Abstract

fundal

Branțurile sunt adesea aplicate ca terapie preventivă a deformării piciorului plat, dar efectele terapeutice asupra persoanelor obeze sunt încă controversate. Ne-am propus să investigăm efectul utilizării branțului asupra modificărilor dependente de timp în arcada piciorului în timpul unei simulări de încărcare repetată concepută pentru a reprezenta 20.000 de pași adiacenți la indivizi cu o valoare a IMC în intervalul 30-40 kg/m 2 .

Metode

Optsprezece picioare cadavre au fost împărțite aleatoriu în următoarele trei grupe: normal, obez și branț. Zece mii de sarcini ciclice de 500 N (grup normal) sau 1000 N (grupe obeze și branț) au fost aplicate la picioare. Am măsurat schimbarea dependentă de timp a înălțimii arcului și am calculat indicele arcului osos (BAI), flexibilitatea arcului și absorbția energiei.

Rezultate

Grupul normal a menținut mai mult de 0,21 BAI, care este criteriul de diagnostic pentru o arcadă normală, pe parcursul celor 10 000 de cicluri; cu toate acestea, BAI a fost mai mică de 0,21 la 1000 de cicluri în grupul obez (medie, 0,203; interval de încredere 95% [CI] 0,196-0,209) și la 6000 cicluri în grupul branțului (medie, 0,200; IC 95%, 0,191-0,209 )). Deși a existat o scădere semnificativă în funcție de timp a flexibilității și absorbției de energie atât în ​​grupul obez, cât și în cel al branțului (P

fundal

Deformitatea dobândită a adulților (AAFD) este o tulburare a piciorului caracterizată prin prăbușirea arcului longitudinal medial, răpirea antepiciorului și eversiunea piciorului posterior [1]. Această deformare a piciorului este asociată cu pierderea treptată a funcției cu durere intensă și provoacă tulburări de mers în activitățile zilnice de viață (ADL) [2]. Deși etiologia AAFD rămâne neclară, o valoare ridicată a indicelui de masă corporală (IMC) este considerată a fi un factor de risc pentru AAFD atât la bărbați, cât și la femei [3].

Branțurile sunt adesea utilizate ca tratament conservator de primă linie pentru AAFD datorită disponibilității lor imediate, a costurilor mai mici și a ușurinței de utilizare de către pacient [2, 4, 5]. Efectele cinematice și terapeutice ale tălpilor interioare au fost raportate la pacienții cu AAFD [6, 7], iar unele studii cinematice au demonstrat că tălpile interioare reduc mișcările anormale, cum ar fi eversiunea articulației anterioare și subtalare sub o singură încărcare în AAFD [8, 9] . Cu toate acestea, efectele tălpilor interioare asupra AAFD cu obezitate rămân controversate [6, 10] deoarece aceste mișcări anormale se agravează odată cu creșterea sarcinii axiale [11, 12]. Un studiu de urmărire a raportat că 62,5% dintre pacienții cu AAFD la care tratamentul conservator nu a avut un IMC> 30 kg/m 2 [4]. Aceste rezultate sugerează că eficacitatea branțurilor poate fi limitată de caracteristicile pacientului, iar timpul ar putea modifica efectul branțurilor pentru persoanele obeze.

Scopul acestui studiu a fost de a investiga efectele utilizării branțului asupra modificărilor dependente de timp în structura arcului picioarelor cadavre în timpul încărcării repetate. Modelul nostru experimental a fost conceput pentru a reprezenta 20.000 de pași adiacenți (15-18 km mers pe jos) la indivizi cu IMC de 30-40 kg/m 2. Am întrebat, (1) poate branțul să mențină arcul piciorului împotriva încărcării repetate în prezența obezității și (2) utilizarea unui branț afectează flexibilitatea și absorbția energiei arcul piciorului în obezitate?

Metode

Pregătirea eșantionului

Acest studiu a fost aprobat de către comisia noastră de revizuire instituțională (IRB). Toate exemplarele au fost obținute din programul de donație corporală condus de Universitatea de Medicină Sapporo (Shiragiku-kai). Acest program își donează corpurile pentru educație medicală și cercetare după moarte. Donarea a fost aprobată de membri în timp ce sunt în viață. Am studiat 18 picioare proaspete congelate de la 4 femei și 14 bărbați cu o vârstă medie de 82 de ani (interval, 59-93). Paisprezece exemplare erau picioare stângi și 4 aveau dreptate. Picioarele cadaverice cu deformări, inclusiv contractura articulară, cicatrizarea postoperatorie și arcada joasă sau înaltă, conform evaluării indicelui arcului osos (BAI) [13], au fost excluse din acest studiu. Probele au fost împărțite aleatoriu în următoarele trei grupe: normal (n = 6), se blochează (n = 6) și branț (n = 6).

Fiecare specimen a fost tăiat la treimea proximală a piciorului. Țesuturile moi au fost îndepărtate la 5 cm de capetele tăiate ale tibiei și fibulei. Tibia și fibula au fost fixate cu fire Kirschner de 2 mm și încorporate în poli (metacrilat de metil) cu un tub acrilic de 5 cm diametru. Tendonul tibial posterior a fost expus la 5 cm proximal de maleola medială, iar tuberozitatea naviculară a fost expusă cu o incizie cutanată minimă.

Piciorul a fost așezat pe o placă de forță cu axul tibial perpendicular pe placă, și apoi fixat pe un jig personalizat în poziția neutră. Starea greutății normale a fost simulată prin aplicarea unei sarcini axiale de 500 N la eșantioanele de grup normale. Obezitatea a fost simulată prin aplicarea unei sarcini axiale 1000-N (reprezentând obezitate de clasa I-II, intervalul IMC 30-40) la eșantioanele din grupul obez și din grupul de branț. Branțul (suport arc, Nakamura Brace Co., Shimane, Japonia) a fost conceput pentru a susține arcul metatarsian transversal longitudinal medial și lateral al piciorului (Fig. 1a). Branțul a fost realizat din cauciuc siliconic, care are un set de compresie permanent scăzut și își păstrează forma originală și proprietățile mecanice după un test de oboseală cu 10.000 de cicluri de încărcare (Fig. 1b).

branț

Vedere anterioară și medială a branțului din cauciuc siliconic. Branțul din cauciuc siliconic a fost conceput pentru a susține arcul metatarsian și arcul longitudinal medial și lateral al piciorului (A). Curba Stress-Strain din cauciuc siliconic. Linia albastră a indicat curba tensiune-deformare în primul ciclu, iar linia roșie a indicat curba tensiune-deformare după încărcarea de 10.000 de cicluri (b)

Sistem experimental

Sistemul experimental fabricat, care simulează faza intermediară a mersului, a fost descris în detaliu [14]. S-au aplicat încărcături la capătul proximal al eșantioanelor folosind o mașină de testat material (AG-I, Shimadzu, Kyoto, Japonia). Sarcina a fost setată la 500 N (greutate normală) sau 1000 N (obezitate) și a fost monitorizată de patru celule de încărcare (FC22, Measurement Specialties Inc., Hampton, VA, SUA; capacitate 45 kgf, neliniaritate ± 1% la scară completă) sub placa de forță (Fig. 2). Sistemul de încărcare axială ciclică, care a fost compus din mașina de testare a materialului și o greutate de 500 N sau 1000 N, atârnată pe capul transversal superior, a oscilat la o viteză a capului transversal de 10 mm/s și a efectuat până la 10.000 de cicluri . Am folosit un computer personal cu software de control (Trapezium, Shimadzu, Kyoto, Japonia) pentru a configura programul de încărcare ciclică pentru a realiza sarcini de la 0 la 500 N sau 1000 N. Frecvența de încărcare a fost de 1 ciclu pe secundă (1 Hz) și un ciclu a constat dintr-o fază de rezistență la greutate (definită ca cel puțin 50 N de forță aplicată piciorului) și o fază fără rezistență la greutate (definită ca fiind mai mică de 50 N).

Diagrama sistemului experimental. Piciorul, cu sau fără branț, a fost așezat pe o placă de forță. Zece mii de sarcini axiale ciclice (grup normal, 500 N; grupe obeze și de branț, 1000 N) au fost aplicate la capătul proximal al piciorului. Tendonul tibial posterior a fost tras proximal (32 N) de un servomotor în timpul fazei de greutate a încărcării ciclice. Deplasarea LED-ului a fost monitorizată printr-o cameră CCD, iar imaginea a fost convertită într-un sistem de coordonate

Modificarea în funcție de timp a înălțimii arcului în timpul încărcării ciclice a fost monitorizată cu un analizor bidimensional, care a constat dintr-o diodă emițătoare de lumină (LED; Panasonic Co., Osaka, Japonia) și o cameră cu dispozitiv cuplat cu încărcare (CCD) (Medisens Inc., Saitama, Japonia; Fig. 2). Un tub dreptunghiular de 1,6 mm × 0,8 mm a fost atașat la tuberozitatea osului navicular, iar deplasarea luminii LED a fost monitorizată printr-o cameră CCD cu rezoluție de 640 × 480 pixeli conectată la un computer personal. Imaginea a fost convertită într-un sistem de coordonate bidimensional, iar înălțimea naviculară a fost calculată din deplasarea axei y a LED-ului. Axa y era situată de-a lungul axului tibial, iar axa x era paralelă cu planul orizontal al plăcii de forță. Precizia de traducere a acestui program a fost de 0,06 mm (0,2% la scară completă).

Activitatea musculară în timpul fazei intermediare a mersului a fost reprodusă prin exercitarea tracțiunii pe tendonul tibial posterior, a cărui activare este esențială pentru menținerea arcului piciorului în condiții de greutate normală [14]. Tendonul tibial posterior a fost expus cu o incizie cutanată minimă la 5 cm proximal de maleola medială și tractat de un servomotor (Medisens Inc., Saitama, Japonia; cuplu maxim 6 kg · cm, viteză de rotație 600 grade/s) pentru a simula contracția a musculaturii posterioare tibiale. Forța de tracțiune a fost stabilită la 32 N, care a fost estimată din aria secțiunii transversale fiziologice și din studiile electromiografice [15, 16]. Odată ce o sarcină axială de 150 N a fost aplicată piciorului, forța de tracțiune a fost aplicată pe tendonul posterior tibial și monitorizată folosind o celulă de sarcină atașată servomotorului (precizie ± 0,01 N).

Datele despre deplasarea LED-urilor, cantitatea de sarcină aplicată piciorului și forța de tracțiune a tibialului posterior au fost prelevate la 20 Hz și analizate folosind un software comercial (Medisens Inc., Saitama, Japonia).

Analiza datelor

analize statistice

Mărimea eșantionului a fost calculată pe baza datelor preliminare. S-a constatat că o dimensiune a eșantionului de 6 exemplare din fiecare grup oferă 80% putere pentru a detecta diferența în BAI. Rezultatele au fost exprimate ca medie și interval de încredere de 95% (IÎ 95%). Normalitatea a fost evaluată folosind testul Kolmogorov-Smirnov și am confirmat că toate datele au arătat o distribuție non-normală. Am efectuat un test Kruskal-Wallis pentru a evalua diferențele generale între BAI, flexibilitate și absorbție de energie la un ciclu și diferența dintre 1 și 10.000 de cicluri în ceea ce privește BAI, flexibilitate și absorbție de energie între cele trei grupuri. Comparații în perechi au fost făcute numai atunci când testul Kruskal-Wallis a indicat semnificație statistică. P-valorile pentru comparații multiple au fost ajustate prin metode Bonferroni. A fost efectuat un test Friedman pentru a evalua schimbarea dependentă de timp a BAI, a flexibilității și a absorbției de energie. Analizele statistice au fost efectuate folosind EZR, care este o interfață grafică pentru R (Fundația R pentru Calculul Statistic, Viena, Austria) [19]. Cu două fețe P-valori mai mici de 0,05 au fost considerate semnificative static.

Rezultate

FIG. 3 prezintă modificări tipice dependente de timp ale BAI în grupurile normale, obeze și de branț în timpul ciclului de încărcare și descărcare de 10.000 de cicluri. Grupul normal menține un BAI> 0,21 - criteriul de diagnostic pentru o arcadă normală - pe parcursul celor 10 000 de cicluri, chiar și în faza care nu suportă greutatea; cu toate acestea, BAI a grupului obez a scăzut la Fig. 3

Modificare tipică a BAI în timp în timpul încărcării ciclice. Modificarea tipică a BAI în timp în timpul încărcării ciclice în normal (A), atârna (b) și branț (c) grupuri. BAI sunt reprezentate în punctele de sarcină maximă și minimă aplicate piciorului timp de 10.000 de cicluri. Linia întreruptă indică criteriul de diagnostic pentru arcada joasă (BAI mai mic de 0,21)

Deși BAI la prima sarcină axială nu a fost semnificativ diferită între cele trei grupuri (fig. 4 și fișierul suplimentar 1), flexibilitatea a fost semnificativ mai mică în grupul obez decât în ​​grupul normal (P = 0,014) și a fost semnificativ mai scăzută în grupul de branț decât în ​​grupurile normale și obezeP = 0,007 și P = 0,014, respectiv; FIG. 4). Absorbția energiei la aplicarea primei sarcini axiale a fost semnificativ mai mare în grupul obez decât în ​​grupurile normale și cu branț (P = 0,007 și P = 0,014, respectiv; FIG. 4).

BAI, flexibilitate și absorbție de energie la prima sarcină axială. BAI, flexibilitate și absorbție a energiei la prima sarcină axială în grupurile normale, obeze și branț. Casetele reprezintă intervalul interquartilei (IQR), liniile din casete reprezintă mediana, iar liniile din afara casetelor reprezintă 1,5 ori IQR

Comparațiile din cadrul grupului au relevat o scădere dependentă de timp a BAI în toate cele trei grupuri (grup normal, P = 0,0021; grup obez, P FIG. 5

Nu a existat nicio modificare semnificativă a flexibilității sau absorbției de energie în grupul normal (P = 0,081) de la 1 la 10.000 de cicluri; cu toate acestea, aceste valori au scăzut semnificativ odată cu trecerea timpului în grupurile obeze și pe branț (P FIG. 6

Diferența dintre 1 și 10.000 de cicluri în BAI, flexibilitate și absorbție de energie. Diferența dintre 1 și 10.000 de cicluri în BAI (A), flexibilitate (b) și absorbția de energie (c) în grupurile normale, obeze și cu branț. Casetele reprezintă intervalul interquartilei (IQR), liniile din casete reprezintă mediana, iar liniile din afara casetelor reprezintă 1,5 ori IQR

Discuţie

Am demonstrat schimbări dependente de timp în BAI, flexibilitate și absorbție de energie cu utilizarea branțului în timpul a 10.000 de sarcini ciclice, simulând 20.000 de pași adiacenți în condiții de obezitate. Rezultatele noastre indică faptul că utilizarea branțului ar putea încetini progresia piciorului plat la indivizii obezi; cu toate acestea, BAI, flexibilitatea și absorbția energiei piciorului pot fi nesustenabile în raport cu 10.000 de cicluri de încărcare.

Se știe că tălpile absorb energia încărcării piciorului [20] și reduc cinematica anormală a piciorului, cum ar fi eversiunea piciorului posterior și răpirea antepiciorului [8, 9, 21]. Creșterea eversiunii la picioarele posterioare în timpul purtării greutății este considerată a indica o cinematică anormală a piciorului care are potențialul de a crește gama de mișcare a osului navicular, rezultând o rigiditate scăzută a piciorului și o flexibilitate crescută [22]. În acest studiu, grupul de branț a avut o flexibilitate și o absorbție a energiei mai mici decât grupul obez la prima sarcină, sugerând că branțurile ar putea juca un rol în reducerea mișcării anormale și absorbția energiei - un efect pozitiv al funcției branțului. Între timp, grupul obez a prezentat mai puțină flexibilitate și mai multă absorbție de energie decât grupul normal; acest lucru sugerează că sarcina de impact și energia primită în grupul obez au fost mari, deoarece sarcina de impact crește invers cu flexibilitatea.

Elementele dinamice, cum ar fi forța de contracție musculară, sunt un alt factor care influențează absorbția energiei în picior [14, 27]. În special, mușchiul tibial posterior este important pentru menținerea înălțimii arcului și reduce energia impusă piciorului și gleznei [28]. Anatomic, tendonul tibial posterior se învârte brusc în jurul maleolei mediale spre osul navicular, generând rezistență la alunecare în jurul maleolei mediale [29]. Această rezistență ar fi mai mare atunci când arcul piciorului este aplatizat și arcul de contact al tendonului tibial posterior este mărit [29]. BAI a scăzut sub 0,21 atât în ​​grupul obez, cât și în grupul de branț din acest studiu, indicând faptul că rezistența crescută la alunecare în piciorul plat poate reduce forța transmisă de tendonul tibial posterior. Hirano și colab. a raportat că o branț nu a redus rezistența la alunecare a tendonului tibial posterior, chiar și atunci când s-a realizat alinierea corectă a piciorului [30]. Astfel, branțul din studiul nostru poate să nu fi afectat pozitiv elementele dinamice în timpul încărcării ciclice.

În modelul nostru experimental, BAI a scăzut semnificativ în timp în toate cele trei grupuri. Încărcarea ciclică determină un comportament de oboseală, care este similar cu comportamentul de fluare [18]; rata de deformare este relativ ridicată în etapa inițială, este relativ constantă și lentă în cea de-a doua etapă și se accelerează din nou în etapa a treia [18]. Deoarece sistemul nostru experimental reproduce schimbări structurale fiziologice, scăderea marcată a BAI de la 1 la 1000 de cicluri în toate cele trei grupuri poate reprezenta stadiul inițial al deformării. Mai mult, scăderea dependentă de timp a flexibilității și BAI în grupul obez poate reprezenta stadiul III AAFD cu rigiditatea piciorului [31].

Concluzie

Utilizarea branturilor de către persoanele obeze poate ajuta la absorbția energiei și la creșterea stabilității piciorului. Aceste efecte pozitive ale funcției branțului servesc la încetinirea schimbărilor cinetice dependente de timp; cu toate acestea, efectul nu a fost suficient pentru a menține BAI față de 6000 de cicluri de hipercarcină în acest studiu. Efectele pozitive ale branțului pentru persoanele obeze ar putea fi limitate de o serie de pași.

  •