[논문 리뷰] A Computational Model of Force within the Ligaments and Tendons in Progressive Collapsing Foot Deformity

Hamed Malakoutikhah, Erdogan Madenci외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 13.

Foot and Ankle Surgery참고 문헌 46인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 발의 유효한 유한요소 모델을 개발하여 인대 또는 후경골건(PTT) 기능 부전이 나머지 연부 조직 안정제에 미치는 영향을 조사하였다. 연구 결과, 인대 파열은 특정 쌍을 제외한 나머지 인대에 과부하를 유발하며, 발의 정렬을 복원하기 위해서는 신체중의 최대 30%에 해당하는 PTT 힘이 필요하다. 주로 뒷발목 외전과 앞발 외전을 감소시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 개별 인대 또는 PTT 기능 장애가 나머지 연부 조직 안정제에 분포하는 힘에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해.
• 약화된 인대가 있는 붕괴된 발에서 PTT가 발 정렬을 복원할 수 있는 능력을 평가하기 위해.
• 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 진행성 붕괴 발 변형(PCFD)의 생물역학적 기전을 규명하기 위해.
• 질병 진행을 방지하기 위해 인대 수리 또는 PTT 강화와 같은 조기에 개입 전략을 제안하기 위해.

제안 방법

• 해부학적 발의 CT 스캔 자료에서 재구성한 환자 특화, 검증된 유한요소 모델을 사용하였다.
• 인대와 건을 출처에서 얻은 자료를 기반으로 한 물성 특성을 가진 인장 전용 스프링 요소로 모델링하였다.
• 나머지 연부 조직의 인장력 변화를 정량화하기 위해 인대 및 PTT 절단을 시뮬레이션하였다.
• 조용한 입은 자세를 시뮬레이션하기 위해 체중의 50%를 무게 중심에, 25%를 아킬레스 건 부착부에 적용하였다.
• 신체중의 0%에서 30%까지 PTT 힘을 증가시켜 정렬 복원 효과를 평가하였다.
• 중립 발 및 붕괴된 발 구성에서 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 인대 파열이 나머지 인대와 건의 인장력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 약화된 인대가 있는 붕괴된 발에서 정렬을 복원하기 위해 PTT 힘이 어느 정도 필요한가?
• RQ3 발 변형의 어떤 구성 요소(뒷발목 외전, 앞발 외전, 아치 높이)가 증가한 PTT 힘에 의해 가장 효과적으로 교정되는가?
• RQ4 인대와 건의 기계적 거동이 PCFD에서 보상 과부하 패턴에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이전 연구에서의 모델 단순화가 생리학적 정확도에 얼마나 제한을 둔다?

주요 결과

• 어느 한 인대의 파열은 일반적으로 나머지 인대에 과부하를 유도하지만, 인대의 심부, 첫 번째 심부 인대, 그리고 스프링 인대의 경우, 한 개를 제거하면 나머지 두 개가 감압되는 것으로 나타났다.
• 발의 심부 인대, 장심부 인대, 단심부 인대, 스프링 인대의 기능 저하가 델트로이드 인대와 탈골인대에 심각한 과부하를 유도하였다.
• 단독으로 PTT 파열은 발 정렬에 영향을 주지 않았지만, 델트로이드 인대와 스프링 인대의 힘을 증가시켰다.
• 신체중의 30%에 이르는 PTT 힘 증가로 조용한 입은 자세에서 발 정렬이 복원되었으며, 주로 뒷발목 외전과 앞발 외전을 감소시켰다.
• PTT의 정렬 복원 능력은 타로나비큘라 관절 주위의解부학적 모멘트 력에 의해 전위 및 coronal 평면 변형에 가장 효과적으로 기여하였다.
• 모델은 나머지 안정제의 보상 과부하가 진행성 디그레서션을 유도할 수 있음을 입증하였으며, 이는 인대 수리 또는 PTT 강화를 통한 조기에 개입하는 것이 타당함을 뒷받침한다.