続き「足とは人間工学の最高傑作」byレオナルド•ダ•ヴィンチ

今回は「足とは人間工学の最高傑作」byレオナルド•ダ•ヴィンチの続きになります。

上記をそれぞれ深堀していきたいと思います。

強力なテコとしての機能について

足部は歩行において立脚後期からウィンドラス機構でMP関節を支点に強力なテコを形成し、地面をけり上げ推進力を得ています。

 

 

これはMP関節が背屈
することで足底腱膜が巻き上げられ縦アーチが挙上するウィンドラス機構を指しています。

足趾の背屈運動により伸張された足底腱膜は次第に緊張度を増し、足部全体の剛性を高め、力の伝達を有利にしています。

足底腱膜は結合組織であるため、柔軟性に個体差が大きく、先天的に結合組織の柔軟性が高い人はトラス機構やウィンドラス機構に機能不全をきたす可能性があると言われています。

 

 

また、足部全体の剛性を高めるために必要となるのが後足部の適切な肢位で、立脚後期で後足部は回外位にある必要があります。

（距骨下関節とショパール関節の関係性については後述）立脚中期から回内位が続く足部では、動的機能として筋機能を動員するため、過剰な筋機能の作用は筋そのものへのダメージをきたし、アキレス腱をはじめとする足部周囲の障害の要因となり得ます。

 

以上から効率的にテコの作用を生かすには

 

巧みな形態変化

足部は唯一地面に接地する部位として、固定性と可動性 が 要求される特殊な部位です。 時に柔軟に時に強固にその形態を変え身体の土台として役割を果たしています。

人間は無意識のうちに状況に応じて 足部の形態を変化させて直立二足歩行を実現しています。 これは二足歩行を生成するため適応的に進化してきた 結果 と考えられています。

人間の足部の骨格は26の骨と33の関節からなり、生体力学的に極めて優れた構造をしています。 可動の範囲は 他関節に比べ大きいものではありませんが、自由度が高い部位であるという事はご存知の通りです。

前回コラムで紹介した様に歩行立脚相での後足部回内外の切り替えが【 足部の巧みな形態変化 】の代表的な例で距骨下関節の回外は足部の剛性を高め、固定性を有利にし、回内は可動性を有利にします。フェーズに応じた形態変化が効率的な歩行を実現させているのです。

また岩場などの不整地で立位姿勢を保持するとき、地面との接触点を増やすために足部形状を変化させ、姿勢をコントロールしています。

床面の状況に左右されるばかりではなく、足部が床面に固定された状況では、下肢を最大外旋させたとき下降性の運動連鎖で後足部は回外位となりますが、中足部より遠位は不随意的な回内で、足部と床面との接地を維持するように作用します。

しかし、見落としていけないのは【巧みな足部形態の変化】が臨床上、時に問題を複雑化 させている事です。

冒頭で記したように進化の過程で人間は現在の足部形態を獲得しました。

結果、直立二足歩行は足部に複雑な機能を要求し、足部形態が特殊な構造をしているがために常に破綻の危険と隣り合わせにいることを忘れてはなりません。

例えば、内反型膝OAの症例の場合、膝内反による膝関節の外方偏移、脛骨の外方傾斜は通常であれば、足部は回外、荷重点は小趾側に位置していることが一般的ですが、内反型膝 OA 症例の場合代償的に足部を回内させ、荷重点を母趾側に位置させていることが珍しくありません。

足部に限ったことではありませんが、複雑な構造 と高い自由度は時に問題を複雑化させることがあるのです。

Ankle strategy

人間のバランス制御に深く関わるのはhip strategyとankle strategyです。

ここで言うバランスとは、姿勢保持や動作時の安定性・不安定性を示すものです。

神経学的な機序については割愛します。
Ankle strategyは身体重心が支持基底面中央付近に位置するときに活発に作用し、姿勢の安定化に際し先行して作用するのが普通で、hip strategyに比べ動きが小刻みであることが特徴です。

立って電車に乗るときに、小さな揺れ（外乱）に対してバランスをコントロールできるのはankle strategyによるところです。

大きな揺れに対してはhip strategyやステップ反応でバランスを保持しています。

とりわけAnkle strategyでは身体を１つの塊として足部から全身をコントロールしようとするため、多くの筋による固定作用が必要で、頭部の運動をみれば明らかであるように上半身の運動量が少なくなります。

多くの先行研究で高齢者ではankle strategyが出現しにくく、hip strategyにバランス戦略を依存することが報告されています。

主に筋力や姿勢の影響と考えられていますが、私は評価をする上で足趾の機能や変形にも着目しています。

 

高齢者の足部に多い特徴としてハンマートゥやクロウトゥなどの足趾の変形があります。

これらの変形は履物の影響もありますが、足部の内在筋と外在筋のバランスが崩れてしまった結果として考えられます。

加齢により、足部内在筋が委縮することで外在筋優位の筋活動となり筋の走行上、外在筋優位は距腿関節や距骨下関節の自由度を低下させる原因になり得ます。

ハンマートゥの様にMP関節よりも遠位で屈曲運動が生じている場合、外在筋優位となるため足部を柔軟に使う事が出来なくなってしまいます。

足部の自由度の低下は姿勢制御をhip strategyに依存し、ankle strategyの活性化が不利となり易転倒傾向を助長します。（身体の力学的な平衡を考慮すると、円背姿勢がある場合、ankle strategyは作用しにくくなるため、円背姿勢の高齢者が易転倒傾向にあるのは若年者に比べ、転倒に対する運動戦略のバリエーションの少なさがもたらすものとも考えられます。）

高齢者に限ったことではなく、若年者やアスリートでも足趾の変形を有している方は少なくありません。

Ankle strategyがうまく機能しなければ代償戦略で動作を遂行し障害のリスクを高めてしまいます。

バランス練習や、若年者の障害予防の観点で介入する際には足趾の機能低下や変形を見落としてはなりません。

足趾への介入を並行しつつ、Ankle strategyを足圧中心制御と言うように足部の回内外、底背屈の可動性が得られた上で、足圧中心を足底内で自在に操る能力と筋活動に考慮した足部へのアプローチが重要だと考えています。

 

身体に加わる衝撃の吸収機構

身体の土台として位置する足部には動作の度に様々な衝撃が加わります。

歩行は、下肢への荷重と非荷重を繰り返す動作であり、両下肢間での荷重の受け継ぎは重要な課題の1つです。

荷重の受け継ぎに於いて不可欠になるのは【衝撃の吸収機能】であり、中でももっとも衝撃を受ける部位は踵であると多数の文献で報告がされています。

 

足部衝撃吸収機能の構造的な特徴

足部皮下組織は、たわみ・流動・滑走して、衝撃を吸収し、踵骨は、内側突起が骨支持点となることで、内外側方向に傾きやすい形態をしており、距骨下関節は、踵骨の動きに連動して、回内・回外方向へと可動します。

足底・足部・足関節の形態は、荷重時の衝撃の吸収や骨の動きに瞬時に応答する機能を有しているのです。

 

トラスメカニズム

建築学でもよく使われている三角構造の事で、三角形構造は非常に強固で足アーチでは特に特異な三角形を構成しています。

足アーチの 2つの上辺が骨性構造で伸縮できない構造であるのに対し、底辺が腱あるいは腱膜といった伸縮性に富む軟部組織であることから、体重が加わると三角形の頂点が下降し、底辺の足底腱膜が伸張することで、しなやかに衝撃を緩衝するとされています。

 

いわゆる扁平足では足底のアーチが下降し、足底腱膜が伸張位である事からトラスメカニズムでの衝撃吸収作用は低下します。

代償的に距骨下関節での過回内運動と下腿の内旋運動などによって衝撃を吸収しようとします。

そのため、下腿の筋疲労を生じ易い状況が想定され、剛性の低下した足部の動揺を制動する筋にも過負荷を強いるため、隣接関節へのメカニカルストレスをかけ、後脛骨筋障害などの原因となりやすいのが特徴です。

凹足（ハイアーチ）では扁平足とは対称的にアーチが高く、一見機能的ですが足部の剛性が高く足底腱膜の緊張も高いため、三角構造の底辺の伸張性が不十分になりやすく衝撃吸収力は低下し、足底筋膜炎を生じ易いと考えられています。

 

 

これらの問題に対し、関節可動域制限、筋力低下、神経系の入力・出力異常などのアプローチに目が向けられがちですが、踵部皮下組織の形態的な応答不全に対する考慮も機能的な荷重-衝撃吸収を行うためには必要な要素です。

しかし身体的な形態・構造に対する介入は難しく、インソールやサポーターなどの補助具の使用を積極的に行うべきです。

 

距腿関節

距腿関節は脛骨側が凹、距骨側が凸のらせん関節であり、腓骨外果と脛骨内果が距骨滑車を挟み込むことで成り立っています。

ほぞ穴状になっているため、構造上の骨性安定性が高いのが特徴です。

小さな関節面で大きな荷重を受けているため、重心の偏移に伴って容易に足関節へ過剰なトルクを生じやすいと考えられます。

 

 

主に足部の底背屈を担う関節ですが、距骨の複雑な構造によりその動きは多様です。

距骨滑車は前縁が厚いため、背屈時には遠位脛腓骨間を開大させ、距骨がはまり込む格好になるため足関節は安定します。一方で底屈時には関節に遊びをもたらします。

脛腓間の開大が要求されるため、腓骨の可動性も距腿関節の可動域に影響します。

付随する筋肉や靭帯の緊張も動きを制動するわけですが、捻挫などにより各靭帯が損傷すると関節包内では異常な運動が出現し関節運動軸の偏移に伴い関節可動域制限や局所的にかかるメカニカルストレスの増大することが予想されます。

 

単関節筋による作用は少なく、荷重関節で唯一90°に屈折し、ほとんどの筋は複雑な支帯や腱鞘を通り距腿関節を跨いで走行しているため炎症や浮腫による滑走障害を生じやすく、前述した関節可動域制限や局所的にかかるメカニカルストレスの増大の影響を受けやすいため、注意が必要です。

 

距骨下関節

距骨下関節は複数の関節面を有す回旋軸を中心とした平面関節であり、荷重下では回旋軸運動以外での可動性が少ないのが特徴です。

距腿関節と距骨下関節は靱帯を共用しており複合体として機能していて、 回旋運動以外の動きを伴う際にはその安定性は靱帯に依存しています。

距骨下関節は、機能的に足部と下腿の連結部であり、この動きを理解することは下肢の運動連鎖を理解するうえでも重要な要素です。

踵骨が内外側方向に傾斜する動きと、距骨と下腿が回旋・内外側方向へ傾斜する動きが生じます。

踵骨の外反に伴い距骨が内下方へ、内反に伴い外上方へ動く訳ですが、この運動は，距骨下関節の回内が下腿の内旋、回外が下腿の外旋を表す動きともいえ、距腿関節と距骨下関節が常に連動して動く二重関節機構を有している事が言えます。

 

 

更に距骨下関節の肢位によってショパール関節を構成する関節面の位置関係も変化し、関節面軸の変化はショパール関節の可動性と固定性に影響を与えます。

 

 

歩行に絡めて考えると、立脚終期で距骨下関節は回外します。

これは足部の剛性を高め前足部で地面を蹴る準備を、一方で立脚の初期では足部は回内します。

これは足部を柔軟に変化させ、衝撃吸収と荷重応答の準備を行うために不可欠な機能です。

可動範囲は小さな関節ですが、足部から上行性運動連鎖の起点関節として、更には足部機能の良し悪しを左右する距骨下関節は非常に重要な役割を担っています。

ショパール関節

ショパール関節は「横足根関節」とも呼ばれ、「距舟関節」と「踵立方関節」から構成され、長軸と斜軸の二種類の運動軸を有しています。

二軸を有することで、3平面での運動を可能にしています。

距骨下関節の肢位に影響を受け、足部の柔軟性や剛性に関与します。

これは、距舟関節軸と踵立方関節軸の位置関係によって変化します。

距骨下関節回外位では、それぞれの関節軸は交差した位置関係になるため足部の剛性は高まります。

反対に、距骨下関節回内位では、それぞれの関節軸は平行な位置関係になるため足部の柔軟性は高まります。

距骨下関節とショパール関節はセットで機能し、足部の剛性と柔軟性のコントロールを担っている。
以上がショパール関節の基礎知識でした。

 

動作の中でショパール関節が担う、重要な機能は【内側縦アーチの適度な下降の補助】です。

正常な荷重位での足関節背屈動作（下腿前傾）には適度な内側縦アーチの下降が必須であり、アーチの下降が制限されることで衝撃吸収作用が機能せず、足部周囲へのストレスを増大させる原因となり得ます。

荷重時の背屈運動と内側縦アーチの下降は通常、距骨下関節は回内位にありますが、回内が制限された状態では、足部の回内（外がえし）は主にショパール関節回内の過可動による代償に依存する事になります。

 

足関節背屈可動性が少ない症例では歩行時に足部を外転させ背屈可動域を確保する代償に臨床の現場でよく遭遇しますが、これらは立脚中期にかけて、過度にショパール関節を回内させるため、静的な支持機構である底側踵舟靭帯（バネ靭帯）に過度な伸張ストレスを加えます。

距骨の可動性をショパール関節で補う事になり、これは内側縦アーチの扁平化を助長させる一因となる事が多く、様々な足のトラブルを引き起こします。

距骨下関節とショパール関節はセットで機能するため相互作用を考慮した介入が必要です。

 

リスフラン関節　（足根中足関節）

リスフラン関節は足根中足関節とも呼ばれ、3つの楔状骨と立方骨、5つの中足骨により構成されます。

内側楔状骨と第1中足骨によって構成される第1足根中足関節には他の部位とは独立した関節包があります。

それぞれ背側、骨間、底側から延びる強固な靭帯によって固定されており、元々可動性が少ない関節ですが、中でも第１中足足根関節では比較的可動性が大きく、第2中足骨関節は、周囲を他の骨によって囲まれているため、足根中足関節の中で最も可動性が小さくなっています。

 

 

足根中足関節の安定性は、横アーチの保持に貢献しており、前足部の機能に重要な役割を担っています。

動作においては、歩行立脚後期での足底外側荷重から内側荷重への転換や、母趾球から母趾頭への安定性に関与し、スポーツ動作におけるカッティングや地面の蹴りだしに非常に重要な部位です。

リスフラン関節は後足部と中足部のバランサーとして作用する事が主な役割です。

例えば、足底が床面に固定された状態で、後足部が過回外すると、中足部のショパール関節は追随するように、回外方向へ作用します。このままでは前足部が床面から浮いてしまいますので足底部が地面との接触を維持するためにリスフラン関節は回内方向（主に第1中足骨背屈・内転・内旋）に作用します。逆に後足部が過回内位の場合は逆にリスフラン関節は回外方向に作用し、バランスを取っています。

 

このようにリスフラン関節は後足部のマルアライメントを代償する事で回旋ストレスを受け、後足部の機能不全から横アーチの低下や足指機能不全に陥るケースが多く前足部に不安定性がある状態での反復ストレスやカッティングがリスフラン靭帯損傷を引き起こす主な原因です。

 

リスフラン靭帯損傷が疑われるケースでは後足部からの異常が障害の原因になっていることが多いため、局所だけではなく、足部全体の治療マネジメントが必要であると考えています。

足趾と内在筋について

足趾はリスフラン関節、中足趾節関節（MTP）、趾節間関節（IP＝近位PIP、遠位DIP）によって構成されています。

MTP関節の動的安定性は足部内在筋によって、IP関節の動的安定性は長趾伸筋や長趾屈筋によって担保されています。

足趾は偏移した重心を支持、および中心に押し戻す機能を持ち、姿勢保持や動作時の安定性と運動性の確保に重要な役割を担っています。

足趾の機能は軽視されがちですが、特に足趾把持機能は足部内在筋との関わりが強く個人的に注意をして評価している部位です。

足趾機能の向上は足趾把持により、転倒予防や動的バランス能力と正の相関がある事は周知されていますが、村上らは歩行時、内在筋は立脚期全般に活動していることから、床面を蹴り出す直接的駆動力としては機能せず、内在筋は足部縦アーチを支持することで足部にかかる圧を吸収し、床面に対して足部を安定化させる働きがあることが考えられると報告しています。

またAngin らによると扁平足症例は正常な足部アライメントを呈する者に比べ、足部内在筋の筋横断面積が減少しており、一方で足部外在筋の筋横断面積は増加していることを報告しています。

さらに扁平足症例の歩行立脚期において後脛骨筋の筋活動の増加や足関節内部底屈および回外モーメントの増加も報告されており、岡村らは扁平足症例では荷重動作中、後脛骨筋などの足関節内返し作用を持つ足部外在筋が代償的に筋活動を増加させ内在筋の機能不全が外在筋の過活動を誘発し、シンスプリントなどの過用症候群の一因になりうると考察しています。

 

足趾機能・内在筋が活きる条件として、適度なアーチ構造の保持が重要になりますが、特に横アーチが足趾機能良し悪しを決定づけるポイントとして重要です。

横アーチの機能低下を引き起こす原因として、ウィンドラス機構の破綻や外側アーチの過剰な低下、横アーチを構成する靭帯構造の破綻と筋の機能低下など多面に及びます。

これまでのコラムで足部関節は単一の部位として機能するのではなく隣接する関節の影響を受け、互いに協調を取りながら機能している事を紹介してきました。

外反母趾などに代表される変形や痛みを伴う足趾機能不全についてはもちろんですが、浮趾などの無症候性の物も例外ではなく局所だけではない、広い視点をもった治療マネジメントが必要だと考えています。

足趾・内在筋が機能する事で（ここでは特にMPT関節での足指屈曲）良姿勢保持、歩行効率の改善、高齢者における転倒予防、スポーツ時のパフォーマンスアップ・障害予防、浮腫みなどの改善による痩身効果や巻き爪トラブルの改善などそのメリットは多岐にわたり、健康寿命の延伸や小児期の足育、アスリートのコンディショニングの一環として、足趾・内在筋機能の向上は重要な意味があると考えています。

参考文献