wpływ mechanizmu windy kotwicznej na mechanikę łuku sprężynowego podczas dynamicznej deformacji łuku stopy

wprowadzenie

chodzenie i bieganie są integralnymi ruchami człowieka. Możliwość manewrowania na stale zmieniających się powierzchniach z różnymi prędkościami jest ułatwiona przez elegancką grę ruchów w wielu małych artykulacjach stóp. Stopa dostosowuje się do zmian w terenie, podczas których pełni funkcję zgodnej struktury, zarządzając absorpcją i transferem energii. Jednak stopa pomaga również z napędem do przodu podczas push-off, gdzie zachowuje się bardziej jak sztywna dźwignia. Ta dychotomiczna, sztywna funkcja stopy jest często uważana za kluczową rolę w zdolności chodzenia i biegania na dwóch stopach.

główną strukturą uważaną za odpowiedzialną za modulowanie sztywności stopy jest przyśrodkowy łuk podłużny (MLA). MLA jest utworzona przez dziewięć kości (kości piętowe, kości skokowe, kości navicular, trzy formy klinowe i pierwsze trzy śródstopia), które są obsługiwane przez więzadła i struktury mięśniowe, które obejmują długość MLA . Struktury pasywne (np. powięź podeszwowa, długie i krótkie więzadła podeszwowe oraz więzadło piętowo-nawikowe) odgrywają szczególnie ważną rolę mechaniczną w modulowaniu dwóch znanych mechanizmów, które, jak się uważa, zwiększają ruch człowieka: łuku sprężynowego i windy kotwicznej (ryc. 1).

mechanizmy łukowo-sprężynowe i kotwiczne przedstawiają po każdej stronie dychotomiczne zachowanie stopy. Łuk jest zgodny i sprężysty, ponieważ ściska się na wysokości i wydłuża na długości podczas wczesnej i środkowej fazy chodu. Łuk następnie odchyla się w późnej pozycji, wznosząc się i skracając, co może pomóc w usztywnieniu stopy i może wspomagać napęd podczas odpychania. Z drugiej strony Hicks zaproponował, że przejście łuku od zgodnego do sztywnego podczas późnej postawy jest funkcją działania kotwicy powięzi podeszwowej . Mechanizm windy kotwicznej hicka sugeruje, że zgięcie grzbietowe stawu śródstopno-paliczkowego (MTPJ) podczas późnej postawy wytwarza nawijanie powięzi podeszwowej wokół głowy śródstopia (lub bębna windy kotwicznej). To uzwojenie powięzi podeszwowej ciągnie na kości piętowej, skraca i podnosi łuk i odwraca staw podporowy . Kluczowym założeniem w hipotezie Hicksa jest to, że powięź podeszwowa jest wyjątkowo sztywna.

jeśli mechanizm windy kotwicznej odpowiednio modelował funkcję stopy, każde zgięcie grzbietowe MTPJ odpowiadałoby zmianie długości i wysokości łuku. Jeśli jednak nastąpi zmiana długości łuku i kąt MTPJ jest stały, powięź podeszwowa musi się rozciągać / napinać, aby pomieścić to odkształcenie stopy. Hicks stwierdził, że powięź podeszwowa była wystarczająco sztywna, aby wykonać działanie windy kotwicznej, przy minimalnym wydłużeniu. Jednak zmierzone wydłużenie i zwrot energii powięzi podeszwowej podczas chodu sugerują, że podczas dynamicznych, obciążonych zadań efekt windy kotwicznej może zostać zmniejszony. Poprzednie badania zwłok i elementów skończonych badały wpływ zmiany kąta MTPJ na odkształcenie w powięzi podeszwowej i wykazały, że zwiększenie zgięcia grzbietowego w MTPJ zwiększa odkształcenie w tkance. Nie jest jednak jasne, czy zmiana kąta MTPJ in vivo wpływa na mechanikę łuku i zwrot energii.

wydłużenie tkanek miękkich w łuku, gdy stopa jest obciążona podczas ruchu, jest zgodne z mechanizmem łukowo-sprężynowym zaproponowanym przez Kera i współpracowników . Stosując cykliczne uciskanie stóp ciała, przy obciążeniach podobnych do sił reakcji podłoża doświadczanych podczas biegu, podkreślono, że powięź podeszwowa i inne struktury więzadłowe łuku znacząco przyczyniły się do sprężystego magazynowania i powrotu energii. Zastanawiamy się zatem, w jaki sposób te dwa mechanizmy—winda kotwiczna i Łuk-sprężyna—oddziałują na kształt i funkcję przyśrodkowego łuku wzdłużnego jako funkcji kąta MTPJ. Wykorzystując podobny eksperymentalny paradygmat in vivo do Ker i współpracowników, zbadaliśmy, w jaki sposób kąt MTPJ wpływa na sztywność łuku, energetykę i kinematykę podczas ładowania stopy. Postawiliśmy hipotezę, że zgięcie grzbietowe palców zmniejszy deformację łuku poprzez wstępne naprężenie powięzi podeszwowej i zwiększenie efektywnej sztywności łuku. Postawiliśmy również hipotezę, że zwiększona sztywność i zmniejszone odkształcenie łuku ze zgięciem grzbietowym MTPJ doprowadziłoby do mniej absorbowanej i zwracanej energii w stopie w porównaniu do stanu ze zgięciem podeszwowym MTPJ.

metody

dziewięć zdrowych osób (8M, 1F, średnia ± std. dev., masa 80 ± 12 kg) bez urazu kończyny dolnej w wywiadzie pod warunkiem pisemnej świadomej zgody na udział w tym badaniu.

siłownik elektromagnetyczny sterowany siłą (Linmot PS10-70X400U-BL-QJ, NTI AG Linmot, Szwajcaria) przyłożył siłę ściskania przy jednej z dwóch prędkości przez trzon do gołej stopy testera. Siła została przyłożona do kolana, bezpośrednio pionowo do kości jajowodowej, z chwytem pod przybliżonym kątem 15° do pionu (podobnie jak w przypadku późnej pozycji środkowej podczas chodzenia, przed wzniesieniem pięty) (ryc. 2). Wpływ kąta MTPJ na odkształcenie łuku został przetestowany poprzez pasywne mocowanie MTPJ pod kątem 30° zgięcia podeszwowego, neutralnego lub 30° zgięcia grzbietowego w stosunku do podłoża. Cienka, sztywna metalowa płytka pod kątem dla każdej pozycji MTPJ została bezpiecznie umieszczona pod kulką stopy. Palce zostały przymocowane taśmą, aby zapobiec zmianom kąta podczas testów. Stopa miała styczność z dwoma platformami, podobnymi do Ker et al. , z platformą pod kulką stopy zamocowaną na miejscu za pomocą uchwytów. Platforma pięty miała łożyska kulkowe przymocowane do dna, co pozwoliło jej swobodnie przekładać się w kierunku przednim/tylnym na etapie liniowym. Pod tym niestandardowym aparatem umieszczono 6-stopniową platformę mocy (Bertec, USA), wychwytującą z częstotliwością 3700 Hz. Uczestnicy zostali poinstruowani, aby zrelaksować się, gdy obciążenia o jednej masie ciała były nakładane na kolano, ściskając, trzymając, a następnie uwalniając łuk stopy. Szybki stan załadował stopę do jednej masy ciała z szybkością ładowania 3,5 ± 0,7 BW s–1 (średnia ± s.d.), która została wybrana, aby wywołać podobny czas do pierwszego szczytu siły reakcji ziemi, jak chodzenie między 1,0−1,5 m s-1 . Stan wolny ładowano z szybkością 1,3 ± 0,1 BW s−1. Kompresję utrzymywano przez 0,23 ± 0,05 s dla szybkiego stanu i 1,3 ± 0.3 s dla stanu wolnego dla każdego kąta MTPJ, w kolejności losowej.

sześć kamer (Qualisys, Szwecja), próbkujących z częstotliwością 185 Hz, zarejestrowało trójwymiarowe pozycje 20 markerów odblaskowych (9.0 mm) umieszczone na powierzchni skóry stopy i trzonu. Zestaw markerów był podobny do Leardini et al. , z dodatkowym markerem na końcu zarówno drugiego, jak i czwartego paliczka proksymalnego. Ponadto trzy markery umieszczono na sztywnym klastrze trzonu, jeden na nadkłykciu przyśrodkowym kości udowej, a jeden na nadkłykciu bocznym kości udowej. Wielosegmentowy model stopy składający się z tylnej stopy, środkowej stopy i przedniej stopy został opracowany z Leardini et al.zestaw markerów. Płaszczyzna poprzeczna stopy jest płaszczyzną zawierającą markery kości piętowej, pierwszego śródstopia i piątego śródstopia. Płaszczyzna strzałkowa jest normalna dla tej płaszczyzny i przecina ją wzdłuż wektora między piętą piętową a drugim znacznikiem śródstopia rzutowanym na płaszczyznę poprzeczną .

dane o ruchu i sile filtrowano dolnoprzepustowym filtrem Butterwortha czwartego rzędu o częstotliwości odcięcia 6 Hz, wybranym z szybkiej analizy transformacji Fouriera. Próby zostały przycięte przy użyciu pionowego wymiaru siły reakcji ziemi, na progu 15 N, przy użyciu niestandardowego algorytmu zaimplementowanego w Matlab (Mathworks, Natick MA).

kąt łuku wzdłużnego przyśrodkowego i kąt MTPJ (nazwany F2Ps in ) zostały obliczone na podstawie ustalonego modelu . Krótko mówiąc, kąt MLA to rzut kąta między markerami na kości piętowej tylnej, sustentaculum tali kości piętowej i głowy pierwszego śródstopia w płaszczyznę strzałkową stopy. Kąt MLA na początku ściskania jest odejmowany od maksymalnego kąta MLA, który wystąpił w próbie, aby uzyskać kąt ΔMLA. Zwiększony i dodatni kąt ΔMLA wskazuje, że łuk jest poziomo wydłużony i pionowo ściśnięty. Kąt między znacznikami na pierwszej podstawie śródstopia, pierwszej głowie śródstopia a paliczkiem proksymalnym, rzutowany w płaszczyznę strzałkową, jest kątem MTPJ. Referencyjna pozycja neutralna (palce płaskie)została przyjęta bez żadnego przyłożonego obciążenia i została uznana za zero stopni zgięcia grzbietowego palców.

długość łuku była odległością między tylną piętą piętową a pierwszym znacznikiem głowy śródstopia, wzdłuż drogi pierwotnego poślizgu powięzi podeszwowej, znormalizowaną do najdłuższej zarejestrowanej długości łuku testera (tabela 1). Wydłużenie zostało zdefiniowane jako zakres długości łuku podczas próby. Wysokość łuku była pionowym przesunięciem markera Nawigacyjnego, w tym samym wymiarze co przyłożona siła na kolanie. Początkowa wysokość łuku na początku próby została odjęta od najniższej wysokości łuku podczas tej próby w celu obliczenia kompresji łuku i jest znormalizowana do największej mierzonej kompresji łuku dla tego podmiotu (tabela 1). Wysokość łuku była zróżnicowana w odniesieniu do czasu do obliczenia prędkości łuku, która została pomnożona przez siłę pionową, co skutkowało mocą łuku. Integracja krzywej mocy łuku w czasie dla jednego cyklu kompresji zaowocowała pracą wykonaną w łuku (ryc. 3). Zaabsorbowana energia została przyjęta jako zakres między absolutną największą energią zmierzoną w próbie (podczas ładowania) a początkiem próby (bez obciążenia); energia zwrócona była różnicą między energią pochłoniętą a wartością energii na koniec próby; a energia rozproszona jest różnicą między energią pochłoniętą a energią zwróconą (Rysunek 3). Proporcja zwróconej energii była stosunkiem energii zwróconej do energii pochłoniętej.

aby obliczyć zmiany kształtu łuku, oś, o którą podczas prób ściskania łuku obracał się segment przodostopia względem segmentu tylnej stopy, została obliczona jako spiralna oś ruchu . Oś śrubowa jest zdefiniowana jako pojedyncza oś, wokół której następuje trójwymiarowy (3D) obrót i wzdłuż którego następuje trójwymiarowe tłumaczenie ciała sztywnego względem innego. Segment przodostopia został po raz pierwszy zarejestrowany na tylną stopę dla wszystkich RAM. Następnie obliczono spiralne osie ruchu między pierwszą klatką próby (bez deformacji łuku) a pięcioma klatkami w punkcie środkowym próby (w punkcie maksymalnej deformacji łuku). Średnia składowa osi obrotu dla tych pięciu klatek została podjęta w celu zmniejszenia hałasu i została wyrażona w lokalnym układzie współrzędnych stóp. Główną analizę składową przeprowadzono na średnim wektorze jednostkowym osi obrotu, dla każdego warunku badania i dla wszystkich uczestników.

aby przetestować statyczne sprzężenie windy kotwicznej, oceniono korelację między kątem MTPJ a długością łuku, gdy stopa była statyczna i rozładowana. Kąt MTPJ i długość łuku zostały określone dla każdego warunku badania, zapewniając sześć kombinacji dla każdego uczestnika (Powolny / szybki dla zgięcia grzbietowego / neutralnego/podeszwowego). Analiza wariancji (ANOVA) badał najmniejszych kwadratów regresji liniowej dla połączonych punktów danych.

dwukierunkowy powtarzany pomiar ANOVA zbadał wpływ kąta MTPJ (30° zgięcia grzbietowego/30° zgięcia podeszwowego) i prędkości ładowania (szybko/wolno) na energie łuku (Energia pochłonięta, zwrócona i rozproszona oraz stosunek energii) oraz kinematyczne metryki łuku (wydłużenie łuku, ściskanie łuku, kąt ΔMLA, obrót osi spiralnej Δ). Aby uprościć analizę, warunek neutralny nie został uwzględniony w ANOVA.

sparowane próby t-testy oceniły różnice w głównych składowych osi obrotu między kątami MTPJ a prędkościami.

poziom alfa został ustawiony na 0.05. Wszystkie analizy zostały wykonane przy użyciu niestandardowego oprogramowania napisanego w Matlab (Mathworks, Natick MA). O ile nie wskazano inaczej, wszystkie wartości mają wartość średnią ± 1 odchylenia standardowego.

wyniki

w nieobciążonej, statycznej pozycji długość łuku była krótsza o 5 ± 1% (maksymalnej długości), gdy palce były zgięte grzbietowo w porównaniu ze zgięciem podeszwowym (P < 0,01) (fig.4). Każdy Tester doświadczył malejącej długości łuku, ponieważ kąt MTPJ wahał się od zgięcia podeszwowego do zgięcia grzbietowego. Istniała istotna korelacja liniowa pomiędzy długością łuku a kątem MTPJ (R2 > 0,92). Połączone nachylenie miało również znaczącą zależność liniową (R2 = 0,67, p < 0,01) (ryc. 4).

stan kąta palca podczas ucisku stopy miał znaczący wpływ na energię pochłanianą i rozpraszaną przez łuk (tabela 2) (ryc. 5). W porównaniu do podeszwowego MTPJ (P), grzbietowy MTPJ (d) spowodował, że łuk pochłaniał więcej energii (D = 23,1 ± 8,0 mJ kg−1, p = 20,6 ± 5,4 MJ kg−1, p < 0,05) i rozpraszał więcej energii (D = 7,5 ± 4,4 MJ kg−1, p = 6,2 ± 3,4 MJ kg−1, p < 0,05). Jednak kąt MTPJ nie miał znaczącego wpływu na zwróconą energię (D = 15,6 ± 5,4 MJ kg-1, P=14,5 ± 4.9 mJ kg-1, p = 0,08) lub stosunek zwróconej energii (D = 0,68 ± 0,11, p = 0,70 ± 0,14, p = 0,11).

prędkość ściskania, szybka (F) lub wolna (s), miała wpływ na energie łuku (tabela 2). Gdy stopa została szybko ściśnięta, więcej energii zostało pochłonięte (F = 24,2 ± 8,1 MJ kg-1, S = 19,5 ± 4,5 MJ kg−1, p < 0,05) i zwrócone (F = 17,3 ± 5,6 MJ kg−1, S = 12,8 ± 3,4 MJ kg−1, p < 0,01) w porównaniu do powolnego ściskania stopy. Co ciekawe, rozpraszana energia nie różniła się znacząco między obiema prędkościami (F = 6,9 ± 5,0 MJ kg-1, S = 6,7 ± 2,7 MJ kg−1, p = 0.86) nie było też proporcji zwróconej energii (F = 0,72 ± 0,14, S = 0,66 ± 0,10, p = 0,19).

kąt MTPJ wpłynął również na kinematykę ściskania stopy, co miało znaczący wpływ na wydłużenie łuku. Zgięcie grzbietowe MTPJ zwiększało wydłużenie łuku podczas prób obciążenia (D = 0,0085 ± 0,0026, P = 0,0053 ± 0,0020, p < 0,01), w porównaniu do przypadku, gdy MTPJ był zgięty podeszwowo. Nie stwierdzono istotnego wpływu na ściskanie łuku (D = 0,72 ± 0,16, P = 0,69 ± 0,11, P = 0,23), kąt ΔMLA (D = 2,6 ± 0,9°, P = 2,8 ± 0,7°, p = 0.25) lub Δ obrót osi spiralnej (d = 4,2 ± 2,1°, P = 3,6 ± 0,9°, p = 0,20) (tabela 2). Nie stwierdzono istotnego wpływu interakcji na którąkolwiek ze zmiennych między prędkością kompresji a stanem palców.

pierwszy i drugi główne składniki orientacji osi śrubowych, odpowiednio, wyjaśniały 65,0% i 30,8% wariancji orientacji. Drugi składnik był znacząco różny w Warunkach palca (P < 0, 05), podczas gdy pierwszy składnik nie był (p = 0, 10). Pierwszy składnik przede wszystkim wyjaśnił zmianę orientacji osi obrotu w kierunku przednio-tylnym (obrót płaszczyzny poprzecznej), a drugi w kierunku przełożonym–dolnym (obrót płaszczyzny czołowej) (zob. elektroniczny materiał uzupełniający, rysunek S1 dla wizualizacji). Gdy pierwszy MTPJ był zgięty grzbietowo, oś obrotu była zorientowana bardziej wyżnio-Niżniej i bardziej przednio, w porównaniu do Gdy MTPJ był zgięty podeszwowo, co spowodowało deformację Środkowej stopy wokół odwróconej osi(ryc. 6). Natomiast gdy MTPJ był podeszwowo zgięty, łuk sprężał się przede wszystkim w płaszczyźnie strzałkowej.

dyskusja

celem tego badania było zrozumienie interakcji między windą kotwiczną a mechanizmami sprężyny łukowej, poprzez włączenie windy kotwicznej przez zgięcie grzbietowe MTPJ i zbadanie wpływu na energetykę łuku podczas dynamicznej kompresji. Postawiliśmy hipotezę, że zgięcie grzbietowe MTPJ naprężałoby powięź podeszwową i usztywniało łuk. Jednak w przeciwieństwie do naszej hipotezy, zaangażowanie mechanizmu windy kotwicznej zmniejszyło sztywność łuku i zwiększyło pochłanianie i rozpraszanie energii. Efekt zgięcia grzbietowego MTPJ może zatem wpływać na ruch poprzez zmianę profilu energii mechanicznej w stopie.

mechanizm windy kotwicznej przewiduje, że gdy MTPJ jest zgięty grzbietowo, łuk zwiększa wysokość i zmniejsza długość, co zostało potwierdzone w wynikach naszego stanu rozładowanego. Zależność między kątem MTPJ a wydłużeniem łuku była silnie skorelowana i w dużej mierze spójna dla wszystkich badanych. W przeciwieństwie do statycznego, nieobciążonego przypadku, jeśli mechanizm windy kotwicznej wyjaśniał dynamiczny ruch łuku, to dla stałych kątów palców nie powinno być zmiany długości łuku. Jednak łuk wydłużony podczas prób ściskania, co oznacza, że powięź podeszwowa musi odkształcić się, aby dostosować się do tej zmiany. Jest to zgodne z pomiarem wydłużenia powięzi podeszwowej we wcześniejszych badaniach i sugeruje, że mechanizm windy kotwicznej nie wyjaśnia całkowicie zachowania łuku podczas dynamicznego obciążenia.

winda kotwiczna modulowała jednak energetykę łuku podczas dynamicznego ładowania. Kiedy mechanizm windy kotwicznej został włączony, łuk został znacznie skrócony, co prawdopodobnie umieszczało inne tkanki przekraczające łuk bliżej ich długości spoczynkowej. Łuk może zatem przejść przez większą ekscesję ze względu na nieliniowe właściwości sprężyste tkanek rozciągających łuk. Funkcjonalnie zmniejszyłoby to sztywność luzem łuku i doprowadziło do większego wydłużenia, a w konsekwencji ułatwiłoby większe pochłanianie i rozpraszanie energii podczas cyklicznego obciążenia stopy. O ile za pomocą tych metod nie można określić wpływu perturbacji kąta MTPJ na określone struktury wewnętrzne stopy, możliwe jest, że modyfikacja kształtu i długości łuku zmieniła proporcję obciążenia dostarczanego do struktur tkanek miękkich łuku. Różnice w lepkości między tymi strukturami mogą również wpływać na rozproszoną energię w łuku.

szybkość kompresji miała niewielki, ale znaczący wpływ na energetykę łuku. Więcej energii zostało pochłonięte i zwrócone przez łuk stopy, gdy łuk został ściśnięty w stanie szybkim w porównaniu do stanu wolnego. Podobne siły szczytowe i odkształcenia szczytowe stwierdzono w obu prędkościach ładowania; jednak bardziej liniowa sztywność w warunkach szybkiego ładowania (pozwalająca na zwiększenie sztywności przy niskich siłach) była głównym źródłem zwiększonej energii magazynowanej i zwracanej. Jest prawdopodobne, że ta niewielka zmiana sztywności przy niższych siłach może być wynikiem aktywacji wewnętrznych mięśni stopy—które, jak wykazano, zmieniają sztywność łuku w podobnych warunkach obciążenia . W tym eksperymencie nie mierzyliśmy wewnętrznej aktywacji mięśni stopy (co wymaga elektromiografii domięśniowej), a zatem nie możemy potwierdzić, czy wystąpiła jakaś różnica w aktywacji mięśni w badaniach. Zakładamy, że aktywacja mięśni wynika przede wszystkim z zastosowania siły ; jednak może być również subtelna różnica w aktywacji ze względu na prędkość rozciągania, co mogło prowadzić do różnicy zarówno w energii absorbowanej, jak i zwracanej na łuku. Ponadto nie było różnicy w rozproszonej energii między Warunkami prędkości. Jest to zgodne z tkankami biologicznymi, które na ogół wymagają różnicy odkształceń kilku rzędów wielkości, aby wywołać zmianę lepkich rozpraszania energii .

zgięcie grzbietowe MTPJ zmodyfikowało sposób deformacji stopy. Miara osi spiralnej pokazuje, w jaki sposób przodostopie porusza się w stosunku do tylnej stopy, a w rezultacie opisany ruch jest niezależny od globalnego położenia stopy. Pomiędzy dwoma identycznymi uciskami można oczekiwać, że oś pozostanie taka sama. Jednak gdy MTPJ był zgięty grzbietowo, przodostopia poruszała się wokół nachylonej osi względem tylnej stopy, w porównaniu do podeszwowego MTPJ. Funkcjonalnie oznacza to, że jeśli tylna stopa znajduje się hipotetycznie w tym samym położeniu, przodostopia obraca się bardziej w płaszczyźnie poprzecznej (tj. zewnętrznie obraca się) podczas ucisku stopy, gdy MTPJ jest zgięty grzbietowo niż ruch czysto strzałkowy, który występuje, gdy MTPJ jest zgięty podeszwowo. Jeśli w płaszczyźnie poprzecznej jest więcej ruchu, zwiększone obciążenia mogą być odczuwane przez różne struktury łukowe, które opierają się zewnętrznemu obrotowi przedniej części stopy, takie jak przyśrodkowy pas powięzi podeszwowej, więzadło naramienne lub mięsień porywający halucynogenny. Innymi słowy, obciążenie w stopie może być rozłożone na różne tkanki, co może wpływać na energetykę łuku w wyniku różnic między ramionami tkanek i właściwościami materiałowymi.

przesunięcie osi śrubowej z płaszczyzny strzałkowej (MTPJ zgięte podeszwowo) do wszystkich trzech płaszczyzn (MTPJ zgięte grzbietowo) wskazuje, że dwuwymiarowy model kratownicy w płaszczyźnie strzałkowej nie modeluje odpowiednio zachowania przyśrodkowego łuku wzdłużnego. Jest to wspierane przez znaczne wydłużenie łuku, ale nieistotne ściskanie łuku. Ponadto ani zmiana kąta ΔMLA, ani wielkość obrotu wokół osi spiralnej nie wykazują znaczących różnic między Warunkami palców. Sugeruje to, że mogą wystąpić zmiany w łuku poprzecznym , które nie są uwzględniane w tych dwuwymiarowych modelach, co zasugerował Fuller, i że trójwymiarowe modele będą lepiej modelować energetykę i zachowanie łuku.

jednym z ograniczeń tego badania jest to, że nasz eksperymentalny paradygmat nie odtwarzał dokładnie warunków występujących podczas poruszania się. Zakres wartości kąta MLA w zdrowym chodzeniu (około 4° w pozycji środkowej, nie licząc push-off ) był zbliżony do zakresu doświadczanego tutaj (2,1–3,7°); jednak pierwsze MTPJ i kinematyka łuku niekoniecznie doświadczają kombinacji warunków kontrolowanych tutaj. Chociaż trudno jest bezpośrednio powiązać nasze wyniki z funkcją stopy podczas chodu, zademonstrowaliśmy nowatorską interakcję między windą kotwiczną a sprężyną łukową,która prawdopodobnie będzie spójna w całym zakresie kątów zgięcia palców. Na przykład, jeśli zgięcie grzbietowe MTPJ jest ograniczone przed pierwszym kontaktem podczas chodu, może to ograniczyć wydłużenie łuku, a tym samym jego pochłanianie energii podczas uderzenia, a następnie wpłynąć na zdolność stopy do absorbowania wstrząsów. Może również powodować deformację stopy w inny sposób, poprzez napinanie różnych tkanek łuku, co również modyfikowałoby energetykę łuku. Dlatego mechanizm windy kotwicznej może być ważny podczas pierwszego kontaktu, a także podczas odpychania. Nie zakwalifikowaliśmy również typu stopy (np. płaskostopie, wysoki łuk) badanych; jednak nadal znaleźliśmy znaczne różnice między Warunkami, co prawdopodobnie wskazuje na to, że zdrowe stopy funkcjonują podobnie pomimo potencjalnych różnic morfologicznych.

stopa miała styczność z dwoma punktami na płycie siły, co uniemożliwiło nam poznanie proporcji siły na tylną i przednią stopę. Inne badania przydzieliły siłę do przedniej lub tylnej stopy w zależności od geometrii lub położenia środka nacisku w stosunku do głowic śródstopia . Ponieważ kierunek przyłożonej siły był w tym przypadku jednowymiarowy, metryka energii luzem stosowana do ilościowego określenia energetyki łuku była prostym sposobem na wskazanie mechaniki łuku bez podejmowania założeń dotyczących rozkładu siły na podeszwie stopy. Jednak takie podejście może nie doceniać całkowitej przenoszonej mocy mechanicznej. Energia jest również prawdopodobnie absorbowana i rozpraszana w innych tkankach miękkich, takich jak podkładka tłuszczowa pięty . Wykazano, że rozpraszanie energii w poduszce tłuszczu pięty podczas chodzenia wynosi 28,6 ± 6,9% w doświadczeniach zwłok i 17,8 ± 0.8% podczas eksperymentów in vivo . Podczas gdy nie możemy rozdzielić wkładów łuku i tkanek miękkich kończyny dolnej za pomocą tych metod, wydaje się mało prawdopodobne, że rozpraszanie tkanek miękkich w stawach kolanowych lub skokowych lub podkładce tłuszczowej pięty jest zaburzone przez zgięcie grzbietowe MTPJ.

ta praca ma kilka zastosowań. Zmiana kąta MTPJ w konstrukcji buta i ortezy ma wpływ na modyfikację absorpcji wstrząsów, funkcjonalnej osi obrotu łuku i oszczędności energii. Na przykład, poprzednie prace wykazały, że zwiększenie sztywności zginania butów może ograniczyć MTPJ zgięcie grzbietowe , co może zmniejszyć straty energii w tym stawie, i że istnieje minimum metaboliczne przy krytycznej sztywności, gdzie naturalne MTPJ zgięcie grzbietowe nie jest hamowane . Mówi się również, że ramię dźwigni od wektora siły reakcji podłoża do środka stawu skokowego zwiększa się wraz ze wzrostem sztywności zginania butów ; jednak wpływ na kinematykę MLA nie został wzięty pod uwagę. Przeprowadzone tutaj badania zostały zakończone u osób z bosymi stopami w zalecanej pozycji, co może nie w pełni przekładać się na mechanikę obuwia podczas chodu; jednak położenie łuku i MTPJ wewnątrz buta może nadal wpływać na energetykę połączenia stopy z butem.

dodanie do zrozumienia funkcji windy kotwicznej i jej interakcji z łukową sprężyną może mieć implikacje kliniczne w dalszym zrozumieniu patologii związanych z łukiem, takich jak zapalenie powięzi podeszwy. Hamowanie lub zaangażowanie windy kotwicznej w tej patologii może mieć funkcjonalny wpływ na mechanikę chodu i rehabilitację pacjenta. Wreszcie, wyjaśnienie tych mechanizmów może mieć implikacje w dziedzinie biologii ewolucyjnej, ponieważ wzajemne oddziaływanie między kotwicą kotwiczną a mechanizmem łukowo-sprężynowym prawdopodobnie wpływa na wydajność i ekonomię, które są hipotezowane jako cele doboru naturalnego.

wniosek

mechanizm windy kotwicznej wyjaśnia funkcję łuku w pozycjach statycznych, gdy łuk jest w stanie odkształcić się bez oporu. Jednak podczas dynamicznych ucisków wydłużenie łuku pod stałym kątem palca oraz związane z tym pochłanianie i powrót energii pokazują, że winda kotwiczna nie definiuje w pełni roli powięzi podeszwowej w funkcji łuku. Ogólnie rzecz biorąc, winda kotwiczna działa w celu zmiany kształtu stopy, co bezpośrednio wpływa na zachowanie łuku sprężynowego i energetykę stopy.

Etyka

etyka została zapewniona przez komitet etyki badań medycznych Uniwersytetu Queensland (zatwierdzenie nr 2015000955). Wszyscy uczestnicy udzielili świadomej zgody.

dostępność danych

zbiory danych wspierające ten artykuł można znaleźć w Internecie (https://goo.gl/xfJi6F).

wkład autorów

wszyscy autorzy opracowali opracowanie. L. W. zaprojektował i przeprowadził eksperyment. L. W. przeanalizował dane i napisał pracę z Pomocą M. J. R. L. A. K. i G. A. L. opracowali aparaturę. Wszyscy autorzy pomagali w interpretacji wyników i redagowali manuskrypt.

konkurencyjne interesy

deklarujemy, że nie mamy konkurencyjnych interesów.

G. A. L., L. A. K. i M. J. R. otrzymał finansowanie od Australian Research Council (Dp160101117), która wspierała ten projekt. M. J. R. i L. W. są finansowane z Nserc Discovery Grant (RGPIN-2015-04688). L. A. K. jest finansowany przez National Health & Medical Research Council Peter Doherty Fellowship (APP1111909).

Przypisy

elektroniczny materiał uzupełniający jest dostępny online pod adresem https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4179026.