20240528 :腓腹部筋損傷・損傷後構造変化・超音波画像・腱膜構造
人間のハムストリングや腓腹部の筋の張力損傷は、競技選手とアマチュア選手の両方で最も一般的なスポーツ外傷の 1 つであり、高い再受傷率と関連しています。腓腹部の筋の張力損傷は、高速走行や急加速を伴うスポーツで頻繁に発生します。以前の研究では、筋の張力損傷はほぼ例外なく、筋と腱 (腱膜) の境界面で発生することが示されています。腱膜への筋線維の挿入が影響を受けるため、緊張損傷後に筋線維と結合組織の間にしっかりとした機能的な付着を再構築することが、最適な機能を回復するために必要です。
これは、境界面が強い筋力に耐え、筋力を腱膜、腱、そして骨に効率的に伝達できることを意味します。ただし、以前の研究では、緊張損傷によって、ハムストリングとふくらはぎの筋肉の両方で長期にわたる筋萎縮、線維症、脂肪浸潤が発生することが多く、修復プロセスが不完全であることが示唆されています。
損傷を受けたヒトの骨格筋および腱膜の構造変化については、ほとんど調査されていない。腱膜はシート状の腱構造で、筋腹の一部を覆い、筋線維の付着部として機能する。重要なのは、腱膜が複数の方向に正のひずみを受ける可能性があるため、腱膜の負荷パターンが複雑であることだ。腱膜は、縦方向および筋肉の作用線に直交する方向に伸張を受ける可能性がある。さらに、筋の異なる部分の腱膜は異なる挙動を示すことがわかっている。ヒラメ筋中腹腱膜は最大下収縮中に正のひずみを示したが、遠位腱膜では負のひずみが報告されており、腱膜の機械的特性の複雑さが増している。腱膜のこれらの明確な機械的特性が、張力損傷後に変化するかどうかは不明である。
ハムストリングスでは、大腿二頭筋長頭 (BFlh) の束の長さが短いことが、ハムストリングスの肉離れの危険因子であることが最近明らかになりました。さらに、ノルディック ハムストリングスなどのエキセントリック エクササイズは、ハムストリングスの肉離れの予防に有意な効果があることが繰り返し示されており、エキセントリック エクササイズは束の長さを長くすることが示されています。これらの知見は、エキセントリック エクササイズの保護効果の少なくとも一部は、束の長さの増加によるものであることを示唆しています。興味深いことに、ハムストリングスの肉離れと、早期にエキセントリック エクササイズを開始したリハビリテーションの効果に関する最近の研究では、負傷したハムストリングスの束の長さは、負傷していない健康なハムストリングスよりも大きく増加していることが示されました。また、この研究では、スポーツ復帰までの期間が最も長く、おそらく最も損傷が大きかった参加者は、リハビリ期間中に筋束の長さが増加しなかったことも興味深い。損傷の重症度、腱膜や適応などの関連構造、またはリハビリや筋腱ユニットへの重い負荷に対するこれらの反応の欠如との間には関連がある可能性がある。損傷後、長期間にわたって筋束と関連構造がどのように機能するかは不明のままである。さらに、ハムストリングス損傷については、予防およびリハビリの両方でかなりの研究が行われていますが、腓腹筋損傷は、その有病率が高いにもかかわらず（たとえば、プロ男子サッカーではシーズンあたり 6%）、ほとんど注目されていません。
技術的な点では、ハムストリングスの筋束の長さの研究では、筋束を浅部から深部腱膜まで追跡できないという課題があります。超音波 (US) プローブの長さの寸法により、筋束の長さの目に見える部分が約 50% に相当し、長さは線形外挿法を使用して計算する必要があり、筋束と腱膜の曲率は考慮されません。重要なことに、最近のUSの研究では、参加者間で異なると思われる系統的誤差が報告されており、筋束の長さに関する研究の解釈を複雑にしています。腓腹筋 (GM) を研究する明らかな利点は、筋束をその起点から停止点までほぼ追跡できるため、外挿法による系統的誤差が大幅に減少することです。
構造的変化に加えて、筋損傷後には神経筋の変化が起こる可能性があります。実際、筋損傷後には遠心性収縮中の BFlh の表面 EMG 活動が減少することが報告されており、筋損傷後には筋肉の活動パターンが慢性的に変化する可能性があります。腓腹部の筋の筋損傷後に筋の活動パターンが変化するかどうかは調査されていません。
本研究では、以前の大腿四頭筋の筋損傷が、安静時および筋収縮時の筋束、羽状角、深部腱膜の形態に及ぼす影響を調査しました。さらに、片側かかと上げ動作中の大腿四頭筋とヒラメ筋の筋電図を、反対側の健側と比較しました。健常な大腿四頭筋と比較して、負傷した大腿四頭筋では筋束の長さが短く、羽状角はより急勾配であるという仮説が立てられました。さらに、かかと上げ動作中の大腿四頭筋のEMG活動は、健常な腓腹筋と比較して負傷したふくらはぎで低下しているという仮説が立てられました。
羽状角
3つの異なる足関節位置で撮影されたUS画像の分析では、統計的な相互作用は明らかになりませんでした。遠位GMのすべてのスキャン位置について、足関節角度の有意な主効果が認められました。中心位置では、110°の羽状角度は、90°および80°と比較して大きかった。同様に、内側位置では、110°の羽状角度は、90°および80°よりも高かった。外側位では、80°位と比較して110°位でのみ羽状部が有意に大きくなった。遠位スキャン位置のいずれにおいても、負傷側と健側との間で羽状部角度に統計的な差はなかった。これらのデータは、以下に示すビデオ分析の観察結果と一致しており、リラックスした状態での羽状部角度は損傷したGMと健常なGMで同様であった。
腹部中央での羽状部角度は、中央位置ではなく、内側と外側で足関節角度の主な影響を示した。内側位置では、羽状角は90°および80°と比較して110°の方が急峻であり、羽状角も80°と比較して90°の方が大きかった。
外側位置では、羽状角は90°および80°と比較して110°の方が大きかった。
さらに、中央および内側の位置では、損傷していないGMと比較して、損傷したGMの羽状角が大きい側の主効果もありました。
かかと上げ動作中のビデオ録画では、遠位部（F1 と F2 の両方）の羽状角が、筋肉の収縮状態と側（損傷/非損傷）との間で有意な相互作用を示していることが示された。遠位 F1 では、非損傷 GM（6.6°、p = 0.006、CI 2.2°–10.9°）と損傷 GM（18.9°、p = 0.0009、CI 9.4°–28.4°）で弛緩状態から最大収縮までの羽状角の増加が認められた。羽状角の増加は、非損傷側と比較して損傷側で有意に大きかった。F2では、 弛緩状態から最大収縮まで、 健側と損傷側のGMの羽状角も増加した。増加は、健側と比較して損傷側で再び有意に大きかった。定量化可能なデータに加えて、損傷側の遠位束は収縮中に内側に巻き込み、最大収縮時に湾曲した外観を呈することが観察されたのに対し、健側の緊張した束の形状は GMの中腹では、羽状角の相互作用は見られなかったが、収縮状態の主効果は、F3およびF4で収縮とともに増加を示した。さらに、GMの中腹部分では、収縮中の束の湾曲した外観は観察されなかった。
束の長さ
US静止画像で測定された束長には交互作用はなかった。遠位GM、内側位置では、足関節角度の主効果が認められ、110°では90°および80°と比較して束が短かった。中央位置および外側位置では足関節角度の影響は見られなかったが、中央位置では側面（損傷 vs. 非損傷）の主効果が認められ、損傷したGMの方が非損傷のGMと比較して束長が短かった。内側および外側の位置において、損傷した GM と損傷していない GM の間で束の長さに統計的な差はありませんでした。
腓腹部中央部では、3 つのスキャン位置すべてで足関節角度の主な効果が見られ、側面による効果は見られませんでした。中央位置では、110° の束は 80° に比べて短かったです。内側位置では、110° の束は 90°および 80°に比べて短かったです 。側方位では、110°では90°および80°と比較して束が短かった。
ビデオ解析では、いずれの束についても、側方と収縮状態の間に相互作用は見られなかった。側方の主な影響は遠位束 F1 でのみ観察され、損傷側は非損傷側と比較して短くなっていた 。すべての束は収縮状態の主な効果を示し、収縮時に短縮しました。一般に、損傷した遠位束が湾曲しているように見えるため、束の長さを正確に測定することが難しく、現在の測定は束の挿入部と起点の間の線形外挿に基づいているため、束の曲率を無視していることに留意する必要があります。
腱膜の厚さ
遠位部（D1およびD2）の腱膜の厚さについては、筋肉の収縮状態と側（損傷/非損傷）との間に有意な相互作用があった。より近位の点（D3）では相互作用は見られず、側方の主効果が見られた。遠位部D1では、損傷したGMでは弛緩状態から最大収縮まで腱膜の厚さが増加したが、非損傷GMでは増加が見られなかった。腱膜の厚さの増加は、非損傷側と比較して損傷側で有意に大きかった。 D2でも同様で、損傷したGMでは弛緩状態から最大収縮まで腱膜の厚さが増加したが、損傷していないGMでは増加しなかった。D1と同様に、D2では、損傷していないGMと比較して、損傷したGMの腱膜の厚さがより大きく増加した。D3の腱膜の厚さについては、側方の主効果が見られ、損傷したGMでは損傷していないGMと比較して腱膜が有意に拡大していた。GMの中央腹部では、相互作用は見られず、収縮状態の影響も見られなかったが、測定した3つの部位すべてで側方の主効果が見られた。損傷した腱膜は、損傷していないGMと比較して、損傷部でより拡大していた。
筋電図検査
かかと上げ運動中、筋間EMG活動に有意差があった。かかと上げ中の正規化されたGM EMGは、損傷した腓腹筋と損傷していないふくらはぎで差はなかったが、かかと上げタスク中の正規化されたヒラメ筋（SOL）EMG活動は、負傷した腓腹筋の方が健康な腓腹筋よりも有意に高かった。その結果、SOLのEMG活動に対するGM EMG活動の比率は、損傷した腓腹筋の方が損傷していない腓腹筋よりも有意に高かった。参加者の中には、かかと上げ中のEMG活動が膝を伸ばしたMVC中よりも大きかった人もいたが、これは予想外のことだったが、損傷した脚と損傷していない脚の両方で同じように正規化を行ったため、この2つの比較は依然として有効であると考えられる。MVC中の筋力出力は、損傷した腓腹筋と損傷していない腓腹筋で差はなかった。
本研究のデータは、ヒトの筋の張力損傷が長期的、おそらくは永久的な機能的および構造的変化を引き起こすことを示唆している。損傷した遠位筋群の羽状角は、損傷していない筋群よりも収縮時に著しく増加し、最遠位の束は短くなっている。腱膜は顕著に肥厚しており、筋肉の収縮時にさらに拡大する。かかとを上げる動作中に、以前に損傷した腓腹筋の筋肉の神経筋活動パターンが変化する。実際、動的US記録中の損傷した筋群の最遠位束の挙動は、かかとを上げる動作中に観察される束の顕著な湾曲により、以前の損傷部位が積極的に収縮力を生成していないことを示し、束短縮がないことを示しています。最後に、著しく肥厚した腱膜は、損傷中に結合組織（すなわち、腱膜）が大幅に関与し、それによってその後の修復プロセスにも関与していることを明確に示しています。
動的 US 記録の分析により、末梢部の筋束は健常な筋束と比較して異なる挙動を示すことが示されており、これらの観察結果は不活性で収縮していない筋線維を表していると仮定しています。さらに、筋束が収縮するときに腱膜を引っ張るのではなく、腱膜によって筋束が引っ張られていると仮定しています。損傷した末梢筋束の収縮時の急峻な羽状角度は、この理論を裏付ける定量化可能なデータを提供します。さらに、末梢筋束の収縮の終わりに向かって深部腱膜に挿入する部分の筋束の顕著な曲線形状は、より定性的な観察結果となります 。技術的な点では、少なくとも曲率が最も顕著な挿入部では、羽状角度がさらに高いことを意味します。この研究で US ビデオ録画の羽状角を計算するために使用した自動マクロは、筋束が直線状であると仮定しており、直線であると仮定すると、実際の湾曲経路に比べて筋束の長さが過小評価されることになります。遠位損傷した GM のもう 1 つの観察結果は、最も収縮した状態で筋束が容易に識別できない領域が存在することです。これは、これらの領域の構造と筋束の周囲の構造が変化していることを示唆しています。考えられる 1 つの説明は、慢性筋損傷に関する以前の研究で報告した広範な脂肪浸潤である可能性があります。
本研究では、損傷したGMの遠位筋束と腱膜の微細構造を定量化することができず、その部位からの生検が必要であったにもかかわらず、筋束が異なる挙動を示すことは明らかである。運動中の腱膜の変位測定は行われていないが、測定したどの部位でも腱膜が大幅に拡大し、収縮時にさらに顕著になることは、腱膜の材質、組織、そしておそらく材質特性も、損傷していない腓腹筋と比較して異なることを示唆している。この仮説に沿って、GMの慢性的な張力損傷では、2つの構造間の強固な接続が適切に回復されていないと我々は提案する。当グループのこれまでの結果は、この主張を裏付けている。これが腱膜の材質特性の弱化によるものか、運動単位の動員が少ないために遠位GMが収縮できないことによるものかは、これらのデータに基づいて答えることはできない。ハムストリングと腓腹筋の筋肉の両方で、筋張力損傷後には筋肉量の大幅な減少が報告されています。外傷後の筋萎縮のメカニズムは多因子である可能性が高く、固定関連の影響に加えて、ある程度の運動単位の動員の低下が含まれる可能性があります。筋収縮の欠如は腱膜と筋肉-結合組織界面の強化を妨げる可能性があると推測し、さらにこの腱膜と筋肉-腱膜界面の強化の欠如が、筋張力損傷に関連する再損傷の高リスクの主な要因であると仮定しています。
現在の研究では、材料特性そのものを分析することはできませんが、負傷した側の腱膜の挙動は健常側と異なることが観察されています。第 1 に、腱膜は健常な腓腹部に比べて大幅に拡大しており、損傷した GM の中腹部分まで広がっています。第 2 に、筋肉の収縮の結果として、損傷していない GM の遠位部では腱膜の厚さがわずかに増加し、損傷していない GM の中腹では腱膜の厚さがわずかに減少していますが 、損傷した腓腹筋では見られません。代わりに、損傷した筋肉が収縮すると、両方の部位で腱膜の厚さが大幅に増加します 。中腹のビデオは 6 人の参加者のみで録画されていたため、2 つの部位を直接比較することはできませんが、観察されたパターンは注目に値します。Finni ら は、中腹部位の SOL 腱膜が長くなり、遠位腱膜が短くなるという、健康な腱膜の長さに沿った不均一な歪みを報告しました。健康な GM 腱膜で得られたデータは、Finni らの観察とよく一致しており、1 つの軸に沿った中腹腱膜の寸法の減少 (薄くなる) は、別の軸に沿った増加 (長くなる) を示唆し、遠位端ではその逆になります。腱膜の不均一な歪みは、ネコの GM 筋肉でも報告されており、Azizi と Roberts は、収縮中の野生の七面鳥の GM 腱膜の長さと幅が同時に増加することを報告しています。
機能レベルでは、片側かかと上がり運動中に得られた EMG データは、健康な腓腹筋と比較して、損傷した GM の活動に比べてヒラメ筋の筋電活動が高いことを示した。2 つの腓腹部の筋肉の活性化パターンのこの違いは、損傷した腓腹筋が動作課題を遂行するための明確な戦略を示唆しており、損傷した腓腹筋では健康な腓腹筋と比較して SOL の貢献度が高い。これらのデータは、ハムストリングスの筋挫傷後の以前の報告と一致しており、著者らは、遠心性筋動作中に、以前に負傷した BFlh の EMG 活動レベルが、損傷していない BFlh よりも低いことを記録した。また、以前に損傷したハムストリングスの筋電活動に関する最近のレビュー論文では、特に遠心性筋収縮中に、ハムストリングスの筋の活性化パターンが健康なハムストリングスと比較して異なるように見えるという中程度から限定的な証拠が報告されている。
我々の EMG データでは求心性フェーズと遠心性フェーズを区別できず、特にかかとを上げる動作の遠心性成分で大きな差があった可能性がある。筋張力損傷の結果としての痛みは、筋電活動の低下として測定可能な神経機能の不適応の要因として議論されてきた。しかし、慢性的な痛みは本研究に参加した個人で報告されておらず、数か月から数年前の急性外傷による痛みが依然として筋活動パターンに影響を与えている可能性は低いと思われる。代わりに、ヒラメ筋活動が高い本 EMG データは、保護メカニズム、または損傷した遠位 GM の運動単位動員の潜在的な低下に対する代償メカニズムとして解釈できるかもしれない。ただし、これは推測の域を出ず、本研究では制御されたゆっくりとしたかかとを上げる動作以外の動作中の筋電活動パターンをテストしていないため、爆発的な動作中の筋間活動パターンも、以前に負傷した腓腹部と損傷していない腓腹部で異なると推測することしかできない。また、筋肉のさまざまな領域における筋肉の活動パターンを識別するために高密度 EMG 法を使用したのではなく、損傷部位ではなく、筋束の長さと羽状角の最も顕著な変化の側でもない腹部の中央部に電極を配置した EMG を使用したことにも留意することが重要です。
ノルディック ハムストリングス運動などのハムストリングスの反復性遠心性筋収縮は、ハムストリングスの初回の肉離れだけでなく再発性損傷も予防することが確実に示されています。遠心性運動の予防的役割は、筋束の長さの増加に関連付けられており、逆に、筋束の長さが短いと、ハムストリングスの肉離れ損傷のリスクが高くなります 。同じパターンが GM に当てはまるかどうかは調査されていませんが、GM の筋束の長さが短いと、ふくらはぎの損傷のリスクも高まると想定するのが妥当です。本研究では、安静時および最遠位部で最大収縮時に筋束が著しく短縮していることが測定されました。この研究ではサルコメアのデータは得られていませんが、慢性の肉離れで損傷した筋肉の生検材料に基づく以前のレポートでは、無秩序で過剰収縮したサルコメアとサルコメア構造の喪失が示されました。これらのデータを総合すると、損傷したGMの構造と機能は永久的に変化していることが示唆されます。これまでのところ、損傷したGMを標的とした遠心性トレーニングによって、非常に遠位部でも筋束の長さが増加するかどうかは不明です。
この研究は、筋束が収縮中に羽状角の急激な増加を示し、さらに引っ張られて内側に曲がっているように見えるという点で、損傷した遠位筋群の一部が健側と比較して異なる挙動を示すことを示すデータを提供していると結論付けています。この挙動は、筋張力損傷後に筋束が活発に収縮していないことを視覚化すると仮定しており、さらなる分析でこの仮説を確認する必要があります。また、損傷後の腱膜は構造と機能の両方で変化していることも報告しています。慢性の筋張力損傷におけるふくらはぎの筋肉の神経筋活性化パターンの変化は、EMG データによって潜在的に裏付けられています。参加者の大多数はこれらの測定の何年も前に損傷を受けたため、筋肉および筋肉と腱膜の境界面のこれらの変化は永続的である可能性があります。
まとめ
人間の腓腹部の筋肉の損傷は、スポーツで頻繁に起こる再発性外傷です。腓腹筋 (GM) の内側頭と関連する腱膜の潜在的な構造的および機能的変化については、十分に文書化されていません。
GM 筋の張力損傷が、損傷後長期間の安静時および筋収縮時に、筋束の長さ、羽状角、深部腱膜の形態に影響を及ぼすかどうかをテストします。さらに、損傷した腓腹部と損傷していない腓腹部で、片側踵を上げているときの GM 筋とヒラメ筋の筋電図 (EMG) を測定しました。
損傷した遠位筋の羽状角は、収縮時には損傷していない筋に比べて有意に大きかったが、弛緩状態ではそうではなかった。収縮中は、損傷していない筋に比べて損傷した筋の方が羽状角が大きく増加した。筋束の長さは、損傷した筋の最遠位部で短かった。損傷した筋の遠位部の筋束は、筋肉が収縮するにつれて顕著な曲線形状を示し、損傷した筋では腱膜が損傷していない筋に比べて拡大していた。筋とヒラメ筋のEMG活動の比率は、健康なふくらはぎに比べて損傷したふくらはぎのヒラメ筋の相対的活動が有意に高いことを示した。
収縮中の羽状角と曲線状の筋束形状の大きな変化は、筋張力損傷後の長期的な結果として、遠位筋群の一部の筋線維が活発に関与していないことを示唆しています。腱膜が著しく拡大していることは、筋張力損傷後の結合組織の関与がかなり長く続いていることを示しています。
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