[論文レビュー] From Stoop to Squat: A comprehensive analysis of lumbar loading among different lifting styles

Michael von Arx, Melanie Liechti+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

Musculoskeletal pain and rehabilitation参考文献 43被引用数 67

ひとこと要約

本研究では、30名の健康な被験者を対象に、被験者固有のモーショントラッキング駆動型筋骨格モデルを用いて、自由体勢、スクワット、ストゥープの3つのリフトスタイルにおける腰椎への負荷を比較した。ストゥープリフトは、スクワットや自由体勢リフトと比較して、圧縮力（−0.3〜−1.0 BW）および総合的腰椎負荷（−0.3〜−1.0 BW）が顕著に低かったが、上位腰椎部ではせん断力が高かった。また、リフト速度および腰椎の後弯範囲も、負荷パターンに顕著な影響を及えた。

ABSTRACT

Lifting up objects from the floor has been identified as a risk factor for low back pain, whereby a flexed spine during lifting is often associated with producing higher loads in the lumbar spine. Even though recent biomechanical studies challenge these assumptions, conclusive evidence is still lacking. This study therefore aimed at comparing lumbar loads among different lifting styles using a comprehensive state-of-the-art motion capture-driven musculoskeletal modeling approach. Thirty healthy pain-free individuals were enrolled in this study and asked to repetitively lift a 15 kg-box by applying 1) a freestyle, 2) a squat and 3) a stoop lifting technique. Whole-body kinematics were recorded using an optical motion capture system and used to drive a full-body musculoskeletal model including a detailed thoracolumbar spine. Compressive, shear and total loads were calculated based on a static optimization approach and expressed as factor body weight (BW). In addition, lumbar lordosis angles and total lifting time were calculated. All parameters were compared among the lifting styles using a repeated measures design. For all lumbar segments, stoop lifting showed significantly lower compressive and total loads (-0.3 to -1.0BW) when compared to freestyle and squat lifting. Stoop lifting produced higher shear loads (+0.1 to +0.8BW) in the segments T12/L1 to L4/L5, but lower loads in L5/S1 (-0.2 to -0.4BW). Peak compressive and total loads during squat lifting occurred approximately 30% earlier in the lifting cycle compared to stoop lifting. Stoop lifting showed larger lumbar lordosis range of motion (35.9+/-10.1{\deg}) than freestyle (24.2+/-7.3{\deg}) and squat (25.1+/-8.2{\deg}) lifting. Lifting time differed significantly with freestyle being executed the fastest (4.6+/-0.7s), followed by squat (4.9+/-0.7s) and stoop (5.9+/-1.1s).

研究の動機と目的

• 健康な被験者において、異なるリフトスタイル（自由体勢、スクワット、ストゥープ）が腰椎に与える負荷に有意差があるかどうかを調査すること。
• リフト速度および腰椎後弯の可動域が、物体を上げる際の脊椎負荷に与える影響を検討すること。
• 連続的で時間分解能のあるデータを用いて、各スタイル間の負荷を定量的に比較することで、従来のスクワットリフトが最も安全であるという勧告を検証すること。
• 制御された条件下で、屈曲した背中は怪我のリスクを高めるという一般的な認識が、バイオメカニカルな証拠によって裏付けられているかどうかを評価すること。
• 特に1回の反復、中程度の重量のタスクを想定して、現在のリフト指針の再評価に根拠を与えること。

提案手法

• 16台のオプティカルモーショントラッキングシステムを用いて、反復的リフトタスク中の全身運動学的データを記録した。
• 皮膚マーカーのデータから得られた外部背中プロファイルに基づき、被験者固有の筋骨格モデルを構築し、完全にアーティキュレートされた胸腰椎部を再現した。
• 静的最適化を用いて、圧縮力、前後方向せん断力、および合計の脊椎負荷の連続的時間系列データを算出した。
• 全負荷を体重量（BW）の倍数として表し、被験者間での標準化と比較を可能にした。
• 連続的負荷データの分析には、時間的経過にわたる統計的有意差を特定するため、統計的パラメトリックマッピング（SPM）を用いた。
• 腰椎後弯角度と総リフト時間の測定により、負荷パターンの文脈を明らかにし、運動戦略の差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1回の反復において、自由体勢、スクワット、ストゥープリフトの3スタイル間で、圧縮力、せん断力、および合計脊椎負荷にどのような差があるか。
• RQ2 各リフトスタイルにおいて、負荷のピークはリフトサイクルのどの時点で発生し、そのタイミングと負荷の大きさにはどのような関係があるか。
• RQ3 リフト速度（時間）が、腰椎への負荷の大きさおよび時間的パターンにどのように影響するか。
• RQ4 リフトスタイルごとに腰椎後弯可動域はどの程度異なるか。また、その差は負荷分布にどのように関連しているか。
• RQ5 部位特異的な負荷パターンの差（例：T12/L1 と L5/S1）は存在するか。もしあるならば、その原因は何か。

主な発見

• ストゥープリフトは、全腰椎部において、自由体勢およびスクワットリフトと比較して、圧縮力（−0.3〜−1.0 BW）および合計負荷（−0.3〜−1.0 BW）が顕著に低かった。
• ストゥープリフトでは、上位腰椎部（T12/L1 から L4/L5）で前後方向せん断力が高くなり（+0.1〜+0.8 BW）、一方、L5/S1部ではスクワットリフトと比較して低くなった（−0.2〜−0.4 BW）。
• 圧縮力および合計負荷のピークは、スクワットリフトではストゥープリフトと比較して約30%早く発生した。これは、高負荷の発現がより速やかに始まることを示している。
• リフト時間に顕著な差が認められた：自由体勢（4.6±0.7s）が最も速く、次にスクワット（4.9±0.7s）、ストゥープ（5.9±1.1s）が最も遅かった。これは、速度が負荷の大きさに影響を与える可能性を示唆している。
• 腰椎後弯可動域は、ストゥープリフト時が最大（35.9±10.1°）であり、次に自由体勢（24.2±7.3°）、スクワット（25.1±8.2°）であった。これは、指示にもかかわらずストゥープリフト時においてより大きな屈曲が生じていたことを示している。
• 脊椎負荷は、腰椎の尾側に向かって一貫して増加しており、リフトスタイル間の差が特に上位腰椎部で顕著であった。