テクノロジーを使用し女性アスリートにおけるACL損傷のリスク要因を発見する

ニュースとお知らせApr 22, 2024Last Updated: Nov 13, 2024

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この記事では、グリフィス大学バイオメディカル・リハビリテーション工学センター（GCORE）の研究者（マシュー・ボーン博士、タイラー・コリングス博士、ベンジャミン・デュテイリス氏）が、女性アスリートの前十字靭帯（ACL）の負傷率が極端に高いことに関する洞察を共有しています。さらに、彼らはスクリーニングやターゲット指向の介入を通じてこの問題に取り組む方法についての戦略を提供しています。幸運にも彼らが約400人の女性アスリートから得た各テストの基準データを共有致します。

ACL損傷の流行

ACL損傷は、競技場やコート上でのスポーツにおいてますます頻繁になり、女性の場合、男性や青年よりも3〜6倍頻繁に発生します。警告すべきことに、オーストラリアは世界で最もACL再建手術の発生率が高く（年間約5％増加しています）、若い女性が最も罹患しやすい状況です。フィンランド、南スウェーデン、そしてアメリカでも同様の膝の負傷率の増加傾向が確認されています。

しかし、手術的再建や明らかに成功したリハビリテーションを行った後でも、女性アスリートの3分の2が負傷前のトレーニングや競技レベルに戻ることができず、4分の1が2度目のACL損傷を経験し、50〜90％がその後の10〜15年で膝の変形性関節症を発症します。

負傷の増加する有病率と長期的な影響を考えると、ACL損傷リスクを減らす取り組みは、女子スポーツに携わる人々にとって最優先事項です。

しかし、手術的再建や明らかに成功したリハビリテーションを行った後でも、女性アスリートの3分の2が負傷前のトレーニングや競技レベルに戻ることができず、4分の1が2度目のACL損傷を経験し、50〜90％がその後の10〜15年で膝の変形性関節症を発症します。

ACL損傷は何によって引き起こされるのか？

競技場やコート上でのスポーツにおいて、ほとんどのACL損傷は選手同士の接触なしに発生し、通常は急激な方向転換、減速、または着地時に起こります。負傷時には、動的な膝の外反（膝の内側への崩れ）、膝の屈曲制限、側方および回旋した体幹の位置、そして平坦な足底の地面接触が一般的に観察されます。

膝では、多面的な力によりピークのACL張力が発生し、脛骨への前方剪断力作用、膝の外反、および脛骨の内回旋モーメントが関与します。初回のACL損傷のリスクが増加するとされる生体力学的要因には、より大きな膝の内側への外反モーメントやピークの垂直地面反力が含まれます。ただし、これらの要因は最近まで実験室以外での測定が困難でした。

ACL損傷に関わる生体力学的要因の例。Lucameo et al 2021より引用

何故女性アスリートの方で多いのか？

女性スポーツが参加者数やエリートレベルでの存在感を増すにつれて、女性と男性の競技間でのACL損傷率の格差がますます明らかになっています。歴史的に、生物学的および解剖学的要因が、女性のACL損傷率が男性よりも過剰に高い問題の原因とされてきました。生物学の一部は重要である可能性があります。たとえば、狭い膝関節溝はACLに圧迫を与え、小さなACL容積は引張強度が低い可能性がありますが、大部分の生物学的要因、例えば大腿骨のQ角やホルモンの違いなどには証拠が不足しています。

女性スポーツが参加者数やエリートレベルでの存在感を増すにつれて、女性と男性の競技間でのACL損傷率の格差がますます明らかになっています

筋力と生体力学的要因は広く研究されており、女性は一般的に男性と比較して筋力が低く、ACLへの負荷が大きい傾向があります。多くのスポーツに関わる方達は、女性がその性別のために本質的に高いリスクにあると誤解していることがありますが、筋力と生体力学は主に修正可能な属性です。

女性は一般的に男性と比較して筋力が低く、ACLへの負荷が大きい傾向があります。しかし、筋力と生体力学は主に修正可能な属性です。

ほとんどのスポーツにおいて、初心者からエリートレベルの競技まで、女性は男性と比較してトレーニング施設やリソース（コーチングを含む）、医療ケアへのアクセスが制限されています。さらに、女性はスポーツや運動医学の研究においても過小評価されており、これによりリスク要因を理解する能力が制限され、コーチ達がエビデンスに基づいたアプローチをトレーニングやリハビリテーションに実装する障害となっています。

ACL損傷は予防可能か？

メタ分析のメタ分析（メタメタ分析？）によると、ACL損傷予防プログラムは女性アスリートにおける非接触性ACL損傷のリスクを3分の1に減少させることが明らかになっています。特に女性サッカー選手において、多様な要素を含む「Neuromuscular」エクササイズプログラムがACL損傷率を45％減少させるというエビデンスがあります。しかし、これらのプログラムの遵守率は低く、これらの管理された研究以外では、負傷率が減少したというエビデンスは限られています。

おそらく、下位レベルのアスリートに効果的なトレーニングプログラムが、エリートスポーツのより複雑な世界では効果的ではないか、または実現可能ではないかもしれません。

例えば、これらのプログラムのうちの3分の1未満が筋力のガイドラインに適合し、67％がプライオメトリック/パワートレーニングのガイドラインに適合しているということがあります。また、私たちの改善された予防への理解がトレーニングと競技の増加する要求へのペースに維持ができていないと主張されるかもしれません。

しかし、私たちの最近のシステマティックレビュー（Limaにて査読中）では、ACL損傷予防プログラムが高リスクタスク中の下肢の生体力学を変化させることができないことを示しており、これは次の疑問を呼び起こします：それではどのようなメカニズムによってACL損傷を予防するのでしょうか？

現場で使えるテクノロジーを活用してACL損傷のリスクが高い女性アスリートを発見する

アスリートの負傷リスクを増加させる要因を理解することは、ゴールに基づいた負傷予防介入プログラムを開発するための第一歩です。最近まで、プロ女子オーストラリアンフットボーラーまたはサッカー選手のACL損傷のリスク要因を調査した研究は存在しませんでした。このうち前者は、世界中のどのスポーツよりもACL損傷率が高いようです。

最近まで、プロ女子オーストラリアンフットボーラーまたはサッカー選手のACL損傷のリスク要因を調査した研究は存在しませんでした。このうち前者は、世界中のどのスポーツよりもACL損傷率が高いようです。

プレシーズン中に、VALDのForceFrame、NordBord、ForceDecks、およびHumanTrakを使用して、322人のプロ女子サッカー選手の等尺性股関節外転筋および内転筋の力、ハムストリングスのエキセントリック力、両脚のカウンタームーブメントジャンプ（CMJ）の動力学、および単脚トリプル垂直ホップの動力学を10分間のフィールドテストバッテリーでテストしました（Collings et al.、2022年）。その後の18ヶ月間に発生した非接触性ACL損傷が記録され、負傷を負った選手と負傷を負わなかった選手との違いを特定しようとしました。

等尺性股関節内転筋および外転筋の力（ForceFrame）
ノルディックハムストリングエクササイズ中のエキセントリック収縮力（NordBord）
フォースプレート上の両脚CMJ（ForceDecks）
マーカーレスモーションキャプチャーシステムを使用した単脚トリプル垂直ホップの動力学（HumanTrak）

以下の結果が得られました

今回の結果では、将来の非接触性ACL損傷のリスクが増加するいくつかの要因が特定されました。具体的には以下の通りです：

より低い股関節内転筋と外転筋の力の比率
より大きな垂直ホップ時の動的膝の外反と同側の体幹屈曲角
より大きなCMJピーク離陸力
ACL損傷の既往歴

すべてのテスト結果の基準データは以下からご覧いただけます:

Normative data for female footballers

股関節の筋力

股関節外転筋が内転筋に比べて強い選手は、将来のACL損傷のリスクが増加します（等尺性の内転筋と外転筋の力の比率が14％減少するごとに、負傷のオッズ比が1.97倍に増加します）。

この関連性を説明するメカニズムは明確ではありませんが、これらの二つの筋群の不均衡は、ジャンプや方向転換などの高リスクなタスク中の股関節の運動連動性に影響を与える可能性があります。

単脚トリプル垂直ホップの動力学

着地時の動的膝外反、同側の体幹屈曲角度（つまり立脚側）が大きいとACL損傷のリスクが有意に高まります。動的膝外反は股関節の内旋、内転、膝外転と足関節の外反より起こります。

女性は高リスクな着地タスク中に通常、男性よりも大きな動的な膝の外反を示しますが、ACL損傷リスクとの関連についてのエビデンスはあまり明確ではありません。同側の体幹屈曲は、膝関節に対する体幹のモーメントアームを増加させることで、膝外転モーメントを増加させ、ACLの負荷も増加させる可能性があります。これらのデータは、片足での着地時に動的な膝の外反と体幹の側方屈曲を減らすことを目指した戦略が、将来のACL損傷リスクを減少させる可能性があることを示唆しています。

CMJの動力学

CMJのピーク離陸力（Peak take-off force）が高い選手は、ピーク離陸力が低い選手よりも、ACL損傷のリスクが有意に高かった。跳躍時の鉛直地面反力において、大腿四頭筋と腓腹筋が重要な役割を果たし、これらの筋肉は着地や方向転換時にACLに最も多くの負荷をかける。

ブリズベンライオンズ（AFLW）の女性チームがVALDのForceDecksを使用している様子

おそらく、大腿四頭筋と腓腹筋の力と筋肥大を促進するトレーニングは、跳躍能力を向上させる一方で、ACL損傷のリスクを増加させる可能性があります。

しかし、ACL損傷リスクを軽減するために跳躍力を減少させるのは、最高のパフォーマンスを発揮したい選手にとっては明らかに逆効果的なアプローチです。代わりに、高いCMJ力を発揮する女性アスリートは、膝関節の負荷を減少させる介入や、ACLへのストレスを減少させる筋肉（すなわちハムストリングス、大殿筋、ヒラメ筋）の発達を目指した介入が有益であるかもしれません。

ACL損傷の発生確率の予測は、さまざまな筋力と生体力学の値の範囲で行われます。予測確率は一変量（調整されていない）ロジスティック回帰モデルから導出されます。横方向の破線は基準リスク（5.4％）を示し、予測確率との交差点は、ACL損傷のリスクが基準リスクに対して増加/減少する値を示します。ACL損傷の予測確率が2％、5.4％、10％、15％、20％に対応する値は、黒い点で曲線上にハイライトされています。下部パネルには、個々のACL損傷データと非損傷データの分布が表示されています。Collings et al 2022からの図の再現です。

現場ベースの測定を組み合わせることで、負傷リスクの推定精度の改善が見込まれます

複数の変数を組み合わせた多変量の臨床予測モデルで、私たちの現場ベースのスクリーニングバッテリーは、ACL損傷を受けた選手のほぼ５人中の４人を正しく特定しました。

ただし、個々の変数単体では、負傷を予測する能力は、コイントスよりもわずかに優れているに過ぎませんでした。これは、選手の負傷リスクを評価する際に理解する重要な点です。

複数の変数を組み合わせた多変量の臨床予測モデルで、私たちの現場ベースのスクリーニングバッテリーは、ACL損傷を受けた選手のほぼ５人中の４人を正しく特定しました

個々の変数は、負傷の複雑さを捉えることができず、個人間の高い変動を考慮することができないため、負傷リスクの貧弱な指標です。負傷リスクのより正確な評価には、テストバッテリーの実施と重要な変数を多変量モデルに組み合わせることが必要です。ただし、これは個々のデータセットとその負傷記録を備えた大規模なデータセットでのみ達成できます。そのようなモデルの開発と検証は、臨床実践での使用に活用できる素晴らしい研究領域です。

筋力と生体力学の左右差は関連していますか？

私たちは、筋力と生体力学の間の両脚の非対称性がACL損傷リスクと関連しているという説得力のある証拠を見つけることはありませんでした。後に負傷した選手と負傷していない選手の両方が、下肢の強度において10〜20％の非対称性、およびCMJの地面反力変数において10〜50％の非対称性を示しており、「ある程度の非対称性」は、少なくともエリートの女子サッカー選手においては「正常」であることを示唆しています。

私たちは、NordBord上のエキセントリック筋力の非対称性が、ACL損傷リスクの増加と関連していることを観察しました

興味深いことに、私たちはNordBord上のエキセントリック筋力の非対称性が、ACL損傷リスクの増加と関連していることを観察しました。しかし、強い脚と弱い脚の両方で同じ頻度で負傷が起こりました。エキセントリック筋力の弱さは、ACL再建手術後によく見られるものであり、ハムストリングの移植を含む手術の結果である可能性が高く、初回の負傷の独立したリスク要因ではないと考えられます。

アスリートがNordbodを使用してノルディックハムストリングスの測定を行っている様子

CL損傷を受けた選手（ACL負傷選手）とそうでない選手（非負傷グループ）の間での、股関節の筋力、膝屈筋の筋力、およびCMJの両脚間の非対称性。非負傷の選手（n < 262）は曲線で表され、陰影付きの領域は非対称性が増加することを示しています。ACL損傷を受けた選手は黒い点で示されています。有意な変数はP値で示されます。Collings et al 2022からの図の再現です

ACL損傷の既往歴

我々の研究では、ACL損傷の既往歴がある女子サッカー選手は、それがない選手よりもACL損傷を負う可能性が9.7倍高かった。ACL損傷の既往歴は、女子のフィールドおよびコートスポーツにおける将来的なACL損傷の最も強力な予測要因であることが一貫して示されています。

ACL損傷の既往歴がある女子サッカー選手は、それがない選手よりもACL損傷を負う可能性が9.7倍高かった

再負傷率の高さの基盤となるメカニズムは完全に理解されていませんが、以前の研究で示されたように、女性アスリートは負傷後数年間にわたって持続する下肢の構造と機能の欠損を示しています。

興味深いことに、以前に負傷したアスリートは、エキセントリック筋力の強さ、等尺性股関節外転筋の強さ、およびピーク着地力の間の両脚の非対称性を特徴とする明確な身体的プロファイルを示す傾向があります。これは、非負傷選手と93％の精度で区別されます。

前十字靱帯再建（ACLR）の経歴のある選手とない選手との間の差別能力を要約する単変量および多変量ロジスティック回帰モデルの受信者動作特性曲線（ROC曲線）が示されています。図はCollings et al 2021から再現されました。

以前に負傷したアスリートは、エキセントリック筋力の強さ、等尺性股関節外転筋の強さ、およびピーク着地力の間の両脚の非対称性を特徴とする明確な身体的プロファイルを示す傾向があります。これは、非負傷選手と93％の精度で区別されます

私たちの最近のシステマティックレビューとメタ分析では、明らかに成功したリハビリテーションの完了後も続く、垂直ジャンプパフォーマンスのいくつかのフォースプレートから導出された指標の慢性的な欠損が明らかになりました。両足でのジャンプタスク中、ACL再建の経歴を持つ個人は、負傷した側の過度な力を防ぐための保護メカニズムとして、負傷していない側の対側肢を優先するオフローディング戦略を示します。

両足でのジャンプタスク中、ACL再建の経歴を持つ個人は、負傷した側の過度な力を防ぐための保護メカニズムとして、負傷していない側の対側肢を優先するオフローディング戦略を示します

片側のジャンプ中、ACL再建した下肢は爆発的なパワーの不足を示し、すべてのジャンプタイプとフォースプレートから導出された指標で欠損が見られました。これらの欠損が再負傷のリスクを増加させるか、そしてそれらがターゲットとしたトレーニングによって是正できるかどうかを理解するためには、さらなる研究が必要です。

Dutaillis et al 2023.

のメタ分析の概要を示します。左側には、標準化された平均差（SMD; 円）が95％信頼区間（95％CI; エラーバー）とともにプロットされており、負の効果は前十字靱帯再建（ACLR）肢または個人の値が低いことを示します。緑の円は、ACLR肢/個人と非負傷コントロールとの比較を表します。青い円は、ACLR肢と非負傷の対側肢との比較を表します。右側には、各メタ分析のSMD、95％CI、異質性（I2）、ACLR（n.injured）および対側/コントロール（n.uninjured）の肢/個人数、および参考文献（Ref）の値が報告されています

片側のジャンプ中、ACL再建した下肢は爆発的なパワーの不足を示し、すべてのジャンプタイプとフォースプレートから導出された指標で欠損が見られました

ここからどこを目指すべきでしょうか？

女性アスリートの世界的な成功は、女性スポーツのプロフェッショナリズムとプロフィールの長く待ち望まれた上昇を促しています。しかし、女性は今でもスポーツ参加やハイパフォーマンスに多くの障壁に直面しており、それにはACL損傷の受傷率が非常に高いことも含まれています。

女性は今でもスポーツ参加やハイパフォーマンスに多くの障壁に直面しており、それにはACL損傷の受傷率が非常に高いことも含まれています

数十年にわたる研究の努力にもかかわらず、ACL損傷予防戦略は依然として臨床的な仮定や専門家の意見に大きく影響を受けており、実証的なエビデンスに基づいていません。革新的な現場ベースの人間計測技術は、迅速で信頼性の高く謹直および生体力学の客観的な測定を可能にする機会を提供し、臨床的な意思決定を大幅に改善する可能性があります。

革新的な現場ベースの人間計測技術は、迅速で信頼性の高く謹直および生体力学の客観的な測定を可能にする機会を提供し、臨床的な意思決定を大幅に改善する可能性があります。

適切に開発され、検証された臨床予測モデルは、これらの現場ベースのテストの組み合わせを使用して構築され、ACL損傷のリスクにさらされているアスリートを特定する可能性があり、おそらくいつかは個々のリスク低減戦略の設計に情報提供することができると期待されています

最終的には、ACL損傷の危機を解決するためには、プレーヤーの負傷リスクを理解するための堅牢なツールの開発と適用、および負傷の根本的な原因（例えば、負傷メカニズムや因果関係のリスク要因）に対処するための特異的なトレーニング介入の実施が必要とされるでしょう。

お問い合わせ

研究者について

Dr Matthew Bourne マシュー・ボーン博士は、グリフィス大学バイオメディカルおよびリハビリテーション工学センター（GCORE）のシニア講師兼シニア研究フェローであり、現在、VALDとアドバンスクイーンズランドのミッドキャリア産業研究フェローシップを保有しています。彼の研究は、次世代のクリニック向け技術を開発し、ハムストリングスおよび膝の負傷のリスクを抱えるアスリートを特定し、エビデンスに基づく予防戦略の設計に情報を提供することに焦点を当てています。ボーン博士のチームは、技術への広いアクセスを実現し、グローバルな成果をもたらすために産業と協力して高い影響を持つ応用研究を生成しています。

Dr Tyler Collings タイラー・コリングス博士は、グリフィス大学ゴールドコーストキャンパスの若手研究者および講師であり、グリフィス大学GCORE研究グループのメンバーです。彼の主な研究領域は、ACL損傷の予防、リハビリテーション、神経筋骨格モデリング、およびバイオメカニクスを評価するためのフィールド/クリニックベースの技術です。彼の博士論文では、女子サッカー選手のACL損傷リスクに焦点を当て、スポーツ技術をどのように適用するかについての新しい知見を提供し、負傷のスクリーニングやトレーニング戦略の設計についての洞察をもたらしました。

Benjamin Dutaillis ベンジャミン・デュテイリスは、グリフィス大学のGCORE研究グループの博士課程学生です。彼の研究はACL再建からのリハビリテーション成果の向上に焦点を当てています。ベンジャミンはまた、ゴールドコースト・ニー・グループで運動生理学者およびストレングス＆コンディショニングコーチとして働いています。

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