動きを正確に測定する方法を向上させる必要があります。これらの方法は、その後、女性の人口全体を代表する個人が日常生活やレクリエーションの幅広い活動に参加する中で、乳房の生体力学を調査するために使用されるべきです。

女性の乳房は、胸骨と中腋線の間、および前側胸壁の表面の筋肉を覆う、特殊な外分泌腺です。世界の約半分の人口が乳房を発達させる一方で、驚くべきことに、これら複雑な器官の解剖構造や動きに関する科学的文献は限られています。乳房の構造と動きを理解することは、女性の乳癌手術後に乳房を再建する、乳房の病態を診断し治療するために乳房をモデリングする、または単に女性の乳房を快適にサポートし、活発なライフスタイルと関連する多くの健康上の利点を楽しむために効果的なブラを設計するなど、多くの応用にとって極めて重要です。

乳房の構造

女性の乳房の構造は、Sir Astley Paston Cooperによって1840年に行われた広範な解剖学的な乳房の解剖によって初めて記述されました。彼の著作は今日の乳房解剖学の基盤を提供していますが、当時の典型的なものであり、Cooperの文章は純粋に記述的で、彼が解剖したプロセクションに関する詳細が欠けていました。1840年以来、乳房の構造解剖に関する研究はほとんど行われておらず、これらの研究で使用された解剖技術の違いから、乳房の内部構造と付着部の説明とイラストにばらつきが生じています。実際、乳房の線維脂肪構造、筋膜層、および付着に関する詳細な記述は最近まで存在せず、量的データと写真的な解剖証拠で支持されています。女性の乳房の主要な構造要素、外部の皮膚と内部の乳房構造（線維脂肪および線維腺組織）は、複雑な解剖的な付着の一連で胸壁に固定されています。

乳房の内部構造

乳房の皮膚の深部には、皮下脂肪層があり（約0.5〜2.5 cm厚）、この皮下脂肪の下には「浅い筋膜」と呼ばれる薄い筋膜層があります。この浅い筋膜は乳房全体を覆い、その周囲の線維質な乳房周囲にしっかりと取り付いています。この浅い筋膜は、完全に「corpus mammae」として知られる線維脂肪組織の三次元の複雑な表面であり、これは乳腺組織のほかの名前です。corpus mammaeは、乳頭を中心に放射状に配置された腺組織の葉を含んでいます。これらの葉は、葉の末端にある乳腺を生成する小葉と、乳腺通路である導管を含みます。導管は乳房の周囲に向かって伸び、乳頭-乳輪領域で広がり、袋を形成します。成熟した状態では、corpus mammaeの小葉には直径約0.12 mmの10〜100個の小葉が含まれています。これらの小葉は数多くの小さな導管によって排出され、これらが合流して主要な導管に収束し、それが拡張して乳腺洞（2〜4.5 mm）を形成し、最終的に乳頭に開口します。
正常な腺組織は脂肪組織の1から6.7倍の硬さがあることが分かっています。弾性率の値は、ひずみの大きさ、負荷モード（圧縮対引張り負荷など）、および試験方法に依存するため、報告された腺組織の弾性率の値は異なります。乳房エラストグラフィ（手動エラストグラフィおよびせん断波エラストグラフィ）などの生体イメージング手法は、軟組織の弾性を測定し、病理的および健康な腺性乳房組織の力学的特性の違いを検出することができ、乳房の病変の特徴付けと乳癌の診断に役立ちます。乳房組織の有限要素モデルは、一般的に腺性または線維腺性組織の弾性率に約10 kPaの値を使用していますが、強度特性はまだ公表されていません。
corpus mammaeは新生児に乳汁を合成、分泌、供給する機能があります。その構造と機能は女性の一生を通じて変化し、思春期前の芽状の構造から始まり、思春期に拡大します。corpus mammaeは妊娠、授乳中に完全に成熟し、リモデリングされ、授乳後に再び逆変成し、最終的には閉経後に進行します。逆変成により、腺組織の退縮と萎縮が発生し、その元の体積の約三分の一まで減少します。同時に、脂肪組織の量が増加し、支持結合組織の弾力性が減少します。ただし、この期間中においても、脂肪と腺性組織の比率は女性によって異なります。

従来、乳房内の結合または線維組織は「クーパー靱帯」または「吊り靱帯」と呼ばれてきました。これらの「靱帯」は、乳房の深い筋膜に位置する複数の散在した錐形の隔壁のネットワークとして記述されています。ただし、最近の研究では、乳房内の線維組織が複雑な足場を形成し、複数の線維組織ポケットの層から成り、これが脂肪組織と相互に接続されていることが明らかになりました。各脂肪組織小葉を各個の線維ポケットの線維壁から取り除くには鋭い切開が必要であり、これにより線維脂肪ポケットが機能的な単位を形成していることが示唆されています。

乳房の動特性

クリスティーン・ヘイコック博士は、高速度の16mmフィルムを使用して、トレッドミルで歩行および走行する5人の女性の乳房の動きをモニターしました。これは、スポーツ参加が増加し、運動誘発性の乳房の痛みが潜在的な問題とされたために行われた研究でした。乳房は、胴体に対して三次元の正弦波状のパターンで動き、増加した「乳房の跳ね上がり」（変位）は増加した乳房の痛みと関連していました。後のバイオメカニカル研究は、この正弦波の乳房の動きパターンを確認し、乳房の質量、垂直な胴体の動き、および下肢の歩行数が増加すると、より大きな乳房の変位が見られることを示しました。一方で、スポーツブラなどの外部の乳房サポートを着用すると、乳房の変位が減少します。
乳房が胴体に対してどのように動くかは、運動誘発性の乳房の痛みや外部の乳房サポートの設計を理解する上で重要です。運動中の乳房の総動き量は、乳房が胴体に対してどれだけ変位するかと、乳房が総合的に跳ねる回数の両方によって決まります。垂直な乳房変位は、垂直な胴体の動きが多い運動（たとえば、ジャンピングと比較してランニングやウォーキング中に多い）で増加します。対照的に、乳房の矢状面および冠状面での変位は、上肢の動きや回転、または胴体の側屈が多い運動（たとえば、ランニングやウォーキングと比較してアジリティタスク中に多い）で増加します。

無支持（ベアブレスト）のトレッドミルランニング中、乳房は胴体に対して垂直方向に約4.2〜9.9 cm、媒体-側方方向に約1.8〜6.2 cm、前方-後方方向に約3.0〜5.9 cm動くと報告されています。これらの乳房の動きのうち、どれだけが乳房と前胸壁の筋肉の変形であり、乳房そのものの移動ではないかはまだ調査されていません。トレッドミルランニング中の女性の左右の乳房の変位は通常類似しており、これはおそらくこの活動中における胴体と上肢の相対的な対称的な動きに起因しています。

ランニング中の動き

ランニング中の乳房の動きの頻度と総数は、ステップレートによって制御されます。なぜなら、乳房の動きは本質的に足着地と関連しているからです。すなわち、ランニング中、ランナーの足が地面に着地するとき、胴体は垂直に急激に減速します。乳房はその周囲に胸壁に取り付けられていますが、軟組織の構造の慣性により、胴体が最低点に達し上昇を始める前に、乳房は急激に下降し続けます。この胴体-乳房のタイムラグにより、乳房の下部は前腹部/胸壁に対して「叩きつけられる」ことがあり、これがランニング中の運動誘発性の乳房の痛みの主な原因であると考えられています。
1時間の遅いランニング中に、乳房は約10,000回バウンスします。そのため、長時間ランニングをする女性は、乳房のサイズにかかわらず高い水準の乳房サポートが必要です。さまざまな乳房サポート条件が乳房の動きに与える影響について多くの研究が行われており、これらの研究は、女性が外部の乳房サポートをしていない（ベアブレスト）、低い外部の乳房サポート（ファッションブラなど）をしている場合と比較して、高い外部の乳房サポート（スポーツブラなど）をしている場合には乳房がより移動することを一貫して示しています。さらに、低い外部の乳房サポートをしている場合、高い外部の乳房サポートをしている場合よりも乳房の動きが大きいことが報告されています。実際、設計が良くサポートが効いたブラは、外部の乳房サポートをしていない場合に比べて垂直な乳房変位を約60％減少させることができます。
ブラの製造業者はしばしば広告主張を乳房の動きを完全に止めることに基づいていますが、乳房の動きを快適に制限できる限界があります。さらに重要なのは、深い水中ランニング中の垂直な乳房変位に関する研究が、水中ランニングがトレッドミルランニングと比較して運動誘発性の乳房不快感が少ないことを示しています。これは、両方の活動中に参加者が類似の垂直乳房変位を示しているにもかかわらずです。深い水中ランニング中のより遅い下向きの乳房速度（約30 m/s）は、トレッドミルランニング中の速度（約100 m/s）と比較して、垂直な乳房変位の変化よりも低い運動誘発性の乳房不快感と関連していました。運動誘発性の乳房痛覚を最小化するための最適な乳房変位と速度は、おそらく年齢、乳房のサイズ、および活動の種類に依存するでしょうが、この最適なレベルはまだ確立されていません。

上部体幹への負荷

女性が直立している場合、乳房の質量を推定する難しさに関係なく、胸椎を中心に重力が作用することで、彼女の胸部の質量の中心を通して屈曲トルクが発生します。トルクは力（乳房の重さ）にモーメントアーム（乳房の中心から胸椎までの垂直な距離）を掛けたものであるため、胸椎周りの屈曲トルクは、大きな乳房を持つ女性（より高い乳房の重さと長いモーメントアーム）では、小さな乳房を持つ女性（より少ない乳房の重さと短いモーメントアーム）と比較して大きいです。この胸椎の屈曲トルクによる胸椎の筋肉と軟組織構造への過度な負荷は、大きな乳房を持つ女性では姿勢の二次的な変化と、脊椎列と上肢の運動の妨げに関連しています。実際、大きな胸を持つ女性は、上半身の筋骨格痛をより多く報告し、胸椎後弯が増加し、肩の可動域が減少し、肩甲骨の引き戻しの耐久力が低下しています。これは小さな胸を持つ女性と比較しています。妊娠中および授乳中の乳房の質量の増加も、胸椎への負荷を増加させ、胸椎後弯角と筋骨格痛の増加と関連しています。大きな胸を持つ女性が示すこれらの胸椎姿勢の変化、肩の可動域の低下、肩甲骨の引き戻しの耐久力の低下は、これらの女性の上半身の筋骨格痛の症状を治療する戦略の基盤となる証拠を提供しています。たとえば、胸椎の屈曲トルクおよびそれに伴う胸椎への負荷は、体重減少や乳房縮小手術によって乳房の質量を減少させることで減少させることができます。また、大きな胸を持つ女性が適切なブラを着用し、一部の乳房の重さを支えるようにすることでも、胸椎の屈曲トルクを減少させることができます。残念ながら、女性はしばしば適切でないまたはサポートの不足したブラを着用していることがあります。そのため、上半身への不必要な負荷を減少させるために、エビデンスに基づいた教育リソースが必要です。女性に正しい乳房サポートとブラのフィットの重要性について指導することが求められています。

まとめ

女性の乳房の構造と動きに関する生体力学的な研究、およびこの構造と機能が上半身への負荷にどのように影響するかについての研究は、医学、健康、およびアパレル産業に重要な貢献をしています。乳房の構造、組成、密度、変形に関する知識は、乳房手術や乳房病態の診断と治療を向上させることができる乳房モデルの根拠となりました。乳房の動きに関する研究は、科学的な根拠を提供し、女性が快適に運動できるようにするためにスポーツブラを設計する際の基盤となりました。乳房の重さによって引き起こされる上半身への負荷を理解することは、大きな胸を持つ女性の乳房に関連する筋骨格の問題を治療する戦略の基盤となりました。これらの進展にもかかわらず、特に乳房の構造に関連する知識、特に乳房の組成と密度に関する知識にはまだ大きなギャップがあります。また、特に女性が日常生活やレクリエーションのさまざまな活動に参加しているときに、三次元の乳房の複雑な動きを正確に測定できる生体力学的な研究方法を改善する急務があります。これらの研究は、人口全体のスペクトラムを代表する参加者を募集するべきであり、これには高齢者、大きな乳房を持つ女性、高い体重指数を持つ女性だけでなく、乳房手術後などの特有の乳房の特徴を持つ女性も含まれます。これらの知識のギャップを埋め、乳房の生体力学的な研究方法を改善し、年齢、乳房のサイズ、健康状態、および身体活動の追求にかかわらず、すべての女性の乳房の健康を向上させるための正確で妥当な信頼性のあるデータを確保するためのさらなる研究が推奨されています。