influența mecanismului windlass asupra mecanicii arc-arc în timpul deformării dinamice a arcului piciorului

Introducere

mersul și alergarea sunt mișcări integrale ale locomoției umane. Capacitatea de a manevra pe suprafețe variabile constant la o gamă de viteze este facilitată de o interacțiune elegantă a mișcărilor în numeroasele articulații mici ale picioarelor. Piciorul se adaptează variațiilor de teren, în timpul cărora funcționează ca o structură conformă, gestionând absorbția și transferul de energie. Cu toate acestea, piciorul ajută și la propulsia înainte în timpul împingerii, unde se comportă mai mult ca o pârghie rigidă. Această funcție rigidă conformă dihotomică a piciorului este adesea considerată a juca un rol cheie în capacitatea de a merge și de a alerga pe două picioare.

structura principală considerată a fi responsabilă pentru modularea rigidității piciorului este arcul longitudinal medial (MLA). MLA este format din nouă oase (calcaneu, talus, navicular, trei cuneiforme și primele trei metatarsiene ) care sunt susținute atât de structuri ligamentare, cât și de structuri musculare care se întind pe lungimea MLA . Structurile pasive (de exemplu, fascia plantară, ligamentele plantare lungi și scurte și ligamentul calcaneo-navicular) au un rol mecanic deosebit de important în modularea a două mecanisme cunoscute despre care se crede că sporesc locomoția umană: arcul-arc și windlass (figura 1).

mecanismele arc-arc și windlass descriu fiecare parte a comportamentului rigid conform dihotomic al piciorului. Arcul este conform și asemănător arcului, deoarece se comprimă în înălțime și se alungește în lungime în fazele timpurii și medii ale mersului. Arcul se retrage apoi în poziție târzie, în creștere și scurtare, ceea ce poate ajuta la rigidizarea piciorului și poate ajuta propulsia în timpul împingerii. Pe de altă parte, Hicks a propus că tranziția arcului de la Conform la rigid în timpul poziției târzii este o funcție a acțiunii windlass a fascia plantară . Mecanismul windlass al lui Hick sugerează că dorsiflexia articulației metatarsofalangiene (MTPJ) în timpul poziției târzii produce înfășurarea fasciei plantare în jurul capului metatarsian (sau tamburul windlassului). Această înfășurare a fasciei plantare trage pe calcaneu, scurtează și ridică Arcul și inversează articulația subtalară . Ipoteza crucială în ipoteza lui Hicks este că fascia plantară este extrem de rigidă.

dacă mecanismul parbrizului a modelat în mod corespunzător funcția piciorului, orice dorsiflexie MTPJ ar corespunde unei modificări a lungimii și înălțimii arcului. Cu toate acestea, dacă există o modificare a lungimii arcului și unghiul MTPJ este constant, fascia plantară trebuie să se întindă/tensioneze pentru a se adapta acestei deformări a piciorului. Hicks a concluzionat că fascia plantară era suficient de rigidă pentru a efectua acțiunea windlass, cu o alungire minimă. Cu toate acestea, alungirea măsurată și revenirea energetică a fasciei plantare în timpul mersului sugerează că în timpul sarcinilor dinamice, încărcate, efectul vântului poate fi redus. Studiile anterioare cadaverice și cu elemente finite au investigat efectul variației unghiului MTPJ asupra tulpinii din fascia plantară și au arătat că creșterea dorsiflexiei în MTPJ crește tulpina din țesut. Cu toate acestea, nu este clar dacă variația unghiului MTPJ in vivo afectează mecanica arcului și revenirea energiei.

alungirea țesuturilor moi din arc, deoarece piciorul este încărcat în timpul locomoției, este în concordanță cu mecanismul arc-arc propus de Ker și colegii săi . Aplicând compresii ciclice pe picioarele cadaverice, la sarcini similare forțelor de reacție la sol experimentate în timpul alergării, au subliniat că fascia plantară și alte structuri ligamentare ale arcului au contribuit substanțial la stocarea și revenirea energiei elastice. Prin urmare, ne întrebăm cum aceste două mecanisme—windlass și arc-arc—interacționează pentru a influența forma și funcția arcului longitudinal medial în funcție de unghiul MTPJ. Folosind o paradigmă experimentală in vivo similară cu Ker și colegii , am examinat modul în care unghiul MTPJ afectează rigiditatea arcului, energetica și cinematica în timpul încărcării piciorului. Am emis ipoteza că dorsiflexia degetelor de la picioare ar reduce deformarea arcului prin pretensionarea fasciei plantare și creșterea rigidității efective a arcului. De asemenea, am emis ipoteza că o rigiditate crescută și o deformare scăzută a arcului cu un MTPJ dorsiflexat ar duce la o energie mai puțin absorbită și returnată în picior în comparație cu starea MTPJ plantarflexată.

metode

nouă subiecți sănătoși (8m, 1F, STD medie la un număr de XCT. dev., masa 80, 12 kg), fără antecedente de leziuni ale membrelor inferioare, cu condiția consimțământului scris informat pentru a participa la acest studiu.

un actuator electromagnetic controlat de forță (Linmot PS10-70X400U-BL-QJ, Nti AG Linmot, Elveția) a aplicat o forță de compresie la una din cele două viteze prin coadă la piciorul gol al subiectului. Forța a fost aplicată pe genunchi, direct vertical pe navicular, cu gamba la un unghi aproximativ de 15% față de verticală (similar cu poziția mijlocie târzie în mers, înainte de ridicarea călcâiului ) (figura 2). Efectul unghiului MTPJ asupra deformării arcului a fost testat prin fixarea pasivă a MTPJ la 30 de centimetrii plantarflexion, neutru sau 30 de centimetrii dorsiflexion față de sol. O placă metalică subțire și rigidă înclinată pentru fiecare poziție MTPJ a fost plasată în siguranță sub mingea piciorului. Degetele de la picioare au fost atașate cu bandă pentru a preveni orice modificare a unghiului în timpul testării. Piciorul era în contact cu două platforme, similare cu Ker și colab. , cu platforma sub mingea piciorului fixată în poziție cu mânere. Platforma călcâiului avea rulmenți cu bile fixați pe fund, ceea ce i-a permis să se traducă liber în direcția anterioară/posterioară pe o etapă liniară. O platformă de forță de 6 grade de libertate (Bertec, SUA), capturând la 3700 Hz, a fost plasată sub acest aparat personalizat. Participanții au fost instruiți să se relaxeze pe măsură ce sarcini de o greutate corporală au fost aplicate pe genunchi, comprimând, ținând și apoi eliberând arcul piciorului. Condiția rapidă a încărcat piciorul la o greutate corporală cu o rată de încărcare de 3,5 0,7 bw s−1 (valoarea medie a S.D.), care a fost selectată pentru a induce un timp similar cu primul vârf al forței de reacție la sol ca mersul între 1,0–1,5 m s−1 . Starea lentă a fost încărcată la o rată de 1,3 0,1 bw s-1. Compresia a fost menținută pentru 0,23 0,05 s pentru starea rapidă și 1,3 0.3 s pentru condiția lentă pentru fiecare unghi MTPJ, într-o ordine randomizată.

șase camere (Qualisys, Suedia), prelevate la 185 Hz, au capturat pozițiile tridimensionale ale 20 de markeri retroreflectorizanți (9.0 mm) plasat pe suprafața pielii piciorului și a gambei. Setul de markeri a fost similar cu Leardini și colab. , cu un marker suplimentar la capătul ambelor falange proximale a doua și a patra. În plus, trei markeri au fost plasați pe un grup rigid de coadă, un marker a fost plasat pe epicondilul femural medial și un marker a fost plasat pe epicondilul femural lateral. Un model de picior cu mai multe segmente format din piciorul din spate, piciorul Mijlociu și piciorul din față a fost dezvoltat de la Leardini și colab.markerul e setat. Planul transversal al piciorului este planul care conține markerii calcaneali, primul metatarsal și al cincilea metatarsal. Planul sagital este normal cu acest plan și îl intersectează de-a lungul vectorului dintre calcaneu și al doilea markeri metatarsali proiectați în planul transversal .

datele de mișcare și forță au fost filtrate cu un filtru Butterworth de ordinul patru, trece-jos , cu o frecvență de întrerupere de 6 Hz, selectat dintr-o analiză rapidă a transformatei Fourier. Încercările au fost decupate folosind dimensiunea verticală a forței de reacție la sol, la un prag de 15 N, folosind un algoritm personalizat implementat în Matlab (Mathworks, Natick MA).

unghiul arcului longitudinal medial și unghiul MTPJ (denumit F2Ps in ) au fost calculate pe baza unui model stabilit . Pe scurt, unghiul MLA este proiecția unghiului dintre markerii de pe calcaneul posterior, sustentaculum tali al calcaneului și capul primului metatarsal în planul sagital al piciorului. Unghiul MLA de la începutul compresiei este scăzut din unghiul maxim MLA care a avut loc într-un studiu pentru a obține unghiul de milimetri. Un unghi crescut și pozitiv de la un unghi de MMQ indică faptul că arcul este prelungit orizontal și comprimat vertical. Unghiul dintre markerii de pe prima bază metatarsiană, primul cap metatarsian și falanga proximală, proiectat în planul sagital, este unghiul MTPJ. Poziția neutră de referință (degetele plate) a fost luată fără nicio sarcină aplicată și a fost considerată ca zero grade de dorsiflexie a degetelor.

lungimea arcului a fost distanța dintre calcaneul posterior și primul marker al capului metatarsian, de-a lungul căii alunecării primare a fasciei plantare, normalizată la cea mai lungă lungime a arcului înregistrat de subiect (tabelul 1). Alungirea a fost definită ca intervalul lungimii arcului în timpul unui proces. Înălțimea arcului a fost deplasarea verticală a markerului navicular, în aceeași dimensiune cu forța aplicată pe genunchi. Înălțimea inițială a arcului la începutul studiului a fost scăzută din cea mai mică înălțime a arcului în timpul studiului respectiv pentru a calcula compresia arcului și este normalizată la cea mai mare compresie măsurată a arcului pentru acel subiect (tabelul 1). Înălțimea arcului a fost diferențiată în raport cu timpul pentru a calcula viteza arcului, care a fost înmulțită cu forța verticală, rezultând puterea arcului. Integrarea curbei de putere a arcului în timp pentru un ciclu de compresie a dus la munca efectuată în arc (figura 3). Energia absorbită a fost luată ca intervalul dintre cea mai mare energie absolută măsurată într-un studiu (în timp ce este încărcată) și începutul studiului (descărcată); energia returnată a fost diferența dintre energia absorbită și valoarea energetică la sfârșitul studiului; iar energia disipată este diferența dintre energia absorbită și energia returnată (figura 3). Proporția energiei returnate a fost raportul dintre energia returnată și energia absorbită.

pentru a cuantifica modificările de formă ale arcului, axa în jurul căreia segmentul antepiciorului s-a rotit în raport cu segmentul piciorului din spate în timpul încercărilor de compresie a arcului a fost calculată ca axa elicoidală de mișcare . Axa elicoidală este definită ca o singură axă în jurul căreia are loc rotația tridimensională (3D) și de-a lungul căreia are loc traducerea 3D a unui corp rigid în raport cu altul. Segmentul antepiciorului a fost înregistrat pentru prima dată pe piciorul din spate pentru toate cadrele. Axele elicoidale de mișcare au fost apoi calculate între primul cadru al studiului (fără deformare a arcului) și cinci cadre la punctul de mijloc al studiului (în punctul de deformare maximă a arcului). Media componentelor axei de rotație pentru aceste cinci cadre a fost luată pentru a reduce zgomotul și a fost exprimată în sistemul local de coordonate ale piciorului. Analiza componentelor principale a fost finalizată pe vectorul unitar mediu al axei de rotație, pentru fiecare condiție a studiului și pentru toți subiecții.

pentru a testa angajarea statică a parbrizului, corelația dintre unghiul MTPJ și lungimea arcului a fost evaluată atunci când piciorul a fost static și descărcat. Unghiul MTPJ și lungimea arcului au fost determinate pentru fiecare condiție de studiu, oferind șase combinații pentru fiecare participant (lent/rapid pentru dorsiflexed/neutru/plantarflexed). O analiză a varianței (ANOVA) a testat regresia liniară cu cele mai mici pătrate pentru punctele de date reunite.

o măsură repetată bidirecțională ANOVA a examinat efectul unghiului MTPJ (30% din dorsiflexie/30% din plantarflexie) și viteza de încărcare (rapidă/lentă) asupra energeticii arcului (energia absorbită, returnată și disipată și raportul energetic) și a valorilor cinematice ale arcului (alungirea arcului, compresia arcului, unghiul de rotație al axei elicoidale a arcului). Pentru a simplifica analiza, condiția neutră nu a fost inclusă în ANOVA.

testele T ale eșantionului asociat au evaluat diferențele dintre componentele principale ale axelor de rotație între unghiurile MTPJ și viteze.

nivelul alfa a fost stabilit la 0,05. Toate analizele au fost finalizate folosind software personalizat scris în Matlab (Mathworks, Natick MA). Cu excepția cazului în care se indică altfel, toate valorile sunt deviația standard medie de la 0 la 1.

rezultate

într-o poziție statică descărcată, lungimea arcului a fost mai scurtă cu 5% 1% (din lungimea maximă) atunci când degetele de la picioare au fost dorsiflexate comparativ cu cele plantarflexate (p < 0.01) (figura 4). Fiecare subiect a cunoscut o lungime a arcului în scădere, deoarece unghiul MTPJ a variat de la plantarflexie la dorsiflexie. A existat o corelație liniară semnificativă specifică subiectului între lungimea arcului și unghiul MTPJ (R2 > 0,92). Panta combinată a avut, de asemenea, o relație liniară semnificativă (R2 = 0,67, p < 0,01) (figura 4).

starea unghiului piciorului în timpul compresiei piciorului a avut o influență semnificativă asupra energiei absorbite și disipate de arc (tabelul 2) (Figura 5). În comparație cu MTPJ (p) plantarflexat, mtpj (D) dorsiflexat a făcut ca arcul să absoarbă mai multă energie (D = 23,1 8,0 MJ kg−1, P = 20,6 5,4 MJ kg−1, p < 0,05) și să disipeze mai multă energie (d = 7,5 4,4 MJ kg−1, p = 6,2 3,4 MJ kg−1, p < 0, 05). Cu toate acestea, unghiul MTPJ nu a avut un efect semnificativ asupra energiei returnate (D = 15,6 int.5,4 MJ kg−1, P = 14,5 int. 4.9 MJ kg−1, p = 0,08) sau raportul dintre energia returnată (D = 0,68 0,11, P = 0,70 0,14, p = 0,11).

viteza compresiei, fie rapidă (F), fie lentă (s), a afectat energia arcului (tabelul 2). Atunci când piciorul a fost comprimat rapid, S−a absorbit mai multă energie (f = 24,2 8,1 MJ kg−1, s = 19,5 4,5 MJ kg−1, p < 0,05) și s−a returnat (F = 17,3 5,6 MJ kg-1, s = 12,8 3,4 MJ kg-1, p < 0,01) comparativ cu momentul în care piciorul a fost comprimat lent. Interesant este faptul că energia disipată nu a fost semnificativ diferită între cele două viteze (F = 6,9 XTX 5,0 MJ kg−1, s = 6,7 XTX 2,7 MJ kg−1, p = 0.86) nici proporția de energie returnată (F = 0,72 0,14, s = 0,66 0,10, p = 0,19).

unghiul MTPJ a influențat și cinematica compresiei piciorului, cu un efect semnificativ în alungirea arcului. MTPJ dorsiflexat a crescut alungirea arcului în timpul încercărilor de încărcare (D = 0,0085 0,0026, P = 0,0053 0,0020, p < 0,01), comparativ cu momentul în care MTPJ a fost plantarflexat. Nu au existat efecte semnificative pe arc de compresie (D = 0.72 ± 0.16, P = 0.69 ± 0.11, p = 0.23), ΔMLA unghi (D = 2.6 ± 0.9°, P = 2.8 ± 0.7°, p = 0.25) sau axa elicoidală de rotație a axei (D = 4,2, 2,1, P = 3,6, 0,9, p = 0,20) (tabelul 2). Nu au existat efecte semnificative de interacțiune asupra niciuneia dintre variabilele dintre viteza de compresie și starea tep.

prima și a doua componentă principală a orientării axelor elicoidale, respectiv, au explicat 65,0% și 30,8% din varianța orientării. A doua componentă a fost semnificativ diferită între condițiile tep (p < 0,05), în timp ce prima componentă nu a fost (p = 0,10). Prima componentă a explicat în primul rând variația orientării axei de rotație în direcția anterioară–posterioară (rotația planului transversal), iar a doua în direcția superioară–inferioară (rotația planului frontal) (vezi material electronic suplimentar, figura S1 pentru vizualizare). Când primul MTPJ a fost dorsiflexat, axa de rotație a fost orientată mai superior-inferior și mai anterioară, comparativ cu momentul în care MTPJ a fost plantarflexat, ceea ce a făcut ca piciorul Mijlociu să se deformeze în jurul unei axe inversate (figura 6). În schimb, când MTPJ a fost plantarflexat, arcul s-a comprimat în primul rând în plan sagital.

discuție

scopul acestei investigații a fost de a înțelege interacțiunea dintre mecanismele windlass și arch-spring, prin angajarea windlass-ului prin dorsiflexia MTPJ și investigarea efectelor asupra energeticii arch în timpul unei comprimări dinamice. Am emis ipoteza că dorsiflexia MTPJ ar pre-tensiona fascia plantară și ar rigidiza arcul. Cu toate acestea, spre deosebire de ipoteza noastră, angajarea mecanismului windlass a redus rigiditatea arcului și a crescut absorbția și disiparea energiei. Prin urmare, efectul dorsiflexiei MTPJ are potențialul de a afecta locomoția prin modificarea profilului energetic mecanic din picior.

mecanismul windlass prezice că atunci când MTPJ este dorsiflexat, arcul crește în înălțime și scade în lungime, ceea ce a fost confirmat în rezultatele stării noastre descărcate. Relația dintre unghiul MTPJ și alungirea arcului a fost foarte corelată și în mare măsură consistentă pentru toți subiecții. Spre deosebire de cazul static, descărcat, dacă mecanismul windlass a explicat mișcarea dinamică a arcului, atunci, pentru unghiurile constante ale degetelor, nu ar trebui să existe nicio modificare a lungimii arcului. Cu toate acestea, arcul alungit în timpul studiilor de compresie, ceea ce înseamnă că fascia plantară trebuie să se deformeze pentru a se adapta acestei schimbări. Acest lucru este în concordanță cu măsurarea alungirii fasciei plantare în studiile anterioare și implică faptul că mecanismul windlass nu explică complet comportamentul arcului în timpul încărcării dinamice.

cu toate acestea, windlass-ul a modulat energia arcului în timpul încărcării dinamice. Când mecanismul windlass a fost angajat, arcul a fost scurtat semnificativ, ceea ce a plasat probabil alte țesuturi care traversează arcul mai aproape de lungimea lor de repaus. Prin urmare, arcul ar putea trece printr-o excursie mai mare datorită proprietăților elastice neliniare ale țesuturilor care se întind pe arc. Acest lucru ar reduce funcțional rigiditatea în vrac a arcului și ar duce la o alungire mai mare și, în consecință, ar facilita o mai mare absorbție și disipare a energiei în timpul încărcării ciclice a piciorului. În timp ce efectul perturbării unghiului MTPJ asupra structurilor interne specifice ale piciorului nu poate fi determinat cu aceste metode, este posibil ca modificarea formei și lungimii arcului să modifice proporția sarcinii livrate structurilor țesuturilor moi ale arcului. Diferențele de vâscozitate dintre aceste structuri ar putea influența, de asemenea, energia disipată în arc.

viteza de compresie a avut o influență mică, dar semnificativă asupra energeticii arcului. Mai multă energie a fost absorbită și returnată de arcul piciorului atunci când arcul a fost comprimat în stare rapidă în comparație cu starea lentă. Forțe de vârf similare și deformare de vârf au fost găsite pe ambele viteze de încărcare; cu toate acestea, o rigiditate mai liniară în starea de încărcare rapidă (permițând o rigiditate crescută la forțe mici) a fost principala sursă de energie crescută stocată și returnată. Este probabil ca această mică modificare a rigidității la forțe inferioare să fie rezultatul activării mușchilor intrinseci ai piciorului-care s-au dovedit a modifica rigiditatea arcului în condiții de încărcare similare . În acest experiment, nu am măsurat activarea intrinsecă a mușchilor piciorului (care necesită electromiografie intramusculară) și, prin urmare, nu putem confirma dacă a existat vreo diferență în activarea musculară în cadrul studiilor. Presupunem că activarea musculară este determinată în primul rând de aplicarea forței ; cu toate acestea, poate exista și o diferență subtilă în activare datorită vitezei de întindere, care ar fi putut duce la diferența atât în energia absorbită, cât și în cea returnată la arc. Mai mult, nu a existat nicio diferență în energia disipată între condițiile de viteză. Acest lucru este în concordanță cu țesuturile biologice care necesită, în general, o diferență de rată a tulpinii de mai multe ordine de mărime pentru a provoca o schimbare a disipărilor de energie vâscoasă .

dorsiflexia MTPJ a modificat modul în care piciorul S-a deformat. Măsurarea axei elicoidale arată modul în care antepiciorul se mișcă în raport cu piciorul posterior și, ca urmare, mișcarea descrisă este independentă de poziția globală a piciorului. Între două compresii identice, ar fi de așteptat ca axa să rămână aceeași. Cu toate acestea, când MTPJ a fost dorsiflexat, antepiciorul s-a deplasat în jurul unei axe înclinate față de piciorul posterior, în comparație cu MTPJ plantarflexat. Acest lucru înseamnă funcțional că, dacă piciorul posterior este ipotetic în aceeași poziție, antepiciorul se rotește mai mult în planul transversal (adică. se rotește extern) în timpul unei comprimări a piciorului atunci când MTPJ este dorsiflexat decât mișcarea pur sagitală care apare atunci când MTPJ este plantarflexat. Dacă există mai multă mișcare în planul transversal, sarcinile crescute pot fi experimentate de diferite structuri care se întind pe arc care rezistă rotației externe a antepiciorului, cum ar fi banda mediană a fasciei plantare, ligamentul deltoid sau mușchiul abductor hallucis. Cu alte cuvinte, sarcina din picior poate fi redistribuită către diferite țesuturi, ceea ce ar putea afecta energia arcului ca urmare a diferențelor dintre brațele momentului țesuturilor și proprietățile materialului.

deplasarea axei elicoidale de la planul sagital (mtpj plantarflexat) la toate cele trei planuri (mtpj dorsiflexat) indică faptul că modelul bidimensional al scheletului în planul sagital nu modelează în mod corespunzător comportamentul arcului longitudinal medial. Acest lucru este susținut de alungirea semnificativă a arcului, dar de compresia nesemnificativă a arcului. În plus, nici modificarea unghiului de la al-QQQMLA, nici cantitatea de rotație în jurul axei elicoidale nu prezintă diferențe semnificative între condițiile vârfului. Acest lucru sugerează că pot exista modificări ale arcului transversal care nu sunt luate în considerare în aceste modele bidimensionale, ceea ce a fost sugerat de Fuller , și că modelele tridimensionale vor modela mai adecvat energia și comportamentul arcului.

o limitare a acestui studiu este că paradigma noastră experimentală nu a recreat exact condițiile găsite în timpul locomoției. Gama de valori ale unghiului MLA în mersul sănătos (aproximativ 4 centimetrii în poziție medie, fără a include împingerea ) au fost apropiate de intervalul experimentat aici (2,1-3,7 centimetrii); cu toate acestea, primele MTPJ și cinematica arcului nu experimentează neapărat combinația de condiții controlate aici. Deși este dificil să ne raportăm direct constatările la funcția piciorului în timpul mersului, am demonstrat o interacțiune nouă între vânt și arc-arc, care este probabil să fie consecventă într-o gamă de unghiuri de flexie a degetelor. De exemplu, dacă dorsiflexia MTPJ este limitată înainte de contactul inițial în timpul mersului, aceasta poate limita alungirea arcului și, astfel, absorbția sa de energie în timpul impactului și, ulterior, poate afecta capacitatea piciorului de a absorbi șocul. De asemenea, poate determina piciorul să se deformeze diferit, prin tensionarea diferitelor țesuturi ale arcului, ceea ce ar modifica, de asemenea, energia arcului. Prin urmare, mecanismul de vânt poate fi important în timpul contactului inițial, precum și în timpul împingerii. De asemenea, nu am calificat tipul de picior (de exemplu, picioare plate, arc înalt) al subiecților; cu toate acestea, am găsit încă diferențe semnificative între condiții, ceea ce indică probabil că picioarele sănătoase funcționează în mod similar, în ciuda diferențelor morfologice potențiale.

piciorul a fost în contact cu două puncte de pe placa de forță, ceea ce ne-a împiedicat să cunoaștem proporția de forță pe piciorul din spate și din față. Alte studii au alocat forța antepiciorului sau piciorului posterior în funcție de geometrie sau de locația centrului de presiune în raport cu capetele metatarsiene . Deoarece direcția forței aplicate a fost unidimensională în acest caz, metrica energetică în vrac utilizată pentru cuantificarea energeticii arcului a fost o modalitate simplă de a indica mecanica arcului fără a face presupuneri cu privire la distribuția forței pe talpa piciorului. Cu toate acestea, această abordare poate subestima puterea mecanică totală transferată. Energia este, de asemenea, probabil absorbită și disipată în alte țesuturi moi, cum ar fi tamponul de grăsime al călcâiului . Disipările de energie în stratul de grăsime al călcâiului în timpul mersului pe jos s-au dovedit a fi de 28,6 la sută 6,9% în experimentele cadaverice și 17,8 la sută 0.8% în timpul experimentelor in vivo . Deși nu putem separa contribuțiile arcului și țesuturilor moi ale membrelor inferioare cu aceste metode, pare puțin probabil ca disipările țesuturilor moi în articulațiile genunchiului sau gleznei sau în tamponul de grăsime al călcâiului să fie perturbate de dorsiflexia MTPJ.

această lucrare are mai multe aplicații. Variația unghiului MTPJ în designul pantofului și ortezei are implicații în modificarea absorbției șocului, a axei de rotație funcțională a arcului și a economiilor energetice. De exemplu, lucrările anterioare au arătat că creșterea rigidității la îndoire a pantofilor poate limita dorsiflexia MTPJ , care poate reduce pierderile de energie în această articulație și că există un minim metabolic la o rigiditate critică în care dorsiflexia MTPJ naturală nu este inhibată . Brațul pârghiei de la vectorul forței de reacție la sol la centrul articulației gleznei se spune, de asemenea, că crește odată cu creșterea rigidității la îndoire a pantofilor ; cu toate acestea, impactul asupra cinematicii MLA nu a fost luat în considerare. Studiul efectuat aici a fost finalizat la subiecți cu picioarele goale într–o poziție prescrisă, ceea ce poate să nu se traducă complet în mecanica încălțămintei în timpul mersului; cu toate acestea, poziția arcului și MTPJ în interiorul pantofului poate afecta în continuare energia combinației picior-pantof.

adăugarea la înțelegerea funcției windlass și interacțiunea sa cu arcul-arc poate avea implicații clinice în înțelegerea în continuare a patologiilor legate de arc, cum ar fi fasciita plantară. Inhibarea sau angajarea windlass-ului în această patologie poate avea un efect funcțional asupra mecanicii mersului și reabilitării pacientului. În cele din urmă, elucidarea acestor mecanisme poate avea implicații în domeniul biologiei evolutive, deoarece interacțiunea dintre windlass și mecanismul arc-arc afectează probabil performanța și economia, despre care se presupune că sunt ținte ale selecției naturale.

concluzie

mecanismul parbrizului explică funcția arcului în poziții statice, atunci când arcul este capabil să se deformeze fără rezistență. Cu toate acestea, în timpul comprimărilor dinamice, alungirea arcului la un unghi constant al degetului de la picior și absorbția și revenirea energiei asociate, demonstrează că windlass-ul nu definește pe deplin rolul fasciei plantare în funcția arcului. În general, windlass-ul funcționează pentru a modifica forma piciorului, ceea ce afectează în mod direct comportamentul arc-arc și energia piciorului.

etică

autorizarea etică a fost asigurată de Comitetul de etică a cercetării medicale al Universității din Queensland (aprobarea nr. 2015000955). Consimțământul informat a fost oferit de toți participanții.

accesibilitatea datelor

seturile de date care susțin acest articol pot fi găsite online (https://goo.gl/xfJi6F).

contribuțiile autorilor

toți autorii au conceput studiul. L. W. a proiectat și a condus experimentul. L. W. a analizat datele și a scris lucrarea cu ajutorul M. J. R. L. A. K. și G. A. L. a dezvoltat aparatul. Toți autorii au asistat la interpretarea rezultatelor și au editat manuscrisul.

interese concurente

declarăm că nu avem interese concurente.

finanțare

G. A. L., L. A. K. și M. J. R. a primit finanțare de la Consiliul australian de cercetare (Dp160101117), care a sprijinit acest proiect. M. J. R. și L. W. sunt finanțate de NSERC Discovery Grant (RGPIN-2015-04688). L. A. K. este finanțat de un National Health & Medical Research Council Peter Doherty Fellowship (APP1111909).

note de subsol

materiale suplimentare electronice sunt disponibile online la https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4179026.