さまざまな歩行速度における義足の足首出力と足部剛性カテゴリーが生体力学的不均衡および膝関節モーメントに与える影響

歩幅のバランスが重要な理由

下腿を失った多くの人にとって、義足で歩くことは日々の勝利ですが、一方で健側の脚に負担をかけることもあります。一方の脚がもう一方より多く働くと、健側の膝や股関節にかかる追加の力が時間とともに関節痛や変形性関節症のリスクを高める可能性があります。本研究は、現代の義足の細かな調整—足部の剛性や歩行ごとに付与される出力量の調整—が、歩行の対称性を高め、関節保護に寄与し得るかを検討しています。

2種類の高性能な足部

下腿切断の多くの人は、エネルギーを蓄え放出する受動的なばね状の足を使用しており、地面を能動的に押し出すことはできません。これらの装置は生体の足首が返すエネルギーの約半分しか返さないことが多く、健側の脚が余分な仕事を担います。新しい選択肢であるBiOMの動力付き足首–足部義足は、押し出し時にエネルギーを供給するモーターとスプリングを内蔵しています。BiOMは基礎に通常の受動的な足部を用いており、その足部は使用者の体重や活動レベルに合わせた異なる剛性の“カテゴリー”で販売されています。つまり、臨床側は義足の剛性とモーター出力の両方を調整でき、さまざまな組み合わせが可能ですが、どの設定が身体を最も保護するかについての明確な指針はほとんどありません。

研究の方法

単側下腿切断で義足経験のある13人の参加者が、特別なトレッドミル上で遅い散歩（0.75 m/s）から速歩（1.75 m/s）までの速度で歩行しました。各参加者は16通りの義足設定を試しました：4つの足部剛性カテゴリー（推奨より2段階柔らかいものから1段階硬いものまで）と4つの出力条件（モーターなしの受動的足、BiOMの推奨出力、推奨より10％高い設定、20％高い設定）です。歩行中、研究者は各足が地面に接している時間、ステップの第一・第二ピークでの鉛直床反力の大きさ、そして健側膝に生じるねじれ荷重（変形性膝関節症に関連する重要な指標）を測定しました。

剛性だけを変えた場合の変化

受動的足部の剛性を変えることは、歩行のバランスに意外と小さな影響しか与えませんでした。剛性カテゴリーの範囲全体で、両脚の接地時間の均衡や鉛直床反力の第一ピークの対称性に明確な変化は見られませんでした。際立ったパターンとしては、最も硬い足を使用した場合に最も柔らかい足と比べて第二ピークの力の不均衡がわずかに（1ポイントちょっと）減少した点のみでした。また、試験範囲内での剛性変化は健側膝にかかる荷重にも大きな影響を与えませんでした。これらの結果は、臨床で使われる類似の市販足部の中から選ぶ程度の剛性調整では、関節荷重や歩行バランスが劇的に変わらない可能性を示唆します。

出力を加えると何が起きるか — そしてそのタイミング

BiOMのモーターを作動させると、より顕著な効果が見られました。基礎となる足部の剛性に関わらず、動力付きデバイスを使うと受動的足と比べて義足と健側の接地時間差が縮まりました。ただし、力の対称性に関する詳細は歩行速度と出力レベルに依存しました。調整速度である1.25 m/sでは、BiOMを推奨出力より10〜20％上げた設定が第一・第二ピークの両方で両脚の力を最も均等にしました。しかし、遅い速度（0.75 m/s）や速い速度（1.75 m/s）では、出力を上げると力の不均衡がむしろ悪化する場合がありました。脚の仕事の分担の変化が見られたものの、どの検査設定でも動力付きデバイス使用による健側膝の重要なねじれ荷重の一貫した低減は確認されませんでした。

日常の歩行への示唆

下腿切断者とその臨床家にとって、これらの結果は微妙な状況を示しています。BiOMのような動力付き足首–足部義足は、とくにその調整速度付近で歩行の左右差を改善する可能性があり、やや剛性の高い足は力のバランスの一側面を改善することがあります。しかし、試験した範囲では、剛性の変更も高出力化も、変形性関節症リスクに寄与すると考えられる膝荷重を明確に減らすものではありませんでした。著者らは、義肢装具士が個人の典型的な歩行速度に合わせて出力設定を調整することや、将来的には速度変化に応じて出力を自動で切り替えるデバイスの開発を提案しています。現行の義足の微調整で対称性は改善できるものの、長期的な関節保護を十分に達成するには設計や制御面でさらなる改良が必要であろうと結論づけています。

引用: Tacca, J.R., Colvin, Z.A. & Grabowski, A.M. Effects of prosthetic ankle power and foot stiffness category on biomechanical asymmetry and knee moment during walking at different speeds. Sci Rep 16, 7207 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37225-3

キーワード: 義足の足首, 下腿切断, 動力付き義足, 歩行の対称性, 膝の変形性関節症