Influenza del meccanismo del verricello sulla meccanica dell’arco-molla durante la deformazione dinamica dell’arco del piede

Introduzione

Camminare e correre sono movimenti integrali alla locomozione umana. La capacità di manovrare su superfici sempre diverse a diverse velocità è facilitata da un elegante gioco di movimenti nelle tante piccole articolazioni dei piedi. Il piede si adatta alle variazioni del terreno, durante le quali funziona come una struttura conforme, gestendo l’assorbimento e il trasferimento di energia. Tuttavia, il piede aiuta anche con la propulsione in avanti durante il push-off, dove si comporta più come una leva rigida. Questa funzione dicotomica conforme-rigida del piede è spesso considerata un ruolo chiave nella capacità di camminare e correre su due piedi.

La struttura principale ritenuta responsabile della modulazione della rigidità del piede è l’arco longitudinale mediale (MLA). L’MLA è formato da nove ossa (il calcagno, l’astragalo, il navicolare, tre cuneiformi e i primi tre metatarsi) che sono supportate da strutture legamentose e muscolari che coprono la lunghezza dell’MLA . Le strutture passive (ad esempio la fascia plantare, i legamenti plantari lunghi e corti e il legamento calcaneo-navicolare) hanno un ruolo meccanico particolarmente importante nella modulazione di due meccanismi noti che si ritiene possano migliorare la locomozione umana: l’arco-molla e il verricello (figura 1).

I meccanismi arco-molla e salpa ancora raffigurano ogni lato del comportamento dicotomico conforme-rigido del piede. L’arco è conforme e a molla in quanto si comprime in altezza e si allunga in lunghezza durante le fasi iniziali e intermedie dell’andatura. L’arco poi si ritira in posizione tardiva, in aumento e accorciamento, che può aiutare con irrigidimento del piede e può aiutare la propulsione durante push-off. D’altra parte, Hicks ha proposto che la transizione dell’arco da conforme a rigido durante la posizione tardiva sia una funzione dell’azione del verricello della fascia plantare . Il meccanismo del verricello di Hick suggerisce che la dorsiflessione dell’articolazione metatarso-falangea (MTPJ) durante la posizione tardiva produce l’avvolgimento della fascia plantare attorno alla testa metatarsale (o tamburo del verricello). Questo avvolgimento della fascia plantare tira sul calcagno, accorcia e solleva l’arco e inverte l’articolazione subtalare . L’ipotesi cruciale nell’ipotesi di Hicks è che la fascia plantare sia estremamente rigida.

Se il meccanismo del verricello modellasse adeguatamente la funzione del piede, qualsiasi dorsiflessione MTPJ corrisponderebbe a un cambiamento nella lunghezza e nell’altezza dell’arco. Tuttavia, se c’è un cambiamento nella lunghezza dell’arco e l’angolo MTPJ è costante, la fascia plantare deve allungarsi/deformarsi per accogliere questa deformazione del piede. Hicks concluse che la fascia plantare era abbastanza rigida da eseguire l’azione del verricello, con un allungamento minimo. Tuttavia, l’allungamento misurato e il ritorno di energia della fascia plantare durante l’andatura suggeriscono che durante le attività dinamiche e caricate l’effetto del verricello può essere ridotto. Precedenti studi cadaverici e ad elementi finiti hanno studiato l’effetto di variare l’angolo MTPJ sul ceppo nella fascia plantare e hanno dimostrato che l’aumento della dorsiflessione nel MTPJ aumenta il ceppo nel tessuto. Tuttavia, non è chiaro se la variazione dell’angolo MTPJ in vivo influenzi la meccanica dell’arco e il ritorno di energia.

L’allungamento dei tessuti molli nell’arco, poiché il piede viene caricato durante la locomozione, è coerente con il meccanismo a molla ad arco proposto da Ker e colleghi . Applicando compressioni cicliche ai piedi cadaverici, a carichi simili alle forze di reazione del terreno sperimentate durante la corsa, hanno evidenziato che la fascia plantare e altre strutture legamentose dell’arco hanno contribuito sostanzialmente allo stoccaggio e al ritorno dell’energia elastica. Ci chiediamo quindi come questi due meccanismi—il verricello e l’arco-molla—interagiscono per influenzare la forma e la funzione dell’arco longitudinale mediale in funzione dell’angolo MTPJ. Utilizzando un paradigma sperimentale simile in vivo a Ker e colleghi, abbiamo esaminato come l’angolo MTPJ influisce sulla rigidità dell’arco, sull’energia e sulla cinematica durante il carico del piede. Abbiamo ipotizzato che la dorsiflessione delle dita dei piedi ridurrebbe la deformazione dell’arco pre-tensionando la fascia plantare e aumentando la rigidità effettiva dell’arco. Abbiamo anche ipotizzato che una maggiore rigidità e una diminuzione della deformazione dell’arco con un MTPJ dorsiflesso porterebbero a meno energia assorbita e restituita nel piede rispetto alla condizione MTPJ plantarflexed.

Metodi

Nove soggetti sani (8M, 1F, media ± std. dev., massa 80 ± 12 kg) senza anamnesi di lesioni agli arti inferiori fornito consenso informato scritto a partecipare a questo studio.

Un attuatore elettromagnetico a comando di forza (Linmot PS10-70x400U-BL-QJ, NTI AG Linmot, Svizzera) ha applicato una forza di compressione ad una delle due velocità attraverso il gambo al piede nudo del soggetto. La forza è stata applicata al ginocchio, direttamente verticale al navicolare, con il gambo ad un angolo approssimativo di 15° rispetto alla verticale (simile alla posizione media tardiva nel camminare, prima dell’aumento del tallone ) (figura 2). L’effetto dell’angolo MTPJ sulla deformazione dell’arco è stato testato fissando l’MTPJ passivamente a 30° di plantarflexion, neutro o 30° di dorsiflexion rispetto al terreno. Una sottile piastra metallica rigida angolata per ogni posizione MTPJ è stata posizionata saldamente sotto la sfera del piede. Le dita dei piedi sono state attaccate con nastro adesivo per evitare eventuali cambiamenti di angolo durante il test. Il piede era in contatto con due piattaforme, simili a Ker et al. , con la piattaforma sotto la palla del piede fissata in posizione con impugnature. La piattaforma del tallone aveva cuscinetti a sfera fissati al fondo, che gli permettevano di tradurre liberamente nella direzione anteriore/posteriore su uno stadio lineare. Una piattaforma di forza a 6 gradi di libertà (Bertec, USA), catturando a 3700 Hz, è stata posta sotto questo apparecchio personalizzato. I partecipanti sono stati istruiti a rilassarsi come carichi di un peso corporeo sono stati applicati al ginocchio, comprimendo, tenendo e poi rilasciando l’arco del piede. La condizione veloce ha caricato il piede su un peso corporeo con una velocità di carico di 3,5 ± 0,7 BW s−1 (media ± s.d.), che è stata selezionata per indurre un tempo simile al primo picco della forza di reazione al suolo come camminare tra 1,0–1,5 m s−1 . La condizione lenta è stata caricata ad una velocità di 1,3 ± 0,1 BW s−1. La compressione è stata mantenuta per 0,23 ± 0,05 s per la condizione veloce e 1,3 ± 0.3 s per la condizione lenta per ogni angolo MTPJ, in ordine randomizzato.

Sei telecamere (Qualisys, Svezia), campionando a 185 Hz, hanno catturato le posizioni tridimensionali di 20 marcatori retroriflettenti (9.0 mm) posizionato sulla superficie della pelle del piede e del gambo. Il set di marcatori era simile a Leardini et al. , con un marcatore extra all’estremità sia della seconda che della quarta falange prossimale. Inoltre, tre marcatori sono stati posizionati su un cluster di gambo rigido, un marcatore è stato posizionato sull’epicondilo femorale mediale e un marcatore è stato posizionato sull’epicondilo femorale laterale. Un modello di piede multi-segmento costituito dal piede posteriore, metà piede e avampiede è stato sviluppato da Leardini et al.set di marcatori. Il piano trasversale del piede è il piano contenente i marcatori calcaneare, primo metatarso e quinto metatarso. Il piano sagittale è normale a questo piano e lo interseca lungo il vettore tra il calcagno e i secondi marcatori metatarsali proiettati nel piano trasversale .

I dati di movimento e forza sono stati filtrati con un filtro Butterworth passa-basso di quarto ordine con una frequenza di cut-off di 6 Hz, selezionato da un’analisi rapida della trasformata di Fourier. Le prove sono state ritagliate utilizzando la dimensione verticale della forza di reazione al suolo, ad una soglia di 15 N, utilizzando un algoritmo personalizzato implementato in Matlab (Mathworks, Natick MA).

L’angolo dell’arco longitudinale mediale e l’angolo MTPJ (denominato F2Ps in ) sono stati calcolati sulla base di un modello stabilito . In breve, l’angolo MLA è la proiezione dell’angolo tra i marcatori sul calcagno posteriore, sustentaculum tali del calcagno e la testa del primo metatarso nel piano sagittale del piede. L’angolo MLA all’inizio della compressione viene sottratto dall’angolo MLA massimo che si è verificato in una prova per produrre l’angolo ΔMLA. Un angolo ΔMLA aumentato e positivo indica che l’arco viene allungato orizzontalmente e compresso verticalmente. L’angolo tra i marcatori sulla prima base metatarsale, la prima testa metatarsale e la falange prossimale, proiettata nel piano sagittale, è l’angolo MTPJ. La posizione neutra di riferimento (dita piatte) è stata presa senza alcun carico applicato ed è stata considerata come zero gradi di dorsiflessione della punta.

La lunghezza dell’arco era la distanza tra il calcaneare posteriore e il primo marcatore della testa metatarsale, lungo il percorso dello slittamento primario della fascia plantare, normalizzato alla lunghezza dell’arco più lunga registrata del soggetto (tabella 1). L’allungamento è stato definito come l’intervallo della lunghezza dell’arco durante una prova. L’altezza dell’arco era lo spostamento verticale del marcatore navicolare, nella stessa dimensione della forza applicata sul ginocchio. L’altezza dell’arco iniziale all’inizio della prova è stata sottratta dall’altezza dell’arco più bassa durante quella prova per calcolare la compressione dell’arco e viene normalizzata alla compressione dell’arco più grande misurata per quel soggetto (tabella 1). L’altezza dell’arco è stata differenziata rispetto al tempo per calcolare la velocità dell’arco, che è stata moltiplicata con la forza verticale, con conseguente potenza dell’arco. L’integrazione della curva di potenza dell’arco nel tempo per un ciclo di compressione ha prodotto il lavoro svolto nell’arco (figura 3). L’energia assorbita è stato preso come l’intervallo tra l’assoluto energetico più grande misurato in una prova (durante il caricamento) e l’inizio della sperimentazione (a vuoto); il restituiti energia è la differenza tra l’energia assorbita e l’energia valore al termine del periodo di prova; e l’energia dissipata è la differenza tra l’energia assorbita e restituita energia (figura 3). La proporzione di energia restituita era il rapporto tra energia restituita e energia assorbita.

Per quantificare i cambiamenti di forma ad arco, l’asse intorno al quale l’avampiede segmento ruotate la parte posteriore della scarpa segmento durante l’arco di compressione prove è stato calcolato come asse elicoidale del movimento . L’asse elicoidale è definito come un singolo asse su cui avviene la rotazione tridimensionale (3D) e lungo la quale avviene la traduzione 3D di un corpo rigido rispetto ad un altro. Il segmento dell’avampiede è stato registrato per la prima volta sul rearfoot per tutti i telai. Gli assi elicoidali di movimento sono stati quindi calcolati tra il primo fotogramma della prova (senza deformazione dell’arco) e cinque fotogrammi nel punto medio della prova (nel punto di massima deformazione dell’arco). La media componente-saggio dell’asse di rotazione per questi cinque fotogrammi è stata presa per ridurre il rumore, ed è stato espresso nel sistema di coordinate piede locale. L’analisi delle componenti principali è stata completata sul vettore unitario medio dell’asse di rotazione, per ogni condizione di prova e per tutti i soggetti.

Per testare l’impegno statico del verricello, è stata valutata la correlazione tra l’angolo MTPJ e la lunghezza dell’arco quando il piede era statico e scaricato. L’angolo MTPJ e la lunghezza dell’arco sono stati determinati per ogni condizione di prova, fornendo sei combinazioni per ogni partecipante (lento/veloce per dorsiflexed/neutro/plantarflexed). Un’analisi della varianza (ANOVA) ha testato la regressione lineare dei minimi quadrati per i punti dati raggruppati.

ANOVA ha esaminato l’effetto dell’angolo MTPJ (30° di dorsiflessione/30° di plantarflessione) e della velocità di caricamento (veloce/lento) sull’energia dell’arco (energia assorbita, restituita e dissipata e il rapporto energetico) e le metriche cinematiche dell’arco (allungamento dell’arco, compressione dell’arco, angolo ΔMLA, rotazione dell’asse elicoidale Δ). Per semplificare l’analisi, la condizione neutra non è stata inclusa nell’ANOVA.

I test t accoppiati hanno valutato le differenze nelle componenti principali degli assi di rotazione tra angoli e velocità MTPJ.

Il livello alfa è stato impostato su 0.05. Tutte le analisi sono state completate utilizzando un software personalizzato scritto in Matlab (Mathworks, Natick MA). Salvo diversa indicazione, tutti i valori sono media ± 1 deviazione standard.

Risultati

In una posizione statica e scarica, la lunghezza dell’arco era più corta del 5 ± 1% (della lunghezza massima) quando le dita erano dorsiflesse rispetto a plantarflexed (p < 0,01) (figura 4). Ogni soggetto ha sperimentato una lunghezza dell’arco decrescente in quanto l’angolo MTPJ variava da plantarflexion a dorsiflexion. C’era una significativa correlazione lineare specifica del soggetto tra la lunghezza dell’arco e l’angolo MTPJ (R2 > 0.92). Anche la pendenza aggregata aveva una relazione lineare significativa (R2 = 0,67, p < 0,01) (figura 4).

La condizione dell’angolo della punta durante la compressione del piede ha avuto un’influenza significativa sull’energia assorbita e dissipata dall’arco (tabella 2) (figura 5). In confronto al plantarflexed MTPJ (P), il dorsiflexed MTPJ (D) ha causato l’arco di assorbire più energia (D = 23.1 ± 8.0 mJ kg−1, P = 20.6 ± 5.4 mJ kg−1, p < 0.05), e per dissipare più energia (D = 7,5 ± 4.4 mJ kg−1, P = 6.2 ± 3.4 mJ kg−1, p < 0.05). Tuttavia, l’angolo MTPJ non ha avuto un effetto significativo sull’energia restituita (D = 15,6 ± 5,4 mj kg−1, P = 14,5 ± 4.9 mJ kg-1, p = 0,08) o il rapporto di energia restituita (D = 0,68 ± 0,11, P = 0,70 ± 0,14, p = 0,11).

La velocità della compressione, veloce (F) o lenta (S), ha influenzato l’energia dell’arco (tabella 2). Quando il piede è stato compresso rapidamente, più energia è stata assorbita (F = 24,2 ± 8,1 mJ kg−1, S = 19,5 ± 4,5 mj kg−1, p < 0,05) e restituita (F = 17,3 ± 5,6 mj kg−1, S = 12,8 ± 3,4 mj kg−1, p < 0,01) rispetto a quando il piede è stato compresso lentamente. È interessante notare che l’energia dissipata non era significativamente diversa tra le due velocità (F = 6,9 ± 5,0 mj kg−1, S = 6,7 ± 2,7 mj kg−1, p = 0.86) né era la proporzione di energia restituita (F = 0,72 ± 0,14, S = 0,66 ± 0,10, p = 0,19).

L’angolo MTPJ ha influenzato anche la cinematica della compressione del piede, con un effetto significativo nell’allungamento dell’arco. Il MTPJ dorsiflexed ha aumentato l’allungamento dell’arco durante le prove di carico (D = 0,0085 ± 0,0026, P = 0,0053 ± 0,0020, p < 0,01), rispetto a quando il MTPJ era plantarflexed. Non ci sono stati effetti significativi sulla compressione dell’arco (D = 0,72 ± 0,16, P = 0,69 ± 0,11, p = 0,23), angolo ΔMLA (D = 2,6 ± 0,9°, P = 2,8 ± 0,7°, p = 0.25) o Δ rotazione dell’asse elicoidale (D = 4,2 ± 2,1°, P = 3,6 ± 0,9°, p = 0,20) (tabella 2). Non ci sono stati effetti di interazione significativi su nessuna delle variabili tra velocità di compressione e condizione della punta.

La prima e la seconda componente principale dell’orientamento degli assi elicoidali, rispettivamente, spiegavano il 65,0% e il 30,8% della varianza nell’orientamento. Il secondo componente era significativamente diverso tra le condizioni di punta (p < 0,05), mentre il primo componente non lo era (p = 0,10). Il primo componente spiegava principalmente la variazione dell’orientamento dell’asse di rotazione nella direzione anteriore–posteriore (rotazione del piano trasversale) e il secondo nella direzione superiore–inferiore (rotazione del piano frontale) (vedere materiale supplementare elettronico, figura S1 per la visualizzazione). Quando il primo MTPJ era dorsiflesso, l’asse di rotazione era orientato in modo più superiore-inferiore e più anteriore, rispetto a quando l’MTPJ era plantarflesso, il che causava la deformazione del piede centrale attorno ad un asse invertito (figura 6). Al contrario, quando il MTPJ era plantarflexed, l’arco compresso principalmente nel piano sagittale.

Discussione

Lo scopo di questa indagine era quello di comprendere l’interazione tra il verricello e meccanismi arco-molla, impegnando il verricello attraverso MTPJ dorsiflessione, e indagando gli effetti sull’energia arco durante una compressione dinamica. Abbiamo ipotizzato che MTPJ dorsiflessione pre-tensione della fascia plantare e irrigidire l’arco. Tuttavia, in contrasto con la nostra ipotesi, l’aggancio del meccanismo del verricello ha ridotto la rigidità dell’arco e aumentato l’assorbimento e la dissipazione di energia. L’effetto della dorsiflessione MTPJ ha quindi il potenziale di influenzare la locomozione alterando il profilo di energia meccanica all’interno del piede.

Il meccanismo del verricello prevede che quando l’MTPJ è dorsiflesso, l’arco aumenta di altezza e diminuisce di lunghezza, come confermato dai risultati della nostra condizione di scarico. La relazione tra l’angolo MTPJ e l’allungamento dell’arco era altamente correlata e in gran parte coerente per tutti i soggetti. In contrasto con il caso statico e scaricato, se il meccanismo del verricello spiegava il movimento dinamico dell’arco, quindi, per gli angoli di punta costanti, non ci dovrebbero essere cambiamenti nella lunghezza dell’arco. Tuttavia, l’arco allungato durante le prove di compressione, il che significa che la fascia plantare deve deformarsi per accogliere questo cambiamento. Ciò è coerente con la misurazione dell’allungamento della fascia plantare in studi precedenti e implica che il meccanismo del verricello non spiega completamente il comportamento dell’arco durante il carico dinamico.

Il verricello modulava tuttavia l’energia dell’arco durante il carico dinamico. Quando il meccanismo del verricello è stato attivato, l’arco è stato accorciato in modo significativo, il che probabilmente ha posizionato altri tessuti che attraversano l’arco più vicino alla loro lunghezza di riposo. L’arco potrebbe quindi passare attraverso una maggiore escursione a causa delle proprietà elastiche non lineari dei tessuti arco-spanning. Ciò ridurrebbe funzionalmente la rigidità di massa dell’arco e porterebbe a un maggiore allungamento, e di conseguenza faciliterebbe un maggiore assorbimento e dissipazione di energia durante il carico ciclico del piede. Mentre l’effetto di perturbare l’angolo MTPJ sulle specifiche strutture interne del piede non può essere determinato con questi metodi, è possibile che la modifica della forma e della lunghezza dell’arco abbia modificato la proporzione del carico consegnato alle strutture dei tessuti molli dell’arco. Le differenze di viscosità tra queste strutture potrebbero anche influenzare l’energia dissipata nell’arco.

La velocità di compressione ha avuto un’influenza piccola, ma significativa sull’energia dell’arco. Più energia è stata assorbita e restituita dall’arco del piede quando l’arco è stato compresso nella condizione veloce rispetto alla condizione lenta. Forze di picco e deformazioni di picco simili sono state riscontrate su entrambe le velocità di carico; tuttavia, una rigidità più lineare nella condizione di carico veloce (consentendo una maggiore rigidità a basse forze) era la principale fonte di maggiore energia immagazzinata e restituita. È probabile che questo piccolo cambiamento nella rigidità a forze inferiori possa essere il risultato dell’attivazione dei muscoli intrinseci del piede—che hanno dimostrato di alterare la rigidità dell’arco in condizioni di carico simili . In questo esperimento, non abbiamo misurato l’attivazione muscolare intrinseca del piede (che richiede l’elettromiografia intramuscolare) e quindi non possiamo confermare se ci fosse qualche differenza nell’attivazione muscolare tra gli studi. Supponiamo che l’attivazione muscolare sia principalmente guidata dall’applicazione della forza ; tuttavia, potrebbe esserci anche una sottile differenza nell’attivazione dovuta alla velocità di allungamento, che potrebbe aver portato alla differenza sia nell’energia assorbita che restituita all’arco. Inoltre, non vi era alcuna differenza nell’energia dissipata tra le condizioni di velocità. Ciò è coerente con i tessuti biologici che generalmente richiedono una differenza di velocità di deformazione di diversi ordini di grandezza per provocare un cambiamento nelle dissipazioni di energia viscosa .

MTPJ dorsiflessione modificato come il piede deformato. La misura dell’asse elicoidale mostra come l’avampiede si muove rispetto al piede posteriore e, di conseguenza, il movimento descritto è indipendente dalla posizione globale del piede. Tra due compressioni identiche, ci si aspetterebbe che l’asse rimanga lo stesso. Tuttavia, quando l’MTPJ era dorsiflesso, l’avampiede si muoveva attorno ad un asse inclinato rispetto al piede posteriore, rispetto all’MTPJ plantare. Questo significa funzionalmente che se il piede posteriore è ipoteticamente nella stessa posizione, l’avampiede ruota di più nel piano trasversale (cioè quando il MTPJ è dorsiflesso rispetto al movimento puramente sagittale che si verifica quando il MTPJ è plantarflexed. Se c’è più movimento nel piano trasversale, i carichi aumentati possono essere sperimentati da diverse strutture arcuate che resistono alla rotazione esterna dell’avampiede, come la fascia mediale della fascia plantare, il legamento deltoide o il muscolo abductor hallucis. In altre parole, il carico nel piede può essere ridistribuito a diversi tessuti, che potrebbero influenzare l’energetica dell’arco a causa delle differenze tra le braccia del momento dei tessuti e le proprietà del materiale.

Lo spostamento dell’asse elicoidale dal piano sagittale (plantarflexed MTPJ) a tutti e tre i piani (dorsiflexed MTPJ) indica che il modello di traliccio bidimensionale nel piano sagittale non modella adeguatamente il comportamento dell’arco longitudinale mediale. Ciò è sostenuto dall’allungamento significativo dell’arco ma dalla compressione non significativa dell’arco. Inoltre, né la variazione dell’angolo ΔMLA né la quantità di rotazione attorno all’asse elicoidale mostrano differenze significative tra le condizioni della punta. Ciò suggerisce che ci possono essere cambiamenti nell’arco trasversale che non sono contabilizzati in questi modelli bidimensionali, che è stato suggerito da Fuller , e che i modelli tridimensionali modelleranno più appropriatamente l’energia e il comportamento dell’arco.

Una limitazione di questo studio è che il nostro paradigma sperimentale non ha ricreato esattamente le condizioni trovate durante la locomozione. L’intervallo di valori dell’angolo MLA nella camminata sana (circa 4° in posizione centrale, escluso il push-off ) era vicino all’intervallo sperimentato qui (2.1-3.7°); tuttavia, la prima cinematica MTPJ e arch non sperimenta necessariamente la combinazione di condizioni controllate qui. Mentre è difficile collegare direttamente i nostri risultati alla funzione del piede durante l’andatura, abbiamo dimostrato una nuova interazione tra il verricello e la molla ad arco, che è probabile che sia coerente su una gamma di angoli di flessione della punta. Ad esempio, se la dorsiflessione dell’MTPJ è limitata prima del contatto iniziale durante l’andatura, può limitare l’allungamento dell’arco, e quindi il suo assorbimento di energia durante l’impatto, e successivamente influenzare la capacità del piede di assorbire gli urti. Può anche causare la deformazione del piede in modo diverso, tendendo diversi tessuti dell’arco, che modificherebbero anche l’energia dell’arco. Pertanto, il meccanismo del verricello può essere importante durante il contatto iniziale, così come durante il push-off. Inoltre, non abbiamo qualificato il tipo di piede (ad esempio piedi piatti, arco alto) dei soggetti; tuttavia, abbiamo ancora trovato differenze significative tra le condizioni, il che probabilmente indica che i piedi sani funzionano in modo simile nonostante le potenziali differenze morfologiche.

Il piede era in contatto con due punti sulla piastra di forza, il che ci impediva di conoscere la proporzione di forza sul retro e sull’avampiede. Altri studi hanno assegnato la forza all’avampiede o al rearfoot secondo la geometria o la posizione del centro di pressione relativa alle teste metatarsali . Poiché la direzione della forza applicata era unidimensionale in questo caso, la metrica dell’energia di massa utilizzata per quantificare l’energia dell’arco era un modo semplice per indicare la meccanica dell’arco senza fare ipotesi sulla distribuzione della forza sulla pianta del piede. Tuttavia, questo approccio può sottovalutare la potenza meccanica totale trasferita. L’energia è anche probabilmente assorbita e dissipata in altri tessuti molli, come il cuscinetto grasso del tallone . Le dissipazioni di energia nel cuscinetto grasso del tallone durante la deambulazione hanno dimostrato di essere del 28,6 ± 6,9% negli esperimenti cadaverici e del 17,8 ± 0.8% durante gli esperimenti in vivo . Mentre non possiamo separare i contributi dell’arco e dei tessuti molli dell’arto inferiore con questi metodi, sembra improbabile che le dissipazioni dei tessuti molli nelle articolazioni del ginocchio o della caviglia, o il cuscinetto grasso del tallone, siano perturbate dalla dorsiflessione del MTPJ.

Questo lavoro ha diverse applicazioni. Variare l’angolo MTPJ nel design della scarpa e dell’ortesi ha implicazioni nel modificare l’assorbimento degli urti, l’asse di rotazione funzionale dell’arco e il risparmio energetico. Ad esempio, lavori precedenti hanno dimostrato che l’aumento della rigidità alla flessione delle scarpe può limitare la dorsiflessione MTPJ , che può ridurre le perdite di energia in questa articolazione, e che esiste un minimo metabolico a una rigidità critica in cui la dorsiflessione MTPJ naturale non è inibita . Si dice anche che il braccio di leva dal vettore della forza di reazione del terreno al centro dell’articolazione della caviglia aumenti con la crescente rigidità alla flessione delle scarpe ; tuttavia, l’impatto sulla cinematica MLA non è stato preso in considerazione. Lo studio condotto qui è stato completato in soggetti con i piedi nudi in una posizione prescritta, che potrebbe non tradursi completamente nella meccanica delle calzature durante l’andatura; tuttavia, la posizione dell’arco e del MTPJ all’interno della scarpa può ancora influenzare l’energia della combinazione piede–scarpa.

L’aggiunta alla comprensione della funzione del verricello e della sua interazione con l’arco-molla può avere implicazioni cliniche in ulteriori patologie correlate all’arco come la fascite plantare. L’inibizione o l’impegno del verricello in questa patologia può avere un effetto funzionale sulla meccanica dell’andatura e sulla riabilitazione del paziente. Infine, la delucidazione di questi meccanismi può avere implicazioni nel campo della biologia evolutiva, perché l’interazione tra il verricello e il meccanismo ad arco-molla probabilmente influisce sulle prestazioni e sull’economia, che sono ipotizzati come bersagli della selezione naturale.

Conclusione

Il meccanismo del verricello spiega la funzione dell’arco in posizioni statiche, quando l’arco è in grado di deformarsi senza resistenza. Tuttavia, durante le compressioni dinamiche, l’allungamento dell’arco ad un angolo costante della punta e l’assorbimento e il ritorno di energia associati, dimostrano che il verricello non definisce completamente il ruolo della fascia plantare nella funzione dell’arco. Nel complesso, il verricello funziona per modificare la forma del piede, che influenza direttamente il comportamento arco-molla e l’energia del piede.

Etica

L’autorizzazione etica è stata fornita dal Comitato etico della ricerca medica dell’Università del Queensland (approvazione n. 2015000955). Il consenso informato è stato fornito da tutti i partecipanti.

Accessibilità dei dati

I set di dati che supportano questo articolo sono disponibili online (https://goo.gl/xfJi6F).

Contributi degli autori

Tutti gli autori hanno concepito lo studio. L. W. ha progettato e condotto l’esperimento. L. W. analizzò i dati e scrisse il documento con l’aiuto di M. J. R. L. A. K. e G. A. L. sviluppò l’apparato. Tutti gli autori hanno assistito nell’interpretazione dei risultati e curato il manoscritto.

Interessi concorrenti

Dichiariamo di non avere interessi concorrenti.

Finanziamento

G. A. L., L. A. K. e M. J. R. ha ricevuto finanziamenti dall’Australian Research Council (DP160101117), che ha sostenuto questo progetto. M. J. R. e L. W. sono finanziati dalla NSERC Discovery Grant (RGPIN-2015-04688). L. A. K. è finanziato da un National Health & Medical Research Council Peter Doherty Fellowship (APP1111909).

Note a piè di pagina

Il materiale supplementare elettronico è disponibile online all’indirizzo https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4179026.