身体のケア

バイオメカニクスの本質〜怪我を減らすことはできるのか?〜

バイオメカニクスは身体の仕組みを捉える学問であり、それを学ぶことがパフォーマンスアップや怪我予防につながると言われています。

その一方でバイオメカニクスを学んでも治療効果はあがらない、机上の空論などと言われることもあるかと思います。

バイオメカニクスで怪我を減らすことはできるのか?バイオメカニクスの本質に迫って解説していこうと思います。

バイオメカニクス

 

バイオメカニクスで怪我は防げない?

私自身が足の怪我に10年近く悩まされ続けてきたのですが、それを解決するきっかけのひとつがバイオメカニクスでした。

バイオメカニクスを学ぶことでスポーツの動きや骨格筋の仕組みをより詳しく知ることができ、これが怪我を防ぐのに役に立つのではないか?

そんな背景からイリノイ州立大学の大学院でバイオメカニクスを学び始めました。

大学院初日に「バイオメカニクスを学んで怪我を減らしていきたい!」と意気揚々と教授に話したところ、

「それは無理だ!」と言われてしまいました。

その教授は前十字靭帯損傷と野球の投球動作について20年近く研究をしていて、その膨大な知識と経験からバイオメカニクスの良いところと同時に限界をも悟っているようでした。

 

私はバイオメカニクスに関して多くを学び、どうしたら怪我を減らすことができるのか?を考え続けてきました。

たくさんの論文を読み、実際に怪我に困っている人に指導し続け、怪我を減らすための研究に取り組んできた中で、

なぜ怪我を減らすことには限界があるのか?

バイオメカニクスの本質とともに、怪我を減らすための解決策を併せてご紹介していきたいと思います。

 

客観的に検証するには

バイオメカニクスの原理原則について語る前にとても大事なことがあります。

まずは基本的な科学的根拠の証明力を理解しておくことが物事の本質を見極めるのに役に立ちます。

Evidence Based Medicine

釈迦に説法かもしれませんが、一般的に科学的根拠は次のようなものがあります。

  • 専門家の意見
  • 原理原則や計算式
  • 相関関係と因果関係
  • 怪我の発生率と予防策
  • 実際に試して得られた結果

基本的には下にいくほど証明力が強くなります。

専門家の意見というのは最も証明力が弱く、実際に怪我を減らすことができたというような研究結果などのほうが証明力が強くなっていきます。

ここでバイオメカニクスの研究というのは「原理原則や計算式」に従った推定値であることが多く、実際に怪我を予防できたのか?というな多角的な結果を検証しなければ、強い証明力は得られにくいです。

これがバイオメカニクスは机上の空論である、なんて言われてしまうひとつの理由かもしれません。

 

専門家の意見は?

ここからバイオメカニクスについて説明していきたいと思いますが、あらゆるスポーツに出てくることが多いランニング動作を例にして説明していきたいと思います。

ランニング

オリンピックでメダルを獲ったことがある人の発言などはとても気になります。

しかし、別のメダリストは正反対のことを言っていることが珍しくありません。

専門家の意見はとても貴重なものですが、専門家の意見だけでは迷ってしまうことが珍しくありません。

 

いくつか例をあげるとするならば次のようなものでしょうか。

  • ランニングシューズが大事
  • 足首のプロネーションは怪我につながりやすい
  • 膝が内側に流れてしまうのはよくない
  • フォアフット走法などと呼ばれるつま先から着地する走り方がいい

例を挙げればキリがありません。

 

なぜ専門家の意見の証明力が弱いのか、それにはいくつかの理由があるかと思います。

• 人によって考え方が違うし、質のばらつきが激しい
• 正しい情報であったとしてもメディアでは情報が切り取られて十分な説明ができない
• ビジネス目的での広告宣伝も多い

専門家の意見が全く役に立たないというわけではなく、あくまで客観的な証明力が弱いという意味です。

なんでも解決してくれる凄腕の専門家に出会うことができるのが理想ですが、そうはいかないことも多いのが現実なので・・・

こういう位置付けになっているのではないかと思います。

 

バイオメカニクスの概念について

バイオメカニクスの原理原則について説明していこうと思うのですが、「計算式が苦手だ」というような意見も多くあることから要点を絞って説明していきたいと思います。

 

バイオメカニクスの原理原則や計算式

たくさんの計算式がありますが、計算式を覚えるというよりもなぜそうなるのか?という概念的な理解が大事だったりします。

  • 力=質量 X 加速度
  • トルク= 力 X モーメントアーム
  • 床反力(Ground Reaction Force)
  • 質量中心(Center of Mass)

というのも、実際の計算過程は複雑でハイテク機器での計測やプログラミングなどによって計算していくからです。

このため実際の事例をもとに概念的に理解していったほうがいいかもしれません。

 

 

ランニング時の膝の外反のケース

ランニング動作での膝の外反を例に考えてみましょう。

膝の内反及び外反

 

バイオメカニクスの原理原則がありますが、膝の位置によって大きく影響するのはモーメントアームと呼ばれるものです。(他の条件は同一だと仮定する)

膝の位置が通常よりもズレてしまう(モーメントアームが大きくなる)ことは、テコの原理の働きに影響を与えて膝の負荷が大きくなることが考えられます。

スクワットのモーメントアーム

参照https://fitness.stackexchange.com/questions/11501/squat-form-hips-and-ankles

スクワットで膝を前に出すと膝が痛くなりやすい、というのも同じ例ですね。膝の距離がテコの原理に影響を与えているわけです。

スクワットで膝を前に出すと痛みが出るメカニズム

 

 

相関関係と因果関係の落とし穴

バイオメカニクスの原理原則や計算式に加えて、実際のランナーのデータをみてみましょう。

 

マラソンランナーの腸脛靭帯炎のケース

マラソンランナーの悩みのタネのひとつである腸脛靭帯炎を例に挙げましょう。

  • 腸脛靭帯炎を発症したランナーは膝の外反が大きい傾向にあり、腸脛靭帯により大きな負荷がかかっているという研究結果が報告されています
  • 腸脛靭帯炎を発症したランナーの腸脛靭帯はより硬くなっている傾向にあります。

腸脛靭帯炎

参照https://www.braceability.com/blogs/info/it-band-syndrome

 

このような結果から腸脛靭帯炎のケースでは、膝の外反を減らす、腸脛靭帯をほぐすといった対応が取られるかもしれません。

フォームローラーによる筋膜リリース

が、ここには相関関係と因果関係という落とし穴が隠されていることがあります。

 

負荷を高めるものなのか?身体を守るための反応なのか?

怪我を改善していくためには異常なものを正常へと変えていくという発想があるかと思いますが、異常なものを全て無くしていけばいいとは限りません。

なぜなら、その一見すると異常なものが実は身体を守るための反応だったりするからです。

ゆえに怪我をしているランナーの特徴という相関関係だけではなくて、身体にいい影響を与えるものなのか、悪い影響を与えるものなのかという因果関係を見極めることが大切になってきます。

  • 膝の外反があることで腸脛靭帯がより引き延ばされて負荷が高くなる
  • 腸脛靭帯には膝を安定させる役割があり、腸脛靭帯が硬くなることは膝が内側に流れてしまうことを防ぐ効果がある

ということで、膝の外反を減らすことは腸脛靭帯に良い影響を与えるかもしれませんが、腸脛靭帯の周辺をほぐしすぎることは膝に思わぬ悪影響を与えかねません。

腸脛靭帯が硬くなってしまうメカニズム

 

 

怪我の発生率と予防策の効果は?

因果関係を調べることは重要なのですが、怪我の発生率や予防策の効果といった研究もみていくことが重要です。

ひとつの科学的根拠だけではなく、できるだけ多角的にみていくことで証明力が高まっていきます。

 

ランニングフォームが怪我につながる事例は少ない?

ある研究で300名のマラソンランナーのランニング動作を解析して、その後2年間の怪我の発生状況を追跡調査したものがあります

  • 怪我をしたランナーとそうでないランナーとの間で膝の外反に大きな違いはなかった。
  • 足首のプロネーションやフォアフット着地なども怪我の発生率に大きな違いはなかった。
  • 怪我のリスクに強く関係していたのは膝の剛性(衝撃吸収)だった。関節を固めることが怪我のリスクとなっている?

意外にもランニングフォームが怪我のリスクを高めるという事例はそんなに多くはないというのが統計上の結果のようです。

このことから多少の膝の外反によって高い負荷がかかっているからといって、それが直ちに怪我に繋がるわけではありません。

 

負荷の高さと怪我の発生率

負荷が高いことと怪我のリスクは似ているようで違うものです。

例えば、50kgのバーベルでスクワットをやるよりも100kgのバーベルでスクワットをやるほうが身体への負荷は高いですが、100kgのバーベルでのスクワットが必ずしも怪我につながるわけではありません。

バックスクワット、フロントスクワットなど様々な種類のスクワットがありますが、それぞれの種目で身体への負荷は微妙に変わってきます。フロントスクワットのほうが少しばかり膝への負担が高いかもしれませんが、これがすぐに怪我につながるか?と言われるとそうではないと思います。

怪我をするかどうかというのはトレーニングの組み立て方、休養、身体の状態など様々な要素に影響されますし、スポーツに取り組む上では負荷が少なければいいというものでもありません。

 

ただし、背中が丸まった状態で重いバーベルを担いでスクワットをするといった怪我のリスクを著しく高めるフォームも存在します。

このように一筋縄でいかないことが多いことから怪我の発生率という視点も大切になってきます。

 

怪我を減らす効果はあるのか?という視点

怪我を減らす効果があるかどうかについて検証することも物事の本質に近づくために大切です。

(Chan et al 2018)

  • ある研究で初心者のランナーに床反力を減らすように指導したところ、怪我の発生率が劇的に減ったことが報告されています
  • 膝を柔らかく使うように指示をして床反力を減らしていることから、膝の衝撃吸収が大事であることが言えるかと思います。

怪我をしている人は膝の衝撃吸収がうまくいっていない、膝の衝撃吸収は怪我のリスクを高める、膝の衝撃吸収を高めるように指導することで怪我が減った、ということを考えると膝の衝撃吸収という動作はマラソンの怪我に高い関係性があると考えていいでしょう。

このように原理原則で考えること、因果関係や相関関係を確認すること、怪我の発生率や予防策の効果を調べることなど、できるだけ多くの視点からみていくことが物事の本質を理解するうえで大切になってきます。

 

身体への負荷とパフォーマンスは表裏一体であることが多い

バイオメカニクスの難しいところは身体への負荷とパフォーマンスが表裏一体であることが多いため、単純にこうしたほうがいいと言いにくいところです。

 

先ほど膝の衝撃吸収がマラソンの怪我に関係していると言いましたが、膝を固めることはプライオメトリクスに通じるものがあり、高いパフォーマンスを発揮するために大切な要素です。

単純に膝を柔らかく使いましょうと指導すればいいわけではありません。

より高いパフォーマンスを発揮するためには多少の負荷や怪我のリスクがつきまとうことは珍しくありません。

ランニング中の剛性と怪我の関係性

(Messier et al 2018)

ですので、体格や競技レベルといったパフォーマンスに対する効率といった視点で考えることも必要になってきます。

一概にこうすればいいというものではなく、そのメカニズムを理解した上での応用していくことが大切ではないでしょうか。

 

実際に試して得られた声

いろいろなことを学んでも現場では思い通りにいかないことも多々あります。

そして、現場で実践する上では現場ならではの知恵や工夫が必要になることが多々あります。

 

正確に評価するのは困難なケースが多い

例えば膝の剛性(衝撃吸収)が怪我やパフォーマンスに関係しているとは言うものの、現場でこれを正確に評価することは困難です。

数千万円もするモーションキャプチャーの設備を導入してデータ測定に1時間、データ解析に2〜3時間かかってしまいます。

 

ここでひとつの考え方を紹介したいと思います。

ここに二つのケーキがあります。どちらのケーキが美味しいのか?この違いを知るにはパティシエとして修行を積み、ケーキを知り尽くすことが欠かせないでしょう。

しかし、どちらのケーキを食べてもすぐに身体を壊す可能性は低いと思います。

 

身体を壊すような食べ物というのは明らかに腐っている、匂いがおかしい、というように強烈な特徴を伴うことが多く直感的に理解できる何かが伴うことが多いのではないかと思います。

いい動きかどうかというのは直感的に見分けられるようになってくることが大切で、そのためにはメカニズムを理解した上で多くのことを経験することが必要です。

 

理論と実践のギャップ

最先端の設備を使って多くの一流選手の動きを測定し続け、それらと怪我のデータを結びつけて分析すればもの凄い何かが得られるのではないか?と考えていた時期が私にはありました。

 

世の中には同じような発想を持った方々が少なからずいて、1980年代からメジャーリーグの試合映像をもとに手作業で動作解析をし続けた強者も世の中にはいます。

現にメジャーリーグにはバイオメカニクスの研究部門があり、膨大な量のメジャーリーガーのピッチングやバッティングを解析しています。

全ての試合の打席を複数角度から測定していて、AIの技術により今では解析作業がだいぶ効率化されているようです。

そのような何十年にもわたる膨大な知見をもとにメジャーリーグの球団が投球動作に関するワークショップを開催していたりします。

 

しかしながら、ある名門メジャーリーグ球団のヘッドトレーナーから言わせれば「バイオメカニクスは怪我を減らすには少し物足りない」というのが本音だったりするようです。

 

ただ膨大なデータを分析するという手法だけでは怪我を減らすことには限界がある、と今では考えるようになりました。

 

バイオメカニクスで怪我を防ぐことに限界があるからといって、決して無駄ではありません。

バイオメカニクスは怪我予防だけに限らず、パフォーマンスアップのために分析しているという側面が強かったりします。

0.1秒を競争するような世界では、バイオメカニクスの研究によって生み出される、ほんの0.1秒の差が重要だったりするからです。

 

動作分析はトレーニングを行うキッカケになることが大切

FMSといった動作分析のツールがあります。

参照https://www.betterfitnurses.com/post/the-functional-movement-screen-fms

興味深いことにFMSによる動作分析は怪我の発生率に強い関係性がありません。

FMSは怪我の発生率と関係しているのか?

 

しかし、その一方でFMSというパッケージを導入してエクササイズに取り組むことで怪我予防やリハビリで効果を得ることができます。

というのも何かしらのストレッチやエクササイズに取り組むことは怪我予防に効果を発揮するからです。

このことから動作分析と怪我の発生率の関係性が弱くとも、動作分析がトレーニングをするキッカケになったりモチベーションを高めてくれるのならば、それだけで大いに意味があるかもしれません。

 

最近ではAIによるランニング動作解析などのツールが登場してきています。

参照https://www.xyonix.com/solutions/body-pose-analysis

そもそも怪我のリスクを著しく高めるようなランニングフォームが限られていることから、AIによるランニング動作解析をもってしても怪我のリスクを評価することには一定の限界があると思います。

 

もちろん、怪我のリスクと関係性がある動作を分析できるようなツールも中にはあるかと思います。

ウェアラブルセンサーによる投球フォームの改善について

ただ、怪我との強い関連性があると客観的に証明できているツールやスポーツの動きはそんなに多くありません。

 

この動作を改善するためにはこういうエクササイズをやるといいですよ、とストレッチやエクササイズなどに取り組むキッカケをつくるということに価値があるのではないかと思います。

ある意味ではそのように割り切ってトレーニングを組み立てていくほうが賢いかもしれません。

 

理想的な動作で怪我を減らすことに限界はあるけれども、理想的な動作を追求するためのトレーニングで怪我を減らせる可能性はあります。

 

効果的な動作分析を行うには

怪我をしない動きというものが少ない以上、他の人と比べて動作を分析する、マニュアルと比べて分析するというのはそこまで効果的ではありません。

一方で過去の自分と比べることが動作分析のポイントだったりします。

 

動きの中で痛みが引き起こされる場合があり、こういった状況では動作分析を行い痛みの分析や負荷を軽減させる方法などを調べることは大いに役に立ちますし、日常生活やスポーツでの痛み軽減が治療の目的だったりするわけです。

 

例え痛みがない場合であったとしても、今までより進歩しているのか?というような指標として動作分析を有効活用できます。身体の状態が把握しやすくなったり、進歩を感じられることでモチベーションに繋がっていくかと思います。

 

このように動作自体が痛み改善やパフォーマンスアップのゴールであることは珍しくなく、それは本人の主観的な評価で決まることが珍しくありません。

本人の感覚に従ってうまく動作をコントロールできることは満足度に繋がりやすかったりするわけです。

 

人それぞれ違う個別性

確率論として証明力の強い科学的根拠があるほうが再現性は高いのですが、それが必ずしも結果に結びつくとは限りません。

同じ超一流選手でもクリスティアーノ・ロナウドとメッシの動きは別物であるように、何が正しくて何が正しくないということを判断することは簡単ではありません。

 

よく言われる表現として「科学とアート」というものがあります。

現場で成果を出すためには理論だけでは捉えきれないアートの部分も身につけることが大切です。

 

そして、もうひとつよく用いられる表現に「オーケストラとジャズ」というものがあります。

オーケストラのように規律通り演奏するのではなく、ジャズのように周りの雰囲気やパートナーとのフィーリングで臨機応変に変えていく、というような対比で使われます。

現場で成果を出すためにはジャズのようなアートを描くことが大切であり、感性やセンスが求められることも少なくありません。

 

より高い成果を得るために

 

バイオメカニクスでの怪我予防効果を理解するために

バイオメカニクスでの怪我予防効果を知るためには、多角的な視点で検証することが大切です。

繰り返しになりますが、計算式を検証すれば終わりではなく、あらゆる側面の情報を集めることが大切です。

  • 専門家の意見
  • 原理原則や計算式
  • 相関関係と因果関係
  • 怪我の発生率と予防策の効果
  • 実際に試して得られた声や結果

 

そして、論文もひとつのものをじっくり読んで、深く考察するだけでは足りないと思います。

反対意見を述べている研究結果がないかを徹底的に探すことも重要です。

 

というのも、ひとつの論文をじっくり読んだ考察よりも、膨大な量の論文を集約したほうが一般的には証明力が強いとされています。

(多くの論文を集約したシステマティックレビューやメタ分析による論文のほうが証明力が強いと言われています)

 

これは理想論であり、一人でそんなことを実行するのはなかなかの変態であると思いますので・・・。

 

骨格筋など身体の中のメカニズムのほうが怪我との関連性が強い

ここまで従来のバイオメカニクスの考え方とその限界についてお話させて頂きましたが、ここからは今までの常識と少し違う新たな可能性についてお話させていただこうと思います。

 

怪我を減らしていくためには身体の中で何が起こっているのか?ということを理解することが大切です。

 

古典的なバイオメカニクスにおいて身体への負荷は外力から逆算しているに過ぎません。

その計算方法は逆動力学(Inverse Dynamics)と呼ばれ、これだけの重量のものを動かすには理論上はこれだけの力が必要だ、というように導き方をしています。

物体の動きをモーションキャプチャーで測定してそこから逆算しているにすぎず、身体の中で何が起こっているのか?ということまではわかりません。

モーションキャプチャーによる投球動作解析

例えば、腕の振りの動きから肘に100Nmのトルクの負荷がかかっていると算出することはできますが、

それがどの筋肉によって力が生み出されているのか、

靭帯にどれだけの負荷がかかっているのか、

骨がどのような力を受けているのか・・・まではわかりません。

 

 

より高い成果を上げるためには筋肉の働きを理解し、靭帯や骨などの役割を知り、身体の中の仕組みをを知ることが大切です。

骨格筋モデル

ただ、内容が難しくなるので理解しにくい部分も多くありますが、その先には今までと違った視点で物事を捉えられるようになるかと思います。

現場で活かせるような知識に大きく近づくと思います。

 

そして、バイオメカニクスを徹底的に突き詰めるだけでは足りません。

神経系や生理学、細胞レベルなど身体は多くのシステムによって成り立っています。

複数の分野にまたがる理解も重要になってきて、どこまでも果てしない深みがあります。

 

バイオメカニクスで怪我を減らせるのか?

当初の疑問に戻ります。

「バイオメカニクスで怪我を減らせるのか?」

その答えは”微妙である”というのが現時点での私の答えです。

 

「バイオメカニクスに限界がある」

「バイオメカニクスは役に立たない」

こんな声を耳にすることもあります。

 

確かにバイオメカニクスをたくさん学んでも、現場でそれほど成果が上がらないという気持ちは痛いほどわかります。

一定程度の成果は出るかもしれませんが、なんでも治せるわけではありません。

 

しかし、それはバイオメカニクスだけの問題ではありません。

私はバイオメカニクスだけでは役に立たないという意見を受け止め、脳神経などの他の分野も学び始めています。

その中で思うことは、脳神経の分野もそんなに変わらないということです。

 

他にも生理学を徹底的に学んでいる人の声としても、

生理学の研究を現場で活かすのは意外と難しい、という声もよく耳にします。

 

学問や研究が現場でうまく活かせないのはバイオメカニクスだけの問題ではないと思います。

未解決の問題を解くということは、失敗の連続が当たり前です。

膨大な失敗を繰り返す中で、ふとした瞬間に成果をあげられる方法を発見する、ということを積み上げていきます。

 

最後に

私も幾千もの論文を読み漁り、思いついた方法を次々と試しては失敗し、時には大きな恥をかいてきました。

そんな地道なことを続けていると、ごくごく稀に画期的な成果が生まれます。

その一瞬のために、気が遠くなるような時間と労力を費やしているのかもしれません。

 

”怪我でスポーツを諦める人を減らす”

その道のりは決して平坦なものではないと思います。

 

 

<参考文献>

  1. Hamill J, Miller R, Noehren B, Davis I. A prospective study of iliotibial band strain in runners. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2008;23(8):1018-1025.
  2. Messier SP, Martin DF, Mihalko SL, et al. A 2-Year Prospective Cohort Study of Overuse Running Injuries: The Runners and Injury Longitudinal Study (TRAILS). Am J Sports Med. 2018;46(9):2211-2221.
  3. Chan ZYS, Zhang JH, Au IPH, et al. Gait Retraining for the Reduction of Injury Occurrence in Novice Distance Runners: 1-Year Follow-up of a Randomized Controlled Trial. Am J Sports Med. 2018;46(2):388-395.

 

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