20240612 : ACLR・半腱様筋腱・超音波画像観察・筋電図推奨位置
腱と移植腱の生体力学的特性と、膝伸展機構に影響を与えない小さな手術切開サイズのため 、遠位半腱様筋 (ST) 腱全体 (遠位薄筋腱を含む場合もある) は、ますます一般的になりつつある脆弱性損傷および治療である前十字靭帯再建術 (ACLR) に世界中で広く使用されています 。ACLR のための ST 腱採取後、長期にわたる形態学的変化が持続することが多く、ST 筋の容積と最大解剖学的断面積 (ACSA) はそれぞれ約 25～45% と約 20～30% 小さくなり、筋長の変化または遠位筋腱接合部 (MTJ) 位置の近位シフトのいずれかで評価した場合、ST が約 4～10 cm 短くなります 。このような形態学的変化にもかかわらず、採取したST腱は再生し、膝関節ラインの下で骨が再付着する可能性があり、その結果、短距離走などの高速運動タスクに重要な筋肉の機能がある程度回復する可能性が期待されている。
筋電図検査（EMG）は、筋肉の活動振幅、パターン、時間的関係など、筋肉機能のいくつかの側面を間接的に評価するために使用できます。ただし、表面筋電図記録の特異性は、対象の筋肉への電極の慎重な配置に依存します。多くの研究では、「筋肉の非侵襲的評価のための表面筋電図検査」（SENIAM）プロジェクトの電極配置推奨事項が引き続き使用されています。したがって、ACLR後のSTグラフトを使用した参加者を含む多くの研究では、（SENIAMガイドラインに従って）坐骨結節と内側脛骨上顆の中間に電極を配置し、ST筋の活動を測定し、すべての内側ハムストリング活動の代替として、EMGベースの神経筋骨格モデルを駆動しました 。他の研究では、大腿部のより遠位にバイポーラ電極を配置しました。しかし、これらの研究のいずれも電極配置に超音波ガイドを使用したとは報告しておらず、筋腱単位の形態変化（すなわち、電極の下にあるもの）が十分に考慮されていない可能性があることを示唆している。ACLR 後の筋肉の大幅な短縮を考慮すると、健康な脚の推奨に従って配置された電極の下に ST 筋が常に存在するとは限らない。さらに、膝の屈曲角度が浅いものから深いものへ変化したり、ST 筋が活性化したりすると、ST 筋がさらに短縮する可能性があり、 SENIAM 推奨の位置を超えてしまう可能性がある。
したがって、本研究の目的は、一般的に使用されている表面電極配置位置が、ACLR 後の個人の ST の EMG 測定に適しているかどうかを評価することであった。安静時および 2 つの膝関節角度 (15° および 90°) での最大等尺性収縮時に、坐骨結節から内側脛骨上顆までの距離の 50% における ST 筋の両側の存在と ACSA を調査した。SENIAM ガイドラインで定められた ST の電極位置は、ACLR 脚には適さないという仮説を立てた。これは、ST 筋の長さとサイズが著しく小さいためであり、膝屈曲関節角度と収縮状態が ACLR 脚の ST 筋の存在に影響し、両脚の ST の ACSA を低下させるという仮説であった。
仰向けで取得した対側脚(A)と再建した前十字靭帯 (ACLR) 脚(B)の T 1 Dixon 磁気共鳴画像 (MRI) シリーズの同相シーケンスからの冠状面図(ここでは説明目的のみで使用) 。赤い矢印は、超音波から定量的に評価された筋腱接合部の末端 (自由腱の始まり) を示しています。破線の白い四角形は、SENIAM ガイドラインに従って推奨される近位遠位電極配置を概算しています。膝関節屈曲 15° (C)と 90° (D)における対側脚、および膝関節屈曲 15° (E)と 90° (F)における ACLR 脚の安静時超音波画像。黄色の矢印は半腱様筋の境界を示しています。 MRI 画像は両脚の同じ冠状断面からのものではなく、特定の断面内で半腱様筋の全長を捉えているわけではないことに注意してください。
9 人の参加者のうち 6 人は ACLR 脚で ST 腱再生がみられました。遠位 MTJ から膝窩溝までの距離は、ACLR (10.5 ± 4.4 cm) の方が対側脚 (5.3 ± 1.8 cm) よりも有意に大きかったです (正味短縮 [平均差]: 5.2 ± 4.0 cm、t = -3.893、p = 0.005、η2p𝜂p2= 0.611)。その結果、膝屈曲 15° の ACLR 脚 3 本と膝屈曲 90° の ACLR 脚 4 本では、安静時に ST 筋が見えませんでした。さらに膝屈曲 90° の ACLR 脚 3 本では、安静時にのみ ST 筋が見えたため、膝屈曲 90° の MVC 中は ACLR 脚 7 本で ST 筋が見えませんでした。
ST ACSA に対する有意な影響は、脚で検出された [ F (1,13.43) = 65.11、対側: 5.7 ± 3.2 cm 2、ACLR: 1.8 ± 2.5 cm 2、p < 0.001。η2p𝜂p2= 0.816]、膝関節角度[ F （1,50.55） = 82.47; 15°：5.3 ± 3.7 cm 2 ; 90°：2.2 ± 2.5 cm 2 ; p < 0.001;η2p𝜂p2= 0.612]、収縮状態[ F （1,45.30） = 28.69;安静時：4.4 ± 3.6 cm 2 ; MVC：3.1 ± 3.3 cm 2 ; p < 0.001;η2p𝜂p2= 0.374]。脚と角度の交互作用は有意であった[ F （1,33.50） = 5.48; p = 0.025;η2p𝜂p2= 0.115]であったが、有意な脚の収縮は認められなかった[ F (1,54.44) = 1.40; p = 0.243;η2p𝜂p2= 0.007]、角度収縮[ F （1,49.49） = 0.16; p = 0.687;η2p𝜂p2= −0.017]、または脚角度収縮[ F （1,53.32） = 1.04; p = 0.312;η2p𝜂p2= 0.001]の相互作用があった。事後検定では、反対側の脚と比較して、ACLR脚のST ACSAは15°で有意に小さいことが明らかになった（p < 0.001;η2p𝜂p2= 0.744）および90°（p < 0.001;η2p𝜂p2= 0.516）。さらに、ST ACSAは、対側とも90°の方が15°よりも有意に小さかった（p < 0.001;η2p𝜂p2= 0.580）およびACLR（p < 0.001;η2p𝜂p2= 0.273）。
膝関節屈曲 15° および 90° における反対側脚 (赤) と前十字靭帯 (ACLR、青) の安静時(A)および最大随意収縮時(B)の半腱様筋解剖学的断面積 (ACSA) の脚間差の平均値と標準偏差。ACLR 側で腱が再生した参加者のデータは実線で示され、腱が再生しなかった参加者のデータは破線で示されています。
本研究では、SENIAM ガイドライン で推奨されている ST EMG 電極位置での ST 筋の存在と大きさを、ACLR 患者で両側について、安静時および 2 つの膝関節角度での膝屈曲 MVC 時に調査しました。最初の仮説と一致して、SENIAM 推奨位置の ST 筋は、存在する場合、反対側の脚よりも ACLR の方が小さかったです。さらに、2 番目の仮説と一致して、随意筋収縮と膝屈曲角度が、SENIAM 推奨位置での ST 筋の存在と大きさに影響を与えました。全体的に、SENIAM 推奨位置で表面筋電図を記録することは、ACLR 脚の ST の高忠実度記録には適していない可能性があり、膝関節角度と収縮状態の変化によって引き起こされる形態学的変化のために、非 ACLR 脚でも注意が必要です。
推奨位置における電極配置に対する筋萎縮の影響
ACLR脚における遠位ST MTJの近位方向へのシフト（5.2 ± 4.0 cm）は、最小検出可能変化（1.26 cm、）およびST筋長の通常の脚間変動（<1 cm）の両方よりも大きく、以前の研究で報告されているように、ACLR後のST筋短縮の範囲内（平均約4～10 cm）でした。その結果、膝関節角度と収縮状態に応じて、ACLR脚の33～78％でイメージング部位にST筋が見えませんでした。より近位のイメージング部位では、Morrisらは15のACLR脚のうち2脚でSTを観察しませんでしたが、その研究では、本研究で使用したほぼ同じイメージング部位ですべての脚にSTが存在するように見えました。本研究では、特に90°およびMVC中のACLR脚でSTが存在しない割合が、それぞれ15°および安静時と比較して大きいが、これは短縮方向への関節運動および筋肉の活性化に伴って近位筋がさらに短縮するためである。結果として、一部の人では、ACLR脚でST腱再生がみられる人でも、SENIAMガイドラインに従って配置された双極EMG電極がST筋の上に配置されない可能性がある。他の参加者では、そのような電極配置は遠位ST腱の近くにあり、他の形態学的問題に関係なく、EMG測定値に影響を与える 。したがって、ACLR後のSTに対するEMGを使用する将来の研究では、電極を配置する際に筋肉の形態を考慮することが不可欠である。
予想どおり、評価したすべての条件において、ACLR 脚の ST ACSA は反対側の脚よりも有意に小さかった。それでも、安静時 ST ACSA の両脚間の差の平均 (59～77%) は、最大 ACSA について以前に報告されたもの [約 20～30% ]よりも大幅に大きかった。すべての参加者で ST ACSA 全体が超音波視野内に収まったが、最大 ACSA の部位ではパノラマ (拡張視野) 画像が必要になるのが一般的で、この部位は通常、大転子と膝関節外側の中間かそれより上に位置する 。逆に、SENIAM ガイドラインでは、電極をより下方に配置し、坐骨結節から内側脛骨上顆までの中間点、つまり最大 ST ACSA の位置よりも遠位の位置に配置し、ACLR 脚では筋肉が短縮するためさらに遠位に配置することを推奨している。したがって、脚間の ACSA に大きな差があるのは、大腿部に沿った絶対位置は同じだが ST 筋の長さに対する相対位置が異なることから得られた測定値を比較した結果であり、大腿部近位位置よりも遠位位置の ST ACSA の相対差が大きいという最近の知見と一致している 。隣接する膝屈筋協働筋は SENIAM ガイドラインで定められた ST の位置で最大サイズに近く 、これらの協働筋は一般に ACLR 後に容積萎縮しない ため、結果として大きな協働筋に挟まれたST 筋は小さくなる (完全に収縮していない場合)。形態測定を容易にするため、SENIAM 定義の近位遠位位置で画像を取得しましたが、トランスデューサーを ST の中心に位置合わせしました。これにより、電極の内外位置が適切でないために生じる可能性のある追加誤差を見逃すことになります 。そのため、この位置から記録された双極表面筋電図は、電極が ST の中央に配置されていても、隣接する筋肉によって干渉される可能性が高く (つまり、クロストーク)、これは必ずしも発生するとは限りません (つまり、内外位置のわずかなずれや、筋肉がその位置を超えて後退している場合)。そのため、 SENIAM ガイドラインに従って大腿後部に配置された電極を介して記録された信号は、ACLR 脚 (ST が移植ドナーとして使用された場合) の ST 筋活動を正確に反映しない可能性があり、筋電活動の振幅とパターンはハムストリング筋によって異なるため 、必ずしも協力筋から推測できるとは限りません。したがって、ST 上のより特定の位置から取得された信号が、SENIAM ガイドラインに従って配置された電極から取得されたデータと比較して、ACLR 後の ST 筋電活動の解釈が異なる可能性があるかどうかを明らかにするには、今後の研究が必要です。
推奨電極位置における関節運動とMVCのST ACSAへの影響
膝の屈曲角度を変え、膝屈筋を活性化すると、両脚の ST ACSA に変化が見られましたが、これは大腿部に沿った一定の撮影位置によるものと考えられます。大腿部に沿った標準化された遠位位置で測定された ST の ACSA は、膝の屈曲とともに小さくなるようです 。Raiteriら は、前脛骨筋の ACSA が筋肉のほぼ全長にわたって活性化とともに増加することを発見しましたが、脚に沿った同じ位置での比較は行われていません。対照的に、肘の屈曲収縮中、Akagi ら は、上腕部に沿った一定の位置で測定値を取得した場合、肘屈筋の ACSA が安静時の最大 ACSA の位置と比較して近位で増加し、遠位で減少することを観察しました。筋肉は収縮中に一定の容積を維持するために膨らむはずなので、大腿部に沿った一定の位置で測定された ACSA が小さいことは、2 つの条件（15 対 90°、安静対 MVC）での測定値が筋肉の同じ部分から得られていないことを示しています。収縮中または膝を 90° に曲げたときに ST が近位方向に短縮すると、現在の研究ではすでに遠位にあるイメージング位置が ST 筋のさらに遠位部分に移動し、一部の ACLR 患者でイメージング位置を超えて筋肉が短縮することになります。したがって、電極は通常、参加者が実験手順中に実行するタスクとは異なる条件下で配置されるため、収縮状態中の筋肉の形態と、表面 EMG からの記録が使用される可能性のある姿勢条件を考慮することが重要です。
電極配置に考慮すべき追加の形態学的要因
ACLR 脚 (外科的介入による) または両脚 (関節角度の変化および/または随意の活性化による) の形態学的変化から生じる前述の実際的な影響に加えて、表面 EMG 電極を配置する際には ST の一般的な形態も考慮する必要があります。ST には腱のフットプリントがあり、筋肉を別々の神経枝支配を持つ 2 つの神経筋区画に分けます 。SENIAM 推奨の位置では、記録は通常遠位 ST 区画から得られます。ほとんどの ST 筋束は腱の刻印に直接付着するため 、盲目的に (つまり、超音波ガイドなしで) SENIAM 推奨の位置の近くに電極を配置すると、電極がこの刻印の上またはフットプリントの両側に配置され、筋肉の異なる神経筋区画に配置される可能性があります。超音波ガイドを使用して、すべてのテスト条件を通じて電極が ST 上に配置されるようにする必要がありますが、膝が全可動域にわたって動かされると ST 神経支配領域が 3 cm シフトするため、双極表面電極の配置がさらに複雑になる可能性があります 。これは、死体で見つかった膝関節の完全伸展から 90° 屈曲までの ST 筋の長さが 6 cm 以上変化することに関係している可能性があります 。
後者は、本研究で両脚の関節角度間で ACSA が変化する理由と一致しています。記録電極に対する神経支配領域の位置は EMG 信号の振幅とスペクトル特性に影響を与えるため、異なる膝関節角度で行われた ST の双極表面 EMG 測定値の違いは、生理学的なものではなく、解剖学的な説明ができる可能性があります 。多チャンネルアレイは、皮下の筋肉の滑りを説明できる可能性があり 、ST の筋電図を記録するのに有利である可能性があります。
しかし、マルチチャンネルアレイはアクセスしにくい場合があり、複数の筋肉群が関与する複雑なデータ収集には適さない可能性があります。そのため、ST コンパートメント間の機械的機能は類似しているにもかかわらず です。
筋肉の短縮と放射状萎縮のため、ST グラフトを用いた ACLR 後の ST 筋活動を測定するために SENIAM 推奨の電極配置を使用しても、高忠実度の記録が得られる可能性は低いです。ST の単一部位 ACSA は、皮膚の下で筋肉が大きく滑るため、収縮状態と関節角度によって変化し、さまざまな条件で EMG 記録を取得して比較する際に影響が出る可能性があります。したがって、SENIAM 推奨の位置を使用することは、ST グラフトを用いた ACLR 後の ST の双極表面筋電図を記録するのに適していないようで、健康な脚には注意が必要です。
まとめ
半腱様筋腱は、前十字靭帯再建術 (ACLR) の移植組織として一般的に採取されます。半腱様筋腱は採取後に再生しますが、ACLR により半腱様筋のサイズと長さが大幅に減少し、筋電図の電極配置が複雑になる可能性があります。本研究の目的は、最も一般的に使用される電極配置 (「筋肉の非侵襲的評価のための表面筋電図 (SENIAM) プロジェクトで推奨) が ACLR 後の半腱様筋の筋電図を測定するのに適切かどうかを評価することです。
収縮状態と関節角度に応じて、ACLR 脚の 33～78% で半腱様筋が推奨配置部位を超えて収縮していたが、反対側の脚では収縮していなかった。ACLR では、反対側の脚と比較して、半腱様筋の ACSA は安静時および MVC の両方で小さかった。両脚の ACSA は、安静時と比較して MVC で、また膝の屈曲角度が浅い場合と比較して深い場合で減少したが、これはおそらく皮下の筋肉の滑りによるものと考えられる。これらの結果は、対象の筋肉が電極検出体積内にない可能性があるため、ACLR のための腱採取後の半腱様筋からの表面筋電図を記録するのに SENIAM ガイドラインはおそらく適していないことを示唆しています。
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