Einfluss des Ankerwindenmechanismus auf die Bogenfedermechanik bei dynamischer Fußgewölbeverformung

Einführung

Gehen und Laufen sind integrale Bewegungen der menschlichen Fortbewegung. Das Manövrieren über ständig wechselnde Oberflächen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wird durch ein elegantes Zusammenspiel der Bewegungen in den vielen kleinen Gelenken der Füße erleichtert. Der Fuß passt sich Geländevariationen an, in denen er als nachgiebige Struktur fungiert und die Energieaufnahme und -übertragung steuert. Der Fuß unterstützt jedoch auch den Vortrieb beim Abstoßen, wo er sich eher wie ein steifer Hebel verhält. Diese dichotome nachgiebig-steife Funktion des Fußes wird oft als Schlüsselrolle für die Fähigkeit angesehen, auf zwei Füßen zu gehen und zu laufen.

Die Hauptstruktur, von der angenommen wird, dass sie für die Modulation der Steifigkeit des Fußes verantwortlich ist, ist der mediale Längsgewölbe (MLA). Die MLA besteht aus neun Knochen (Kalkaneus, Talus, Navicular, drei Keilformen und die ersten drei Mittelfußknochen), die sowohl von Band- als auch von Muskelstrukturen getragen werden, die sich über die gesamte Länge der MLA erstrecken . Die passiven Strukturen (z. B. die Plantarfaszie, die langen und kurzen Plantarbänder und das Calcaneo-Navicular-Ligament) spielen eine besonders wichtige mechanische Rolle bei der Modulation zweier bekannter Mechanismen, von denen angenommen wird, dass sie die menschliche Fortbewegung verbessern: die Bogenfeder und die Ankerwinde (Abbildung 1).

Die Bogenfeder- und Ankerwinde-Mechanismen zeigen jede Seite des dichotomen nachgiebig–steifen Verhaltens des Fußes. Der Bogen ist nachgiebig und federnd, da er sich in der Höhe komprimiert und während der frühen und mittleren Gangphasen in der Länge verlängert. Der Bogen spult sich dann in der späten Haltung zurück, steigt und verkürzt sich, was bei der Versteifung des Fußes helfen und den Vortrieb beim Abstoßen unterstützen kann. Auf der anderen Seite schlug Hicks vor, dass der Übergang des Bogens von nachgiebig zu starr während der späten Haltung eine Funktion der Ankerwinde der Plantarfaszie ist . Hicks Ankerwinde Mechanismus legt nahe, dass Dorsalflexion des Metatarsophalangealgelenks (MTPJ) während der späten Haltung erzeugt Wicklung der Plantarfaszie um den Mittelfußkopf (oder Trommel der Ankerwinde). Diese Wicklung der Plantarfaszie zieht am Kalkaneus, verkürzt und hebt den Bogen an und invertiert das Subtalargelenk . Die entscheidende Annahme in Hicks ‚Hypothese ist, dass die Plantarfaszie extrem steif ist.

Wenn der Ankerwindenmechanismus die Funktion des Fußes angemessen modelliert, würde jede MTPJ-Dorsalflexion einer Änderung der Bogenlänge und -höhe entsprechen. Wenn sich jedoch die Bogenlänge ändert und der MTPJ-Winkel konstant ist, muss sich die Plantarfaszie dehnen / dehnen, um dieser Verformung des Fußes Rechnung zu tragen. Hicks kam zu dem Schluss, dass die Plantarfaszie steif genug war, um die Ankerwinde mit minimaler Dehnung auszuführen. Gemessene Dehnung und Energierückgabe der Plantarfaszie während des Gangs deuten jedoch darauf hin, dass bei dynamischen, belasteten Aufgaben die Wirkung der Ankerwinde verringert sein kann. Frühere Kadaver- und Finite-Elemente-Studien haben den Effekt der Variation des MTPJ-Winkels auf die Dehnung in der Plantarfaszie untersucht und gezeigt, dass eine zunehmende Dorsalflexion im MTPJ die Dehnung im Gewebe erhöht. Es ist jedoch unklar, ob die Variation des MTPJ-Winkels in vivo die Bogenmechanik und die Energierückgabe beeinflusst.

Die Dehnung der Weichteile im Bogen, da der Fuß während der Fortbewegung belastet wird, stimmt mit dem von Ker und Kollegen vorgeschlagenen Bogenfedermechanismus überein . Anwendung zyklischer Kompressionen auf Leichenfüße, bei Belastungen ähnlich den Bodenreaktionskräften beim Laufen, Sie hoben hervor, dass die Plantarfaszie, und andere Bandstrukturen des Bogens, trug wesentlich zur elastischen Energiespeicherung und -rückführung bei. Wir hinterfragen daher, wie diese beiden Mechanismen – die Ankerwinde und die Bogenfeder — zusammenwirken, um die Form und Funktion des medialen Längsgewölbes als Funktion des MTPJ-Winkels zu beeinflussen. Unter Verwendung eines ähnlichen experimentellen In-vivo-Paradigmas wie Ker und Kollegen untersuchten wir, wie sich der MTPJ-Winkel auf die Steifigkeit, Energetik und Kinematik des Fußgewölbes während der Fußbelastung auswirkt. Wir stellten die Hypothese auf, dass die Dorsalflexion der Zehen die Verformung des Bogens verringern würde, indem die Plantarfaszie vorgespannt und die effektive Steifigkeit des Bogens erhöht würde. Wir stellten auch die Hypothese auf, dass eine erhöhte Steifigkeit und verringerte Verformung des Bogens mit einem dorsalflexierten MTPJ zu weniger absorbierter und zurückgegebener Energie im Fuß führen würde im Vergleich zum plantarflexierten MTPJ-Zustand.

Methoden

Neun gesunde Probanden (8M, 1F, Mittelwert ± Std. dev., Masse 80 ± 12 kg) ohne Verletzung der unteren Extremitäten in der Anamnese schriftliche Einverständniserklärung zur Teilnahme an dieser Studie.

Ein kraftgesteuerter elektromagnetischer Aktuator (Linmot PS10-70x400U-BL-QJ, NTI AG Linmot, Schweiz) übte eine Kompressionskraft mit einer von zwei Geschwindigkeiten durch den Schaft auf den nackten Fuß des Probanden aus. Die Kraft wurde auf das Knie ausgeübt, direkt senkrecht zum Navicular, mit dem Schaft in einem ungefähren Winkel von 15 ° zur Vertikalen (ähnlich der späten Mittelhaltung beim Gehen, vor dem Fersenanstieg ) (Abbildung 2). Die Wirkung des MTPJ-Winkels auf die Bogendeformation wurde getestet, indem das MTPJ passiv bei 30 ° Plantarflexion, neutral oder 30 ° Dorsalflexion in Bezug auf den Boden fixiert wurde. Eine dünne, starre Metallplatte, die für jede MTPJ-Position abgewinkelt war, wurde sicher unter den Fußballen gelegt. Die Zehen wurden mit Klebeband befestigt, um Winkeländerungen während des Tests zu verhindern. Der Fuß war in Kontakt mit zwei Plattformen, ähnlich wie Ker et al. , wobei die Plattform unter dem Fußballen mit Griffen fixiert ist. Die Fersenplattform hatte unten Kugellager, die es ermöglichten, sich auf einem linearen Tisch frei in anteriorer / posteriorer Richtung zu bewegen. Unter diese kundenspezifische Vorrichtung wurde eine mit 3700 Hz arbeitende 6-Freiheitsgrad-Kraftplattform (Bertec, USA) gelegt. Die Teilnehmer wurden angewiesen, sich zu entspannen, da Lasten eines Körpergewichts auf das Knie aufgebracht wurden, Komprimieren, Halten und dann das Fußgewölbe loslassen. Die schnelle Bedingung belastete den Fuß auf ein Körpergewicht mit einer Belastungsrate von 3,5 ± 0,7 m s−1 (Mittelwert ± s.d.), die ausgewählt wurde, um eine ähnliche Zeit wie die erste Spitze der Bodenreaktionskraft zu induzieren wie das Gehen zwischen 1,0–1,5 m s−1 . Der langsame Zustand wurde mit einer Rate von 1,3 ± 0,1 BW s−1 geladen. Die Kompression wurde für 0,23 ± 0,05 s für den schnellen Zustand und 1,3 ± 0 gehalten.3 s für die langsame Bedingung für jeden MTPJ-Winkel, in einer randomisierten Reihenfolge.

Sechs Kameras (Qualisys, Schweden), die mit 185 Hz abtasteten, erfassten die dreidimensionalen Positionen von 20 retroreflektierenden Markern (9.0 mm) auf die Hautoberfläche von Fuß und Schaft gelegt. Der Markersatz war ähnlich wie bei Leardini et al. , mit einem zusätzlichen Marker am Ende der zweiten und vierten proximalen Phalangen. Zusätzlich wurden drei Marker auf einem starren Schaftcluster platziert, ein Marker auf dem medialen Femurepicondylus und ein Marker auf dem lateralen Femurepicondylus. Aus Leardini et al. wurde ein Multisegmentfußmodell bestehend aus Rückfuß, Mittelfuß und Vorfuß entwickelt.’s Marker gesetzt. Die Querebene des Fußes ist die Ebene, die die Marker Kalkaneus, erster Mittelfuß und fünfter Mittelfuß enthält. Die Sagittalebene ist normal zu dieser Ebene und schneidet sie entlang des Vektors zwischen den in die transversale Ebene projizierten Kalkaneus- und zweiten Mittelfußmarkierungen .

Die Bewegungs- und Kraftdaten wurden mit einem Butterworth-Tiefpassfilter vierter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 6 Hz gefiltert, ausgewählt aus einer schnellen Fourier-Transformationsanalyse. Die Versuche wurden unter Verwendung der vertikalen Dimension der Bodenreaktionskraft bei einem Schwellenwert von 15 N unter Verwendung eines in Matlab implementierten benutzerdefinierten Algorithmus (Mathworks, Natick MA) zugeschnitten.

Der mediale Längsgewölbewinkel und der MTPJ-Winkel (genannt F2Ps in ) wurden basierend auf einem etablierten Modell berechnet . Kurz gesagt, der MLA-Winkel ist die Projektion des Winkels zwischen den Markern am hinteren Kalkaneus, Sustentaculum tali des Kalkaneus und dem Kopf des ersten Mittelfußknochens in die Sagittalebene des Fußes. Der MLA-Winkel zu Beginn der Kompression wird von dem maximalen MLA-Winkel subtrahiert, der in einem Versuch aufgetreten ist, um den ΔMLA-Winkel zu erhalten. Ein erhöhter und positiver ΔMLA-Winkel zeigt an, dass der Bogen horizontal verlängert und vertikal komprimiert wird. Der Winkel zwischen den Markern an der ersten Mittelfußbasis, dem ersten Mittelfußkopf und der in die Sagittalebene projizierten proximalen Phalanx ist der MTPJ-Winkel. Die Referenzneutralposition (Zehen flach) wurde ohne aufgebrachte Last genommen und als Null Grad Zehenrückflexion betrachtet.

Die Länge des Bogens war der Abstand zwischen dem hinteren Kalkaneus und dem ersten Metatarsalkopfmarker entlang des Pfades des primären Schlupfes der Plantarfaszie, normalisiert auf die längste aufgezeichnete Bogenlänge des Probanden (Tabelle 1). Die Dehnung wurde als Bereich der Bogenlänge während eines Versuchs definiert. Die Bogenhöhe war die vertikale Verschiebung des Navikularmarkers in der gleichen Dimension wie die auf das Knie ausgeübte Kraft. Die anfängliche Bogenhöhe zu Beginn der Studie wurde von der niedrigsten Bogenhöhe während dieser Studie subtrahiert, um die Bogenkompression zu berechnen, und wird auf die größte gemessene Bogenkompression für dieses Subjekt normalisiert (Tabelle 1). Die Bogenhöhe wurde in Bezug auf die Zeit differenziert, um die Bogengeschwindigkeit zu berechnen, die mit der vertikalen Kraft multipliziert wurde, was zu einer Bogenkraft führte. Die Integration der Bogenleistungskurve über die Zeit für einen Kompressionszyklus ergab die im Bogen geleistete Arbeit (Abbildung 3). Die absorbierte Energie wurde als der Bereich zwischen der absolut größten Energie, die in einem Versuch gemessen wurde (während geladen), und dem Beginn des Versuchs (entladen) genommen; Die zurückgegebene Energie war die Differenz zwischen der absorbierten Energie und dem Energiewert am Ende des Versuchs; und die zerstreute Energie ist die Differenz zwischen der absorbierten Energie und der zurückgegebenen Energie (Abbildung 3). Der Anteil der zurückgegebenen Energie war das Verhältnis der zurückgegebenen Energie zur absorbierten Energie.

Um die Formänderungen im Bogen zu quantifizieren, wurde die Achse, um die sich das Vorfußsegment während der Bogenkompressionsversuche relativ zum Rückfußsegment drehte, als schraubenlinienförmige Bewegungsachse berechnet . Die Schraubenachse ist definiert als eine einzige Achse, um die die dreidimensionale (3D) Rotation und entlang der die 3D-Translation eines starren Körpers relativ zu einem anderen erfolgt. Das Vorderfußsegment wurde zuerst für alle Rahmen am Hinterfuß registriert. Die spiralförmigen Bewegungsachsen wurden dann zwischen dem ersten Rahmen des Versuchs (ohne Verformung des Bogens) und fünf Rahmen in der Mitte des Versuchs (am Punkt der maximalen Bogenverformung) berechnet. Der komponentenweise Mittelwert der Rotationsachse für diese fünf Rahmen wurde zur Rauschreduzierung genommen und im lokalen Fußkoordinatensystem ausgedrückt. Die Hauptkomponentenanalyse wurde mit dem durchschnittlichen Einheitsvektor der Rotationsachse für jede Versuchsbedingung und für alle Probanden durchgeführt.

Um den statischen Eingriff der Ankerwinde zu testen, wurde die Korrelation zwischen MTPJ-Winkel und Bogenlänge bewertet, wenn der Fuß statisch und unbelastet war. Der MTPJ-Winkel und die Bogenlänge wurden für jeden Versuchszustand bestimmt, wobei sechs Kombinationen für jeden Teilnehmer bereitgestellt wurden (langsam / schnell für dorsalflexiert / neutral / plantarflexiert). Eine Varianzanalyse (ANOVA) testete die lineare Regression der kleinsten Quadrate für die gepoolten Datenpunkte.

Eine Zwei-Wege-ANOVA mit wiederholten Messungen untersuchte die Auswirkung des MTPJ-Winkels (30 ° Dorsalflexion / 30 ° Plantarflexion) und der Ladegeschwindigkeit (schnell / langsam) auf die Energetik des Bogens (absorbierte, zurückgeführte und dissipierte Energie und das Energieverhältnis) und die kinematischen Metriken des Bogens (Bogendehnung, Bogenkompression, ΔMLA-Winkel, Δ helikale Achsendrehung). Um die Analyse zu vereinfachen, wurde die neutrale Bedingung nicht in die ANOVA einbezogen.

Gepaarte Stichproben-T-Tests bewerteten Unterschiede in den Hauptkomponenten der Rotationsachsen zwischen MTPJ-Winkeln und -Geschwindigkeiten.

Der Alphawert wurde auf 0,05 gesetzt. Alle Analysen wurden mit kundenspezifischer Software in Matlab (Mathworks, Natick MA) durchgeführt. Sofern nicht anders angegeben, sind alle Werte Mittelwert ± 1 Standardabweichung.

Ergebnisse

In einer unbelasteten, statischen Position war die Bogenlänge bei dorsalflexierten Zehen um 5 ± 1% (der maximalen Länge) kürzer als bei plantarflexierten Zehen (p < 0,01) (Abbildung 4). Jedes Subjekt erlebte eine abnehmende Bogenlänge, da der MTPJ-Winkel von Plantarflexion zu Dorsalflexion variierte. Es gab eine signifikante fachspezifische lineare Korrelation zwischen der Bogenlänge und dem MTPJ-Winkel (R2 > 0,92). Die gepoolte Steigung hatte auch eine signifikante lineare Beziehung (R2 = 0,67, p < 0,01) (Abbildung 4).

Der Zustand des Zehenwinkels während der Fußkompression hatte einen signifikanten Einfluss auf die vom Bogen absorbierte und dissipierte Energie (Tabelle 2) (Abbildung 5). Im Vergleich zum plantarflexierten MTPJ (P) führte das dorsalflexierte MTPJ (D) dazu, dass der Bogen mehr Energie aufnahm (D = 23,1 ± 8,0 mJ kg−1, P = 20,6 ± 5,4 mJ kg−1, p < 0,05) und mehr Energie abgab (D = 7,5 ± 4,4 mJ kg−1, P = 6,2 ± 3,4 mJ kg−1, p < 0,05). Der MTPJ-Winkel hatte jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die zurückgegebene Energie (D = 15,6 ± 5,4 mJ kg−1, P = 14,5 ± 4.9 mJ kg-1, p = 0,08) oder das Verhältnis der zurückgegebenen Energie (D = 0,68 ± 0,11, P = 0,70 ± 0,14, p = 0,11).

Die Geschwindigkeit der Kompression, entweder schnell (F) oder langsam (S), beeinflusste die Energetik des Bogens (Tabelle 2). Wenn der Fuß schnell komprimiert wurde, wurde mehr Energie absorbiert (F = 24,2 ± 8,1 mJ kg−1, S = 19,5 ± 4,5 mJ kg−1, p < 0,05) und zurückgegeben (F = 17,3 ± 5,6 mJ kg−1, S = 12,8 ± 3,4 mJ kg−1, p < 0,01) als wenn der Fuß langsam komprimiert wurde. Interessanterweise unterschied sich die dissipierte Energie zwischen den beiden Geschwindigkeiten nicht signifikant (F = 6,9 ± 5,0 mJ kg-1, S = 6,7 ± 2,7 mJ kg−1, p = 0.86) noch war der Anteil der zurückgegebenen Energie (F = 0,72 ± 0,14, S = 0,66 ± 0,10, p = 0,19).

Der MTPJ-Winkel beeinflusste auch die Kinematik der Fußkompression mit einem signifikanten Effekt auf die Dehnung des Bogens. Das dorsalflexierte MTPJ erhöhte die Dehnung des Bogens während der Belastungsversuche (D = 0,0085 ± 0,0026, P = 0,0053 ± 0,0020, p < 0,01) im Vergleich zu plantarflexiertem MTPJ. Es gab keine signifikanten Auswirkungen auf die Bogenkompression (D = 0,72 ± 0,16, P = 0,69 ± 0,11, p = 0,23), ΔMLA-Winkel (D = 2,6 ± 0,9 °, P = 2,8 ± 0,7 °, p = 0.25) oder Δ helikale Achsendrehung (D = 4,2 ± 2,1°, P = 3,6 ± 0,9°, p = 0,20) (Tabelle 2). Es gab keine signifikanten Wechselwirkungseffekte auf eine der Variablen zwischen Kompressionsgeschwindigkeit und Zehenzustand.

Die erste und zweite Hauptkomponente der Orientierung der Schraubenachsen erklären jeweils 65,0% und 30,8% der Varianz in der Orientierung. Die zweite Komponente unterschied sich signifikant zwischen den Zehenbedingungen (p < 0,05), während die erste Komponente dies nicht war (p = 0,10). Die erste Komponente erklärte in erster Linie die Variation der Rotationsachsenorientierung in anterior–posteriorer Richtung (transversale Ebenenrotation) und die zweite in superior–inferiorer Richtung (frontale Ebenenrotation) (siehe elektronisches Ergänzungsmaterial, Abbildung S1 zur Visualisierung). Wenn der erste MTPJ dorsalflexiert war, war die Rotationsachse überlegener-minderwertiger und anteriorer ausgerichtet als wenn der MTPJ plantarflexiert war, was dazu führte, dass sich der Mittelfuß um eine umgekehrte Achse verformte (Abbildung 6). Im Gegensatz dazu, wenn der MTPJ plantarflexiert war, komprimierte sich der Bogen hauptsächlich in der Sagittalebene.

Diskussion

Ziel dieser Untersuchung war es, die Wechselwirkung zwischen der Ankerwinde und den Bogenfedermechanismen zu verstehen, indem die Ankerwinde durch MTPJ-Dorsalflexion in Eingriff gebracht und die Auswirkungen auf die Bogenenergetik während einer dynamischen Kompression untersucht wurden. Wir stellten die Hypothese auf, dass die MTPJ-Dorsiflexion die Plantarfaszie vorspannen und den Bogen versteifen würde. Im Gegensatz zu unserer Hypothese verringerte der Eingriff des Ankerwindenmechanismus jedoch die Steifigkeit des Bogens und erhöhte die Energieabsorption und -dissipation. Die Wirkung der MTPJ-Dorsalflexion kann daher die Fortbewegung beeinflussen, indem das mechanische Energieprofil im Fuß verändert wird.

Der Ankerwindenmechanismus sagt voraus, dass der Bogen bei Dorsalflexion des MTPJ an Höhe zunimmt und an Länge abnimmt, was in den Ergebnissen unseres unbelasteten Zustands bestätigt wurde. Die Beziehung zwischen dem MTPJ-Winkel und der Bogendehnung war stark korreliert und für alle Probanden weitgehend konsistent. Wenn der Ankerwindenmechanismus im Gegensatz zum statischen, unbelasteten Fall die dynamische Bewegung des Bogens erklärt, sollte sich bei konstanten Zehenwinkeln die Länge des Bogens nicht ändern. Der Bogen dehnte sich jedoch während der Kompressionsversuche aus, was bedeutet, dass sich die Plantarfaszie verformen muss, um dieser Veränderung Rechnung zu tragen. Dies stimmt mit der Messung der Plantarfaszie überein Dehnung in früheren Studien und impliziert, dass der Ankerwinde Mechanismus erklärt das Verhalten des Bogens bei dynamischer Belastung nicht vollständig.

Die Ankerwinde modulierte jedoch die Energetik des Bogens bei dynamischer Belastung. Wenn der Ankerwinde-Mechanismus aktiviert war, wurde der Bogen deutlich verkürzt, was wahrscheinlich andere Gewebe, die den Bogen kreuzen, näher an ihre Ruhelänge brachte. Der Bogen könnte daher aufgrund der nichtlinearen elastischen Eigenschaften der bogenspannenden Gewebe eine größere Auslenkung durchlaufen. Dies würde funktionell die Massensteifigkeit des Fußgewölbes verringern und zu einer größeren Dehnung führen und folglich eine größere Energieaufnahme und -ableitung bei zyklischer Belastung des Fußes ermöglichen. Während die Auswirkung der Störung des MTPJ-Winkels auf die spezifischen inneren Strukturen des Fußes mit diesen Methoden nicht bestimmt werden kann, ist es möglich, dass die Modifikation der Form und Länge des Bogens den Anteil der an die Weichteilstrukturen des Bogens abgegebenen Last verändert. Viskositätsunterschiede zwischen diesen Strukturen könnten auch die dissipierte Energie im Bogen beeinflussen.

Die Geschwindigkeit der Kompression hatte einen kleinen, aber signifikanten Einfluss auf die Energetik des Bogens. Mehr Energie wurde vom Fußgewölbe absorbiert und zurückgegeben, wenn der Fußgewölbe im schnellen Zustand im Vergleich zum langsamen Zustand komprimiert wurde. Ähnliche Spitzenkräfte und Spitzenverformungen wurden bei beiden Ladegeschwindigkeiten gefunden; Eine linearere Steifigkeit im Schnellladezustand (die eine erhöhte Steifigkeit bei niedrigen Kräften ermöglicht) war jedoch die Hauptquelle für die erhöhte gespeicherte und zurückgegebene Energie. Es ist wahrscheinlich, dass diese kleine Änderung der Steifigkeit bei niedrigeren Kräften das Ergebnis der Aktivierung der intrinsischen Fußmuskulatur sein kann — von der gezeigt wurde, dass sie die Steifigkeit des Fußgewölbes unter ähnlichen Belastungsbedingungen verändert . In diesem Experiment haben wir keine intrinsische Fußmuskelaktivierung gemessen (was eine intramuskuläre Elektromyographie erfordert) und können daher nicht bestätigen, ob es einen Unterschied in der Muskelaktivierung zwischen den Studien gab. Wir gehen davon aus, dass die Muskelaktivierung hauptsächlich durch Kraftanwendung angetrieben wird ; es kann jedoch auch einen subtilen Unterschied in der Aktivierung aufgrund der Dehnungsgeschwindigkeit geben, der zu dem Unterschied in der absorbierten und zurückgegebenen Energie am Bogen geführt haben kann. Darüber hinaus gab es keinen Unterschied in der dissipierten Energie zwischen den Geschwindigkeitsbedingungen. Dies steht im Einklang mit biologischen Geweben, die im Allgemeinen eine Dehnungsratendifferenz von mehreren Größenordnungen erfordern, um eine Änderung der viskosen Energiedissipationen hervorzurufen .

MTPJ Dorsiflexion veränderte die Verformung des Fußes. Das Schraubenachsenmaß zeigt, wie sich der Vorfuß relativ zum Hinterfuß bewegt, wodurch die beschriebene Bewegung unabhängig von der globalen Position des Fußes ist. Zwischen zwei identischen Kompressionen wäre zu erwarten, dass die Achse gleich bleibt. Wenn der MTPJ jedoch dorsalflexiert war, bewegte sich der Vorfuß im Vergleich zum plantarflexierten MTPJ um eine geneigte Achse relativ zum Hinterfuß. Dies bedeutet funktionell, dass, wenn der Hinterfuß hypothetisch in der gleichen Position ist, der Vorderfuß mehr in der Querebene rotiert (d.h. extern rotiert) während einer Fußkompression, wenn der MTPJ dorsalflexiert ist, als die rein sagittale Bewegung, die auftritt, wenn der MTPJ plantarflexiert ist. Wenn es mehr Bewegung in der transversalen Ebene gibt, können erhöhte Belastungen durch verschiedene bogenspannende Strukturen erfahren werden, die der Außenrotation des Vorfußes widerstehen, wie das mediale Band der Plantarfaszie, das Deltaband oder der M. abductor hallucis. Mit anderen Worten, die Belastung im Fuß kann auf verschiedene Gewebe umverteilt werden, was die Energetik des Bogens aufgrund von Unterschieden zwischen den Momentarmen und Materialeigenschaften der Gewebe beeinflussen könnte.

Die Verschiebung der Schraubenachse von der Sagittalebene (plantarflexiertes MTPJ) auf alle drei Ebenen (dorsalflexiertes MTPJ) zeigt an, dass das zweidimensionale Fachwerkmodell in der Sagittalebene das Verhalten des medialen Längsgewölbes nicht angemessen modelliert. Dies wird durch die signifikante Bogendehnung, aber die nicht signifikante Bogenkompression unterstützt. Darüber hinaus zeigen weder die Änderung des ΔMLA-Winkels noch der Betrag der Drehung um die Schraubenachse signifikante Unterschiede zwischen den beiden Bedingungen. Dies deutet darauf hin, dass es Veränderungen im Querbogen geben kann, die in diesen zweidimensionalen Modellen nicht berücksichtigt werden, was von Fuller vorgeschlagen wurde , und dass dreidimensionale Modelle die Energetik und das Verhalten des Bogens besser modellieren.

Eine Einschränkung dieser Studie ist, dass unser experimentelles Paradigma die Bedingungen während der Fortbewegung nicht genau nachgebildet hat. Der Bereich der MLA-Winkelwerte beim gesunden Gehen (etwa 4 ° in der Mittelstellung, ohne Abstoßen) lag nahe am hier erlebten Bereich (2,1-3,7 °); Die erste MTPJ- und Bogenkinematik erfährt jedoch nicht unbedingt die Kombination der hier kontrollierten Bedingungen. Während es schwierig ist, unsere Ergebnisse direkt mit der Fußfunktion während des Gangs in Verbindung zu bringen, haben wir eine neuartige Interaktion zwischen der Ankerwinde und der Bogenfeder gezeigt, die wahrscheinlich über einen Bereich von Zehenflexionswinkeln konsistent ist. Wenn zum Beispiel die Dorsalflexion des MTPJ vor dem ersten Kontakt während des Gangs begrenzt ist, kann dies die Dehnung des Bogens und damit seine Energieabsorption während des Aufpralls begrenzen und anschließend die Fähigkeit des Fußes beeinträchtigen, Stöße zu absorbieren. Es kann auch dazu führen, dass sich der Fuß unterschiedlich verformt, indem verschiedene Bogengewebe belastet werden, was auch die Bogenenergetik verändern würde. Daher kann der Ankerwindenmechanismus sowohl beim Erstkontakt als auch beim Abstoßen wichtig sein. Wir haben auch den Fußtyp (z. B. Plattfüße, hoher Bogen) der Probanden nicht qualifiziert; wir fanden jedoch immer noch signifikante Unterschiede zwischen den Bedingungen, was wahrscheinlich darauf hindeutet, dass gesunde Füße trotz potenzieller morphologischer Unterschiede ähnlich funktionieren.

Der Fuß hatte Kontakt mit zwei Punkten auf der Kraftplatte, was uns daran hinderte, das Verhältnis der Kraft auf den Hinterfuß und den Vorfuß zu kennen. Andere Studien haben die Kraft je nach Geometrie oder Lage des Druckzentrums relativ zu den Mittelfußköpfen dem Vorfuß oder dem Hinterfuß zugeordnet . Da die Richtung der aufgebrachten Kraft in diesem Fall eindimensional war, war die Massenenergiemetrik, die zur Quantifizierung der Energetik des Bogens verwendet wurde, eine einfache Möglichkeit, die Bogenmechanik anzuzeigen, ohne Annahmen über die Kraftverteilung auf der Fußsohle zu treffen. Dieser Ansatz kann jedoch die gesamte übertragene mechanische Leistung unterschätzen. Energie wird wahrscheinlich auch in anderen Weichteilen wie dem Fettpolster der Ferse absorbiert und abgeführt . Es wurde gezeigt, dass die Energiedissipationen im Fersenfettpolster während des Gehens in Leichenexperimenten 28,6 ± 6,9% und 17,8 ± 0% betragen.8% während in vivo-Experimenten . Während wir die Beiträge des Bogens und der Weichteile der unteren Extremität mit diesen Methoden nicht trennen können, scheint es unwahrscheinlich, dass Weichteildissipationen in den Knie- oder Knöchelgelenken oder das Fettpolster der Ferse durch die Dorsalflexion des MTPJ gestört werden.

Diese Arbeit hat mehrere Anwendungen. Die Variation des MTPJ-Winkels im Schuh- und Orthesendesign hat Auswirkungen auf die Modifizierung der Stoßdämpfung, der funktionellen Rotationsachse des Bogens und der Energieeinsparungen. Zum Beispiel haben frühere Arbeiten gezeigt, dass eine Erhöhung der Biegesteifigkeit von Schuhen die MTPJ-Dorsiflexion begrenzen kann, was die Energieverluste in diesem Gelenk verringern kann , und dass ein metabolisches Minimum bei einer kritischen Steifigkeit vorliegt, bei der die natürliche MTPJ-Dorsiflexion nicht gehemmt wird . Auch der Hebelarm vom Bodenreaktionskraftvektor zum Sprunggelenkzentrum soll mit zunehmender Biegesteifigkeit von Schuhen zunehmen; der Einfluss auf die MLA-Kinematik wurde jedoch nicht berücksichtigt. Die hier durchgeführte Studie wurde bei Probanden mit nackten Füßen in einer vorgeschriebenen Position abgeschlossen, was sich möglicherweise nicht vollständig auf die Schuhmechanik während des Gangs auswirkt; Die Position des Bogens und des MTPJ im Schuh kann jedoch weiterhin die Energetik der Fuß–Schuh-Kombination beeinflussen.

Das Verständnis der Funktion der Ankerwinde und ihres Zusammenspiels mit der Bogenfeder kann klinische Auswirkungen auf das weitere Verständnis von bogenbezogenen Pathologien wie Plantarfasziitis haben. Die Hemmung oder das Eingreifen der Ankerwinde in diese Pathologie kann sich funktionell auf die Gangmechanik und die Rehabilitation des Patienten auswirken. Schließlich kann die Aufklärung dieser Mechanismen Auswirkungen auf das Gebiet der Evolutionsbiologie haben, da das Zusammenspiel zwischen Ankerwinde und Bogenfedermechanismus wahrscheinlich die Leistung und Wirtschaftlichkeit beeinflusst, von denen angenommen wird, dass sie Ziele der natürlichen Selektion sind.

Fazit

Der Ankerwindenmechanismus erklärt die Bogenfunktion in statischen Positionen, wenn sich der Bogen widerstandslos verformen kann. Bei dynamischen Kompressionen zeigen jedoch die Dehnung des Bogens bei konstantem Zehenwinkel und die damit verbundene Energieabsorption und -rückführung, dass die Ankerwinde die Rolle der Plantarfaszie bei der Bogenfunktion nicht vollständig definiert. Insgesamt verändert die Ankerwinde die Form des Fußes, was sich direkt auf das Bogenfederverhalten und die Energetik des Fußes auswirkt.

Ethik

Die ethische Freigabe wurde von der Ethikkommission der medizinischen Forschung der Universität von Queensland erteilt (Genehmigungsnummer 2015000955). Einverständniserklärung wurde von allen Teilnehmern zur Verfügung gestellt.

Datenzugänglichkeit

Die Datensätze, die diesen Artikel unterstützen, finden Sie online (https://goo.gl/xfJi6F).

Beiträge der Autoren

Alle Autoren haben die Studie konzipiert. L.W. entwarf und führte das Experiment durch. L.W. analysierte die Daten und schrieb das Papier mit Hilfe von M.J.R. L.A.K. und G.A.L. entwickelte den Apparat. Alle Autoren halfen bei der Interpretation der Ergebnisse und bearbeiteten das Manuskript.

Konkurrierende Interessen

Wir erklären, dass wir keine konkurrierenden Interessen haben.

Finanzierung

G.A.L., L.A.K. und M.J.R. erhielt Mittel vom Australian Research Council (DP160101117), der dieses Projekt unterstützte. M.J.R. und L.W. werden durch den NSERC Discovery Grant (RGPIN-2015-04688) finanziert. L.A.K. wird von einem National Health & Medical Research Council Peter Doherty Fellowship (APP1111909) finanziert.

Fußnoten

Elektronisches Ergänzungsmaterial ist online unter https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4179026 verfügbar.