vintturimekanismin vaikutus kaari-jousimekaniikkaan dynaamisen jalkakaaren muodonmuutoksen aikana

Johdanto

kävely ja juoksu ovat ihmisen liikkumiseen liittyviä olennaisia liikkeitä. Kykyä liikkua jatkuvasti vaihtelevilla pinnoilla eri nopeuksilla helpottaa jalkojen monien pienten nivelien liikkeiden tyylikäs vuorovaikutus. Jalka sopeutuu maaston vaihteluihin, jolloin se toimii yhteensopivana rakenteena, joka hallitsee energian imeytymistä ja siirtoa. Jalka avustaa kuitenkin myös eteenpäin työntövoimalla työntövaiheessa, jossa se käyttäytyy enemmän jäykän vivun tavoin. Tämä kaksijakoinen yhteensopiva–jäykkä toiminto jalka pidetään usein keskeinen rooli kyky kävellä ja juosta kahdella jalalla.

päärakenne, jonka uskotaan olevan vastuussa jalan jäykkyyden moduloinnista, on mediaalinen pitkittäiskaari (MLA). MLA muodostuu yhdeksästä luista (kalkaneus, talus, navicular, kolme cuneiformes ja kolme ensimmäistä jalkapöydät), joita tukevat sekä ligamentous ja lihaksikas rakenteita, jotka ulottuvat pituus MLA . Passiivisilla rakenteilla (esim.jalkapöydän fasadi, pitkät ja lyhyet jalkapohjan nivelsiteet ja kalkaneo-navicular nivelside) on erityisen tärkeä mekaaninen rooli kahden tunnetun mekanismin moduloinnissa, joiden uskotaan lisäävän ihmisen liikkumavaraa: kaarijousi ja vinssi (kuva 1).

kaari-Jousi-ja vintturimekanismit kuvaavat jalan kaksijakoisen yhteensopivan jäykän käyttäytymisen kumpaakin puolta. Kaari on myötämielinen ja jousimainen, sillä se tiivistyy korkeudeltaan ja venyy pituudeltaan kävelyn alku-ja keskiasentovaiheiden aikana. Kaari sitten rekyyli myöhään asennossa, nousee ja lyhenee, mikä voi auttaa jäykistyminen jalka ja voi auttaa työntövoimaa aikana push-off. Toisaalta Hicks ehdotti, että kaaren siirtyminen mukautuvasta jäykäksi myöhäisen virityksen aikana on jalkapohjafaskian vinssitoiminnan funktio . Hickin vintturimekanismi viittaa siihen, että metatarsofalangeal-nivelen (MTPJ) dorsifleksio myöhäisen asennon aikana tuottaa jalkapohjan fascian käämityksen jalkapöydän pään (tai vintturin rummun) ympärille. Tämä käämi jalkapöydän fascia vetää kalkaneuksen, lyhentää ja nostaa kaaren, ja kääntää väliliitoksen . Ratkaiseva oletus Hicksin hypoteesissa on, että plantaarifaskia on erittäin jäykkä.

jos vintturimekanismi mallinsi asianmukaisesti jalan toimintaa, mikä tahansa MTPJ dorsiflexion vastaisi kaaren pituuden ja korkeuden muutosta. Jos kaaren pituus kuitenkin muuttuu ja MTPJ-kulma on vakio, jalkapohjan fascian on venyttävä / venyttävä tämän jalan muodonmuutoksen huomioon ottamiseksi. Hicks päätteli, että jalkapöydän faskia oli tarpeeksi jäykkä, jotta se pystyi tekemään vintturin toiminnan mahdollisimman pienellä venymällä. Mitattu venymä ja jalkapöydän faskian energian paluu kävelyn aikana viittaavat kuitenkin siihen, että dynaamisten, kuormitettujen tehtävien aikana vintturin vaikutus saattaa heikentyä. Aiemmissa ruumiillisissa ja äärellisissä elementtitutkimuksissa on tutkittu MTPJ-kulman vaihtelun vaikutusta plantaarifaskian kantaan ja osoitettu, että mtpj: n dorsiflexionin lisääntyminen lisää rasitusta kudoksessa. On kuitenkin epäselvää, vaikuttaako MTPJ-kulman vaihtelu in vivo kaarimekaniikkaan ja energian paluuseen.

kaaren pehmytkudosten venymä, kun jalkaa kuormitetaan liikkuessa, on Ker: n ja kollegoiden ehdottaman kaarijousimekanismin mukainen . Soveltamalla jaksollista puristusta ruumiillisiin jalkoihin, kuormilla, jotka ovat samanlaisia kuin juoksun aikana koetut maareaktiovoimat, he korostivat, että jalkapohjan fascia ja muut kaaren ligamentaaliset rakenteet vaikuttivat merkittävästi elastisen energian varastointiin ja palautumiseen. Siksi kyseenalaistamme, miten nämä kaksi mekanismia—vintturi ja kaari-jousi—vaikuttavat keskinäisen pitkittäisen kaaren muotoon ja toimintaan MTPJ-kulman funktiona. Käyttäen samanlaista in vivo-kokeellista paradigmaa kuin Ker ja kollegat, tutkimme, miten MTPJ-kulma vaikuttaa kaaren jäykkyyteen, energetiikkaan ja kinematiikkaan jalkakuormituksen aikana. Oletimme, että varpaiden dorsifleksio vähentäisi kaaren muodonmuutosta, kun jalkapohjan fasciaa kiristettäisiin ja kaaren jäykkyyttä lisättäisiin. Olemme myös oletettu, että lisääntynyt jäykkyys ja vähentynyt muodonmuutos kaari dorsiflexed MTPJ johtaisi vähemmän imeytyy ja palauttaa energiaa jalka verrattuna plantarflexed MTPJ kunnossa.

menetelmät

yhdeksän tervettä koehenkilöä (8m, 1F, keskiarvo ± std. dev., massa 80 ± 12 kg) ilman aiempia alaraajavammoja edellyttäen kirjallista tietoon perustuvaa suostumusta osallistua tähän tutkimukseen.

voima-ohjattu sähkömagneettinen toimilaite (Linmot PS10-70X400U-BL-QJ, nti AG Linmot, Sveitsi) kohdisti puristusvoiman jommallakummalla nopeudella varren läpi koehenkilön paljaaseen jalkaan. Voima kohdistettiin polveen, suoraan pystysuoraan navikulaariin, varren ollessa noin 15° kulmassa pystysuoraan nähden (samanlainen kuin myöhäinen keskiasento kävelyssä, ennen kantapään nousua) (kuva 2). MTPJ-kulman vaikutusta kaaren muodonmuutokseen testattiin kiinnittämällä MTPJ passiivisesti 30° plantarflexioniin, neutraaliin tai 30° dorsiflexioniin suhteessa maahan. Ohut, jäykkä metallilevy, joka oli kulmautunut jokaista MTPJ-asentoa varten, asetettiin tukevasti jalkapallon alle. Varpaat kiinnitettiin teipillä estämään mahdolliset kulmamuutokset testauksen aikana. Jalka oli kosketuksissa kahteen alustaan, jotka muistuttavat Ker et al. , jossa jalkapallon alla oleva lava on kiinnitetty paikoilleen kahvakuorilla. Kantalavalla oli pohjaan kiinnitetyt kuulalaakerit, joiden avulla se pystyi kääntymään vapaasti etu – /takasuunnassa lineaarisella näyttämöllä. Tämän mukautetun laitteen alle sijoitettiin 6 asteen vapausalusta (Bertec, USA), jonka taajuus on 3700 Hz. Osallistujia ohjeistettiin rentoutumaan, kun yhden ruumiinpainon kuormat levitettiin polveen puristaen, pitäen kiinni ja sitten vapauttaen jalkakaaren. Nopea tila latasi jalan yhteen painoon kuormitusnopeudella 3,5 ± 0,7 BW s–1 (keskiarvo ± S.d.), joka valittiin indusoimaan samanlainen aika maareaktiovoiman ensimmäiseen huippuun kuin kävely välillä 1,0−1,5 m s-1 . Hidas tila kuormitettiin nopeudella 1,3 ± 0,1 BW s-1. Puristus pidettiin 0,23 ± 0,05 s nopealle kunnolle ja 1,3 ± 0.3 s kunkin MTPJ-kulman hitaalle ehdolle satunnaistetussa järjestyksessä.

kuusi kameraa (Qualisys, Ruotsi), joiden näytteenottotaajuus on 185 Hz, vangitsivat 20 heijastavan merkin kolmiulotteiset paikat (9.0 mm) asetetaan jalan ja varren ihon pinnalle. Merkkisarja oli samanlainen kuin Leardini et al. toisen ja neljännen sormiluun päässä on ylimääräinen merkki. Lisäksi jäykälle varsiepikondylille asetettiin kolme tussia, mediaaliselle reisiepikondylille yksi tussi ja lateraaliselle reisiepikondylille yksi tussi. Multi-segmentti jalka malli, joka koostuu takajalka, puolivälissä jalka ja jalkaterän kehitettiin leardini et al.merkki asetettu. Jalkaterän poikittainen taso on taso, joka sisältää Kalkan, ensimmäisen jalkapöydän ja viidennen jalkapöydän merkit. Sagittaalitaso on tälle tasolle normaali ja leikkaa sen vektoria pitkin poikittaistasolle projisoitujen kalkaneuksen ja toisen jalkapöydän merkkien välillä .

liike-ja voimatiedot suodatettiin neljännen kertaluvun Alipäästöisellä Butterworth-suodattimella, jonka katkaisutaajuus oli 6 Hz ja joka valittiin nopeasta Fourier-muunnosanalyysistä. Kokeet rajattiin käyttäen maareaktiovoiman pystysuuntaista ulottuvuutta 15 N: n kynnyksellä käyttäen matlabissa toteutettua mukautettua algoritmia (Mathworks, Natick MA).

mediaalinen Pitkittäinen kaarikulma ja MTPJ-kulma (nimetty F2Ps in ) laskettiin vakiintuneen mallin perusteella . Lyhyesti sanottuna MLA-kulma on kulman projektio posteriorisessa kalkaanissa, sustentaculum Talissa ja ensimmäisen jalkapöydän päässä olevien markkereiden välillä jalan sagittaalitasoon. Puristuksen alussa oleva MLA-kulma vähennetään kokeessa esiintyneestä suurimmasta MLA-kulmasta, jolloin saadaan ΔMLA-kulma. Lisääntynyt ja positiivinen ΔMLA-kulma osoittaa, että kaari pitenee vaakasuunnassa ja tiivistyy pystysuunnassa. Ensimmäisen jalkapöydän, ensimmäisen jalkapään ja sagittaalitasoon projisoidun proksimaalisen falangin merkkien välinen kulma on MTPJ-kulma. Vertailuneutraali asento (varpaat litteät) otettiin ilman kohdistettua kuormitusta, ja sitä pidettiin varpaiden dorsiflexionin nollatasona.

kaaren pituus oli takaruumiin ja ensimmäisen jalkapöydän päänmerkin välinen etäisyys jalkapohjan faskian ensisijaisen liukuman reitillä, joka normalisoitiin koehenkilön pisimpään kirjattuun kaaren pituuteen (taulukko 1). Venymä määriteltiin kaaren pituuden vaihteluväliksi kokeen aikana. Kaaren korkeus oli navicular Markerin pystysuuntainen Siirtymä, samassa mitassa kuin polveen kohdistettu voima. Ensimmäisen kaaren korkeus tutkimuksen alussa vähennettiin alimmasta kaaren korkeudesta kyseisen kokeen aikana kaaren puristuksen laskemiseksi, ja se normalisoidaan suurimpaan mitattuun kaaren puristukseen kyseiselle aiheelle (taulukko 1). Kaaren korkeus eriytettiin suhteessa aikaan kaaren nopeuden laskemiseksi, joka kerrottiin pystysuoralla voimalla, jolloin saatiin kaarivoima. Kaaren tehokäyrän integrointi ajan mittaan yhden puristussyklin aikana tuotti kaaressa tehdyn työn (kuva 3). Absorboitunut energia otettiin kokeessa mitatun absoluuttisen suurimman energian (kuormitettuna) ja kokeen alun (kuormittamattomana) väliseksi alueeksi; palautettu energia oli absorboituneen energian ja energia-arvon välinen ero kokeen lopussa; ja haihtunut energia on absorboituneen energian ja palautetun energian välinen ero (kuva 3). Palautetun energian osuus oli palautetun energian suhde absorboituneeseen energiaan.

kaaren muotomuutosten kvantifioimiseksi kierreakseliksi laskettiin akseli, jonka ympäri etujalan segmentti pyöri suhteessa takajalan segmenttiin kaaren puristuskokeiden aikana . Kierteisakseli määritellään yksikäsitteiseksi akseliksi, jonka ympärillä tapahtuu kolmiulotteinen (3D) kierto ja jota pitkin tapahtuu jäykän kappaleen 3D-translaatio suhteessa toiseen. Etujalka-segmentti rekisteröitiin ensin takajalkaan kaikille rungoille. Kierteiset akselit liike oli sitten laskettu ensimmäisen kehyksen, oikeudenkäynnin (ilman muodonmuutoksia, kaari) ja viisi kehystä, midpoint, oikeudenkäynnin (pisteen suurin kaari muodonmuutos). Näiden viiden kuvan pyörimisakselin komponenttikeskiarvo otettiin melun vähentämiseksi, ja se ilmaistiin paikallisessa jalkakoordinaatistossa. Pääkomponenttianalyysi valmistui rotaatioakselin keskimääräisestä yksikkövektorista, jokaisesta koe-tilasta ja kaikista tutkittavista.

vintturin staattisen sitoutumisen testaamiseksi arvioitiin MTPJ-kulman ja kaaren pituuden korrelaatio, kun jalka oli staattinen ja purettu. MTPJ-kulma ja kaaren pituus määritettiin kullekin kokeelliselle ehdolle, tarjoten kuusi yhdistelmää kullekin osallistujalle (Hidas/nopea dorsiflexed/neutraali/plantarflexed). Varianssianalyysissä (ANOVA) testattiin pienimmän neliösumman lineaarista regressiota yhdistetyille datapisteille.

kaksisuuntainen toistomitta ANOVA tutki MTPJ-kulman (30° dorsifleksiota/30° plantarflexionia) ja lastausnopeuden (nopea/hidas) vaikutusta kaaren energetiikkaan (absorboitunut, palautunut ja hajonnut energia sekä energiasuhde) sekä kaaren kinemaattista metriikkaa (kaaren venymä, kaaren puristus, ΔMLA-kulma, Δ kierrosakselin kierto). Analyysin yksinkertaistamiseksi neutraalia ehtoa ei sisällytetty ANOVAAN.

parilliset t-testit arvioivat pyörimisakselien pääkomponenttien eroja MTPJ-Kulmien ja nopeuksien välillä.

alfatasoksi asetettiin 0,05. Kaikki analyysit tehtiin käyttäen matlabiin kirjoitettua mukautettua ohjelmistoa (Mathworks, Natick MA). Ellei toisin mainita, kaikki arvot ovat keskiarvoja ± 1 keskihajonta.

tulokset

kuormittamattomassa, staattisessa asennossa kaaren pituus oli lyhyempi 5 ± 1% (enimmäispituudesta), kun varpaat olivat dorsifleksoituneet verrattuna jalkapohjaan (p < 0, 01) (kuva 4). Jokainen koehenkilö koki pienenevän kaaren pituuden, kun MTPJ-kulma vaihteli plantarflexionista dorsiflexioniin. Kaaren pituuden ja MTPJ-kulman välillä oli merkittävä subjektikohtainen lineaarinen korrelaatio (R2 > 0,92). Yhdistetyllä rinteellä oli myös merkittävä lineaarinen suhde (R2 = 0, 67, p < 0, 01) (kuva 4).

Toe kulma kunto aikana jalka puristus oli merkittävä vaikutus energian absorboi ja haihduttaa kaari (taulukko 2) (kuva 5). Verrattuna plantaariseen MTPJ (P), dorsifleksoitu MTPJ (D) sai kaaren absorboimaan enemmän energiaa (D = 23, 1 ± 8, 0 mj kg−1, P = 20, 6 ± 5, 4 mj kg−1, p < 0, 05) ja haihduttamaan enemmän energiaa (D = 7, 5 ± 4, 4 mJ kg−1, P = 6, 2 ± 3, 4 mJ kg−1, p < 0, 05). MTPJ-kulmalla ei kuitenkaan ollut merkittävää vaikutusta palautettuun energiaan (D = 15,6 ± 5,4 mJ kg−1, P = 14,5 ± 4.9 mJ kg-1, p = 0, 08) tai palautetun energian suhde (D = 0, 68 ± 0, 11, P = 0, 70 ± 0, 14, p = 0, 11).

puristuksen nopeus, joko nopea (F) tai hidas (s), vaikutti kaaren energetiikkaan (taulukko 2). Kun jalkaa puristettiin nopeasti, siihen imeytyi enemmän energiaa (F = 24, 2 ± 8, 1 mJ kg−1, S = 19, 5 ± 4, 5 mj kg−1, p < 0, 05) ja se palautui (F = 17, 3 ± 5, 6 mj kg−1, s = 12, 8 ± 3, 4 mj kg−1, p < 0, 01) verrattuna siihen, kun jalkaa puristettiin hitaasti. Mielenkiintoista, energia haihtui ei ollut merkittävästi eroa kahden nopeuden välillä (F = 6.9 ± 5.0 mJ kg-1, S = 6.7 ± 2.7 mJ kg-1, p = 0.86) eikä palautetun energian osuus (F = 0, 72 ± 0, 14, S = 0, 66 ± 0, 10, p = 0, 19).

MTPJ-kulma vaikutti myös jalan puristuksen kinematiikkaan, mikä vaikutti merkittävästi kaaren venymään. Dorsifleksoitu MTPJ lisäsi kaaren venymää kuormituskokeissa (D = 0,0085 ± 0,0026, P = 0,0053 ± 0,0020, p < 0,01) verrattuna siihen, kun MTPJ oli plantarflexed. Kaaren puristukseen (D = 0, 72 ± 0, 16, P = 0, 69 ± 0, 11, P = 0, 23), ΔMLA-kulmaan (D = 2, 6 ± 0, 9°, P = 2, 8 ± 0, 7°, p = 0.25) tai Δ kierrosakselin kierto (D = 4,2 ± 2,1°, P = 3,6 ± 0,9°, p = 0,20) (taulukko 2). Painelunopeuden ja varpaiden kunnon välillä ei ollut merkittäviä yhteisvaikutusvaikutuksia.

kierteisten akselien orientaation ensimmäinen ja toinen pääkomponentti selittivät vastaavasti 65, 0% ja 30, 8% orientaation varianssista. Toinen komponentti oli merkitsevästi erilainen toe-olosuhteissa (p < 0, 05), kun taas ensimmäinen komponentti ei ollut (p = 0, 10). Ensimmäinen komponentti selitti ensisijaisesti kiertoakselin suuntauksen vaihtelun ETU–taka-suunnassa (poikittaistason kierto) ja toinen superior-inferior-suunnassa (etutason kierto) (katso sähköinen Lisämateriaali, kuva S1 visualisointia varten). Kun ensimmäinen MTPJ oli dorsiflexed, pyörimisakseli oli suuntautunut enemmän superior-inferiorly, ja enemmän anteriorinen, verrattuna kun MTPJ oli plantarflexed, joka aiheutti puolivälissä jalka muuttaa muotoaan ympäri ylösalaisin akselin (kuva 6). Sitä vastoin kun MTPJ oli plantarflexed, kaari puristui pääasiassa sagittaalitasossa.

Keskustelu

tämän tutkimuksen tarkoituksena oli ymmärtää vintturin ja kaari-jousi-mekanismien välistä vuorovaikutusta kytkemällä vintturi MTPJ dorsiflexionin kautta ja tutkimalla vaikutuksia kaarien energetiikkaan dynaamisen puristuksen aikana. Otaksuimme, että MTPJ dorsiflexion-jännittäisi jalkapöydän faskiaa ja jäykistäisi kaarta. Toisin kuin hypoteesimme, vintturimekanismin sitoutuminen kuitenkin vähensi kaaren jäykkyyttä ja lisäsi energian imeytymistä ja hajoamista. MTPJ dorsiflexionin vaikutus voi siis vaikuttaa liikkumiseen muuttamalla jalan mekaanista energiaprofiilia.

vintturimekanismi ennustaa, että kun MTPJ dorsifleksoidaan, kaaren korkeus kasvaa ja pituus pienenee, mikä varmistui puretun kuntomme tuloksissa. MTPJ-kulman ja kaaren venymän välinen suhde korreloi hyvin ja oli pitkälti yhdenmukainen kaikkien subjektien osalta. Toisin kuin staattisessa, puretussa kotelossa, jos vintturimekanismi selitti kaaren dynaamisen liikkeen, niin jatkuvien varvaskulmien osalta kaaren pituudessa ei pitäisi olla muutosta. Kuitenkin kaari pitkänomainen aikana puristus kokeissa, mikä tarkoittaa, että jalkapohjan fascia on muotoaan mukautumaan tähän muutokseen. Tämä on yhdenmukainen aiempien tutkimusten jalkapohjan faskian venymän mittauksen kanssa ja viittaa siihen, että vintturimekanismi ei täysin selitä kaaren käyttäytymistä dynaamisen kuormituksen aikana.

vintturi kuitenkin moduloi kaaren energetiikkaa dynaamisen kuormituksen aikana. Kun vintturimekanismi otettiin käyttöön, kaari lyheni merkittävästi, mikä todennäköisesti sijoitti muut kaaren ylittävät kudokset lähemmäksi lepopituuttaan. Kaari voisi siis käydä läpi suuremman ekskursion kaaren ylittävien kudosten epälineaaristen elastisten ominaisuuksien vuoksi. Tämä vähentäisi toiminnallisesti kaaren irtojäykkyyttä ja johtaisi suurempaan venymään ja helpottaisi siten suurempaa energian imeytymistä ja häviämistä jalkaterän syklisen kuormituksen aikana. Vaikka MTPJ-kulman häiriintymisen vaikutusta jalkaterän erityisiin sisärakenteisiin ei voida määrittää näillä menetelmillä, on mahdollista, että kaaren muodon ja pituuden muuttaminen muutti kaaren pehmytkudosrakenteisiin kohdistuvan kuormituksen osuutta. Näiden rakenteiden väliset viskositeettierot voivat myös vaikuttaa kaaren haihtuvaan energiaan.

puristusnopeudella oli pieni, mutta merkittävä vaikutus kaaren energetiikkaan. Jalan kaari imi ja palautti enemmän energiaa, kun kaari puristui nopeassa tilassa hitaaseen tilaan verrattuna. Molemmilla kuormitusnopeuksilla havaittiin samanlaisia huippuvoimia ja huippumuodonmuutoksia, mutta nopeassa kuormitustilassa lineaarisempi jäykkyys (sallien lisääntyneen jäykkyyden pienillä voimilla) oli varastoidun ja palautetun energian pääasiallinen lähde. On todennäköistä, että tämä pieni jäykkyyden muutos pienemmillä voimilla voi olla seurausta jalkalihasten sisäsyntyisten lihasten aktivoitumisesta—niiden on osoitettu muuttavan kaaren jäykkyyttä samanlaisissa kuormitusolosuhteissa . Tässä kokeessa emme mitanneet jalan sisäistä lihasaktivaatiota (joka vaatii lihaksensisäistä elektromyografiaa), emmekä näin ollen voi vahvistaa, oliko lihasten aktivoinnissa eroja eri tutkimuksissa. Oletamme, että lihasten aktivaatio perustuu ensisijaisesti voimankäyttöön. ; aktivoitumisessa voi kuitenkin olla myös hienoinen ero venymisnopeuden vuoksi, mikä on saattanut johtaa sekä absorboituneen että kaaressa palautuneen energian eroihin. Vauhtiolosuhteiden välillä ei myöskään ollut eroa hajonneessa energiassa. Tämä on sopusoinnussa biologisten kudosten kanssa, jotka yleensä vaativat useiden suuruusluokkien kantavuuseroa, jotta viskoosin energiahäviöt muuttuisivat .

MTPJ dorsiflexion muokkasi jalan epämuodostumaa. Kierteisakselin mitta osoittaa, miten etujalka liikkuu suhteessa takajalkaan, minkä vuoksi kuvattu liike on riippumaton jalan kokonaisasennosta. Kahden identtisen puristuksen välillä olisi odotettavissa, että akseli pysyisi samana. Kuitenkin, kun MTPJ dorsiflexed, etujalka liikkui ympäri kalteva akseli suhteessa takajalka, verrattuna plantarflexed MTPJ. Tämä tarkoittaa toiminnallisesti sitä, että jos takajalka on hypoteettisesti samassa asennossa, etujalka pyörii enemmän poikittaistasolla (ts. ulkoisesti pyörii) aikana jalka puristus, kun MTPJ on dorsiflexed kuin puhtaasti sagittal liike, joka tapahtuu, kun MTPJ on plantarflexed. Jos poikittaisessa tasossa on enemmän liikettä, erilaiset etujalan ulkoista pyörimistä vastustavat kaaren yläpuoliset rakenteet, kuten jalkapohjan lihaskalvon mediaalinen nauha, olkavarren nivelside tai abduktor-hallusinaatiolihas, voivat kuormittaa enemmän. Toisin sanoen jalan kuormitus voidaan jakaa uudelleen eri kudoksiin, mikä voi vaikuttaa kaaren energetiikkaan kudosten momenttivarsien ja materiaaliominaisuuksien erojen seurauksena.

kierreakselin siirtyminen sagittaalitasosta (plantarflexed MTPJ) kaikkiin kolmeen tasoon (dorsiflexed MTPJ) osoittaa, että sagittaalitasossa oleva kaksiulotteinen ristikkomalli ei malliudu asianmukaisesti mediaalisen pituussuuntaisen kaaren käyttäytymistä. Tätä tukee merkittävä kaaren venymä, mutta ei-merkittävä kaaren puristus. Lisäksi ΔMLA-kulman muutoksessa tai kiertoliikkeen määrässä kierrosakselin ympäri ei ole merkittäviä eroja kärkiolosuhteiden välillä. Tämä viittaa siihen, että poikittaisessa kaaressa voi olla muutoksia , joita ei ole huomioitu näissä Fullerin ehdottamissa kaksiulotteisissa malleissa, ja että kolmiulotteiset mallit mallintavat sopivammin kaaren energetiikkaa ja käyttäytymistä.

yksi tämän tutkimuksen rajoituksista on se, että kokeellinen paradigmamme ei varsinaisesti luonut uudelleen olosuhteita, jotka löytyivät liikkumiskyvyn aikana. MLA-kulmien vaihteluväli terveessä kävelyssä (noin 4° keskiasennossa, pois lukien työntö ) oli lähellä tässä koettua vaihteluväliä (2,1-3,7°); ensimmäisillä MTPJ-ja arch–kinematiikoilla ei kuitenkaan välttämättä koeta tässä kontrolloitujen olosuhteiden yhdistelmää. Vaikka löydöksiämme on vaikea suoraan suhteuttaa jalan toimintaan kävelyn aikana, olemme osoittaneet uudenlaisen vuorovaikutuksen vintturin ja kaarijousen välillä, joka on todennäköisesti johdonmukainen eri varpaiden koukistuskulmissa. Jos esimerkiksi MTPJ: n dorsiflexion on rajoitettu ennen ensimmäistä kosketusta kävelyn aikana, se voi rajoittaa kaaren venymää ja siten sen energian imeytymistä törmäyksen aikana ja myöhemmin vaikuttaa jalan kykyyn vaimentaa iskuja. Se voi myös aiheuttaa jalan epämuodostuman eri tavalla, jännittämällä eri kaarikudoksia, mikä muuttaisi myös kaarien energetiikkaa. Siksi vintturimekanismi voi olla tärkeä ensimmäisen kosketuksen aikana sekä työntämisen aikana. Emme myöskään hyväksyneet koehenkilöiden jalkatyyppiä (esim. lättäjalat, korkea kaari) ; kuitenkin löysimme edelleen merkittäviä eroja olosuhteiden välillä, mikä todennäköisesti viittaa siihen, että terveet jalat toimivat samalla tavalla huolimatta mahdollisista morfologisista eroista.

jalka oli kosketuksissa voimalaatan kahteen kohtaan, minkä vuoksi emme voineet tietää voiman osuutta taka-ja etujalkoihin. Muissa tutkimuksissa voima on kohdistettu etujalkaan tai takajalkaan riippuen geometriasta tai paineen keskipisteen sijainnista suhteessa jalkapäihin . Koska sovelletun voiman suunta oli tässä tapauksessa yksiulotteinen, kaaren Energetiikan kvantifioimiseen käytetty bulkkienergiamittari oli yksinkertainen tapa osoittaa kaarimekaniikka tekemättä oletuksia voiman jakaumasta jalkapohjalla. Tämä lähestymistapa voi kuitenkin aliarvioida siirretyn mekaanisen tehon kokonaismäärää. Energia imeytyy ja haihtuu todennäköisesti myös muihin pehmytkudoksiin, kuten kantapään rasvatyynyyn . Energian haihtuminen kantapään rasvapatjassa kävelyn aikana on osoitettu olevan 28,6 ± 6,9% ruumiillisissa kokeissa ja 17,8 ± 0.8% in vivo-kokeissa . Vaikka emme voi erottaa osuudet kaari ja pehmytkudosten alaraajan näillä menetelmillä, näyttää epätodennäköiseltä, että pehmytkudoksen hajoamista polven tai nilkan nivelet, tai rasva pad kantapään, häiriintyvät dorsiflexion MTPJ.

tällä teoksella on useita sovelluksia. Mtpj-kulman vaihtelu kenkä-ja ortoosirakenteessa vaikuttaa iskunvaimennuksen, kaaren toiminnallisen pyörimisakselin ja energeettisten säästöjen muuttamiseen. Esimerkiksi aikaisempi työ on osoittanut, että kenkien taivutusjäykkyyden lisääminen voi rajoittaa MTPJ dorsiflexionia , mikä voi vähentää energiahäviöitä tässä liitoksessa, ja että metabolinen minimi on olemassa kriittisessä jäykkyydessä, jossa luonnollinen MTPJ dorsiflexion ei esty . Myös maareaktion voimavektorista nilkkanivelkeskukseen kulkevan vipuvarren sanotaan kasvavan kenkien taivutusjäykkyyden kasvaessa; vaikutusta MLA-kinematiikkaan ei kuitenkaan ole huomioitu. Tässä tehty tutkimus valmistui koehenkilöillä, joilla on paljaat jalat määrätyssä asennossa, mikä ei välttämättä täysin vaikuta jalkineiden mekaniikkaan kävelyn aikana; kuitenkin kaaren ja MTPJ: n sijainti kengän sisällä voi silti vaikuttaa jalka–kenkä-yhdistelmän energetiikkaan.

lisäämällä ymmärrystä vintturin toiminnasta ja sen vuorovaikutuksesta kaarijousen kanssa voi olla kliinistä merkitystä kaareen liittyvien patologioiden, kuten plantaarifaskiitin, ymmärtämisessä. Vintturin estolla tai sitoutumisella tässä patologiassa voi olla toiminnallinen vaikutus kävelymekaniikkaan ja potilaan kuntoutukseen. Lopuksi, näiden mekanismien selvittämisellä voi olla vaikutuksia evoluutiobiologian alalla, koska vintturin ja kaari-Jousimekanismin vuorovaikutus todennäköisesti vaikuttaa suorituskykyyn ja talouteen, joiden oletetaan olevan luonnonvalinnan kohteita.

johtopäätös

vintturimekanismi selittää kaaren toiminnan staattisissa asennoissa, kun kaari pystyy muuttamaan muotoaan ilman vastusta. Dynaamisten painallusten aikana kaaren venymä vakiokärkikulmassa ja siihen liittyvä energian absorptio ja palautuminen osoittavat kuitenkin, että vinssi ei täysin määrittele jalkapohjan faskian roolia kaarifunktiossa. Kaiken kaikkiaan vintturi pyrkii muokkaamaan jalan muotoa, mikä vaikuttaa suoraan kaarijousituskäyttäytymiseen ja jalan energetiikkaan.

etiikka

eettisen selvityksen antoi Queenslandin yliopiston lääketieteellisen tutkimuksen eettinen komitea (hyväksyntänumero 2015000955). Kaikki osallistujat antoivat tietoon perustuvan suostumuksen.

tietojen saatavuus

tätä artikkelia tukevat aineistot löytyvät verkosta (https://goo.gl/xfJi6F).

tekijöiden osuus

kaikki kirjoittajat ideoivat tutkimuksen. L. W. suunnitteli ja toteutti kokeen. L. W. analysoi tiedot ja kirjoitti paperin M. J. R. L. A. K.: n avustuksella ja G. A. L. kehitti laitteen. Kaikki kirjoittajat avustivat tulosten tulkinnassa ja muokkasivat käsikirjoitusta.

kilpailevat intressit

ilmoitamme, ettei meillä ole kilpailevia intressejä.

Rahoitus

G. A. L., L. A. K. ja M. J. R. sai rahoitusta Australian Research Councililta (DP160101117), joka tuki tätä hanketta. M. J. R. ja L. W. saavat rahoitusta Nserc Discovery Grantilta (RGPIN-2015-04688). L. A. K: ta rahoittaa National Health & Medical Research Council Peter Doherty Fellowship (APP1111909).

alaviitteet

sähköistä lisäaineistoa on saatavilla verkossa numerossa https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4179026.