ゴルフスイング中の輝度モード超音波を使用した視覚的バイオフィードバックの提供

輝度モード超音波は、ゴルフスイング中に側腹壁の筋肉の視覚的なバイオフィードバックを提供するために使用することができる。スイング後の視覚的および口頭での指導は、筋肉の活性化と外斜筋と内斜筋のタイミングを高めることができます。

超音波バイオフィードバックを口頭での合図と組み合わせて使用 すると、口頭での合図単独よりも筋肉の厚さを増やすことができ、運動的で身体的に活動的な集団における従来のリハビリテーション技術を強化する可能性があります。輝度モード(Bモード)超音波は、ビデオと同期したフレームごとの分析を使用して適用し、これらの動的なタスク中の筋肉の厚さの変化を理解することができます。超音波による視覚的バイオフィードバックは、側腹壁の筋肉の静的位置に確立されている。しかし、弾性ベルトとフォームブロックを使用してトランスデューサーを腹部に固定することにより、ゴルフなどの生涯スポーツで一般的なより具体的なタスク中にバイオフィードバックを適用できます。ゴルフスイング中の筋肉活動を分析するために、筋肉の厚さの変化を比較することができます。厚さはタスク全体で増加する必要があり、筋肉がより活発であることを示しています。この方法論により、臨床医は、関心のある筋肉の適切な活動を指示するための視覚ツールとして、患者のために超音波ビデオを即座に再生することができます。例えば、超音波は、ゴルフクラブまたは他の回転スポーツまたは活動をスイングするのに重要な役割を果たす外斜めおよび内斜めを標的にするために使用することができる。この方法論は、ゴルフスイング中に斜めの筋肉の厚さを増やすことを目的としています。さらに、筋肉収縮のタイミングは、タスク中の筋肉発火パターンを改善することを目的として、ダウンスイングの開始などの特定の時点で腹筋を収縮するように患者に指示することによってターゲットにすることができる。

外側腹壁の筋肉には、外腹斜筋、内腹斜筋、腹横筋が含まれます。外斜筋は横屈と対側体幹回転を行い、内斜筋は同側体幹回転を行います。腹横筋は腹部筋組織の最も深い層であり、腹腔内圧を高め、脊椎の分節安定性を高めるように機能します¹。これらの筋肉の適切な機能は、コアの安定性が四肢を通しての強さと力の増加を可能にするため、腰痛のリスクを減らし、運動能力を向上させるために重要です²。

ゴルフ、テニス、野球、ソフトボールなど、体幹の回転に重点を置いたスポーツでは、コアマッスルの需要が高くなります。たとえば、ゴルフスイング中、体のトレイル側の斜めは、表面筋電図を使用して測定した場合、最大随意等尺性収縮(MVIC)の64%でピークに達し、リード斜めは54%^MVIC3でピークに達します。体幹の回転は、ゴルフショットの距離と精度に大きく貢献します⁴.ゴルフスイングのストレスとコアマッスル活動に対する高い需要は、ゴルフ⁵で最も一般的な怪我である腰痛の一因となる可能性があります。さらに、腰痛のあるエリートゴルファーでは、健康な人と比較して、ゴルフスイング中に外斜め活動のタイミングが遅れます⁶。筋電図を使用した別の研究では、腰痛のあるゴルファーは腰痛のないゴルファーよりも脊柱起立筋の発症が早いことがわかりました⁷、前外側筋に焦点を当てることが有益である可能性があることを示唆しています。したがって、ゴルフスイング中の腹筋活動の程度とタイミングを測定することは、パフォーマンスを向上させ、腰痛のリスクを減らすために重要です。

リハビリテーション超音波は、この筋肉組織の層状性質のために外側腹壁筋を評価するために一般的に使用されます^8,9,10。仰臥位またはより機能的なゴルフスイングセットアップ位置での腰痛の有無にかかわらず、大学ゴルファーの腹横方向の活性化に違いはありません¹¹。ただし、腹横活動はゴルフスイングの1つの要素にすぎず、この集団にとって回転がより重要である可能性があります。以前の文献では、弾性ベルトとフォームブロックを使用して超音波トランスデューサーを腹部に固定し、シングルレッグスクワットや歩行⁸などの動的運動中のコア筋肉組織の超音波評価を可能にしました。動的運動中に超音波を適用することは、優れた信頼性¹²に許容できることが示されている。この技術は、ゴルフスイングまたは他のスポーツ固有のタスク中の側腹壁の厚さ変化を測定するために適用することができる。表面筋電図は筋肉の電気的活動を測定するために一般的に使用されますが、これは腹部領域ではあまり実現可能ではありません。層状の解剖学的構造は、筋肉間のクロストークをもたらし、コア¹³の個々の筋肉層の視覚的表現を可能にしない。超音波は、フィードバック用の画像を提供しながら、個々の筋肉の表現を可能にするため、コア筋肉組織の表面筋電図などの代替手段よりも優れています¹⁴。

超音波は関心のある筋肉の画像をリアルタイムで提供するため、視覚的なバイオフィードバックのツールとしても使用できます。超音波バイオフィードバックは、口頭での合図単独と比較して、腹横筋および腰椎多裂筋の筋肉の厚さを増加させる能力を改善しました^15,16。さらに、腰痛の有無にかかわらずゴルファーでは、リアルタイムの超音波バイオフィードバックにより、仰臥位およびゴルフセットアップ位置で腹横の厚さが増加します¹¹。仰臥位でのバイオフィードバックトレーニングは、直立負荷のタスクにも変換されます¹⁷。ほとんどの研究はシングルセッションまたは短期のトレーニングプロトコルであるため、バイオフィードバックトレーニングの必要な頻度と期間を決定するには、さらに研究が必要です¹⁵。超音波は機能的タスク中に適用されており、ゴルファーがセットアップ位置で深部筋の事前活性化を高めることができるという証拠があるため、研究は次に、ゴルフスイング中に斜めの筋肉の厚さを増やすための超音波バイオフィードバックの使用を調査する必要があります。

したがって、この方法論は、ゴルフスイング中の腹斜筋の活性化とタイミングを改善するためのフィードバックメカニズムとして超音波を使用することを目的としています。

現在のプロトコルは、セントラルフロリダ大学の治験審査委員会によって承認された研究の一部でした。インフォームドコンセントは、本研究のすべての人間の参加者から受け取られました。研究に含めるには、参加者は18歳から75歳の間で、過去1年間は少なくとも月に1回、過去2か月間は週に1回ゴルフをし、少なくとも2年間ゴルフをし、過去12か月間に少なくとも2回の腰痛のエピソードを経験している必要がありました。除外基準は、バランス障害、現在の妊娠、過去1年間の腰部または下肢の手術、またはトランスデューサーを配置する必要がある腹部の開放創でした。

1.超音波のセットアップとデータ収集

1. オン/オフボタンを使用して、超音波装置(材料の表を参照)を開いてオンにします。
2. キーボードの [患者 ] ボタンを押して新しい患者を追加し、画面の左側にある [ 新しい患者 ] を選択します。
   1. 目的の患者ID番号を入力し、試験タイプとして MSK が選択されていることを確認して、[ 登録]をクリックします。終了して試験を開始し、Bモードに入ります。
      注:MSK腹部プリセットの超音波設定、Bモード:Bカラー=ティントマップD、書き込みズーム高さ= 4、書き込みズーム幅= 4、熱インデックス= TLS、ATOレベル= 低、フォーカス数= 2、フォーカス数クロスXBeam = 2、フォーカス深度= 50、深さ(cm)= 3、圧縮= 1、フォーカス幅= 1、フォーカス幅クロスXBeam = 1、ライン密度= 3、ライン密度クロスXBeam = 3、 抑制 = 0、フレーム平均 = 4、平均から CrossXBeam = 2、CrossXBeam 2、CrossXBeam # = Low、CrossXBeam タイプ = 平均、エッジ エンハンス = 3、B ステア = 0、グレースケール マップ = グレー マップ C、ゲイン = 34、ダイナミック レンジ = 69、除去 = 0、周波数 (MHz) = 12。
3. リニアアレイトランスデューサのヘッドをベルトの中央にある水平スリットに通して、リニアアレイトランスデューサを弾性ベルトに配置します( 材料の表を参照)。次に、1〜2個のフォームブロックを適用して、トランスデューサーをその場所に固定します。
   1. 超音波ゲル(材料の表を参照)をリニアトランスデューサに適用します。トランスデューサーを臍8の約10cmの側壁に配置し^ます。
   2. 面ファスナーを使用してベルトを参加者に固定します。トランスデューサが外側腹壁⁸に対して垂直に固定されるように、ベルトが十分にきつく締まっていることを確認してください。
   3. 必要に応じて超音波の深さとゲイン(明るさ)を調整して、外腹、内斜、横腹筋の筋膜境界と筋肉の厚さの鮮明な画像を取得します。この縦方向の画面の端に腹横筋の筋膜境界が見えることを確認します(図1)⁸。
      注:深さは測定する個人のサイズによって異なりますが、腹横の深い筋膜境界が見え、画像が鮮明であることを確認してください。
   4. 画像が鮮明になったら、完了するタスクを反映するように患者を配置します。たとえば、ゴルフスイングを行う場合は、セットアップポジションで立ってもらいます。 フリーズを押してから[保存]を押して静止画像をキャプチャし、患者の検査に 保存 し、リアルタイムで測定するか、後でアクセスして安静時の筋肉の厚さを測定します。
      注:Bモード超音波を使用した側腹壁の鮮明な画像の例については、 図1 を参照してください。
4. もう一度 [フリーズ ]を選択して、ライブイメージングに戻ります。 ストア を押して、Bモードビデオでの録画を開始します。画面の右下隅で、タイマーが始まり、ビデオがキャプチャされていることを示す明るい緑色で強調表示されていることを確認します。録音が始まったら、フルゴルフスイングをするように参加者に指示します。
   1. もう一度 [ストア ] を押してビデオを終了し、試験に保存します。
      注:保存された画像とビデオはアクティブな画像の下に表示され、行ごとに最大5つが表示されます。カーソルを選択してスクロールするか、前の画像を選択します。
5. 研究に必要な回数だけ手順1.4を繰り返します。画像がぼやけた場合は、必要に応じてフォームブロック内の超音波プローブの位置を調整します。
   注:バイオフィードバック条件と非バイオフィードバック条件を比較する典型的なプロトコルは、条件ごとに3〜10回の繰り返しを使用します^11,17。
   1. 各試用後、画像の鮮明さについてビデオを確認します。画像がいずれかの時点で無響(完全に黒)になった場合は、超音波プローブがスイング中に動いたことを示しています。このような場合は、トライアルを除外して再測定してください。
6. 各スイングに続いて、超音波スクリーンを見ることができる場所に患者を配置します。最新の試用版を開きます。
   1. 関心のある筋肉の簡単な概要と説明を提供します(回転タスクの場合、これには外斜筋と内斜筋が含まれます)。運動中に筋肉がどのように太くなるべきかを説明し、試行錯誤を示し、各試行に基づいて教育を提供します。
   2. たとえば、タスク全体を通して斜めが比較的同じサイズのままである場合は、体幹を受動的に回転させるのではなく、運動中にコアマッスルを強制的に収縮させる次の試みに集中するように指示します。
      注:ゴルフスイング中の動力源としての体幹の回転に重点を置くことは、より熟練したゴルファーの一般的な特徴です¹⁸。回転運動中、タスク中にバイオフィードバックを提供することは一般に現実的ではありません。したがって、各試行の後にフィードバックを提供することは許容できると考えられる¹⁹。
7. バイオフィードバック試験を必要な回数だけ繰り返します。超音波画像と、各試行後に口頭での合図または指示を提供し、必要に応じて合図を調整します。

図1:静置時の右側腹壁の画像 。 (A)外斜め。(B)内斜め。(C)横腹筋。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. 静止画像処理

1. 測定する最初の静止画像を開きます。カーソルを使用して、アクティブな画像の下のライブラリから目的の画像にカーソルを合わせ、 Enterをクリックします。
   1. [一度測定]をクリックして、測定ツールを開きます。カーソルが対象の筋肉の上筋膜境界上にあるときにEnterをクリックします。
      注:本研究では、外腹斜筋と内腹斜筋は関心のある筋肉であるため測定されましたが、このビューでは腹横筋も測定できます。
   2. カーソルが下筋膜境界を越えたら、もう一度 Enter をクリックします。
      注意: 測定されたセグメントの長さは、センチメートル単位で画面の左下部分に表示されます。この長さを、参加者または患者の名前/番号と安静時の筋肉の厚さを含むように整理されたスプレッドシートに記録します。
2. 外部斜めと内斜めの両方を測定するために必要なすべての画像に対して、手順2.1.1〜2.1.2を繰り返します。

3. Bモードビデオ処理

1. 必要な数のビデオがキャプチャされたら、処理する最初のビデオを開きます。カーソルを使用して、アクティブな画像の下にあるライブラリから目的の画像にカーソルを合わせ、[ Enter ]ボタンをクリックします。
2. 最初のフレームに達するまで、Bモードビデオ内の表示フレームを調整します。目的のサンプリングレートを決定します。
   注:以前の文献では、0%〜100%の全フレームの10%間隔を分析に使用していましたが、目的に応じて多かれ少なかれ使用したい場合があります²⁰。
3. 目的のフレームが開いたら、 測定 ツールを使用します。ボタンを一度クリックしてツールを開き、目的の筋肉の上筋膜境界にカーソルを置き、 Enter をクリックして測定の最初の端を配置します。
4. 測定線を対象の筋肉の下筋膜境界にドラッグし、 もう一度Enter をクリックして測定を完了します。
   注意: 測定された距離は、画面の左下部分に表示されます。
5. ストアを押して、測定した画像を保存します。
6. 参加者または患者の名前/番号、フレーム番号、および厚さの測定を含むように整理されたスプレッドシートに測定値を記録します。元のBモードビデオフレームに戻ります(手順3.2)。
7. 分析する次のフレームまでスクロールします。たとえば、100フレームをキャプチャしたスイングの11の時間ポイント(0%から100%の間隔)をサンプリングする場合、フレーム10を使用します(つまり、10/100は合計100フレームのうちフレーム10に対応します)。
   1. 手順3.3〜3.4を繰り返して、次のフレームを測定します。
8. 目的のフレームがすべて測定されるまで、手順3.7を繰り返します。
9. 次のビデオに移動し、すべてのビデオが測定されるまで手順3.1〜3.8を繰り返します。
   注:ゴルフスイングのフェーズ全体で処理されたフレームの編集については、 図2 を参照してください。

4. 活性化率の計算

注意: 活性化率は、筋肉の厚さの変化の程度を決定するために一般的に使用されます^8,9,11。活性化率の式は、収縮厚さ(cm)/静止厚さ(cm)です。

1. 特定の時点での活性化率を決定するには、ステップ3に従って厚さを測定します。この値を、手順2で取得した静止画像の厚さで割ります。

図2:右利きのゴルファーのトレイル側(右)側腹壁のBモードビデオのフレームごとの分析。 EO =外斜め;IO =内部斜め。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

表1:非フィードバックと超音波のバイオフィードバック条件の間のゴルフスイング全体の複合斜めの厚さの比較。

望ましい結果を得るには、バイオフィードバック試験中に斜めの厚さの測定値を、従来の非フィードバックスイングと比較して大きくする必要があります。理想的には、これはゴルフスイングのすべての段階で発生します。複数の試行を使用でき、各試行は次の試行の前に議論されます。バイオフィードバック条件と非バイオフィードバック条件を比較する典型的なプロトコルは^{、条件11,17}ごとに3〜¹⁰回の繰り返しを使用します。たとえば、表1の試験に基づいて、患者に対する臨床医の次の指示は、斜めをターゲットにし、バックスイング中に体幹の回転力を増加させることです。この参加者の斜めの厚さの合計は、バイオフィードバック試験中の25%の時点で減少し、これはバックスイングのほぼ中央に相当します。他のほとんどの点では、バイオフィードバック試験中に斜めが大きくなり、これは患者がゴルフスイング中に斜めを効果的に使用する方法を理解していることを示唆しています。

この例では、画像の5%がサンプリングに使用されました。 図2に示すように、スイング中に180個のフレームがキャプチャされ、9個のフレームがゴルフスイングのフェーズを表すために測定されました。必要に応じて、サンプリングレートを上げて、超音波ビデオのより大きな割合を表すことができます。これには、プロトコルの「Bモードビデオ処理」セクションで説明されているように、より多くの画像の分析が必要になります。

バイオフィードバック試験が有効であったかどうかを計算するために、スイングの異なる時点での活性化率を比較することができます。活性化比は、収縮した厚さ、またはスイング中の厚さを取り、それを静止(またはセットアップ)厚さで割ります。1.0を超える比率は、筋肉の厚さが増加し、活動していることを示します。たとえば、 表1 の0%のスイング持続時間は、スイングが開始される前の外斜めと内斜めの厚さであるため、静止厚さとして使用できます。バイオフィードバックが提供された50%の時点で結合された斜めの厚さが増加したかどうかを判断するために、活性化率は次のように計算できます。

非バイオフィードバック:1.685 cm / 1.608 cm = 1.048

バイオフィードバック: 1.739 cm/1.555 cm = 1.118

この個々のサンプルに基づいて、バイオフィードバックは、ゴルフスイングの50%の持続時間で斜めの筋肉活性化のわずかな増加をもたらしたと推測することができる。

ビデオ1:右利きのゴルファーのゴルフスイング中の右外側腹壁のフルBモード超音波ビデオ。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ゴルフスイングなどの回転ベースのスポーツ運動に続く超音波バイオフィードバックを提供することを使用して、外側腹壁の筋肉の厚さを増やすことができます。代表的な結果に示されているように、超音波バイオフィードバックの単一の試験は、ゴルフスイング全体の斜めの筋肉活動の短期的な増加につながる可能性があります。

以前の研究では、動的タスク中に弾性ベルトで固定されたBモード超音波も使用されていました²⁰。これは、個人がトレッドミルの上を歩いている間に測定されました。本手法と同様に、Bモード映像を計測用の静止画の割合を小さくして歩行歩行サイクルを表現した。これにより、データ処理と分析は歩行サイクル全体で10%間隔でサンプリングされるため、より実行可能になります。現在のプロトコルは、複雑な回転ベースの動きの間にバイオフィードバックツールとしてBモード超音波を適用することによって、この方法論に基づいています。ただし、歩行は周期的であるため、このプロトコルとの直接比較には注意が必要です。ゴルフスイングは、アドレス、バックスイング、ダウンスイング、フォロー^スルー21などの小さな部分に分解できます。ただし、エリートプレーヤーのバックスイングは平均1秒未満、ダウンスイングの平均は0.25秒²¹未満であるため、Bモード超音波ビデオをゴルフスイングの特定のフェーズに同期するのは難しい場合があります。スイングフェーズを直接比較するために、臨床医はスイングビデオとBモード超音波ビデオを同期させることによって筋肉活動の変化を見ることができます。次に、スイングと超音波の画像をフレームごとに比較して、スイングのさまざまなポイントでの筋肉活動を決定できます。Bモードビデオをストップウォッチに同期させ、スイングの開始時と終了時のラップタイムを設定することで、スイングフェーズの大まかな見積もりも得られます。バックスイングが始まると、バックスイング中にトランクを右側に向かって回転させるにつれて、トレイル側(右利きのゴルファーの右側)の内部斜めの厚さが増すことが予想されます。同様に、リード側(右利きのゴルファーでは左)の外側斜めは、スイング²¹のこの段階では反対側の体幹回転があるため、バックスイング中に厚さが増すはずです。ゴルフスイングのフェーズ全体の斜めの活動のフレームごとの比較については、 図2 を参照してください。

重要なステップは、回転運動中に正確で鮮明な画像を得るために、探触子との一貫した皮膚接触を確保することです。これには、使用するフォームブロックのトラブルシューティングまたは変更が必要になる場合があります。たとえば、個人が大きい場合と小さい場合、必要なパディングの量が異なる場合があるため、データ収集の前に画像の鮮明さを確認することをお勧めします。臨床医が超音波スクリーンを観察して画像の鮮明さを確保している間、ポジショニングに慣れることができるように、いくつかの練習スイングを実行するように個人に指示します。トランスデューサーは腹部にしっかりと巻き付けられた弾性ベルトで固定されるため、この慣れた期間は重要です。これにより、個人は機器に慣れ、可能な限り正常にスイングすることができます。ベルトはメカニズムを最小限に変えることができますが、一貫して鮮明な画像を可能にします。

この方法論の追加の制限には、不鮮明な画像の可能性が含まれます。不鮮明な画像のリスクは、適切な配置と慣れた期間で軽減できますが、Bモードビデオ全体の一部のフレームは不明瞭になる場合があります。サンプリングレートを選択したり、測定するフレームの割合を決定したりするときは、鮮明な画像を確実に分析するために、いくつかの調整が必要になる場合があります。たとえば、フレーム1から始めて10フレームごとに測定する場合、研究者および/または臨床医は、目的の画像の焦点が合っていない場合、11番目ではなく12番目のフレームを使用するなど、わずかに順序のずれたフレームを選択する必要があります。皮膚とトランスデューサーの間の一貫した接触を維持することは、画質の低下のリスクを減らすために不可欠です。ビデオ1は、フルBモード ビデオ の例を示しています。異なる時点で一時停止すると、視聴者は、適切な手順に従った場合でも、フレームがぼやけることがあります。これらの課題にもかかわらず、動的超音波評価は信頼できる尺度です¹²。

超音波装置上で実行される画像処理のための現在の方法論に加えて、他の処理ソフトウェアは、厚さ変化を測定することができる¹²。たとえば、ビデオを外付けドライブに保存し、自由に利用できる測定ソフトウェアを備えたコンピューターで開くと、超音波装置を必要とせずに後で処理できます。このタイプのソフトウェアでも同様の手順が使用され、目的のフレームのスクリーンショットがビデオから取得され、測定ツールを使用して分析されます。この方法を使用する場合は、超音波画像の右側にある深度測定値を参照線として使用して、画像のスケールを設定してください。

超音波バイオフィードバックを使用して参加者をトレーニングするには、解剖学の健全な理解、超音波装置への習熟、および画像またはビデオを参加者にリアルタイムで説明する能力が必要です^22,23。超音波バイオフィードバックのこの方法は、パフォーマンスの知識を備えた拡張フィードバックと見なされ、患者には、運動を完了している間に何をしたかを示す追加情報(筋肉活動のビデオ)が与えられます。負傷集団では、拡張フィードバックは感覚経路の変化のために欠落した情報を提供する可能性があります¹⁹。拡張フィードバックは、学習を強化し、複雑なタスクを学習するために必要な練習の量を減らすことができます¹⁹。バイオフィードバックのタイミングは議論されており、この方法論の1つの制限は、同時フィードバックが最も効果的であるように思われることです¹⁹。ただし、スイング中にフィードバックを提供することは、超音波画像とゴルフスイングの性質上、実行可能ではありません。したがって、スイング後のフィードバックを提供することは合理的な代替手段です。最後に、バイオフィードバックトレーニングの理想的な頻度は確立されておらず²⁴、将来の研究では、最も効果的な戦略を決定するために長期フィードバックトレーニングを比較する必要があります。

現在のプロトコルはゴルフスイングに焦点を当てていますが、体幹の回転に焦点を当てた他のスポーツについても同様の方法論に従うことができます。これらには、とりわけ、テニス、野球、ソフトボールが含まれます。これらも回転成分を含むので、側腹壁も同様に標的にすることができ、超音波はバイオフィードバックに使用することができる。このプロトコルは、ゴルファーの腰痛の有病率が高いため、ゴルフスイングに焦点を当てており、一般的には、横方向のせん断力と圧縮力と組み合わされた体幹の急速な回転に起因します⁴。今後の研究では、超音波バイオフィードバックを使用したトレーニングが、ゴルフやその他の回転ベースのスポーツにおける筋肉活動パターンを改善し、腰痛のリスクを軽減できるかどうかを調査する必要があります。

著者は、報告すべき関連する開示を持っていません。

何一つ。