文献情報
文献番号
199800738A
報告書区分
総括
研究課題名
高齢者健康増進用の生活強度別運動処方器具と運動プログラム開発
課題番号
-
研究年度
平成10(1998)年度
研究代表者(所属機関)
永田 晟(スポーツクラブ協会)
研究分担者(所属機関)
- 村上慶朗(国立箱根病院)
- 室増男(東邦大学)
- 内山靖(群馬大学)
- 森昭雄(日本大学)
研究区分
厚生科学研究費補助金 健康安全確保総合研究分野 健康科学総合研究事業
研究開始年度
平成10(1998)年度
研究終了予定年度
平成11(1999)年度
研究費
4,000,000円
研究者交替、所属機関変更
-
研究報告書（概要版）
研究目的
健康づくりは食事・栄養処方、体力・運動づくり、休養・休息の維持増進が考えられている。この三本柱のうち運動処方による健康増進へのプログラムと実践方法が望まれ、中高年者の健康づくりと生活習慣病対策が必要である。しかしながら、健康増進と生活習慣病予防のための体力・運動処方箋には、青少年向けのトレーニング処方が優先し、高齢者向けの特徴ある運動処方がなされていない。換言すると競技体力作りのトレーニング方法が優先し、健康づくりのための楽しく継続性のある具体的な運動プログラムが皆無に近い状況である。
本研究開発においては高齢者の健康づくりを基本として、楽しく、簡易に、誰でも実施可能な運動処方器具と設備を作成し、それを使っての運動処方プログラムを開発する。その健康増進のための効果と生活習慣病予防に役立つ処方プログラムを検証するために基礎的なデータ取りを必要とする。そして、老化防止と予防医学のための資料を得ることを本研究の目的とする。現在の高齢者会における高齢者人口の急増とともに、健康づくりといつまでも若々しく、いつまでも働き続ける労働力の確保のための社会的、医療上の対策の一環として本研究を実施し、さらにこの新しい運動処方プログラムの開発は、急を要する課題と考えられ、社会的にも必要性は高いと考えられる。
国内においては競技者と青少年中心の体力づくり用のトレーニング・プログラムが優先し、エリートマンの運動処方用として各種エルゴメータ(例えばトレッドミルや自転車エルゴメータなど)が開発され、体力増強に利用されている。他方、高齢者用の健康づくりのためのエルゴメータと運動処方プログラムは未開発である。そして、心疾患、肥満、高血圧、高脂血症タイプの生活習慣病治療と予防のため、運動療法と処方の必要性が高まっている。しかし、現在のこうした運動処方と運動プログラムは強制運動であって、目的的な意図が強いために、高齢者が自ら進んで運動処方に参加し、自ら積極的に健康づくりを実施することは少なく、運動の楽しさとともに継続性の欠如とその運動処方の効果が実証されていない。換言すると、高齢者用の健康増進・運動プログラムの開発研究は皆無に等しく、処方用器具の開発は遅れている現状である。
本研究開発においては高齢者の健康づくりを基本として、楽しく、簡易に、誰でも実施可能な運動処方器具と設備を作成し、それを使っての運動処方プログラムを開発する。その健康増進のための効果と生活習慣病予防に役立つ処方プログラムを検証するために基礎的なデータ取りを必要とする。そして、老化防止と予防医学のための資料を得ることを本研究の目的とする。現在の高齢者会における高齢者人口の急増とともに、健康づくりといつまでも若々しく、いつまでも働き続ける労働力の確保のための社会的、医療上の対策の一環として本研究を実施し、さらにこの新しい運動処方プログラムの開発は、急を要する課題と考えられ、社会的にも必要性は高いと考えられる。
国内においては競技者と青少年中心の体力づくり用のトレーニング・プログラムが優先し、エリートマンの運動処方用として各種エルゴメータ(例えばトレッドミルや自転車エルゴメータなど)が開発され、体力増強に利用されている。他方、高齢者用の健康づくりのためのエルゴメータと運動処方プログラムは未開発である。そして、心疾患、肥満、高血圧、高脂血症タイプの生活習慣病治療と予防のため、運動療法と処方の必要性が高まっている。しかし、現在のこうした運動処方と運動プログラムは強制運動であって、目的的な意図が強いために、高齢者が自ら進んで運動処方に参加し、自ら積極的に健康づくりを実施することは少なく、運動の楽しさとともに継続性の欠如とその運動処方の効果が実証されていない。換言すると、高齢者用の健康増進・運動プログラムの開発研究は皆無に等しく、処方用器具の開発は遅れている現状である。
研究方法
5つの分野の実験方法を実施した。
①自律神経活動調節機能の測定方法
対象者は1万歩～2万歩の運動習慣のある健康人61名(19才～77才)と運動習慣のない健康人60名(19才～77才)および糖尿病や高血圧等の疾患者25名(20才～68才)の合計146名であった。安静時心電図に異常を認めない全被験者を測定対象とした。本人に対して研究実験の主旨を説明し、承諾を得たあと、生活状態(食生活、運動生活、休息など)、身体検査・健康診断、一日の心電図(フォルター型)測定を行う。ある一週間の平均した生活状態、生活動作強度、生活習慣要因とリスクファクター抽出、自律神経機能(ゆらぎ)、休養・休息と疲労レベル(身体的、精神的、神経的)、栄養素摂取状況と摂取・消費エネルギーの算出などをデータ収集・処理する。全被験者の安静心電図(心拍数、CV)、安静血圧(収縮期・拡張期)を計測した。運動終了直後、30秒間の心拍数回復から指数関数的減衰曲線関数式の時定数(T30)を求め、自律神経活動調節機能をその勾配から評価した。運動負荷方法は、自転車エルゴメーターを用いて、Borgの指数の10～12の最大下固定負荷を決定する。そして30分後に設定した6分間のペダリング負荷運動を実施し、その終了直後から5分間の回復心拍数を測定した。そして全員の安静時HR(beat/min)、安静収縮期(SBP)・安静拡張期血圧(DBP)(torr)、安静時のRRIの変動計数(CVRR)を計測した。さらに全員の指数関数的減衰曲線関数式のT30をコンピュータから求めた。それぞれのデータから、1万歩～2万歩の運動習慣群と非運動習慣群および疾患群について比較した。
②高齢者の下腿部位のサーモグラフィー
環境条件は、気温24℃±0.2℃、湿度50%±0.3%の環境を一定に保持した防音形人工環境室で実施した。また温度による影響を見るために1名の被験者で活動筋部位の皮膚温の変化が観察されるか否か調べた。すなわち、人工環境室の温度設定を18℃±0.2℃、湿度50%±0.3%の実験を行った。
被験者は短パンを着用、実験室に入り、両下肢を露出させ、40分間の安静を保持し、気温に充分慣れさせた。歩行はトレッドミルで1.5～1.6km/hで行わせた。測定および記録は、富士通社製医用サーモグラフィ装置(INFRAEYE1200A)を用いた。温度の測定部位は下腿前面、側面から捉えた前脛骨筋、および後面から捉えた腓腹筋領域を黒枠で囲んだ各々の部位(Figure1)の最高温度を計測した。この計測は、自動取り込みによる被写体の中心温度を求め、温度ステップ0.4から0.8℃で行った。フレーム加算回数は、32回で行った。下肢を前後左右にそれぞれ撮影を行い、一度データをフロッピーディスクに記録した。その後、日立社製ビデオプリンターによりサーモグラムをプリントアウトした。実験は1日一条件とし、2日以上の間隔で行った。
③三次元動作解析装置によるゲートボール・スパーク動作解析
アニマ社製のVideo Locus(DLT赤外線方式)を使用し、CCDカメラ4台を設置して、ゲートボール運動を撮影した。特にボールを打撃するスパーク動作に注目し、腰痛との関連を調べた。動作解析条件は解析時スプライン補間法、そしてフィルタリング処理5Hzとした。
④日常生活動作(ADL)のエネルギー的な分析と生活強度
ADL活動として(1)車椅子の駆動動作、(2)床ふき掃除作業、(3)子守り動作、(4)階段昇降運動、(5)介助保護動作、(6)洗体動作、(7)介回し歩行動作、(8)T字杭歩行動作(傾斜10%)をとり上げた。被験者は男性(平均身長179cm、平均体重72kg)4名を選び、メータマックスによって呼気ガスを採気し、分析した。測定した酸素摂取量および二酸化炭素排出量から呼吸商およびMETSを算出した。そして、作業時の呼吸商やエネルギー消費量、機械的仕事量をADLごとに算出して、仕事効率も算出した。
⑤重心動揺の測定
測定肢位は立位で、構え、歩幅、足の開きについて統一し、両足を接して直立することを基準とし、場合によっては30゜開足位、10cm開脚位等の条件で検査することもあるとし、記録時間は60秒間を基準とし、困難な例では30秒間または20秒間とした。それぞれ静的な測定と前後・左右方向への随意的な重心移動を検討した。算出される重心動揺は、重心動揺距離(軌跡長)、重心動揺面積、実効値、重心中心偏位、動揺速度、パワースペクトラムなどの多くのパラメータを算出した。
①自律神経活動調節機能の測定方法
対象者は1万歩～2万歩の運動習慣のある健康人61名(19才～77才)と運動習慣のない健康人60名(19才～77才)および糖尿病や高血圧等の疾患者25名(20才～68才)の合計146名であった。安静時心電図に異常を認めない全被験者を測定対象とした。本人に対して研究実験の主旨を説明し、承諾を得たあと、生活状態(食生活、運動生活、休息など)、身体検査・健康診断、一日の心電図(フォルター型)測定を行う。ある一週間の平均した生活状態、生活動作強度、生活習慣要因とリスクファクター抽出、自律神経機能(ゆらぎ)、休養・休息と疲労レベル(身体的、精神的、神経的)、栄養素摂取状況と摂取・消費エネルギーの算出などをデータ収集・処理する。全被験者の安静心電図(心拍数、CV)、安静血圧(収縮期・拡張期)を計測した。運動終了直後、30秒間の心拍数回復から指数関数的減衰曲線関数式の時定数(T30)を求め、自律神経活動調節機能をその勾配から評価した。運動負荷方法は、自転車エルゴメーターを用いて、Borgの指数の10～12の最大下固定負荷を決定する。そして30分後に設定した6分間のペダリング負荷運動を実施し、その終了直後から5分間の回復心拍数を測定した。そして全員の安静時HR(beat/min)、安静収縮期(SBP)・安静拡張期血圧(DBP)(torr)、安静時のRRIの変動計数(CVRR)を計測した。さらに全員の指数関数的減衰曲線関数式のT30をコンピュータから求めた。それぞれのデータから、1万歩～2万歩の運動習慣群と非運動習慣群および疾患群について比較した。
②高齢者の下腿部位のサーモグラフィー
環境条件は、気温24℃±0.2℃、湿度50%±0.3%の環境を一定に保持した防音形人工環境室で実施した。また温度による影響を見るために1名の被験者で活動筋部位の皮膚温の変化が観察されるか否か調べた。すなわち、人工環境室の温度設定を18℃±0.2℃、湿度50%±0.3%の実験を行った。
被験者は短パンを着用、実験室に入り、両下肢を露出させ、40分間の安静を保持し、気温に充分慣れさせた。歩行はトレッドミルで1.5～1.6km/hで行わせた。測定および記録は、富士通社製医用サーモグラフィ装置(INFRAEYE1200A)を用いた。温度の測定部位は下腿前面、側面から捉えた前脛骨筋、および後面から捉えた腓腹筋領域を黒枠で囲んだ各々の部位(Figure1)の最高温度を計測した。この計測は、自動取り込みによる被写体の中心温度を求め、温度ステップ0.4から0.8℃で行った。フレーム加算回数は、32回で行った。下肢を前後左右にそれぞれ撮影を行い、一度データをフロッピーディスクに記録した。その後、日立社製ビデオプリンターによりサーモグラムをプリントアウトした。実験は1日一条件とし、2日以上の間隔で行った。
③三次元動作解析装置によるゲートボール・スパーク動作解析
アニマ社製のVideo Locus(DLT赤外線方式)を使用し、CCDカメラ4台を設置して、ゲートボール運動を撮影した。特にボールを打撃するスパーク動作に注目し、腰痛との関連を調べた。動作解析条件は解析時スプライン補間法、そしてフィルタリング処理5Hzとした。
④日常生活動作(ADL)のエネルギー的な分析と生活強度
ADL活動として(1)車椅子の駆動動作、(2)床ふき掃除作業、(3)子守り動作、(4)階段昇降運動、(5)介助保護動作、(6)洗体動作、(7)介回し歩行動作、(8)T字杭歩行動作(傾斜10%)をとり上げた。被験者は男性(平均身長179cm、平均体重72kg)4名を選び、メータマックスによって呼気ガスを採気し、分析した。測定した酸素摂取量および二酸化炭素排出量から呼吸商およびMETSを算出した。そして、作業時の呼吸商やエネルギー消費量、機械的仕事量をADLごとに算出して、仕事効率も算出した。
⑤重心動揺の測定
測定肢位は立位で、構え、歩幅、足の開きについて統一し、両足を接して直立することを基準とし、場合によっては30゜開足位、10cm開脚位等の条件で検査することもあるとし、記録時間は60秒間を基準とし、困難な例では30秒間または20秒間とした。それぞれ静的な測定と前後・左右方向への随意的な重心移動を検討した。算出される重心動揺は、重心動揺距離(軌跡長)、重心動揺面積、実効値、重心中心偏位、動揺速度、パワースペクトラムなどの多くのパラメータを算出した。
結果と考察
①自律神経活動調節機能の測定方法
運動負荷後の心拍応答を中心として、運動習慣の有無による副交感神経活動を考察した結果、運動習慣有の場合に心拍応答は敏速であることが証明された。
運動習慣のある人の生理的機能はそうでない人と比較して高いといわれている。そして各諸臓器機能の中で、心臓機能の適応は最も顕著に現われる。特に心臓の変時性予備力の切り換え機能を運動終了後の回復心拍数現象から検討した。
副交感神経活動の切り換え機能を評価するために、運動終了後30秒間の減衰心拍数(T30)を求めた。そのT30値は非運動習慣群(NSG)よりも運動習慣群(AHG)の方が顕著に小さい値であった。これは瞬時に心拍数の回復が加速されることを意味している。運動による交感神経活動は高位中枢指令、動脈圧受容器反射及び活動筋における機械的反射、さらには代謝的反射などによって亢進されるが、運動終了後ではそれらが消失すれば心拍数が迷走神経活動によって抑制される。この機構から運動終了後の急速な心拍数の減少が説明されている。すなわち中枢指令消失にともなって迷走神経の抑制が解放されて再活性を生じ、動脈圧受容器反射によって心拍数が抑制されたことになる。
静脈還流の急増に対する動脈圧受容器反射は心拍数を減少させるが、AHGのT30値に大きな影響を及ぼす要因がその動脈圧受容器反射に存在するものと思われる。事実、運動終了後の心拍数の抑制は瞬時に出現し、その後副交感神経活動の切り換えによって心拍数がさらに抑制されている。すなわち動脈圧受容器反射の感受性は副交感神経活動の切り換えスピードに相乗作用をもたらすものと考えられる。
以上のことを考慮すると、T30値は迷走神経活動の切り換えスピードに関連している可能性がある。安静時と一定負荷運動時における心臓拍動調節(HR)は交感神経活動と迷走神経活動のバランスの上に成り立っているが、安静から運動開始さらに運動停止から安静に変化するダイナミックな自律神経活動の調節には、AHGに巧妙な機構が獲得されている可能性がある。心臓拍動調節の優位性は、副交感神経活動の適度な増加と交感神経活動のわずかな減少によって促進されることを考えればAHG特有に獲得される機構と考えられる。以上の結果から運動は軽度であっても、長期間運動が習慣化されれば迷走神経活動が改善されることを示唆したデータが得られた。
②高齢者の下腿部位のサーモグラフィー
室温24℃条件下でトレッドミルにおけるウォーキングを1.5km/hで10分行わせて皮膚温度分布の変化を求めた。運動負荷前の安静時の大腿部位の前面において、安静時における左右脚の前脛骨筋領域の皮膚温度は、各々33.4℃であった。ウォーキング負荷後2分経過後に、左脚の前脛骨筋領域の温度は35.3℃となり、Control値よりも1.9℃の上昇を示した。右脚前脛骨筋は3分で35.0℃で1.6℃の温度上昇を示した。後面からみた安静時における左脚腓腹筋領域の皮膚温度は、外側で32.9℃、内側で32.8℃であった。右脚腓腹筋の外側および内側とも33.0℃であった。ウォーキング負荷後、5.30分で皮膚温度は、左脚腓腹筋の外側で34.1℃、内側で33.7℃、各々1.1℃と0.9℃の上昇を観察した。右脚腓腹筋の外側で33.7℃、内側で34.1℃を示し、各々0.7℃と1.1℃であった。
運動直後から腓腹筋内側、外側ともに温度上昇がみられ、最高温度を示したのは約9分であった。その後、約60～70分でもとの温度まで回復した。前脛骨筋でも同様に運動直後から温度が生じ、約9分でピークに至った。その後、約60～70分でもとの状態まで回復した。高齢者のトレッドミルでのウォーキング負荷で腓腹筋および前脛骨筋を覆っている皮膚領域に温度上昇が観察された。これは全被験者に観察された。最大温度上昇は2.0℃を示した。久保木らの報告においても、前脛骨筋と腓腹筋の筋放電は著しく、特に腓腹筋内側の放電は顕著であった。これに対して、腓腹筋外側の筋放電は、非常に弱く、ウォーキング時にはごくわずかの活動しかしていない。サーモグラフィの結果からも腓腹筋内側の皮膚温上昇は、筋活動部位の筋温を上昇させたものと思われる。
今回の実験結果から、ウォーキングあるいはジョギングでもサーモグラフィで活動部位を簡単に捉えることが出来た。さらに環境温度が多少変動しても皮膚温度分布状態から活動筋部位を捉えることが明らかになった。室温24℃条件下での皮膚温度の上昇は、全被験者の前脛骨筋ならびに腓腹筋内側領域に認められた。
室温24℃条件下での皮膚温度の上昇は、全被験者の前脛骨筋ならびに腓腹筋内側領域に認められた。
また、蟹江と谷田がサーモグラフィーを用いて高齢者の下肢領域のリハビリテーションに役立つことを報告している。このことから高齢者のウォーキングにおける活動領域についても明らかにしていく方針である。
③三次元動作解析装置によるゲートボール・スパーク動作解析
ゲートボールにおける腰痛は頻発する。またバスケットボール全日本ジュニアチームメンバーの引退の原因は腰が43%を占め、代表選手の81%に腰痛の既往がある(佐藤)。また、事務仕事・軽作業を仕事としている日本人の腰痛患者の20%はスポーツ活動に原因している(Matui)。スポーツ選手の腰部障害で最も頻度が高いのは椎間板ヘルニアで、その好発レベルはL4-5、L5-S1間である。高齢者のゲートボールにおいて腰痛の有病率は大変高く、腰をひねる(回旋)動作に原因する。スパーク動作が腰痛の発生の起因となることは間違いないだろう。腰椎への負荷は重量挙げ・ラグビーで長軸方向に、野球・バスケットボール・サッカーにおいて回旋方向に、体操・剣道・水泳において屈伸方向にかかるといわれている(中嶋)。スパーク動作の腰椎を伸展すると、椎弓圧迫と椎体前方に張力がかかり、さらに屈曲で椎骨の前方構成要素に圧迫後方に張力がかかり椎間板ヘルニアとなりやすい。ちなみに回旋では横突起骨折・関節突起骨折・腰部回旋筋損傷が起こりやすく、長軸方向圧迫では椎間板ヘルニアを引き起こしやすいだろう。重量を挙げる場合には腰椎前彎増強・腰仙部に異常緊張感を生じる事が多くなるようである。
④日常生活動作(ADL)のエネルギー的な分析と生活強度
呼吸商(RQ)は安静時および回復時はともに平均して0.95の値を示した。これはエネルギー酸性に主に糖質が用いられていることを表している。一方ADL作業時には平均して0.84という値に低下した。有酸素運動を続けると、そのエネルギー源として、脂肪が用いられるようになることは知られている。脂肪の呼吸商は0.707であることから、ADL作業時には糖質に加えて脂肪が利用されて呼吸商が低下したと考えられる。
次に、呼吸商の経時的変化について考察する。安静時においては若干の上昇・低下は見られるものの、ほぼ安定した値であった。ADL作業時におぴては、作業開始かた約1分20秒ほどの間に徐々に呼吸商が低下(酸素消費量増加)してきていることがわかる。作業開始時には糖質が主に利用され、作業を継続していくうちに徐々に有酸素エネルギーである脂肪が利用される割合が増加していったものと考えられる。作業終了後は、約1分ほどの間に徐々に呼吸商が上昇(酸素消費量減少)した。これはエネルギー酸性に脂肪が利用される割合が減少したためと考えられる。安静時および回復期の作業強度は(METs)はほぼ同値であったが、作業時の平均METSは2.81であった。他のADL作業での同程度のMETsとなるものを列挙すると、乗り物に立って乗る・調理・モップでの床拭き・楽器の演奏・ボーリング・盆栽の手入れなどがある。それほど強度な作業ではないが、移乗動作は1日に何度も行う作業であるから、実施回数によってはかなり疲労を伴うであろう。また日常生活動作の中では、3km/hrの歩行・8km/hrの自転車ペダリングも同程度のMETsであることが興味深い。疾患を抱えた患者や高齢者に歩行や自転車の動作時には同程度の生活強度を考える。車椅子とプラットホーム間の移乗動作時に、もっとも大きいMETsが測定された。上方や斜上方へ患者を誘導する作業なので、床に平行な移動よりも強度な運動であるからだろう。安静時の平均を安静時酸素摂取量としたが、1.0METsを3.5ml/kg/minとして計算すると、安静時は1.7METsとなり作業時のMETsはかなり大きな値となる。エネルギー効率は、歩行では30%、走行では23%、平泳ぎでは3%といわれている。今回の場合、移乗動作のエネルギー効率は1.3%であった。実際は重力方向、車椅子の利用などを考慮していないので単純にこの値を平均効率をして評価するのは難しい。しかし、ADLの移動動作は様々な動作が組み合わさっているものであるから、車椅子の移動時の姿勢や、立ち上がったり、起き上がったりする場合は、動作効率は悪くなる可能性は十分に残されている。
⑤重心動揺の平衡機能
(1) 健常者を対象とした立位・座位重心動揺
測定時間、歩幅、足位などの測定条件は異なるが、動揺距離と面積は年齢が高いほど増大の傾向を示し、ほぼ70歳代以降で顕著となる。また、開眼と閉眼の比較では、開眼に比べ閉眼で動揺距離と面積は増大する。それぞれの閉眼/開眼比の年齢による影響についても、その増大は70代以降で顕著であった。
立位での構えが重心動揺に及ぼす影響について、歩幅を広くすることで動揺面積は減少し、15cm開脚位が最も動揺が少なく、開足25゜で動揺距離、面積ともに小さい値をとった。
座位での健常者を対象とした動揺距離と面積については開眼、閉眼条件による差は立位に比べると少ない。足部の条件については、足底を床面に接地しない場合は、接地した場合に比べ動揺距離、面積ともに増大する。また、加齢により重心動揺は増大するが、その程度や影響は立位と異なっている可能性がある。
(2) 脳卒中後片麻痺
脳卒中後片麻痺患者の静的立位重心動揺では、同年齢の健常者との比較、麻痺側下肢運動機能、非麻痺側下肢筋力、歩行能力、歩行速度などとの関連性が検討された。その結果は、①同年齢の健常者に比べ片麻痺患者の動揺は有意に大きいこと、②麻痺側下肢運動機能とは概ね負の相関関係を認めること、③非麻痺側下肢筋力とは明らかな関連性は認められないこと、④杖歩行群と独歩群では独歩群の方が重心動揺は少ないこと、⑤歩行速度とは負の相関関係を認めることである。
静的立位重心動揺は麻痺側下肢膝伸展筋力と負の相関を認め、前後方向の随意的重心移動距離と負の相関を認めた。そして、最大歩行速度を従属変数とする重回帰分析を行った結果、最大歩行速度の決定因子は麻痺側下肢膝伸展筋力と前後方向の随意的重心移動距離であった。この結果より、片麻痺患者の歩行速度との関連では、静的立位重心動揺よりも動的な随意的重心移動の方がより臨床的に重要な因子であることが示唆された。特に片麻痺患者では、運動失調症などの姿勢保持の動揺が問題となるよりは、下肢・体幹の支持性や運動性が問題であり、重心を移動させることが困難なため、随意的な重心移動能力を評価・測定する指標が重要と考えられる。
運動負荷後の心拍応答を中心として、運動習慣の有無による副交感神経活動を考察した結果、運動習慣有の場合に心拍応答は敏速であることが証明された。
運動習慣のある人の生理的機能はそうでない人と比較して高いといわれている。そして各諸臓器機能の中で、心臓機能の適応は最も顕著に現われる。特に心臓の変時性予備力の切り換え機能を運動終了後の回復心拍数現象から検討した。
副交感神経活動の切り換え機能を評価するために、運動終了後30秒間の減衰心拍数(T30)を求めた。そのT30値は非運動習慣群(NSG)よりも運動習慣群(AHG)の方が顕著に小さい値であった。これは瞬時に心拍数の回復が加速されることを意味している。運動による交感神経活動は高位中枢指令、動脈圧受容器反射及び活動筋における機械的反射、さらには代謝的反射などによって亢進されるが、運動終了後ではそれらが消失すれば心拍数が迷走神経活動によって抑制される。この機構から運動終了後の急速な心拍数の減少が説明されている。すなわち中枢指令消失にともなって迷走神経の抑制が解放されて再活性を生じ、動脈圧受容器反射によって心拍数が抑制されたことになる。
静脈還流の急増に対する動脈圧受容器反射は心拍数を減少させるが、AHGのT30値に大きな影響を及ぼす要因がその動脈圧受容器反射に存在するものと思われる。事実、運動終了後の心拍数の抑制は瞬時に出現し、その後副交感神経活動の切り換えによって心拍数がさらに抑制されている。すなわち動脈圧受容器反射の感受性は副交感神経活動の切り換えスピードに相乗作用をもたらすものと考えられる。
以上のことを考慮すると、T30値は迷走神経活動の切り換えスピードに関連している可能性がある。安静時と一定負荷運動時における心臓拍動調節(HR)は交感神経活動と迷走神経活動のバランスの上に成り立っているが、安静から運動開始さらに運動停止から安静に変化するダイナミックな自律神経活動の調節には、AHGに巧妙な機構が獲得されている可能性がある。心臓拍動調節の優位性は、副交感神経活動の適度な増加と交感神経活動のわずかな減少によって促進されることを考えればAHG特有に獲得される機構と考えられる。以上の結果から運動は軽度であっても、長期間運動が習慣化されれば迷走神経活動が改善されることを示唆したデータが得られた。
②高齢者の下腿部位のサーモグラフィー
室温24℃条件下でトレッドミルにおけるウォーキングを1.5km/hで10分行わせて皮膚温度分布の変化を求めた。運動負荷前の安静時の大腿部位の前面において、安静時における左右脚の前脛骨筋領域の皮膚温度は、各々33.4℃であった。ウォーキング負荷後2分経過後に、左脚の前脛骨筋領域の温度は35.3℃となり、Control値よりも1.9℃の上昇を示した。右脚前脛骨筋は3分で35.0℃で1.6℃の温度上昇を示した。後面からみた安静時における左脚腓腹筋領域の皮膚温度は、外側で32.9℃、内側で32.8℃であった。右脚腓腹筋の外側および内側とも33.0℃であった。ウォーキング負荷後、5.30分で皮膚温度は、左脚腓腹筋の外側で34.1℃、内側で33.7℃、各々1.1℃と0.9℃の上昇を観察した。右脚腓腹筋の外側で33.7℃、内側で34.1℃を示し、各々0.7℃と1.1℃であった。
運動直後から腓腹筋内側、外側ともに温度上昇がみられ、最高温度を示したのは約9分であった。その後、約60～70分でもとの温度まで回復した。前脛骨筋でも同様に運動直後から温度が生じ、約9分でピークに至った。その後、約60～70分でもとの状態まで回復した。高齢者のトレッドミルでのウォーキング負荷で腓腹筋および前脛骨筋を覆っている皮膚領域に温度上昇が観察された。これは全被験者に観察された。最大温度上昇は2.0℃を示した。久保木らの報告においても、前脛骨筋と腓腹筋の筋放電は著しく、特に腓腹筋内側の放電は顕著であった。これに対して、腓腹筋外側の筋放電は、非常に弱く、ウォーキング時にはごくわずかの活動しかしていない。サーモグラフィの結果からも腓腹筋内側の皮膚温上昇は、筋活動部位の筋温を上昇させたものと思われる。
今回の実験結果から、ウォーキングあるいはジョギングでもサーモグラフィで活動部位を簡単に捉えることが出来た。さらに環境温度が多少変動しても皮膚温度分布状態から活動筋部位を捉えることが明らかになった。室温24℃条件下での皮膚温度の上昇は、全被験者の前脛骨筋ならびに腓腹筋内側領域に認められた。
室温24℃条件下での皮膚温度の上昇は、全被験者の前脛骨筋ならびに腓腹筋内側領域に認められた。
また、蟹江と谷田がサーモグラフィーを用いて高齢者の下肢領域のリハビリテーションに役立つことを報告している。このことから高齢者のウォーキングにおける活動領域についても明らかにしていく方針である。
③三次元動作解析装置によるゲートボール・スパーク動作解析
ゲートボールにおける腰痛は頻発する。またバスケットボール全日本ジュニアチームメンバーの引退の原因は腰が43%を占め、代表選手の81%に腰痛の既往がある(佐藤)。また、事務仕事・軽作業を仕事としている日本人の腰痛患者の20%はスポーツ活動に原因している(Matui)。スポーツ選手の腰部障害で最も頻度が高いのは椎間板ヘルニアで、その好発レベルはL4-5、L5-S1間である。高齢者のゲートボールにおいて腰痛の有病率は大変高く、腰をひねる(回旋)動作に原因する。スパーク動作が腰痛の発生の起因となることは間違いないだろう。腰椎への負荷は重量挙げ・ラグビーで長軸方向に、野球・バスケットボール・サッカーにおいて回旋方向に、体操・剣道・水泳において屈伸方向にかかるといわれている(中嶋)。スパーク動作の腰椎を伸展すると、椎弓圧迫と椎体前方に張力がかかり、さらに屈曲で椎骨の前方構成要素に圧迫後方に張力がかかり椎間板ヘルニアとなりやすい。ちなみに回旋では横突起骨折・関節突起骨折・腰部回旋筋損傷が起こりやすく、長軸方向圧迫では椎間板ヘルニアを引き起こしやすいだろう。重量を挙げる場合には腰椎前彎増強・腰仙部に異常緊張感を生じる事が多くなるようである。
④日常生活動作(ADL)のエネルギー的な分析と生活強度
呼吸商(RQ)は安静時および回復時はともに平均して0.95の値を示した。これはエネルギー酸性に主に糖質が用いられていることを表している。一方ADL作業時には平均して0.84という値に低下した。有酸素運動を続けると、そのエネルギー源として、脂肪が用いられるようになることは知られている。脂肪の呼吸商は0.707であることから、ADL作業時には糖質に加えて脂肪が利用されて呼吸商が低下したと考えられる。
次に、呼吸商の経時的変化について考察する。安静時においては若干の上昇・低下は見られるものの、ほぼ安定した値であった。ADL作業時におぴては、作業開始かた約1分20秒ほどの間に徐々に呼吸商が低下(酸素消費量増加)してきていることがわかる。作業開始時には糖質が主に利用され、作業を継続していくうちに徐々に有酸素エネルギーである脂肪が利用される割合が増加していったものと考えられる。作業終了後は、約1分ほどの間に徐々に呼吸商が上昇(酸素消費量減少)した。これはエネルギー酸性に脂肪が利用される割合が減少したためと考えられる。安静時および回復期の作業強度は(METs)はほぼ同値であったが、作業時の平均METSは2.81であった。他のADL作業での同程度のMETsとなるものを列挙すると、乗り物に立って乗る・調理・モップでの床拭き・楽器の演奏・ボーリング・盆栽の手入れなどがある。それほど強度な作業ではないが、移乗動作は1日に何度も行う作業であるから、実施回数によってはかなり疲労を伴うであろう。また日常生活動作の中では、3km/hrの歩行・8km/hrの自転車ペダリングも同程度のMETsであることが興味深い。疾患を抱えた患者や高齢者に歩行や自転車の動作時には同程度の生活強度を考える。車椅子とプラットホーム間の移乗動作時に、もっとも大きいMETsが測定された。上方や斜上方へ患者を誘導する作業なので、床に平行な移動よりも強度な運動であるからだろう。安静時の平均を安静時酸素摂取量としたが、1.0METsを3.5ml/kg/minとして計算すると、安静時は1.7METsとなり作業時のMETsはかなり大きな値となる。エネルギー効率は、歩行では30%、走行では23%、平泳ぎでは3%といわれている。今回の場合、移乗動作のエネルギー効率は1.3%であった。実際は重力方向、車椅子の利用などを考慮していないので単純にこの値を平均効率をして評価するのは難しい。しかし、ADLの移動動作は様々な動作が組み合わさっているものであるから、車椅子の移動時の姿勢や、立ち上がったり、起き上がったりする場合は、動作効率は悪くなる可能性は十分に残されている。
⑤重心動揺の平衡機能
(1) 健常者を対象とした立位・座位重心動揺
測定時間、歩幅、足位などの測定条件は異なるが、動揺距離と面積は年齢が高いほど増大の傾向を示し、ほぼ70歳代以降で顕著となる。また、開眼と閉眼の比較では、開眼に比べ閉眼で動揺距離と面積は増大する。それぞれの閉眼/開眼比の年齢による影響についても、その増大は70代以降で顕著であった。
立位での構えが重心動揺に及ぼす影響について、歩幅を広くすることで動揺面積は減少し、15cm開脚位が最も動揺が少なく、開足25゜で動揺距離、面積ともに小さい値をとった。
座位での健常者を対象とした動揺距離と面積については開眼、閉眼条件による差は立位に比べると少ない。足部の条件については、足底を床面に接地しない場合は、接地した場合に比べ動揺距離、面積ともに増大する。また、加齢により重心動揺は増大するが、その程度や影響は立位と異なっている可能性がある。
(2) 脳卒中後片麻痺
脳卒中後片麻痺患者の静的立位重心動揺では、同年齢の健常者との比較、麻痺側下肢運動機能、非麻痺側下肢筋力、歩行能力、歩行速度などとの関連性が検討された。その結果は、①同年齢の健常者に比べ片麻痺患者の動揺は有意に大きいこと、②麻痺側下肢運動機能とは概ね負の相関関係を認めること、③非麻痺側下肢筋力とは明らかな関連性は認められないこと、④杖歩行群と独歩群では独歩群の方が重心動揺は少ないこと、⑤歩行速度とは負の相関関係を認めることである。
静的立位重心動揺は麻痺側下肢膝伸展筋力と負の相関を認め、前後方向の随意的重心移動距離と負の相関を認めた。そして、最大歩行速度を従属変数とする重回帰分析を行った結果、最大歩行速度の決定因子は麻痺側下肢膝伸展筋力と前後方向の随意的重心移動距離であった。この結果より、片麻痺患者の歩行速度との関連では、静的立位重心動揺よりも動的な随意的重心移動の方がより臨床的に重要な因子であることが示唆された。特に片麻痺患者では、運動失調症などの姿勢保持の動揺が問題となるよりは、下肢・体幹の支持性や運動性が問題であり、重心を移動させることが困難なため、随意的な重心移動能力を評価・測定する指標が重要と考えられる。
結論
5種類の実験研究を行った結果、以下のことがまとめられる。
1)軽度の固定負荷ペダリング運動終了後には自律神経機能の切り換えがみられた。高齢者の運動習慣差によって自律神経機能の改善の可能性を知った。
運動終了後30秒間に生じる経時的心拍数の相対的変化をみると、その減衰勾配は運動習慣群の方が非運動習慣群よりも顕著に大きい値であった。さらに心拍減衰時定数(T30)は非運動習慣群の方が運動習慣のある人よりも有意に小さい値を示した。心拍減衰時定数(T30)を比較した結果、運動終了直後の自律神経の切り換わりスピードは運動習慣によって改善されることが明らかになった。換言すると心臓機能の制御には中枢系の複雑な機構が関与しているが、T30値は神経性の反射機構によって引き起こされる現象であることが示唆された。
2)運動による下肢部位の温度変化は統計的に有意に変化した。人工環境室で室温24℃、湿度50%において、ウォーキング(1.5km/hを10分)をトレッドミルで負荷させ、そして安静時および運動負荷後の下腿筋群領域の皮膚温度の変化について、8名の被験者で調べて以下の結果を得た。
①室温24℃条件下におけるウォーキング負荷後では全被験者の前脛骨筋ならびに腓腹筋領域の皮膚温度の上昇を認めることができた。
②ウォーキング負荷後の皮膚温度のピークに至る時間は5分以内であった。
③最大温度上昇は3℃で最も低いもので0.8℃であった。
以上のことから、下腿部位においても皮膚温度上昇から、サーモグラフィで皮膚表面下の筋活動領域を捉えることが可能となった。これは、健康増進のための運動効果や高齢者に対しての運動効果を視覚的に簡単に捉えることができ、利用価値もさらに高まるものと思われる。
3)ゲートボールのスパーク動作と腰痛との関連において、三次元動作分析することによって、腰痛症の発生原因を調べた。
スパーク動作を頻繁に行う高齢者において腰痛症の有病率は高い。この原因としては老化により腰椎保持筋の減弱・変形性脊椎症が発生する。Mellinの研究によると年齢は腰痛と有意な正の相関があり、腰椎の前後屈と側屈の可動域と年齢は有意な負の相関があり、回旋は女性のみ有意な負の相関、腰痛程度と可動域は男性において全ての方向で有意な負の相関があることが報告されており、加齢および腰椎可動域が腰痛と密接な関連があることが示唆されている。スパーク動作の方向の回旋動作とボールを打撃する衝撃(ショック)が腰椎に負担をかけたことが推定された。
4)日常生活動作(ADL)中のエネルギー消費量を算出することによって、生活強度や作業強度を見出した。以下の値が得られた。
強度(METs)脈拍数(拍)
車椅子の駆動動作 4.05 146
床ふき掃除作業 3.8 138
子守り動作 2.0 110
階段昇り運動 4.2 154
階段降り運動 3.0 130
介助保護動作 2.4 120
洗体動作 3.6 140
介回し歩行動作 4.0 144
T字杭歩行動作 2.6 118
5)健常者と脳卒中後片麻痺患者について立位と座位の重心動揺をプラットフォーム(フォースプレート)上で調べた。その結果、動揺面積は70歳代以降の高齢者において1900mm2(SD900)以上を示し、日頃積極的に運動習慣を心がけている高齢者は880mm2(SD78)以下に減少した。運動習慣の実施は下肢筋力の増強とともに生活意欲も高める効果となった。
他方、脳卒中患者は開眼で2804mm2(SD348)を示し、閉眼になるとほとんど計測不能となった。本患者の座位で開眼の場合は約半分の動揺面積を示した。患者の場合、薬物の効果とともに積極的な運動療法の必要性と転倒予防対策が急務と考えられた。
1)軽度の固定負荷ペダリング運動終了後には自律神経機能の切り換えがみられた。高齢者の運動習慣差によって自律神経機能の改善の可能性を知った。
運動終了後30秒間に生じる経時的心拍数の相対的変化をみると、その減衰勾配は運動習慣群の方が非運動習慣群よりも顕著に大きい値であった。さらに心拍減衰時定数(T30)は非運動習慣群の方が運動習慣のある人よりも有意に小さい値を示した。心拍減衰時定数(T30)を比較した結果、運動終了直後の自律神経の切り換わりスピードは運動習慣によって改善されることが明らかになった。換言すると心臓機能の制御には中枢系の複雑な機構が関与しているが、T30値は神経性の反射機構によって引き起こされる現象であることが示唆された。
2)運動による下肢部位の温度変化は統計的に有意に変化した。人工環境室で室温24℃、湿度50%において、ウォーキング(1.5km/hを10分)をトレッドミルで負荷させ、そして安静時および運動負荷後の下腿筋群領域の皮膚温度の変化について、8名の被験者で調べて以下の結果を得た。
①室温24℃条件下におけるウォーキング負荷後では全被験者の前脛骨筋ならびに腓腹筋領域の皮膚温度の上昇を認めることができた。
②ウォーキング負荷後の皮膚温度のピークに至る時間は5分以内であった。
③最大温度上昇は3℃で最も低いもので0.8℃であった。
以上のことから、下腿部位においても皮膚温度上昇から、サーモグラフィで皮膚表面下の筋活動領域を捉えることが可能となった。これは、健康増進のための運動効果や高齢者に対しての運動効果を視覚的に簡単に捉えることができ、利用価値もさらに高まるものと思われる。
3)ゲートボールのスパーク動作と腰痛との関連において、三次元動作分析することによって、腰痛症の発生原因を調べた。
スパーク動作を頻繁に行う高齢者において腰痛症の有病率は高い。この原因としては老化により腰椎保持筋の減弱・変形性脊椎症が発生する。Mellinの研究によると年齢は腰痛と有意な正の相関があり、腰椎の前後屈と側屈の可動域と年齢は有意な負の相関があり、回旋は女性のみ有意な負の相関、腰痛程度と可動域は男性において全ての方向で有意な負の相関があることが報告されており、加齢および腰椎可動域が腰痛と密接な関連があることが示唆されている。スパーク動作の方向の回旋動作とボールを打撃する衝撃(ショック)が腰椎に負担をかけたことが推定された。
4)日常生活動作(ADL)中のエネルギー消費量を算出することによって、生活強度や作業強度を見出した。以下の値が得られた。
強度(METs)脈拍数(拍)
車椅子の駆動動作 4.05 146
床ふき掃除作業 3.8 138
子守り動作 2.0 110
階段昇り運動 4.2 154
階段降り運動 3.0 130
介助保護動作 2.4 120
洗体動作 3.6 140
介回し歩行動作 4.0 144
T字杭歩行動作 2.6 118
5)健常者と脳卒中後片麻痺患者について立位と座位の重心動揺をプラットフォーム(フォースプレート)上で調べた。その結果、動揺面積は70歳代以降の高齢者において1900mm2(SD900)以上を示し、日頃積極的に運動習慣を心がけている高齢者は880mm2(SD78)以下に減少した。運動習慣の実施は下肢筋力の増強とともに生活意欲も高める効果となった。
他方、脳卒中患者は開眼で2804mm2(SD348)を示し、閉眼になるとほとんど計測不能となった。本患者の座位で開眼の場合は約半分の動揺面積を示した。患者の場合、薬物の効果とともに積極的な運動療法の必要性と転倒予防対策が急務と考えられた。
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