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アグレッシブなスキー行動と見た目の美しさに及ぼすスキー形状の影響:アルペン大回転スキーレースにおける重度の外傷性膝関節損傷のリスクを低減するために設計された装置

概要
背景・目的
アグレッシブなスキーと雪のインタラクションは、力がダイレクトに伝わり、スキーがカービングするとエッジから離れにくいという特徴がある。この行動は、大回転(GS)での重度の膝関節損傷の主な原因であることが示唆されている。今回の研究の目的は、2つの観点から検討することで、GSにおける新しい用具の仕様の基礎を提供することでした。本研究の目的は,傷害予防のためのスキーの攻撃性の低減と,観客に対するスキーレーサーの技術の外見的な魅力の維持という2つの観点から,GSの新しい装備仕様の基礎を提供することである。

方法
理論的考察に基づいて3つのGSスキープロトタイプを定義し,リファレンススキー(Pref)と比較した.プレフと比較して,すべてのプロトタイプは,プロファイル幅を縮小し,スキー長を増加させた.プレフの構造半径(サイドカット半径)は27m以上であったが、プロトタイプではこれを大きくした。30m(P30)、35m(P35)、40m(P40)。ワールドカップレベルのアスリート7名が,3つのプロトタイプとプレフのそれぞれでGSランを行った。スキーと雪の相互作用に関連する運動変数を評価し,スキーのアグレッシブさを定量化した。さらに,13名のアスリートが,アグレッシブさに関する主観的な認識を評価した.また,15人のスポーツ学生が,ビデオ撮影された複数の滑走を評価し,外見的な魅力を評価した。

結果
スキーのアグレッシブさを定量化する運動変数は,P35とP40でPrefとP30に比べて値が減少した。サイドカット半径が大きいほど,主観的に感じられる攻撃性は減少した.外見的な魅力はP40でのみ低下した。

結論
今回の調査では,試作品の傷害予防効果と外見的な魅力について,以下のような評価が得られた。P30:予防効果なし、魅力低下なし、P35:予防効果大、魅力低下大なし、P40:予防効果大、魅力低下大。

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はじめに
スキーヤーの安全は、国際スキー連盟(FIS)にとって重要な問題である。2006年からは、FISの指導・支援のもと、「FIS傷害サーベイランスシステム」の中で、競技スキーの傷害予防に関するエビデンスに基づく研究が行われている。van Mechelenらによる一連の予防モデル1 に従って、疫学2〜5および傷害原因の分野で研究プロジェクトが実施されてきた6〜11。
9 ワールドカップアルペンスキーにおけるACL損傷の主なメカニズムは、外側のスキーの内側のエッジが雪面を急激に捉え、外側の膝が内旋および外反するスリップ・キャッチ・メカニズムであることがわかりました10。同じ研究で、ダイナミックな除雪機でも同様の負荷パターンが観察されました。同じ研究では、ダイナミックプラウでも同じような荷重パターンが観察されている。したがって、事故防止のためには、スリップキャッチメカニズムとダイナミックプラウに焦点を当てるべきである10。
ワールドカップ・スキーレース界の専門家関係者の認識では、アグレッシブなスキー挙動が前述の傷害メカニズムの主な要因の1つとされている6,8。アグレッシブなスキー挙動の特徴は、スキーと雪の間の力の伝達が直接的すぎることと、カービングをするとスキーがエッジから離れにくくなる現象である。その結果、バランスを崩したときにアスリートはスキーをコントロールすることができず、セルフステア効果により、スキーの挙動は予測不可能になる。しかし、よりアグレッシブでないスキー(例えば、回転半径が大きいもの)は、理論的にはセルフステア効果の低下と関連しており、コントロールされたスキー(つまり、バランスを崩さない状況)でのパフォーマンスに影響を与える可能性がある14 ,15。
そこで、本研究の目的は、スキーの攻撃性を低減することでGS特有の傷害を予防し、かつスキー技術の外見的な魅力を観客に維持するという目標の達成可能性を検証することで、FISの意思決定者に大回転(GS)の用具仕様変更のための根拠を提供することである。

方法
プロトタイプの定義
最初のステップとして,プロトタイプを決定し,構築し,分析した.研究者、FISレースディレクター、SRS(Ski Racing Suppliers Association)の代表者で構成される専門家グループが、実用的かつ既存の科学的知識を考慮してプロトタイプを定義した。6,15 スキーのセルフステア効果は、主にサイドカット半径とスキーの曲げ特性に依存すると想定された。SRSの建設的・商業的な配慮と、FISによる競技後のルールの適切な実行に関する制限から、一定の制約が生じる。これらの制約を考慮して,表1に示すように,3つの基本的な幾何学的変数(長さ,幅,サイドカット半径)16〜18のみを変更し,実験的にテストした。すべてのプロトタイプは,SRSの指導のもと,事前に定義された幾何学的変数と材料構成を厳密に遵守して製作された.4社(Atomic,Fischer,Head,Rossignol)が試作品をすべて製作した.対応するリファレンス・スキー(Pref)は、この研究の時点で使用されていた競技用機器です。P30、P35、P40のすべての試作品は、Prefと比較して、バインディング下のプロファイル幅(スキー幅)が小さく、スキー長が長くなっている。また,セルフステア効果に関連する主要な変数14であるサイドカット半径を大きくした(表1).サイドカット半径の増加とバインディング下の幅の減少の組み合わせにより,定義上,スキー全体のプロファイル幅がPref.と比較して減少している.

主観的に認識された攻撃的なスキー行動の決定(実験1
13人のエリート男性アルペン選手(ヨーロッパカップおよびワールドカップレベル)がこの研究に参加した。実験に先立ち,プロトタイプに慣れてもらうため,フリースキーとGSのトレーニングを数回実施した.バイオメカニクス実験に参加した後,ビジュアル・アナログ・スケール(VAS)シートに記入してもらい,プロトタイプを使って滑ったときに主観的に感じたPrefに関連する攻撃性を評価した(図1).

スキーの攻撃性は、スキーと雪の相互作用のさまざまな特徴に現れることが知られている。6,8 総合スコアは、攻撃性を直接問うことなく、結果として生じる攻撃的行動の3つの特徴の平均として算出した(3つのVAS値の平均)。総合的な攻撃性スコア」の差の有意性は、一元的反復測定分散分析(ANOVA)で検証した(Pref/P30/P35/P40; p<0.05)。有意な場合には、事後検定を行った(Bonferroni)。さらに,隣接する2つのスキー形状のスコア距離(差)についても,上述の統計的手順を適用した(Pref↔P30/P30↔P35/P35↔P40)。
アグレッシブなスキー行動のバイオメカニクス的定量化(実験2

ワールドカップレベルの男性アスリート7名がこの研究に参加した。選手は,典型的な GS コース(18 歩行,ウォーターインジェクション)において,各スキーで 3 本の滑走を行い,最も速い 2 本の滑走を分析対象とした.分析されたセクションは8つのゲートで構成されており、選手と条件ごとに16回のターンが行われました(合計ターン数=448回)。

図1 機器の攻撃性を評価するVAS(Visual Analogue Scale)。
アグレッシブなスキー行動をバイオメカニクス的に定量化するためのアプローチは,以下の考察に基づいている.具体的には,スキーの前胴部は,雪をせん断して貫通することで雪に溝を作る20,21.これにより、スキーの前胴部で摩擦が発生し、スキーヤーの慣性とともに、スキーとスキーヤーの接点(前足と道具の接触部分)で負荷がかかることになる。リバースキャンバーが深いほど(サイドカットの半径やエッジの角度によって)、セルフステア効果14,15が顕著になるため、スキーはより速く回転し、その結果、用具とスキーヤーの間で力が伝達される部分でより明確な負荷がかかることになる。したがって、アグレッシブなスキーの挙動を定量化するために地面反力を測定することは合理的であると考えられる。

今回の研究では、足とスキーブーツの間の局所的な負荷を定量化するためにプレッシャーインソールを使用した(PEDAR;Novel;100Hz)。圧力値に基づいて、体重(BW)に対する以下の力を計算した(図2)。全接地反力(Ftot),外足の接地反力(Fout),前足(Foutfor)と後足(Foutaft)のFout部分。使用した圧力インソールは,実際の力の値を過小評価することが知られている。22 しかし,ハイレベルなアスリートを対象とした従属的な(つまり,異なるスキー場での)研究デザインでは,運動実行中のアスリートへの障害を最小限に抑え,さらに,力が伝達される領域を描き出すことができるため,適用した方法は適切であると考えられる。ターンの分離はエッジチェンジ時のFtotの機能的最小値に基づいて行われた23。時間正規化されたデータは,以前に報告されたGSの運動データに基づいて4つのフェーズに分けられた:0-23% 開始,23-52% COM Direction Change I,52-82% COM Direction Change II,82-100% 完了。12,24 パラメータの計算と後処理はMATLAB R2012b(MathWorks社)を用いて行った。

図2 上:実験中に左へのターンを行う競技者。この場合、右脚が「Outside Leg」(アウト)、左脚が「Inside Leg」(イン)を表す。下。選択した地面反力パラメータを算出するためのセンサ定義→Total(Ftot)、Outside Leg(Fout)、Foutの前足側の部分(Foutfor)、Foutの後足側の部分(Foutaft)。

各競技者および条件ごとに、平均カーブを算出した。これらの個人の平均曲線に基づいて,ターン経路全体のグループ平均値を算出し,平均曲線±SEとしてグラフ化した。特定のターンフェーズの平均値はmean±SDとして報告され,有意差があるかどうかを検証した(p<0.05)。各ターンフェーズについて、反復測定多変量ANOVA(MANOVA)(従属Ftot/Fout/Foutfor/Foutaft;独立Pref/P30/P35/P40)を計算した。全体的に有意な場合は、ボンフェローニ補正による事後検定を含めて、各変数について一元反復測定ANOVA(Pref/P30/P35/P40)を行った。さらに,隣接する2つのスキー形状の距離(差)についても,事後検定付きのANOVAを適用した(Pref↔P30/P30↔P35/P35↔P40)。

ワールドカップの状況を再現するために,動的dGNSSを用いて1名のスキーヤー(プレフを使用)のスピードを測定し,静的dGNSSを用いてコース設定を特徴づけた25.ゲート距離(±IRQ)の中央値(25.44±0.81m)と水平方向のゲート距離の中央値(7.13±1.16m)は、GSワールドカップの平均的なコース設定(それぞれ26.24±2.25mと7.47±2.93m)よりもわずかに短かった。 26 地形傾斜の中央値(-23.3°±1.9°)は、GS ワールドカップレース(-17.8°±7.0°)に比べてやや急であった。

外見的な魅力の判断(実験3
この研究には、日頃からGSのイベントをテレビで見ているスポーツ学生20名が参加した。バイオメカニクス実験で行われた28本のビデオセット(5ゲートセクション、n=7×(Pref+ P30+P35+P40))を数回に分けて参加者に提示した。セッション1とセッション2では,28本のビデオのスペクトルに関して参加者にプライミングを行った。Session1とSession2では,28個のビデオのスペクトルについてのプライミングを行い,Session3とSession4では,VASを用いてランダム化されたビデオの評価を行った(図3)。セッション3とセッション4では,5分間の休憩が許され,セッション間では15分間の休憩が与えられました。

図3 外見的な魅力を評価するための視覚的アナログスケール(VAS)。
参加者の評価者信頼性を評価するために、Session3とSession4の間で28のVAS値の個人相関を計算した結果、r<0.7の5人の参加者が除外された。残った15名の参加者のVAS値について、最終的に統計的な差異を検証した(Session3)。外見的魅力に関するVAS値の有意性は、ボンフェローニ補正による事後分析を含む二元配置反復測定ANOVA(4(Pref/P30/P35/P40)×7(アスリート);p<0.05)で検証した。

結果
主観的に認識された攻撃的なスキー行動の決定(実験1
ANOVAおよびすべてのペアワイズ比較の結果、総合的な攻撃性スコアに有意な差が見られた(図4)。VASスコアはサイドカット半径が大きいほど減少した(Pref>P30>P35>P40)。また、サイドカット半径の増加に伴い、攻撃性の認知度はほぼ直線的に低下したため、隣接する2つのスキー形状間のスコア距離には有意な差は見られなかった(p>0.175; ηp2=0.272)。
図4 4つのスキー条件(n=13)における攻撃性知覚値の平均±SD。負の値は,Prefに比べて攻撃性スコアが減少したことを表す。横の棒は有意差を示す(*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001)。
アグレッシブなスキー行動のバイオメカニクス的定量化(実験2
4つのスキーサンプルの地面反力の時間経過を図5に示す。一般的に,すべての地面反力パラメータはサイドカット半径が大きくなるにつれて減少し,特にゲート通過後の段階で減少した.この観察結果は、特定のターンフェーズに関するMANOVAの結果からも支持される。開始(p<0.225, ηp2=0.201)とCOM Direction Change I(p<0.078, ηp2=0.245)は有意ではないが、COM Direction Change II(p<0.022, ηp2=0.331)と完了(p<0.014, ηp2=0.349)は有意であった。

図5 ターンの1サイクルで発生する地面反力(Ftot、Fout、Foutfor、Foutaft、図2で定義)の平均値の推定値(±SE)周辺の不確かさの領域(n=7):黒から薄い灰色までが次のスキーに対応する。垂直の点線は、特定のターンフェーズを区切っています。
COM の方向転換 II では、次の ANOVA で Ftot、Fout、Foutfore に有意差が見られたが、Foutaft には見られなかった(表 2)。ポストホック比較では、どのパラメータについてもPrefとP30、P35とP40の間に有意差は見られなかった。他のすべてのペアワイズ比較では、Foutforeで最大の差が見られた(-11.2%から-17.2%;表2)。このパラメータでは,隣接する2つのスキージオメトリの距離も有意であった(p<0.028,η=0.831)。Pref↔P30(0.02BW±0.04)はP30↔P35(0.11BW±0.04)に比べて有意に小さく(p<0.042)、P30↔P35はP35↔P40(0.03BW±0.02)に比べて有意に大きく(p<0.048)、Pref↔P30とP35↔P40には有意な差はなかった。

表2 実験したスキー(Pref, P30, P35, P40)のCOM Direction Change IIにおける平均接地反力(Ftot, Fout, Foutfore, Foutaft in N/BW)の記述的および推論的統計量
外観上の魅力の決定(実験3
二元配置のANOVAといくつかのポストホック分析の結果、外見上の魅力に有意な差が見られた(図6)。因子 ski については、Pref、P30、P35 には差が見られなかった。しかし、P40は他のすべてのスキーと比較して有意に魅力がなかった。

図6 4つのスキー条件(n=15)における外部魅力度値の平均±SD。横の棒は有意差を示す(*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001)。

考察
本研究で得られた主な知見は以下の通りである。1)スキーの長さ、幅、サイドカットの半径を少しずつ変化させる(PrefとP30)と、スキーの攻撃性の認識が変化することがわかったが、バイオメカニクス的に定量化された攻撃性の有意な低下は見られなかった。(2) サイドカット半径が大幅に大きくなると(35mと40m)、ゲート通過後の地面反力が減少し、特に外側の足の前足下に作用する力が減少し、スキーの攻撃性の認識が低下した;(3) サイドカット半径が大きくなっても前足下に作用する力は直線的に減少しなかった(P30↔P35>P35↔P40);(4) P40で滑った場合のみ、外見的な魅力が有意に低下した。

アグレッシブなスキー行動の定量化
サイドカット半径は、スキーのターンの仕方を大きく左右するため、スキー形状の中でも最も重要な変数のひとつである。

スキーのエッジを立てて雪面に押し付けると、サイドカットの半径によってスキーがリバースキャンバーの状態になり、スキーが前進しながらターンする。これをスキーのセルフステア効果と呼びます14。怪我のメカニズムという観点からも、この挙動は興味深いものです。言い換えれば、コントロールされたスキーでの「セルフステアリン グ効果」という機能的にポジティブな関連語14 ,15 ,28 ,29 は、アウトオブバランスの場合にはネガティブな関連語となり、「アグレッシブなスキー動作」と呼ばれることになる6 ,8-10 厳密に言えば、本研究はコントロールされたスキーでの様々なスキー形状のセルフステアリン グ効果を調査したものである。したがって、スキーの攻撃性は間接的にしか検討されていない。バランスを崩した状態で攻撃性を評価することは実験的に難しく、また、アスリートを意識的に大怪我のリスクポジションに追い込むことになるため、倫理的にも正当化できないことを述べておかなければならない。
方法の中で機械的な観点から説明したように、Foutforeはセルフステア効果の合理的な尺度であり、したがってアグレッシブなスキー動作の推定値であると思われる。サイドカット半径が大きくなるとFoutforeが減少することは、上述の議論を裏付けている。サイドカット半径が大きいスキーをしている間は、セルフステアリング効果が弱くなり、その結果、スキーの前胴部が雪を貫通したりせん断したりすることが少なくなる。14,15,19-21 このアプローチの利点は、知覚された攻撃性の評価と比較して明らかである。結果は主観的に偏りがなく、使用したスキーの距離の違いも確認された(Pref↔P30P35↔P40)ことから、このパラメータは微妙な違いの評価に敏感であると思われる。
15,27,30 サイドカット半径の小さいスキーの操舵に関連して内脚の荷重が注目されたが、29 操舵の主役はやはり外脚である。内側の脚は主に外側の脚をサポートするために使用され、例えば、結果として生じる力の方向が全身の傾きと一致しない場合に内側に倒れすぎないようにするために使用される。今回の研究では、この現象に関して最大の違いが観察された(FoutとFoutforeで有意)。
興味深いことに、純粋なカービング・ターンを滑るための理論的考察は、COM Direction Change II の段階と最もよく一致しています。この段階では、スキッド角とターン半径が最も小さくなり、カービング量が多くなる21,31。この研究では、この段階で最も顕著な違いが見られ、セルフステア効果、ひいては様々なスキーのアグレッシブさを調べるのに適切なモデルであると思われる。ACL損傷の半分以上はターン中に発生しており、主にフォールラインからのステアリング段階で発生しているため、傷害予防の観点からも、この段階は特に興味深い。

ケガ防止策としてのスキー形状
GSにおける最も極端な水平方向のゲート距離を比較した初期の研究では、コース設定の変更が十分に大きくない限り、アスリートはタイミング戦略を変更することで適応し、部分的に補うことができるため、傷害のリスクはそれほど減らないと結論づけている12。一方、より大きな変更を加えると、通常の技術的解決策の枠を超えてしまい、アスリートはスキー技術を大幅に変更しなければならなくなる。一方、より大幅な変更は、通常の技術的解決策の枠を超え、選手はスキー技術を大幅に変更しなければならなくなります。したがって、魅力を維持しながら傷害リスクを最小限に抑えることは、意思決定者にとっての課題であり、慎重に検討しなければならない。
私たちの知る限り、予防策を導入する前に両方の側面を評価するという戦略はユニークであり、今回の研究でアルペンスキーレースにおいて初めて実施されました。予防の観点からは、サイドカットの半径が35mになると大きな利益が得られる(P30とP35の間で最も高い距離)が、魅力の観点からは、サイドカットの半径が40mの場合にのみ、P35と比較して傷害リスクの中程度の追加的な減少を伴う有意な損失が観察された。この違いは、FISの意思決定者にとって、性能に関する議論と傷害に関する議論のバランスを取る上で重要です。
何十年もの間、FISは国際スキー競技会の運営団体として、傷害予防の観点からレーシングスキーの様々な幾何学的パラメータに制限を設けてきた。しかし、2003年と2007年に仕様が改訂されるなど、継続的な努力がなされてきたにもかかわらず、16,32年の6シーズン(2006年から2012年)連続で、怪我の発生率が驚くほど高いことが報告されています2,3。今回の研究では、疫学、内部危険因子、メカニズムに関する先行研究2-11に基づいたターゲット指向の予防策を、介入の大きさと魅力への影響に関して評価しました。このように、本研究の主な強みは、FISが機器仕様の最新の改正を行う際に考慮した、エビデンスに基づくレベルの実質的な新しいデータを提供したことである18。

結論
本研究では、典型的なGSコースを滑っているときの、さまざまなスキー形状の攻撃性を調査した。バランスを崩した状態での「アグレッシブ」なスキーの挙動は、スキーと雪の相互作用において直接的な力の伝達と関連しており、GSにおける重度の膝の負傷の主なリスク要因であることが知られている。外側の脚の前足部にかかる地面反力は、スキーの攻撃性を定量化するための革新的で合理的な手段であると思われる。選手の知覚を評価するのに比べて、前述の尺度はより繊細で、主観的なバイアスがない。
さらに、この研究から得られたデータは、スキーの自己力学的効果(バランスを崩した状況での攻撃的なスキーの挙動)を減少させることによる傷害予防の潜在的な利益と、観客にとっての魅力の喪失の始まりは、異なるレベルの介入で発生することを示している。その結果、FISの意思決定者に対して、この調査は3つの証拠に基づく議論を提案した。(1) P30: 予防的利益なし、魅力の損失なし、(2) P35: かなりの予防的利益、魅力の大幅な損失なし、(3) P40: 最高の予防的利益、魅力の大幅な損失。

新たな知見とは
・アルペンスキーにおいて、予防策を導入する前に、外部からの魅力と組み合わせて予防効果を評価した初めての研究である。
・障害予防のためのアプローチで、種目別に、障害特有のリスク要因に対応している。

今後、臨床現場にどのような影響を与える可能性がありますか?
・スキーのアグレッシブさの低下は、主観的な偏りがなく、主観的な評価に基づくよりも高い解像度で、外足の前足下の地面反力を計算することで定量化できる。
・スキーの長さやサイドカットの半径を適度に調整しても、特定のリスク要因に影響はありませんが、サイドカットの半径をより顕著に大きくすることで、プラスの効果が得られます。
・怪我の予防につながる可能性と、魅力の低下が始まる可能性は、それぞれ異なるレベルの介入で生じるものであり、FISの競技規則を適切に改訂するためには、このことを知ることが重要である。