変形性膝関節症の運動療法：3つの主要メソッドと効果の比較

日本では、エックス線画像上で変形性膝関節症の基準を満たす人が約2,500万人、自覚症状を持つ人が約800万人と推定されている。膝痛がある人の全員に同じ運動メニューを適用できるわけではない。関節の可動域、膝周囲筋の出力、歩行能力、疼痛の出現条件を分けて評価する必要がある。

変形性膝関節症の運動療法は、主に次の3種類に分けられる。

1. 大腿四頭筋などを鍛える筋力強化運動

2. ウォーキングや水中運動などの有酸素運動

3. 膝の曲げ伸ばしを保つ関節可動域訓練・ストレッチ

この3つは競合する方法ではない。目的が異なるため、症状と身体機能に応じて組み合わせる。筋力が低下している人にストレッチだけを行っても、歩行時の膝関節の安定性は十分に改善しない。反対に、可動域制限が強い状態で筋力訓練だけを増やしても、運動効率は上がりにくい。

運動療法の目的は、消失した軟骨を直接再生することではない。膝関節に集中している負荷を、筋力・可動域・歩行能力へ分散することである。

ガイドラインが推奨する「コア治療」としての運動療法

変形性膝関節症では、関節軟骨の摩耗、関節周囲の炎症、筋力低下、歩行パターンの変化が複合して起こる。画像上の変形だけが症状を決めるわけではない。膝を支える筋が十分に働かない場合、歩行や立ち上がりで関節面にかかる力が偏る。その結果、同じ距離を歩いても疼痛が出やすくなる。

運動療法は、この力学的な問題に介入する。薬剤のように疼痛を一時的に抑える方法とは異なり、筋力、持久力、可動域、動作の協調性を変化させる。効果の出方も異なる。開始直後に痛みが消える治療ではなく、一定期間の反復によって動作能力を改善する治療である。

国際変形性関節症学会、欧州リウマチ学会、米国リウマチ学会などのガイドラインでは、変形性膝関節症に対する運動療法が中核治療として推奨されている。日本整形外科学会でも、症状や身体機能に応じた運動療法が治療の基本とされる。

ただし、運動療法の効果を「軟骨が元通りになる」と解釈するのは誤りである。筋力訓練によって大腿四頭筋の出力が向上しても、摩耗した軟骨が直接再生するわけではない。期待できるのは、疼痛の軽減、歩行や立ち上がりの改善、関節の安定性向上、身体活動量の維持である。

また、変形性膝関節症の進行度によって、適した方法は変わる。初期では歩行や自転車運動を継続できる場合がある。疼痛が強く、膝の曲げ伸ばしが制限されている場合は、まず可動域と炎症状態を確認する必要がある。末期に近い変形や強い荷重痛がある場合は、免荷装具、水中運動、杖の使用、薬物療法などを組み合わせることがある。

3種類の運動療法を比較する

3つの方法は、鍛える対象と膝関節への負荷が異なる。単純に「最も効果が高い運動」を決めることはできない。膝の安定性を優先するのか、持久力を上げるのか、曲げ伸ばしを確保するのかで選択が変わる。

筋力強化運動は、膝関節の安定性に直接関係する。大腿四頭筋の出力が低下すると、歩行中の膝折れや立脚期の不安定性が生じやすい。有酸素運動は、膝局所だけではなく心肺機能と全身の活動量を維持する。可動域訓練は、膝関節の動作範囲を保ち、歩行や立ち上がりに必要な関節角度を確保する。

この3種類を同じ強度で実施する必要はない。痛みの原因が荷重時の関節圧縮なのか、筋力不足なのか、関節包や筋の短縮なのかによって、負荷の配分を変えるべきである。

膝の安定性を高める筋力強化運動

大腿四頭筋が担う役割

大腿四頭筋は、大腿直筋、外側広筋、内側広筋、中間広筋で構成される膝伸展筋群である。立ち上がり、階段昇降、歩行中の荷重応答で働く。変形性膝関節症では、疼痛による活動量低下から大腿四頭筋の出力が低下しやすい。

筋力低下が進むと、膝関節を筋で制御する能力が落ちる。歩行時に膝の動きを十分に吸収できず、関節周囲の組織へ負荷が集中する可能性がある。筋力強化運動は、この状態を修正するために行う。

代表的な方法がクアドセッティングである。膝を伸ばした姿勢で、大腿四頭筋を収縮させる。膝裏を床やベッドへ押しつけるように力を入れ、目安として5秒間保持する。一般的な実施量の目安は、1日10〜20回を2〜3セットである。

この運動の特徴は、膝関節の運動角度が小さく、荷重をかけずに筋収縮を促せる点にある。歩行やスクワットで疼痛が出る時期でも、実施できる場合がある。ただし、膝の腫脹が強い場合や、収縮によって疼痛が増える場合は回数を減らす。痛みを無視して反復数だけを増やす方法は適切ではない。

下肢挙上訓練と荷重前の筋活動

下肢挙上訓練は、膝を伸ばした状態で脚を持ち上げる運動である。大腿四頭筋に加えて股関節屈筋群も使用する。膝関節に大きな屈曲運動を与えずに、下肢を支える筋群へ刺激を加えられる。

実施時に膝が曲がる場合、大腿四頭筋の収縮が不十分である可能性がある。膝を完全に伸ばすことが難しい場合は、無理に脚を高く上げる必要はない。挙上角度よりも、膝伸展位を保ち、反動を使わずに動作を制御することが優先される。

筋力強化では、次の点を確認する。

• 膝関節だけを急激に動かさず、股関節と足関節を含めた下肢全体のアライメントを保つ
• 膝が内側へ入る動きが繰り返される場合、負荷を下げて動作を修正する
• 運動中の痛みだけでなく、終了後から翌日にかけての疼痛と腫れを確認する
• 筋肉の疲労と関節痛を区別する
• 回数を増やす前に、動作の再現性と姿勢の安定性を確保する

膝関節の安定性は、筋力の数値だけで決まらない。大腿四頭筋が強くても、股関節外転筋や体幹の制御が不十分であれば、歩行中の膝アライメントは崩れる。したがって、症状が落ち着いた段階では、椅子からの立ち上がり、低い段差の昇降、荷重下での膝伸展などへ段階的に移行する。

筋力訓練で軟骨が再生するわけではない

筋力トレーニングの効果は、膝にかかる衝撃を筋肉で吸収し、関節周囲の負荷を分散することである。大腿四頭筋が働けば、歩行や立ち上がりにおける膝の動揺を抑えやすくなる。これが疼痛軽減と機能改善につながる。

一方、筋力訓練によって失われた関節軟骨が元の状態へ戻るわけではない。画像所見の改善を目的に運動量を過剰に増やすと、関節炎症を悪化させる可能性がある。運動療法の評価指標は、エックス線画像だけでは不十分である。歩行距離、立ち上がり、階段、関節可動域、疼痛の頻度を含めて判断する。

全身持久力と関節保護を両立する有酸素運動

ウォーキングは量よりも負荷管理が先である

有酸素運動は、心肺機能と全身持久力を維持する。身体活動量が落ちると、膝周囲筋だけでなく、体幹や股関節周囲の筋力も低下する。結果として歩行が不安定になり、さらに活動量が減る。この循環を止める手段として、有酸素運動が使われる。

ウォーキングは導入しやすい方法である。ただし、歩行距離を最初から増やす必要はない。目安として10分程度から開始し、疼痛と疲労を確認しながら30分程度まで延長する。実施頻度は週3回以上が一つの目安になる。

歩行時の痛みを評価する場合、歩行中だけでなく、終了後と翌日の反応を確認する。歩行中の軽度の違和感だけであれば、速度や距離を調整して継続できる場合がある。一方、歩行後に腫脹が増える、翌日まで強い痛みが残る、跛行が明らかになる場合は負荷が過剰である可能性が高い。

歩行環境も負荷に影響する。坂道、階段、硬い路面、長時間の連続歩行では、平地の短時間歩行より膝への要求が大きくなる。変形性膝関節症の膝痛が強い場合、平地での短時間歩行から開始し、連続時間ではなく日中の合計活動量で調整する方法が現実的である。

水中運動は荷重を減らして動作量を確保できる

陸上歩行が困難な場合、水中運動が選択肢になる。水の浮力によって体重の一部が支えられ、水圧によって下肢の動作環境も変化する。膝関節へかかる荷重を抑えながら、歩行や下肢運動を実施しやすい。

水中歩行では、前歩きだけでなく、横歩きや後ろ歩きも使われる。ただし、方向転換や足元の滑りには注意が必要である。水深が深いほど浮力は増えるが、歩行抵抗も変化する。水温、施設環境、出入り動作の安全性も実施可否に関係する。

水中運動が適しているのは、陸上での荷重運動に耐えにくい人である。強い膝痛、肥満、複数の関節痛、筋力低下がある場合でも、陸上より運動量を確保しやすいことがある。ただし、水中で楽に動けるからといって、長時間実施してよいとは限らない。運動後の疼痛反応は陸上運動と同様に確認する必要がある。

エアロバイクは膝の角度設定が重要である

エアロバイクは、歩行と比較して衝撃が少ない有酸素運動である。ペダル回転によって、膝関節へ連続的な運動を与えられる。体重を座面で支持できるため、荷重痛がある場合でも利用しやすい。

ただし、サドルが低すぎると膝屈曲角度が大きくなる。膝の曲げ伸ばしが制限されている人では、深い屈曲が疼痛を誘発する可能性がある。サドルを調整し、ペダルが最も下にある位置で膝が過度に伸び切らず、最も上にある位置で深く曲がりすぎない状態を作る。

開始時は低い抵抗で短時間とする。回転数や負荷を同時に上げると、疼痛の原因を特定しにくい。時間、抵抗、回転数のうち一つだけを変更する方が、反応を評価しやすい。

関節可動域を維持・改善する訓練

変形性膝関節症では、膝の伸展制限が歩行に影響しやすい。膝が完全に伸びない状態では、立脚期の下肢支持が不安定になる。歩幅が短くなり、反対側の下肢や腰部への代償動作が増えることもある。

屈曲制限がある場合は、椅子への着座、立ち上がり、階段、床からの起立などで問題が出やすい。膝の可動域は、単純な柔軟性だけではなく、関節包、筋、腫脹、疼痛回避反応の影響を受ける。

膝伸展を確保する

膝伸展訓練では、膝を伸ばした姿勢を一定時間保つ。膝の下に枕や厚いタオルを入れると、膝が曲がったまま固定されるため、伸展を目的とする場合には配置を確認する必要がある。

踵の下に支持物を置き、膝裏を浮かせる方法では、重力によって膝伸展方向の力が加わる。ただし、痛みを耐えて強く押し込む方法は適切ではない。関節内の炎症や腫脹がある場合、伸展刺激が疼痛を増やすことがある。

伸展制限が長期間続いている場合は、単純なストレッチだけで改善しないこともある。関節包の硬さ、骨性変形、ハムストリングスや腓腹筋の短縮を分けて評価する必要がある。

膝屈曲を確保する

膝屈曲訓練では、踵を床面で滑らせながら膝を曲げる方法が使われる。仰向け、座位、タオルを使った方法などがある。曲げる角度は、疼痛と腫脹を見ながら調整する。

膝を曲げる際に、足部が外側へ逃げると、膝関節の運動軌道が変化する。つま先と膝の向きを大きくずらさず、ゆっくり動かす方が関節運動を確認しやすい。反動をつけて深く曲げる必要はない。

可動域訓練では、運動中の最大角度より、日常動作で使える範囲を確保することが重要である。ベッド上で膝が曲がっても、椅子からの立ち上がりで痛みが出る場合、股関節や足関節の動きも含めて評価する必要がある。

可動域は「柔らかさ」の数値ではない。歩行、着座、立ち上がりで必要な関節角度を確保できるかで評価する。

運動療法の効果を左右する頻度と負荷

運動療法では、1回の運動量よりも継続頻度が問題になる。単一のトレーニングについて、週2回以下の介入よりも週3回以上の介入の方が、疼痛と能力障害の改善度が大きいとするメタ解析がある。疼痛の標準化平均差は、週3回以上で0.68、週2回以下で0.41と報告されている。

この数値は、すべての患者が週3回以上実施すれば同じ効果を得るという意味ではない。開始時の症状、運動強度、実施期間、対象となる筋群が異なるためである。頻度だけを増やしても、動作の質が低ければ効果は限定される。

実施量を調整するときは、次の順番が扱いやすい。

1. まず運動の種類を決める

2. 痛みが増えにくい姿勢と関節角度を設定する

3. 低い回数または短時間から開始する

4. 運動中、終了後、翌日の反応を確認する

5. 問題がなければ、時間・回数・抵抗のいずれか一つを増やす

6. 腫れや跛行が出た場合は、直前の負荷へ戻す

運動の頻度は、筋力強化と有酸素運動で分けてもよい。毎日、可動域訓練を短時間実施し、筋力強化は週数回、有酸素運動は歩行能力に応じて行うという組み合わせが考えられる。

一方、強い炎症や痛みの増悪時に、休まず運動を続けるべきとはいえない。安静だけを長期間続けることも筋力低下につながるが、炎症が強い時期には運動量の調整が必要である。膝の熱感、腫脹、安静時痛、夜間痛、急激な歩行能力低下がある場合は、運動内容を自己判断で増やさず、整形外科などで状態を確認する。

症状別にみた運動療法の選び方

立ち上がりで膝が痛む場合

椅子からの立ち上がりでは、大腿四頭筋と臀部の筋群が働く。膝痛を避けるために体幹を過度に前へ倒したり、手で強く押したりすると、下肢の負荷配分が変わる。

まずは座面を高くし、両足を安定させた状態で立ち上がる。膝が内側へ入らないように、足部と膝の向きを確認する。立ち上がりが安定してから、座面を少し低くする。筋力訓練として行う場合も、回数を増やす前に動作の左右差を確認する。

階段下降で痛む場合

階段を下りる動作では、膝を曲げながら体重を制御する必要がある。大腿四頭筋の遠心性収縮が関係するため、平地歩行より疼痛が出やすいことがある。

階段訓練を開始する場合は、段差を低くする。手すりを使い、足を置く位置と体幹の傾きを管理する。痛みが強い段階で反復すると、膝関節の圧縮負荷が増える可能性がある。まず平地歩行や低い段差で動作を安定させる。

歩き始めに痛む場合

歩き始めの疼痛は、長時間の座位後や起床後に出ることがある。可動域制限や関節周囲組織のこわばりが関与する場合があるため、立ち上がってすぐに長距離を歩くのではなく、足関節の運動や膝の曲げ伸ばしを数回行う。

ただし、歩き始めの痛みだけで原因を断定することはできない。痛みが持続する場合、安静時にも痛む場合、腫脹を伴う場合は別の評価が必要である。

陸上運動が難しい場合

体重負荷で痛みが増える場合は、水中歩行やエアロバイクなど、荷重を調整しやすい運動から始める。免荷装具や杖を使って歩行負荷を分散することもある。

杖は、痛む膝と反対側の手で使う方法が一般的である。ただし、使用方法が不適切だと体幹の傾きや歩行パターンが変化する。杖の高さ、接地位置、歩行速度を確認する必要がある。

運動療法と他の治療をどう組み合わせるか

変形性膝関節症では、運動療法だけで全ての症状を処理できるとは限らない。疼痛が強く、運動開始そのものが難しい場合は、非ステロイド性抗炎症薬などの薬物療法、関節内注射、ペインクリニックでの神経ブロック注射などが検討されることがある。

ただし、疼痛を下げる治療と関節機能を改善する治療は別である。注射や薬剤で痛みが軽減しても、筋力低下や歩行パターンが自動的に改善するわけではない。疼痛を調整しながら、可動域訓練や筋力強化を実施するという考え方が必要になる。

ＰＲＰ療法や幹細胞を用いた治療など、再生医療に分類される治療も関節疾患の領域で扱われている。しかし、これらを選択した場合でも、運動療法が不要になるとはいえない。注射後の荷重管理、関節可動域の維持、筋力低下の予防は別に必要である。

膝軟骨の状態を改善したいという理由だけで、運動負荷を過剰に増やすべきではない。治療の目的は、画像上の軟骨だけではなく、歩行や日常生活の機能を維持することにある。

3つの方法の結論

変形性膝関節症の運動療法は、筋力強化、有酸素運動、関節可動域訓練を組み合わせる方法が基本である。優先順位は症状によって異なる。

大腿四頭筋の筋力が低下し、立ち上がりや階段で不安定性がある場合は、クアドセッティングや下肢挙上訓練などの筋力強化を優先する。歩行耐久性が低下し、活動量全体が落ちている場合は、短時間のウォーキング、水中歩行、エアロバイクを使って有酸素運動を確保する。膝の曲げ伸ばしが制限されている場合は、可動域訓練を先に組み込む。

効果を高めるために、週3回以上の実施が一つの目安になる。ただし、頻度を増やす前に、疼痛、腫脹、跛行、翌日の反応を確認する必要がある。運動療法は、痛みを我慢して量を増やす治療ではない。関節への負荷を測定し、許容範囲内で反復し、身体機能を変える治療である。

導入のメリットと限界は次の通りである。

• 筋力強化によって、大腿四頭筋を含む下肢の安定性と負荷分散能力を高められる
• 有酸素運動によって、歩行耐久性と全身の活動量を維持しやすくなる
• 可動域訓練によって、歩行や立ち上がりに必要な膝の曲げ伸ばしを保ちやすくなる
• 水中運動やエアロバイクを使えば、陸上での荷重負荷を調整できる
• 週3回以上の継続は、週2回以下と比較して疼痛や能力障害の改善に有利とされる
• 運動療法だけで摩耗した軟骨が元通りに再生するわけではない
• 強い炎症、腫脹、安静時痛がある場合は、運動量の調整と医学的評価が必要である
• 個々の進行度によって、3種類のうち一つだけを最優先と断定することはできない
• 最終的な判断には、可動域、筋力、歩行、疼痛の出現条件を含む個別評価が必要である

関連記事: 変形性膝関節症のリハビリ：運動療法が続かない理由と継続の検証 、 変形性膝関節症の運動療法検証｜大腿四頭筋訓練で歩行痛はどう変化したか.