運動学と関節バイオメカニクス

運動学は、身体セグメントと関節がどのように動くか（位置、変位、速度、回転軸）を記述する一方、関節バイオメカニクスは、その運動を生み出し抵抗する力とモーメントを分析します。これらを合わせることで、筋骨格系がどのように筋力を制御された荷重支持運動に変換するかを定量化します。

Definition

運動学は、関連する力に言及することなく、セグメントと関節の変位、速度、加速度といった運動の記述です。関節バイオメカニクスはこれを動力学に拡張し、関節運動を生み出し抵抗する力、モーメント、および筋肉の作用を分析します。

Scope

このトピックは、関節運動の記述（自由度、平面と軸、可動域）、関節の力とモーメントの分析（動力学）、および筋肉、腱、関節の形状がどのように組み合わさって運動を生成するかを扱います。これには、直接測定できない量を推定するために使用される計算モデリングも含まれます。これは方法論的および分析的な参照であり、臨床的なガイダンスではありません。

Core questions

• 自由度、平面、軸の観点から、関節およびセグメントの運動はどのように記述されますか？
• 運動と外部負荷から関節の力とモーメントはどのように推測されますか？
• 筋肉の力、モーメントアーム、関節の形状はどのように組み合わさって運動を生み出しますか？
• 計算筋骨格モデルは内部力学を推定するためにどのように使用されますか？

Key concepts

• 自由度と関節軸
• 運動平面と可動域
• モーメントアームと関節トルク
• 運動学と動力学
• 逆動力学と順動力学
• 筋骨格モデリングとシミュレーション

Key theories

Hill型筋腱モデリング

バイオメカニクス分析における筋肉の力生成は、一般的にHill型モデルによって表されます。このモデルでは、力-長さおよび力-速度特性を持つ収縮要素が弾性腱と直列に作用し、筋肉がどのように関節運動を駆動するかをシミュレーションできます。

逆動力学と順動力学

関節動力学は、観測された運動を生み出すために必要な正味の関節モーメントを計算する逆動力学、または仮定された筋肉の力から運動を予測する順動力学のいずれかによって分析され、運動とその原因となる力の間の補完的な経路を提供します。

Mechanisms

関節運動は、関節が動くことができる独立した方法の数（自由度）と、関節が回転する平面と軸によって記述され、可動域は関節の形状と軟部組織の制約によって制限されます。運動を駆動する力は筋肉から生じ、関節に対するその影響は、筋肉が生み出す力とモーメントアーム（作用線から関節軸までの垂直距離）に依存します。したがって、関節トルクは、筋肉の力とモーメントアームをすべての筋肉について合計した積となります。生体内で内部の筋肉力や関節接触力を直接測定することはできないため、バイオメカニクス研究者は、測定された運動と外力から正味の関節モーメントを計算するために逆動力学を使用し、シミュレーションを通じて個々の筋肉の寄与を推定するためにHill型アクチュエータを備えた筋骨格モデルを使用します。

Clinical relevance

運動学的および動力学的分析は、正常および変化した関節機能の整形外科的理解、再建術の根拠、および損傷または手術後の運動評価の基礎となります。このトピックは、運動と関節荷重がどのように測定およびモデル化されるかを記述するものであり、個人の治療やリハビリテーションを処方するための根拠ではありません。

Evidence & guidelines

関節の運動学およびバイオメカニクス分析は、力学に基づいており、実験的および計算的研究を通じて検証されています。標準的な方法は、臨床ガイドラインではなく、バイオメカニクスに関する教科書や広く使用されているオープンソースのモデリングフレームワークに統合されています。

History

ヒトの運動の定量的研究は、初期のモーション写真と剛体力学の骨格への応用から発展しました。20世紀後半を通じて、計測された歩行分析と逆動力学の手法が成熟し、21世紀にはオープンソースの筋骨格モデリングおよびシミュレーションプラットフォームによって、内部の関節および筋肉の力学の詳細な推定が広く利用可能になりました。

Key figures

• Scott Delp
• Marcus Pandy

Seminal works

• delp-2007
• pandy-2001

Frequently asked questions

運動学と動力学の違いは何ですか？

運動学は、その原因に言及することなく、位置、角度、速度といった運動そのものを記述する一方、動力学はその運動を生み出し抵抗する力とモーメントを分析します。

関節バイオメカニクスで計算モデルが使用されるのはなぜですか？

生きた人間では内部の筋肉力や関節接触力を直接測定できないため、筋骨格モデルとシミュレーションは、測定可能な運動と外部負荷からこれらの量を推定します。