等尺性筋収縮による筋力増強トレーニング：鍛えた角度でしか強くならないのか

関節の角度を変えずに筋に力を入れる等尺性の筋力トレーニングでは、強くなるのは鍛えた角度の前後20°くらいまで、という説明があります。この20°という数字の出どころとして考えられるKnapikら（1983）の研究では、肘を伸ばす筋を90°で10週間鍛えると、70°、90°、110°で測った筋力が、どれも同じくらい増えていました。示されたのは20°離れても筋力が増えたということで、20°より外の角度は測られていませんでした。

膝蓋骨を骨折して手術を受けた患者さんが、膝を伸ばした位置で装具に固定されている場面を考えてみましょう。担当の理学療法士は、膝を伸ばしたまま太ももの前の筋に力を入れる練習を、1日に何回も行うよう指導しました。実習生は、「等尺性の運動は、鍛えた角度の前後20°くらいでしか強くならない」と教わったことを思い出しました。膝を伸ばした位置で鍛えた筋力は、のちに膝を曲げて立ち上がるときにも役立つのでしょうか。力はどのくらいの強さで、何秒入れればよいのでしょうか。

等尺性収縮とは：関節は止まっていても、筋の中は動いている

等尺性収縮は、関節の角度を変えずに筋に力を入れる収縮です。壁を押す、膝を伸ばしたまま太ももに力を入れる、といった動きがこれに当たります。筋が縮みながら関節を動かす求心性収縮や、伸ばされながら力を出す遠心性収縮と並ぶ、筋の収縮様式の1つです（くわしくは「筋の収縮様式」）。

「等尺」は長さが等しいという意味ですが、筋の中の長さまで変わらないわけではありません。関節の角度が同じでも、筋に力を入れると筋線維の束は縮み、腱や腱膜が伸びます。超音波で筋線維の束の長さを測った研究では、力の入れ具合によって、同じ関節角度でも筋線維の束の長さが変わっていました（Tanakaら 2016）。この点は、あとで「どの角度で鍛えるか」を考えるときに大切になります。

大戦末期に始まった、リハビリテーションとしての筋力トレーニング

筋力トレーニングがリハビリテーションの方法として広まるきっかけは、第二次世界大戦の終わりごろにありました。1945年に米国の陸軍の医師DeLormeは、けがをした兵士の回復を早めるため、10回だけ持ち上げられる重さで何セットも運動させる方法を試しました。1948年にはこれを、重さを段階的に上げながら10回を3セット行う方法にまとめ、漸増抵抗運動と呼びました。この方法はすぐに軍と一般の理学療法の標準になり、重りを使う筋力トレーニングを医療の中に定着させました（Toddら 2012）。

一方で、関節を動かさずに筋に力を入れる方法も研究されました。1953年にはドイツのHettingerとMüllerが、筋の働きとトレーニングについての論文を発表しています（HettingerとMüller 1953）。道具をほとんど使わず、短い時間でできる等尺性のトレーニングが、どれだけの効果をもつのかが問われるようになりました。

等尺性トレーニングで筋力は増えるのか

効果をはっきり示すには、比べる相手を置いた実験が必要です。Komiら（1978）は、一卵性の双子6組を対象に、1人には右脚の膝を伸ばす最大の等尺性収縮を週4回、12週間行ってもらい、もう1人は運動しないで比べました。鍛えた脚の等尺性の膝伸展筋力は20%増え、鍛えていない左脚でも11%増えました。運動しなかった双子の筋力は変わりませんでした。運動しない対照を置いたことで、筋力の増加が成長や偶然ではなくトレーニングによることが示され、双子で比べたことで遺伝の違いの影響も除かれています。鍛えていない反対側の脚まで強くなったことや、筋電図の活動が増えたことは、筋だけでなく、筋を動かす神経の側にも変化が起きたことを示唆します。

JonesとRutherford（1987）は、片脚の大腿四頭筋を12週間、等尺性に鍛えました。等尺性の筋力は35%増えましたが、筋の断面積の増加は5%で、筋力の増加より小さく、両者に相関もありませんでした。この研究では、反対側の脚の筋力は変わりませんでした。著者らは、はじめの12週間の主な変化は、筋の断面積あたりに出せる力が増えることだと結論しています。

「前後20°」の出どころ

等尺性トレーニングの説明には、「鍛えた角度の前後20°くらいでしか筋力が増えない」というものがあります。この20°という数字の出どころとして考えられるのが、Knapikら（1983）の研究です。肘を伸ばす筋を90°で等尺性に10週間鍛えたところ、70°、90°、110°で測った筋力は、どれも同じくらい増えました。著者らは、鍛えた角度から20°の範囲では角度の特異性は見られなかったと結論しています。この研究が示したのは、20°離れても筋力が増えたということであり、20°の外で増えないことではありません。20°より外の角度は測っていないからです。

一方で、増加が鍛えた角度のごく近くに限られた研究もあります。KitaiとSale（1989）は、足首を90°にした位置でふくらはぎの筋を6週間、等尺性に鍛え、5°きざみで筋力を測りました。筋力が増えたのは、鍛えた角度と、その両隣の角度だけでした。電気で筋を刺激したときの収縮の力は増えなかったことから、著者らは、角度による違いは神経の働きの変化によると結論しています。

鍛えた角度で筋力が特に増えるという現象が本当にあるのかを、運動しない群と比べて確かめたのがLanzaら（2019）です。膝を65°曲げた位置で膝を伸ばす筋を4週間に14回鍛え、35°から95°までの5つの角度で筋力を測りました。筋力は、鍛えた65°で12%増え、50°で11%、80°で7%、35°で5%増えました（図1）。著者らは、等尺性トレーニングによる筋力の増加が角度に特異的であることの確かな証拠だとしています。一方で、筋電図で見た神経の働きの変化には、角度による違いは見られませんでした。筋力の増加は鍛えた角度で最も大きく、離れるほど小さくなりますが、30°離れた角度でも増えていたのです。

図1　膝を65°曲げた位置での等尺性トレーニングによる、角度ごとの最大筋力の増加（Lanzaら 2019をもとに作成）。0°は膝を伸ばした位置。95°でも測定しているが、抄録に増加の値の記載がないため示していない

「1日1回、短く力を入れれば十分」という考えも、確かめ直されています。Satoら（2022）は、肘を曲げる筋で、3秒間の最大の等尺性収縮を1日1回、週5日、4週間行ってもらいました。増えたのは遠心性収縮での筋力だけ（7.2%）で、等尺性の筋力ははっきりとは増えませんでした。同じ1日1回でも、遠心性の最大収縮をした群では、等尺性の筋力が10.2%増えていました。1日1回3秒という少ない量では、等尺性の筋力を増やすには足りない可能性があります。

角度より、筋の長さ

増加が広がるかどうかを分けていたのは、関節の角度そのものより、鍛えたときの筋の長さでした。BandyとHanten（1993）は、女性107人を、膝を30°、60°、90°曲げた位置で大腿四頭筋を鍛える群と、運動しない群に分け、8週間後に15°から105°まで15°ごとに筋力を測りました。大腿四頭筋が伸ばされる90°で鍛えた群では、測ったすべての角度で筋力が増えました。膝を曲げるほど、膝を伸ばす大腿四頭筋は長くなります。

Kuboら（2006）も、膝を50°と100°に曲げた位置で、最大の70%の力を15秒間、6セット、12週間鍛えて比べました。筋が短い50°で鍛えると、筋力の増加は鍛えた角度とその近くに限られましたが、筋が長い100°で鍛えると、すべての角度で筋力が増え、腱も硬くなりました。Noorkõivら（2014）は、筋が短い位置で鍛えた群では、鍛えた角度の近くで13.4%の筋力の増加が筋電図の変化と結びついていた一方、筋が長い位置で鍛えた群では、筋の体積と断面積が増えたことを報告しています。26件の研究をまとめた系統的レビューも、長い筋の長さでの等尺性トレーニングのほうが、筋の肥大が大きく、動きの中での筋力にも移りやすいとしています（Oranchukら 2019）。

超音波で筋線維の束の長さを測った研究は、このしくみをさらに具体的に示しました。Tanakaら（2016）は、足首を20°底屈した位置で、ふくらはぎの筋を最大の30%の力で鍛えました。筋力が増えたのは、鍛えた20°ではなく、0°と10°でした。最大の30%で力を入れたときの筋線維の束は、0°や10°で最大の力を入れたときに近い長さになっていました。筋力が増えたのは、筋線維の束の長さが鍛えたときと同じになる角度だったのです。著者らは、効果が関節の角度ではなく筋線維の束の長さに対応している可能性を示しています。

膝蓋骨の骨折の手術のあと、膝を伸ばした位置で装具に固定されている患者さんは、大腿四頭筋が短い位置で鍛えていることになります。筋が短い位置で鍛えた研究では、筋力の増加は鍛えた角度の近くに集まりやすくなりました（Kuboら 2006、Noorkõivら 2014）。一方で「前後20°」は決まった範囲ではなく、膝を65°曲げた位置で鍛えた研究では、30°離れた角度でも筋力が増えていました（Lanzaら 2019）。ただし、膝を伸ばした位置で鍛えた効果がどの角度まで広がるかを直接調べた研究は、ここで紹介したものの中にはありません。膝を曲げることが許されたら、筋が長くなる角度でも鍛えると、立ち上がりに使う角度まで筋力を広げやすいと考えられます。

弱い力でも、量を重ねれば効果があることもわかってきました。Tanakaら（2016）は最大の30%の力で3秒間を20回3セット、週3回、4週間、Nakaoら（2023）は最大の30%の力で5秒間を20回5セット、週3回、8週間行い、どちらも筋力が増えました。肘を伸ばす筋を、最大の60%で30秒を4セット、または最大の力で6秒を12セットと、合計の量をそろえて10週間鍛えた研究では、どちらでも筋の体積と筋力が増えました（Kanehisaら 2002）。力の入れ方も結果を変えます。約1秒でできるだけ速く強く力を入れる群と、徐々に最大の75%まで力を上げて3秒保つ群を12週間比べた研究では、最大の筋力は前者で17%、後者で23%増え、筋の体積は後者で大きく増えた一方、素早く出す力は前者でよく伸びました（Balshawら 2016）。

血圧への影響：力を入れている間と、続けたあと

等尺性の運動では、力を入れている間に血圧が上がります。最大の30%の力で3分間、片手で握る運動、両脚で膝を伸ばす運動、床から持ち上げる姿勢で力を入れ続ける運動を比べた研究では、同じ相対的な強さでも、使う筋が大きいほど血圧の上昇が大きくなりました（Sealsら 1983）。息を止めることも血圧を上げます。重りを脚で押す運動の研究では、最大の重さで、声門を閉じて息をこらえたときの血圧は平均311/284 mmHg、ゆっくり息を吐きながらでは198/175 mmHgでした（NarlochとBrandstater 1995）。この研究は重りを動かす運動のものですが、等尺性の運動でも息をこらえると血圧がさらに上がると考えられるため、声を出して数えるなど、息を止めずに行うことが勧められます。

一方、等尺性トレーニングを続けると、安静時の血圧は下がります。270件のランダム化比較試験、1万5827人をまとめたメタ分析では、運動しない群と比べた安静時の収縮期血圧の低下は、等尺性トレーニングで8.24 mmHg、有酸素運動で4.49 mmHg、動的な筋力トレーニングで4.55 mmHgで、等尺性トレーニングの低下が最も大きくなりました（図2）。拡張期血圧は、等尺性トレーニングで4.00 mmHg低下しました（Edwardsら 2023）。ただし著者らは、等尺性トレーニングを調べた試験は数が少なく、ほかの運動と直接比べた試験もなかったと注意しています。血圧が高めの成人を対象にした24件の試験のまとめでは、収縮期血圧は6.97 mmHg、拡張期血圧は3.86 mmHg下がり、有害な出来事は等尺性トレーニング3万8444回に1回でした。ただし根拠の確かさは低いか非常に低いと判定されています（Hansfordら 2021）。

図2　運動の種類ごとの安静時の収縮期血圧の低下（Edwardsら 2023のメタ分析をもとに作成）。運動しない群との差で、横線は95%信頼区間。等尺性トレーニングを調べた試験は、ほかの運動より少ない

腱の痛みへの応用：期待と、その後の検証

等尺性の運動は、腱の痛みをすぐに和らげる方法としても注目されました。Rioら（2015）は、膝蓋腱の痛みがあるバレーボール選手6人で、等尺性の運動をすると、片脚で斜面にしゃがむときの痛みが10点満点の7.0から0.17に下がり、その効果が45分続いたと報告しました。同じ選手が重りを動かす運動をしたときは、6.33から3.75への低下でした。しかし、Rioらの研究を含むランダム化比較試験10件をまとめた系統的レビューでは、慢性の腱の障害に対して、等尺性の運動が重りを動かす等張性の運動より優れているとは言えないと結論されています。根拠は限られており、効果の現れ方は人によっても腱の部位によってもばらつきました。Rioらの研究で見られた大きな痛みの軽減は、その後の研究では再現されていません（Cliffordら 2020）。等尺性の運動は、腱に少しずつ負荷をかけていく運動の選択肢の1つと考えるのが妥当です。

関節を動かせないときの選択肢

関節を動かせない期間の筋力低下は、短い期間でも大きくなります。膝を3週間固定した研究では、筋力は47%低下しました（Hortobágyiら 2000）。等尺性トレーニングは、関節を動かさずに行えるので、ギプスや装具で固定されている間の筋力の維持に使われてきました。前十字靱帯の再建術のあとの比較試験でも、対照群にはギプス固定と等尺性トレーニングが行われていました（ErikssonとHäggmark 1979）。

ただし、等尺性トレーニングだけが選択肢ではありません。ErikssonとHäggmark（1979）は、8人の患者さんを対象にした予備的な研究で、ギプス固定と等尺性トレーニングに加えて筋に電気刺激を行った群で、筋の機能がよく、電気刺激を加えなかった群で見られた筋の酸化酵素の活性の低下も防げたと報告しています。動かせる反対側の手足を鍛える方法もあります。手首を3週間ギプスで固定した研究では、反対側の手を等尺性に鍛えた群では、固定した側の筋力が保たれましたが、鍛えなかった群では低下しました（Farthingら 2009、図3）。鍛えた側から鍛えていない側へ効果が移るこの現象は、交叉性教育と呼ばれます。50歳以上の女性の手首の骨折のあとに、骨折していない側の手を鍛えた試験でも、12週時点の骨折した側の握力は、鍛えた群で17.3 kg、標準的なリハビリテーションだけの群で11.8 kgでした。ただし、9週時点と26週時点では差はありませんでした（Magnusら 2013）。

図3　手首を3週間ギプスで固定した側の筋力の変化（Farthingら 2009をもとに作成）。各群10人の平均。反対側の手の訓練は、手首を小指の側に曲げる最大の等尺性収縮を週5日行った。縦軸は9 N・mから始まる

研究で効果が示された条件を、目的ごとに表1にまとめました。ここに挙げたのは条件の例で、1つの正解があるわけではありません。

目的	研究で効果が示された条件の例
広い範囲の筋力	筋が長い角度で鍛える（BandyとHanten 1993、Kuboら 2006、Oranchukら 2019）
弱い力で鍛える	最大の30%で3〜5秒を、1回の練習で60〜100回（Tanakaら 2016、Nakaoら 2023）
筋の肥大	最大の60%で30秒を4セット、または最大で6秒を12セット（Kanehisaら 2002）。筋が長い角度が有利（Oranchukら 2019）
素早く出す力	約1秒で、できるだけ速く強く力を入れる（Balshawら 2016）
腱の適応	最大の70%以上の強い力が必要と考えられている（Oranchukら 2019）

表1　目的ごとの、等尺性トレーニングの条件の例。どれも健康な若い成人などを対象にした研究で、患者さんに使うときは痛みや固定の条件に合わせて調整する

膝を伸ばした位置で固定されている患者さんの練習でも、力の強さと時間に決まった正解はありません。最大の力を出せなくても、弱い力で回数を重ねれば筋力が増えた研究があり、反対に、1日1回、短く力を入れるだけでは足りない可能性があります。力を入れている間は息を止めず、声を出して数えながら行います。動かせる反対側の脚を鍛えることや、電気刺激を加えることも選択肢になります。ただし、ここで紹介した研究の多くは健康な人を対象にしたもので、膝蓋骨骨折の手術後の患者さんで確かめられたものではありません。反対側を鍛える効果を示した研究は手首でのもので、電気刺激の研究は8人の予備的なものです。力を入れる強さや膝を曲げてよい角度は、骨折の固定の状態に合わせて主治医が決めるので、どの練習もその範囲で行います。

まとめ

等尺性筋収縮による筋力増強トレーニングは、関節の角度を変えずに筋に力を入れて鍛える方法です。双子を使った実験などで、等尺性トレーニングで筋力が増えることが示され、はじめの増加は筋の太さの変化だけでは説明できないこともわかりました。「鍛えた角度の前後20°でしか強くならない」という説明は、20°の範囲では差がなかったという研究から生まれた可能性があり、実際の広がりは、鍛えたときの筋の長さによって変わります。弱い力でも量を重ねれば効果があり、力を入れている間は息を止めないことが大切です。等尺性トレーニングは安静時の血圧を下げる一方、腱の痛みをすぐに大きく和らげる効果は、その後の研究では確かめられていません。関節を動かせないときには、電気刺激や反対側の手足の訓練も選択肢になります。

「前後20°」という数字は、Knapikら（1983）が、鍛えた90°と、そこから20°離れた70°と110°でしか筋力を測らなかった研究から生まれた可能性があります。KitaiとSale（1989）が5°きざみで、BandyとHanten（1993）が15°から105°まで15°ごとに筋力を測ると、増加が角度によって違うことと、その広がりが鍛えたときの筋の長さで変わることがわかりました。超音波で筋線維の束の長さを測ったTanakaら（2016）の研究では、筋力が増えたのは、筋線維の束の長さが鍛えたときと同じになる角度でした。膝を伸ばした位置で鍛えている患者さんの練習も、膝の角度より、そのとき大腿四頭筋が短いか長いかで考えます。

筋力増強や関節可動域運動の記事は「科学と臨床」の治療の項にまとめています。筋力増強の基本は「筋力増強の原理」で紹介しています。

さらに学びたい人へ：おすすめの本

• 市橋則明 編集『運動療法学 第2版 障害別アプローチの理論と実際』（文光堂）：筋の形態的な要因と神経的な要因による筋力増加のしくみを解説し、筋力低下に対する運動療法を扱っています（2014年刊行、540ページ）。
• 斉藤秀之・加藤浩 常任編集、阿南雅也 ゲスト編集『こだわり抜く筋力増強運動』（文光堂）：筋力増強運動の意義と基礎から、臨床での進め方までを扱った本です（2023年刊行、240ページ）。