[論文レビュー] Contribution of the transverse arch to foot stiffness in humans

Ali Yawar, Lucia Korpas+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2017

Lower Extremity Biomechanics and Pathologies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、遠位横靭帯を介して sagittal 平面の曲げと横方向の伸長を機械的に結合することによって、横靭帯が中足部の剛性に顕著に寄与することを示している。中足部の球部をテープで補強することで、中足部の剛性が平均で53%向上した。これは、アーチファシアやウィンダスメカニズムと同等の弾性エネルギーの貯蔵と推進力に寄与する、これまでに無視されてきたメカニズムを示している。

ABSTRACT

Stiffness of the human foot is central to its mechanical function, such as elastic energy storage and propulsion. Its doubly-arched structure, manifested as longitudinal and transverse arches, is thought to underlie the stiff nature. However, previous studies have focused solely on the longitudinal arch, and little is known about whether and how the transverse arch impacts the foot's stiffness. The common observation that a flexible currency bill significantly stiffens upon curling it transversally underlies our hypothesis that the transverse arch dominates the foot's stiffness. Through human subject experiments, we show that transversally reinforcing the ball of the foot by means of sports tape can increase the midfoot bending (dorsiflexion) stiffness by 53% on average. Such a result is possible if and only if midfoot bending is mechanically coupled with splaying of the distal metatarsal heads, thus engaging the distal transverse ligament. Using a simplified foot model, we elucidate a mechanism for such coupling to arise because of the transverse arch; namely transverse curvature couples sagittal plane bending with stretching along the transverse direction. We therefore conclude that the previously ignored distal metatarsal transverse ligaments, by way of the transverse arch, likely underlie the midfoot's elastic response by an amount comparable to or surpassing the plantar fascia, the windlass mechanism and other longitudinal tissues. Our findings impact current practice in clinical, sports and evolutionary biomechanics that focus solely on the longitudinal arch and on two-dimensional sagittal plane mechanics.

研究の動機と目的

• 縦アーチの優位性に比べ、中足部の剛性に与える横アーチの役割がほとんど無視されてきたことに対し、その役割を調査すること。
• 中足部の横方向強化が遠位横靭帯を活性化させることで剛性が増加するという仮説を検証すること。
• 横アーチの湾曲が、縦平面の曲げと横方向変形の間の機械的結合をどのように生じさせるかを解明すること。
• 現在の生物力学的パラダイム、すなわち縦平面力学と、アーチファシアなどの縦構造にのみ注目するという考えを、覆すこと。

提案手法

• 中足部の背屈剛性を、横アーチのテープによる補強前後に測定した人間被験者実験を実施した。
• 前足部の足底面にスポーツテープを貼り、遠位の第1〜第5中足骨頭の開張を制限し、横方向剛性を向上させた。
• 簡略化された機械的足モデルを用いて、横方向の湾曲が縦平面の曲げと横方向の伸長をどのように結合するかを示した。
• 横平面における湾曲と縦平面における抵抗の間の幾何学的原則を分析し、機械的結合メカニズムを解明した。
• 背屈角度と荷重を測定し、異なるテープ処置下での中足部の剛性を定量的に評価した。
• 横方向変形が制限された際の剛性変化を観察することで、遠位横靭帯の役割を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中足部の横アーチを補強することで、人間の足で中足部の剛性が顕著に向上するか？
• RQ2 縦平面の曲げと横方向変形の間の機械的結合が、剛性の向上に寄与しているか？
• RQ3 アーチファシアやウィンダスメカニズムと比較して、横アーチは足の剛性にどの程度寄与しているか？
• RQ4 横アーチの湾曲だけが、機械的結合によって観察された剛性向上を説明できるか？
• RQ5 遠位横靭帯は、歩行中の足の弾性反応にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 中足部の横方向補強が、背屈剛性を平均で53%向上させ、直接的な機械的効果を示した。
• 中足部の曲げが遠位中足骨頭の開張と機械的に結合されている場合にのみ、剛性の上昇が可能であった。これは靭帯の活性化を示唆している。
• 横アーチの湾曲が、縦平面の曲げと横方向の伸長の間の機械的結合を生じさせ、剛性を向上させている。
• 遠位横靭帯は、アーチファシアやウィンダスメカニズムと同等、あるいはそれ以上の程度で足の剛性に寄与している可能性がある。
• 研究結果は、横アーチが中足部の剛性において優位な役割を果たしていることを示唆し、長年にわたり生物力学的モデルで縦アーチに注目してきたという従来の見解に挑戦する。
• この機械的メカニズムは、変形の平面間における湾曲に起因する結合を捉えた簡略化された足モデルで説明可能である。