Influence du mécanisme de guindeau sur la mécanique de la voûte plantaire lors de la déformation dynamique de la voûte plantaire

Introduction

La marche et la course font partie intégrante de la locomotion humaine. La capacité de manœuvrer sur des surfaces constamment variables à différentes vitesses est facilitée par un jeu élégant de mouvements dans les nombreuses petites articulations des pieds. Le pied s’adapte aux variations de terrain, au cours desquelles il fonctionne comme une structure souple, gérant l’absorption et le transfert d’énergie. Cependant, le pied aide également à la propulsion vers l’avant lors de la poussée, où il se comporte plus comme un levier rigide. Cette fonction dichotomique de rigidité conforme du pied est souvent considérée comme jouant un rôle clé dans la capacité de marcher et de courir sur deux pieds.

La structure principale considérée comme responsable de la modulation de la rigidité du pied est la voûte longitudinale médiale (MLA). Le MLA est formé de neuf os (le calcanéum, le talus, le naviculaire, trois cunéiformes et les trois premiers métatarses) qui sont soutenus par des structures ligamentaires et musculaires qui s’étendent sur toute la longueur du MLA. Les structures passives (par exemple le fascia plantaire, les ligaments plantaires longs et courts et le ligament calcanéo-naviculaire) ont un rôle mécanique particulièrement important dans la modulation de deux mécanismes connus qui sont censés améliorer la locomotion humaine: le ressort arqué et le guindeau (figure 1).

Les mécanismes arc-ressort et guindeau représentent chaque côté du comportement dichotomique de rigidité conforme du pied. L’arche est souple et élastique car elle se comprime en hauteur et s’allonge en longueur pendant les phases de début et de mi-position de la démarche. L’arche recule ensuite en position tardive, se levant et se raccourcissant, ce qui peut aider au raidissement du pied et peut aider à la propulsion pendant le poussage. D’autre part, Hicks a proposé que la transition de l’arche de la conformation à la rigidité en position tardive soit fonction de l’action du guindeau du fascia plantaire. Le mécanisme du guindeau de Hick suggère que la dorsiflexion de l’articulation métatarsophalangienne (MTPJ) en position tardive produit un enroulement du fascia plantaire autour de la tête métatarsienne (ou tambour du guindeau). Cet enroulement du fascia plantaire tire sur le calcanéum, raccourcit et soulève l’arche et inverse l’articulation sous-thalaire. L’hypothèse cruciale dans l’hypothèse de Hicks est que le fascia plantaire est extrêmement rigide.

Si le mécanisme du guindeau modélisait correctement la fonction du pied, toute dorsiflexion MTPJ correspondrait à un changement de longueur et de hauteur de la voûte plantaire. Cependant, s’il y a un changement de longueur de la voûte plantaire et que l’angle MTPJ est constant, le fascia plantaire doit s’étirer / se tendre pour s’adapter à cette déformation du pied. Hicks a conclu que le fascia plantaire était suffisamment rigide pour effectuer l’action du guindeau, avec un allongement minimal. Cependant, l’allongement mesuré et le retour d’énergie du fascia plantaire pendant la démarche suggèrent que lors de tâches dynamiques et chargées, l’effet du guindeau peut être réduit. Des études antérieures sur les cadavres et les éléments finis ont étudié l’effet de la variation de l’angle MTPJ sur la souche dans le fascia plantaire, et ont montré que l’augmentation de la dorsiflexion dans le MTPJ augmente la souche dans le tissu. Cependant, il n’est pas clair si la variation de l’angle MTPJ in vivo affecte la mécanique de l’arche et le retour d’énergie.

L’allongement des tissus mous de la voûte plantaire, lorsque le pied est chargé pendant la locomotion, est compatible avec le mécanisme arc-ressort proposé par Ker et ses collègues. En appliquant des compressions cycliques aux pieds cadavériques, à des charges similaires aux forces de réaction au sol subies pendant la course, ils ont mis en évidence que le fascia plantaire et d’autres structures ligamentaires de la voûte plantaire contribuaient considérablement au stockage et au retour élastiques de l’énergie. Nous nous interrogeons donc sur la façon dont ces deux mécanismes — le guindeau et l’arc-ressort — interagissent pour influencer la forme et la fonction de l’arc longitudinal médian en fonction de l’angle MTPJ. En utilisant un paradigme expérimental in vivo similaire à Ker et ses collègues, nous avons examiné comment l’angle MTPJ affecte la rigidité de la voûte plantaire, l’énergétique et la cinématique lors du chargement du pied. Nous avons émis l’hypothèse que la dorsiflexion des orteils réduirait la déformation de l’arcade en pré-tendant le fascia plantaire et en augmentant la rigidité effective de l’arcade. Nous avons également émis l’hypothèse qu’une rigidité accrue et une déformation réduite de la voûte plantaire avec une MTPJ dorsiflexée conduiraient à une énergie moins absorbée et renvoyée dans le pied par rapport à la condition de MTPJ plantaire.

Méthodes

Neuf sujets sains (8M, 1F, moyenne ± std. dev., masse 80 ± 12 kg) sans antécédents de lésion des membres inférieurs, avec un consentement éclairé écrit pour participer à cette étude.

Un actionneur électromagnétique à commande de force (Linmot PS10-70x400U-BL-QJ, NTI AG Linmot, Suisse) a appliqué une force de compression à l’une des deux vitesses à travers la tige au pied nu du sujet. La force a été appliquée au genou, directement à la verticale du naviculaire, avec la tige à un angle approximatif de 15 ° par rapport à la verticale (similaire à la position médiane tardive en marche, avant la montée du talon) (figure 2). L’effet de l’angle MTPJ sur la déformation de la voûte a été testé en fixant passivement le MTPJ à 30° de flexion plantaire, neutre ou 30° de dorsiflexion par rapport au sol. Une plaque métallique mince et rigide inclinée pour chaque position MTPJ a été placée solidement sous la balle du pied. Les orteils étaient attachés avec du ruban adhésif pour éviter tout changement d’angle pendant les tests. Le pied était en contact avec deux plates-formes, similaires à Ker et al. , avec la plate-forme sous la boule du pied fixée en place avec des poignées. La plate-forme de talon avait des roulements à billes fixés au fond, ce qui lui permettait de se traduire librement dans le sens antérieur / postérieur sur une scène linéaire. Une plate-forme de force de 6 degrés de liberté (Bertec, États-Unis), capturant à 3700 Hz, a été placée sous cet appareil personnalisé. Les participants ont été invités à se détendre lorsque des charges d’un poids corporel étaient appliquées sur le genou, en comprimant, en maintenant puis en relâchant la voûte plantaire. La condition rapide a chargé le pied à un poids corporel avec une vitesse de charge de 3,5 ± 0,7 PC s−1 (moyenne ± s.d.), ce qui a été choisi pour induire un temps similaire au premier pic de la force de réaction au sol que la marche entre 1,0 et 1,5 m s–1. La condition lente a été chargée à une vitesse de 1,3 ± 0,1 PC s-1. La compression a été maintenue pendant 0,23 ± 0,05 s pour la condition rapide et 1,3 ± 0.3 s pour la condition lente pour chaque angle MTPJ, dans un ordre aléatoire.

Six caméras (Qualisys, Suède), échantillonnant à 185 Hz, ont capturé les positions tridimensionnelles de 20 marqueurs rétroréfléchissants (9.0 mm) placé sur la surface de la peau du pied et de la tige. L’ensemble de marqueurs était similaire à Leardini et al. , avec un marqueur supplémentaire à l’extrémité des deuxième et quatrième phalanges proximales. De plus, trois marqueurs ont été placés sur un groupe de tiges rigides, un marqueur a été placé sur l’épicondyle fémoral médial et un marqueur a été placé sur l’épicondyle fémoral latéral. Un modèle de pied multi-segments composé de l’arrière-pied, du milieu du pied et de l’avant-pied a été développé à partir de Leardini et al.jeu de marqueurs. Le plan transversal du pied est le plan contenant les marqueurs calcanéen, premier métatarsien et cinquième métatarsien. Le plan sagittal est normal à ce plan, et l’intersecte le long du vecteur entre le calcanéum et les deuxièmes marqueurs métatarsiens projetés dans le plan transversal.

Les données de mouvement et de force ont été filtrées avec un filtre de Butterworth passe-bas du quatrième ordre avec une fréquence de coupure de 6 Hz, sélectionné à partir d’une analyse par transformée de Fourier rapide. Les essais ont été recadrés en utilisant la dimension verticale de la force de réaction au sol, à un seuil de 15 N, en utilisant un algorithme personnalisé implémenté dans Matlab (Mathworks, Natick MA).

L’angle d’arc longitudinal médian et l’angle MTPJ (nommé F2Ps in) ont été calculés sur la base d’un modèle établi. En bref, l’angle MLA est la projection de l’angle entre les marqueurs sur le calcanéum postérieur, le sustentaculum tali du calcanéum et la tête du premier métatarsien dans le plan sagittal du pied. L’angle MLA au début de la compression est soustrait de l’angle MLA maximal qui s’est produit dans un essai pour obtenir l’angle ΔMLA. Un angle ΔMLA augmenté et positif indique que l’arc est allongé horizontalement et comprimé verticalement. L’angle entre les marqueurs sur la première base métatarsienne, la première tête métatarsienne et la phalange proximale, projetée dans le plan sagittal, est l’angle MTPJ. La position neutre de référence (orteils plats) a été prise sans aucune charge appliquée et a été considérée comme zéro degré de dorsiflexion des orteils.

La longueur de l’arc était la distance entre le calcanéen postérieur et le premier marqueur de la tête métatarsienne, le long du trajet du glissement primaire du fascia plantaire, normalisée à la plus longue longueur d’arc enregistrée du sujet (tableau 1). L’allongement a été défini comme la plage de la longueur de la voûte plantaire lors d’un essai. La hauteur de la voûte était le déplacement vertical du marqueur naviculaire, dans la même dimension que la force appliquée sur le genou. La hauteur de voûte initiale au début de l’essai a été soustraite de la hauteur de voûte la plus basse pendant cet essai pour calculer la compression de la voûte, et est normalisée à la plus grande compression de voûte mesurée pour ce sujet (tableau 1). La hauteur de la voûte a été différenciée par rapport au temps nécessaire pour calculer la vitesse de la voûte, qui a été multipliée par la force verticale, ce qui a entraîné une puissance de la voûte. L’intégration de la courbe de puissance de l’arche dans le temps pour un cycle de compression a permis de réaliser le travail effectué dans l’arche (figure 3). L’énergie absorbée a été prise comme la plage entre la plus grande énergie absolue mesurée dans un essai (pendant le chargement) et le début de l’essai (déchargé); l’énergie retournée était la différence entre l’énergie absorbée et la valeur de l’énergie à la fin de l’essai; et l’énergie dissipée est la différence entre l’énergie absorbée et l’énergie retournée (figure 3). La proportion d’énergie retournée était le rapport de l’énergie retournée à l’énergie absorbée.

Pour quantifier les changements de forme de la voûte plantaire, l’axe autour duquel le segment avant-pied tournait par rapport au segment arrière-pied pendant les essais de compression de la voûte plantaire a été calculé comme l’axe de mouvement hélicoïdal. L’axe hélicoïdal est défini comme un axe unique autour duquel se produit la rotation tridimensionnelle (3D) et le long duquel se produit la translation 3D d’un corps rigide par rapport à un autre. Le segment avant-pied a d’abord été enregistré à l’arrière-pied pour toutes les montures. Les axes de mouvement hélicoïdaux ont ensuite été calculés entre la première trame de l’essai (sans déformation de l’arc) et cinq trames au milieu de l’essai (au point de déformation maximale de l’arc). La moyenne par composante de l’axe de rotation de ces cinq cadres a été prise pour réduire le bruit et a été exprimée dans le système de coordonnées du pied local. L’analyse en composantes principales a été réalisée sur le vecteur unitaire moyen de l’axe de rotation, pour chaque condition d’essai et pour tous les sujets.

Pour tester l’engagement statique du guindeau, la corrélation entre l’angle MTPJ et la longueur de la voûte plantaire a été évaluée lorsque le pied était statique et déchargé. L’angle MTPJ et la longueur de la voûte plantaire ont été déterminés pour chaque condition d’essai, fournissant six combinaisons pour chaque participant (lente / rapide pour le dorsiflexed / neutre / plantarflexed). Une analyse de la variance (ANOVA) a testé la régression linéaire des moindres carrés pour les points de données regroupés.

Une ANOVA à mesures répétées bidirectionnelles a examiné l’effet de l’angle MTPJ (30 ° de dorsiflexion / 30 ° de flexion plantaire) et de la vitesse de chargement (rapide / lente) sur l’énergie de l’arc (énergie absorbée, renvoyée et dissipée, et le rapport d’énergie), et les métriques cinématiques de l’arc (allongement de l’arc, compression de l’arc, angle ΔMLA, rotation de l’axe hélicoïdal Δ). Pour simplifier l’analyse, la condition neutre n’a pas été incluse dans l’ANOVA.

Les tests t sur échantillons appariés ont évalué les différences dans les composantes principales des axes de rotation entre les angles et les vitesses MTPJ.

Le niveau alpha a été fixé à 0,05. Toutes les analyses ont été réalisées à l’aide d’un logiciel personnalisé écrit en Matlab (Mathworks, Natick MA). Sauf indication contraire, toutes les valeurs sont moyennes ± 1 écart type.

Résultats

Dans une position statique non chargée, la longueur de la voûte plantaire était plus courte de 5 ± 1% (de la longueur maximale) lorsque les orteils étaient dorsiflexés par rapport à plantarflexed (p < 0,01) (figure 4). Chaque sujet a connu une longueur de voûte décroissante car l’angle MTPJ variait de la flexion plantaire à la dorsiflexion. Il y avait une corrélation linéaire significative spécifique au sujet entre la longueur de l’arche et l’angle MTPJ (R2 > 0,92). La pente regroupée avait également une relation linéaire significative (R2 = 0,67, p < 0,01) (figure 4).

L’état de l’angle des orteils pendant la compression du pied a eu une influence significative sur l’énergie absorbée et dissipée par la voûte plantaire (tableau 2) (figure 5). Par rapport au MTPJ à flexion plantaire (P), le MTPJ à flexion dorsiflexe (D) a fait absorber plus d’énergie à l’arc (D = 23,1 ± 8,0 MJ kg−1, P = 20,6 ± 5,4 MJ kg−1, p < 0,05) et dissiper plus d’énergie (D = 7,5 ± 4,4 mj kg−1, P = 6,2 ± 3,4 MJ kg−1, p < 0,05 ). Cependant, l’angle MTPJ n’a pas eu d’effet significatif sur l’énergie retournée (D = 15,6 ± 5,4 MJ kg−1, P = 14,5 ± 4.9 MJ kg-1, p = 0,08) ou le rapport de l’énergie retournée (D = 0,68 ± 0,11, P = 0,70 ± 0,14, p = 0,11).

La vitesse de compression, rapide (F) ou lente (S), a affecté l’énergie de l’arche (tableau 2). Lorsque le pied était comprimé rapidement, plus d’énergie était absorbée (F = 24,2 ± 8,1 MJ kg−1, S = 19,5 ± 4,5 mj kg−1, p < 0,05) et renvoyée (F = 17,3 ± 5,6 Mj kg−1, S = 12,8 ± 3,4 MJ kg−1, p < 0,01) par rapport à lorsque le pied était comprimé lentement. Fait intéressant, l’énergie dissipée n’était pas significativement différente entre les deux vitesses (F = 6,9 ± 5,0 MJ kg-1, S = 6,7 ± 2,7 MJ kg-1, p = 0.86) ni la proportion d’énergie retournée (F = 0,72 ± 0,14, S = 0,66 ± 0,10, p = 0,19).

L’angle MTPJ a également influencé la cinématique de la compression du pied, avec un effet significatif sur l’allongement de la voûte plantaire. Le MTPJ dorsiflexed a augmenté l’allongement de l’arc pendant les essais de chargement (D = 0,0085 ± 0,0026, P = 0,0053 ± 0,0020, p < 0,01), par rapport au moment où le MTPJ était à flexion plantaire. Il n’y a eu aucun effet significatif sur la compression de la voûte plantaire (D = 0,72 ± 0,16, P = 0,69 ± 0,11, p = 0,23), l’angle ΔMLA (D = 2,6 ± 0,9°, P = 2,8 ± 0,7°, p = 0.25) ou Δ rotation de l’axe hélicoïdal (D = 4,2 ± 2,1°, P = 3,6 ± 0,9°, p = 0,20) (tableau 2). Il n’y avait aucun effet d’interaction significatif sur aucune des variables entre la vitesse de compression et l’état des orteils.

Les première et deuxième composantes principales de l’orientation des axes hélicoïdaux, respectivement, expliquaient 65,0% et 30,8% de la variance de l’orientation. La deuxième composante était significativement différente entre les conditions de toe (p < 0,05), tandis que la première composante ne l’était pas (p = 0,10). La première composante expliquait principalement la variation d’orientation de l’axe de rotation dans le sens antérieur–postérieur (rotation du plan transversal), et la seconde dans le sens supérieur–inférieur (rotation du plan frontal) (voir le matériel supplémentaire électronique, figure S1 pour la visualisation). Lorsque le premier MTPJ était en flexion dorsale, l’axe de rotation était orienté de manière plus supérieure-inférieure et plus antérieure que lorsque le MTPJ était en flexion plantaire, ce qui provoquait une déformation du milieu du pied autour d’un axe inversé (figure 6). En revanche, lorsque le MTPJ a été relâché, l’arc s’est comprimé principalement dans le plan sagittal.

Discussion

Le but de cette étude était de comprendre l’interaction entre les mécanismes du guindeau et du ressort d’arc, en engageant le guindeau par la dorsiflexion MTPJ, et en étudiant les effets sur l’énergie de l’arc lors d’une compression dynamique. Nous avons émis l’hypothèse que la dorsiflexion MTPJ pré-tendrait le fascia plantaire et raidirait l’arcade. Cependant, contrairement à notre hypothèse, l’engagement du mécanisme du guindeau a réduit la rigidité de l’arche et augmenté l’absorption et la dissipation d’énergie. L’effet de la dorsiflexion MTPJ a donc le potentiel d’affecter la locomotion en modifiant le profil d’énergie mécanique au sein du pied.

Le mécanisme du guindeau prédit que lorsque le MTPJ est dorsiflexé, la voûte augmente en hauteur et diminue en longueur, ce qui a été confirmé dans les résultats de notre état de déchargement. La relation entre l’angle MTPJ et l’allongement de la voûte était fortement corrélée et largement cohérente pour tous les sujets. Contrairement au boîtier statique non chargé, si le mécanisme du guindeau expliquait le mouvement dynamique de l’arche, alors, pour des angles de pointe constants, il ne devrait pas y avoir de changement dans la longueur de l’arche. Cependant, l’arcade s’est allongée pendant les essais de compression, ce qui signifie que le fascia plantaire doit se déformer pour s’adapter à ce changement. Ceci est cohérent avec la mesure de l’allongement du fascia plantaire dans des études précédentes et implique que le mécanisme du guindeau n’explique pas complètement le comportement de la voûte plantaire lors d’un chargement dynamique.

Le guindeau a cependant modulé l’énergie de l’arche lors du chargement dynamique. Lorsque le mécanisme du guindeau était enclenché, l’arche était raccourcie de manière significative, ce qui plaçait probablement d’autres tissus traversant l’arche plus près de leur longueur de repos. L’arc pourrait donc subir une plus grande excursion en raison des propriétés élastiques non linéaires des tissus couvrant l’arc. Cela réduirait fonctionnellement la rigidité en vrac de la voûte plantaire et entraînerait un allongement plus important, et faciliterait par conséquent une plus grande absorption et dissipation d’énergie lors du chargement cyclique du pied. Bien que l’effet de la perturbation de l’angle MTPJ sur les structures internes spécifiques du pied ne puisse pas être déterminé avec ces méthodes, il est possible que la modification de la forme et de la longueur de l’arc ait modifié la proportion de la charge délivrée aux structures des tissus mous de l’arc. Les différences de viscosité entre ces structures pourraient également influencer l’énergie dissipée dans l’arche.

La vitesse de compression a eu une influence faible, mais significative sur l’énergie de l’arche. Plus d’énergie était absorbée et renvoyée par la voûte plantaire lorsque la voûte plantaire était comprimée à l’état rapide par rapport à l’état lent. Des forces de crête et une déformation de crête similaires ont été trouvées pour les deux vitesses de chargement; cependant, une rigidité plus linéaire dans les conditions de chargement rapide (permettant une rigidité accrue à de faibles forces) était la principale source de l’énergie accrue stockée et renvoyée. Il est probable que ce petit changement de rigidité à des forces plus faibles puisse être le résultat de l’activation des muscles intrinsèques du pied — qui ont été démontrés pour modifier la rigidité de la voûte dans des conditions de charge similaires. Dans cette expérience, nous n’avons pas mesuré l’activation intrinsèque du muscle du pied (qui nécessite une électromyographie intramusculaire) et ne pouvons donc pas confirmer s’il y avait une différence d’activation musculaire entre les essais. Nous supposons que l’activation musculaire est principalement motivée par l’application de la force ; cependant, il peut également y avoir une différence subtile d’activation en raison de la vitesse d’étirement, ce qui peut avoir conduit à la différence d’énergie absorbée et renvoyée au niveau de l’arche. De plus, il n’y avait pas de différence d’énergie dissipée entre les conditions de vitesse. Ceci est cohérent avec les tissus biologiques nécessitant généralement une différence de vitesse de déformation de plusieurs ordres de grandeur pour provoquer un changement dans les dissipations d’énergie visqueuse.

La dorsiflexion MTPJ a modifié la déformation du pied. La mesure de l’axe hélicoïdal montre comment l’avant-pied se déplace par rapport au pied arrière et, par conséquent, le mouvement décrit est indépendant de la position globale du pied. Entre deux compressions identiques, on s’attendrait à ce que l’axe reste le même. Cependant, lorsque le MTPJ était dorsiflexé, l’avant-pied se déplaçait autour d’un axe incliné par rapport au pied arrière, par rapport au MTPJ à flexion plantaire. Cela signifie fonctionnellement que si le pied arrière est hypothétiquement dans la même position, l’avant-pied tourne davantage dans le plan transversal (i.e. tourne extérieurement) lors d’une compression du pied lorsque le MTPJ est fléchi dorsalement que le mouvement purement sagittal qui se produit lorsque le MTPJ est fléchi plantairement. S’il y a plus de mouvement dans le plan transversal, des charges accrues peuvent être subies par différentes structures couvrant l’arc qui résistent à la rotation externe de l’avant-pied, telles que la bande médiale du fascia plantaire, le ligament deltoïde ou le muscle abducteur hallucis. En d’autres termes, la charge dans le pied peut être redistribuée à différents tissus, ce qui pourrait affecter l’énergétique de la voûte en raison des différences entre les bras de moment des tissus et les propriétés matérielles.

Le déplacement de l’axe hélicoïdal du plan sagittal (MTPJ à flexion plantaire) vers les trois plans (MTPJ à flexion dorsiflexe) indique que le modèle en treillis bidimensionnel dans le plan sagittal ne modèle pas de manière appropriée le comportement de l’arc longitudinal médian. Ceci est soutenu par l’allongement important de la voûte mais la compression non significative de la voûte. De plus, ni la variation de l’angle ΔMLA ni la quantité de rotation autour de l’axe hélicoïdal ne montrent de différences significatives entre les conditions de pointe. Cela suggère qu’il peut y avoir des changements dans l’arc transversal qui ne sont pas pris en compte dans ces modèles bidimensionnels, ce qui a été suggéré par Fuller, et que les modèles tridimensionnels modéliseront de manière plus appropriée l’énergétique et le comportement de l’arc.

Une limite de cette étude est que notre paradigme expérimental n’a pas recréé exactement les conditions trouvées pendant la locomotion. La gamme des valeurs d’angle MLA dans une marche saine (environ 4 ° en position médiane, sans compter la poussée) était proche de la gamme expérimentée ici (2,1-3,7 °); cependant, la première cinématique MTPJ et arch ne connaissent pas nécessairement la combinaison des conditions contrôlées ici. Bien qu’il soit difficile de relier directement nos résultats à la fonction du pied pendant la démarche, nous avons démontré une nouvelle interaction entre le guindeau et le ressort de voûte, qui est susceptible d’être cohérente dans une gamme d’angles de flexion des orteils. Par exemple, si la dorsiflexion du MTPJ est limitée avant le contact initial pendant la démarche, elle peut limiter l’allongement de la voûte plantaire, et donc son absorption d’énergie lors de l’impact, et affecter par la suite la capacité du pied à absorber les chocs. Il peut également provoquer une déformation différente du pied, en sollicitant différents tissus de la voûte plantaire, ce qui modifierait également l’énergétique de la voûte plantaire. Par conséquent, le mécanisme du guindeau peut être important lors du contact initial, ainsi que lors de la poussée. Nous n’avons pas non plus qualifié le type de pied (par exemple, pieds plats, arche haute) des sujets; cependant, nous avons encore trouvé des différences significatives entre les conditions, ce qui indique probablement que les pieds sains fonctionnent de manière similaire malgré des différences morphologiques potentielles.

Le pied était en contact avec deux points de la plaque de force, ce qui nous empêchait de connaître la proportion de force sur l’arrière-pied et l’avant-pied. D’autres études ont attribué la force à l’avant-pied ou à l’arrière-pied en fonction de la géométrie ou de l’emplacement du centre de pression par rapport aux têtes métatarsiennes. Comme la direction de la force appliquée était unidimensionnelle dans ce cas, la métrique d’énergie en vrac utilisée pour quantifier l’énergétique de l’arche était un moyen simple d’indiquer la mécanique de l’arche sans faire d’hypothèses sur la répartition de la force sur la plante du pied. Cependant, cette approche peut sous-estimer la puissance mécanique totale transférée. L’énergie est également probablement absorbée et dissipée dans d’autres tissus mous, tels que le coussinet adipeux du talon. Il a été démontré que les dissipations d’énergie dans le coussinet adipeux du talon pendant la marche étaient de 28,6 ± 6,9% dans des expériences cadavériques et de 17,8 ± 0.8% lors d’expériences in vivo. Bien que nous ne puissions pas séparer les contributions de la voûte plantaire et des tissus mous du membre inférieur avec ces méthodes, il semble peu probable que les dissipations des tissus mous dans les articulations du genou ou de la cheville, ou le coussinet adipeux du talon, soient perturbées par la dorsiflexion du MTPJ.

Ce travail a plusieurs applications. La variation de l’angle MTPJ dans la conception de la chaussure et de l’orthèse a des implications dans la modification de l’absorption des chocs, de l’axe de rotation fonctionnel de l’arche et des économies énergétiques. Par exemple, des travaux antérieurs ont montré qu’augmenter la rigidité en flexion des chaussures peut limiter la dorsiflexion de MTPJ, ce qui peut réduire les pertes d’énergie dans cette articulation, et qu’un minimum métabolique existe à une rigidité critique où la dorsiflexion naturelle de MTPJ n’est pas inhibée. Le bras de levier du vecteur de force de réaction au sol au centre de l’articulation de la cheville augmenterait également avec l’augmentation de la rigidité en flexion des chaussures; cependant, l’impact sur la cinématique MLA n’a pas été pris en compte. L’étude menée ici a été réalisée chez des sujets pieds nus dans une position prescrite, ce qui peut ne pas se traduire complètement par la mécanique de la chaussure pendant la démarche; cependant, la position de la voûte plantaire et du MTPJ à l’intérieur de la chaussure peut encore affecter l’énergétique de la combinaison pied–chaussure.

L’ajout à la compréhension de la fonction du guindeau et de son interaction avec l’arc-ressort peut avoir des implications cliniques pour mieux comprendre les pathologies liées à l’arc telles que la fasciite plantaire. L’inhibition ou l’engagement du guindeau dans cette pathologie peut avoir un effet fonctionnel sur la mécanique de la démarche et la rééducation du patient. Enfin, l’élucidation de ces mécanismes peut avoir des implications dans le domaine de la biologie évolutive, car l’interaction entre le mécanisme du guindeau et du ressort arqué affecte probablement les performances et l’économie, qui sont supposées être des cibles de la sélection naturelle.

Conclusion

Le mécanisme du guindeau explique la fonction de la voûte dans des positions statiques, lorsque la voûte est capable de se déformer sans résistance. Cependant, lors de compressions dynamiques, l’allongement de la voûte plantaire à un angle d’orteil constant, et l’absorption et le retour d’énergie associés, démontrent que le guindeau ne définit pas complètement le rôle du fascia plantaire dans la fonction de la voûte plantaire. Dans l’ensemble, le guindeau fonctionne pour modifier la forme du pied, ce qui affecte directement le comportement de la voûte plantaire et l’énergie du pied.

Éthique

L’autorisation éthique a été fournie par le Comité d’éthique de la Recherche médicale de l’Université du Queensland (numéro d’approbation 2015000955). Le consentement éclairé a été fourni par tous les participants.

Accessibilité des données

Les jeux de données prenant en charge cet article sont disponibles en ligne (https://goo.gl/xfJi6F).

Contributions des auteurs

Tous les auteurs ont conçu l’étude. L.W. a conçu et mené l’expérience. L.W. a analysé les données et a écrit le document avec l’aide de M.J.R.L.A.K. et G.A.L. a développé l’appareil. Tous les auteurs ont aidé à l’interprétation des résultats et ont édité le manuscrit.

Intérêts concurrents

Nous déclarons ne pas avoir d’intérêts concurrents.

Financement

G.A.L., L.A.K. et M.J.R. a reçu un financement de l’Australian Research Council (DP160101117), qui a soutenu ce projet. M.J.R. et L.W. sont financés par la Subvention à la découverte du CRSNG (RGPIN-2015-04688). L.A.K. est financé par une bourse Peter Doherty du National Health & Medical Research Council (APP1111909).

Notes de bas de page

Du matériel supplémentaire électronique est disponible en ligne au https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4179026.