[논문 리뷰] Contribution of the transverse arch to foot stiffness in humans

Ali Yawar, Lucia Korpas외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 14.

Lower Extremity Biomechanics and Pathologies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전방 관절이 거시적 평면 굽힘과 횡방향 확장 사이의 기계적 결합을 통해 중심부 발목 강성에 크게 기여함을 입증한다. 발판을 감아 전방 관절을 강화함으로써 중심부 발목 강성이 평균 53% 증가하였으며, 이는 심장막 기전과 유사한 탄성 에너지 축적 및 추진 메커니즘으로서 이전에 간과되었던 새로운 기전을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인간 발의 중심부 발목 강성에서 횡방향 관절의 역할을 조사하는 것. 이는 종방향 관절에 비해 대부분 간과되어 왔다.
• 중심부 발목의 횡방향 강화가 기저부 횡방향 인대를 활성화시켜 강성을 증가시킨다는 가설을 검증하는 것.
• 횡방향 관절의 곡률에 의해 발생하는 사시면 굽힘과 횡방향 변형 사이의 기계적 결합 메커니즘을 밝혀내는 것.
• 현재의 생체역학적 개념을 도전하는 것—이 개념은 단지 사시면 기계적 작용과 심장막 같은 종방향 기구에만 초점을 맞추고 있다.

제안 방법

• 중심부 발목의 등측 굽힘 강성을 측정하기 위해 인간 피험자를 대상으로 한 실험을 실시하였으며, 전방 관절을 감아 강화한 후와 이전의 상태를 비교하였다.
• 운동 테이프를 발의 하부 표면에 부착하여 중심부 메타터살 머리의 산산이 퍼지는 것을 제한하고 횡방향 강성을 증가시켰다.
• 단순화된 기계적 발 모델을 사용하여 횡방향 곡률이 사시면 굽힘과 횡방향 확장 사이의 기계적 결합을 어떻게 유도하는지 시연하였다.
• 횡방향 평면의 곡률과 사시면 저항력 사이의 기하학적 원리를 분석하여 기계적 결합 메커니즘을 규명하였다.
• 다양한 테이핑 조건에서 적용된 하중과 등측 굽힘 각도를 측정하여 중심부 발목의 강성 변화를 정량화하였다.
• 횡방향 변형이 제한되었을 때 강성 변화를 관찰함으로써 기저부 횡방향 인대의 기여를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전방 관절의 강화가 인간의 중심부 발목 강성에 유의미하게 증가시키는가?
• RQ2 사시면 굽힘과 횡방향 변형 사이의 기계적 결합이 강성 증가의 원인인가?
• RQ3 심장막 기구와 비교할 때 횡방향 관절은 발 강성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 단지 횡방향 관절의 곡률만으로 관찰된 강성 향상의 기계적 결합을 설명할 수 있는가?
• RQ5 기저부 횡방향 인대가 운동 중 발의 탄성 반응에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 테이핑을 통한 중심부 발목의 횡방향 강화는 중심부 발목 등측 굽힘 강성을 평균 53% 증가시켰으며, 직접적인 기계적 영향을 입증하였다.
• 강성 증가가 가능했던 것은 중심부 발목 굽힘이 중심부 메타터살 머리의 산산이 퍼짐과 기계적으로 결합되었을 때에만 가능했으며, 이는 인대의 기여를 시사한다.
• 횡방향 관절의 곡률은 사시면 굽힘과 횡방향 확장 사이의 기계적 결합을 만들어내어 강성을 향상시킨다.
• 기저부 횡방향 인대가 심장막 기구와 비교해 발 강성에 유사하거나 그 이상의 기여를 할 가능성이 있다.
• 연구 결과는 횡방향 관절이 중심부 발목 강성에서 지배적인 역할을 하며, 기존의 종방향 관절 중심의 생체역학 모델에 도전함을 시사한다.
• 기계적 메커니즘은 평면 간의 변형 결합을 반영하는 단순화된 발 모델을 통해 설명 가능하다.