[論文レビュー] A Computational Model of Force within the Ligaments and Tendons in Progressive Collapsing Foot Deformity

Hamed Malakoutikhah, Erdogan Madenci+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2021

Foot and Ankle Surgery参考文献 46被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、足の軟部組織安定装置に残存する力の変化を解明するために、検証済みの有限要素モデルを構築した。靭帯若しくは後脛骨筋腱（PTT）の機能不全が残存する軟部組織安定装置に与える影響を調査した結果、靭帯の破裂は、特定のペアを除き、残存靭帯に過負荷を引き起こすことが判明した。また、足の位置を回復させるには、体重の最大30％に相当するPTTの力が必要であり、主に後方足部の外反と前足部の外反を軽減することが可能である。

ABSTRACT

Progressive collapsing foot deformity results from degeneration of the ligaments and the posterior tibial tendon (PTT). Our understanding of the relationship between the failures of them remains incomplete. We sought to improve this understanding through computational modeling of force in these soft tissues. The impact of PTT and ligament tears on force changes in the remaining ligaments was investigated using a previously validated finite element model of the foot. The ability of the PTT to restore foot alignment in a collapsed foot was evaluated by increasing the PTT force in a foot with attenuated ligaments and comparing the alignment angles to the intact foot. Rupture of any one of the ligaments led to overloading the remaining ligaments, except for the plantar naviculocuneiform, first plantar tarsometatarsal, and spring ligaments, where removing one led to unloading the other two. The attenuation of the plantar fascia, long plantar, short plantar, and spring ligaments significantly overloaded the deltoid and talocalcaneal ligaments. Isolated PTT rupture had no effect on foot alignment, but did increase the force in the deltoid and spring ligaments. Increasing the force within the PTT to 30% of body weight was effective at restoring foot alignment during quiet stance, primarily through reducing hindfoot valgus and forefoot abduction as opposed to improving arch height. The attenuation of any one ligament often leads to overload of the remaining ligaments which may lead to progressive degeneration. The PTT can maintain alignment in the collapsing foot, but at an increased load which could lead to its injury. Early intervention, in the form of ligament repair or reconstruction, might be used to prevent the progression of deformity. Moreover, strengthening the PTT through therapeutic exercise might improve its ability to restore foot alignment.

研究の動機と目的

• 個々の靭帯またはPTTの機能不全が、残存する軟部組織安定装置に与える力の分布への影響を理解すること。
• 弱くなった靭帯を有する崩壊した足において、PTTが足の位置を回復させられる能力を評価すること。
• 計算シミュレーションを通じて、進行性変形足症（PCFD）の生物学的メカニズムを同定すること。
• 疾患の進行を防ぐために、靭帯修復やPTT強化などの早期介入戦略を支援すること。

提案手法

• 解剖的死体の足のCTスキャンから再構築した、患者特異的かつ検証済みの有限要素モデルを用いた。
• 靭帯および腱を、文献データから得た材料特性を持つ引張力のみに反応するスプリング要素としてモデル化した。
• 靭帯およびPTTの切断を模擬し、残存組織の引張力の変化を定量した。
• 静止状態を模倣するため、重心部に体重の50％、アキレス腱付着部に25％の生理的負荷を加えた。
• 体重の0％から30％までPTTの力を増加させ、位置回復の効果を評価した。
• 中立的および崩壊した足の両配置において、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの靭帯の破裂が、残存する靭帯および腱の引張力に与える影響は何か？
• RQ2 弱くなった靭帯を有する崩壊した足において、足の位置を回復させるために必要なPTTの力の大きさは何か？
• RQ3 PTT力の増加によって最も効果的に是正される足の変形の成分はどれか（後方足部の外反、前足部の外反、アーチ高）？
• RQ4 靭帯および腱の機械的挙動が、PCFDにおける補償的負荷パターンに与える影響は何か？
• RQ5 先行研究におけるモデルの単純化が、生理的正確性をどの程度制限しているか？

主な発見

• 1つの靭帯の破裂は、通常、残存靭帯に過負荷を引き起こすが、足底舟状骨楔状靭帯、第1足底足骨間靭帯、およびスプリング靭帯のペアでは、片方の除去によりもう片方が緩和される。
• 足底靭帯、長足底靭帯、短足底靭帯、およびスプリング靭帯の弱化は、内側靭帯および距骨下関節靭帯に顕著な過負荷を引き起こした。
• PTTの単独破裂は足の位置に影響を及ぼさなかったが、内側靭帯およびスプリング靭帯の力が増加した。
• PTTの力を体重の30％まで増加させることで、静止状態における足の位置が回復した。主に後方足部の外反と前足部の外反が軽減された。
• PTTが位置を回復させる能力は、距頭骨関節周囲の解剖的モーメントアームのおかげで、特に横断面および冠状面の変形に対して最も効果的であった。
• 本モデルは、残存安定装置への補償的過負荷が進行性デジェネレーションを促進する可能性があることを示した。これは、靭帯修復やPTT強化による早期介入の根拠を支持する。