A Midtarsal (Midfoot) Break in the Human Foot
July 2013 American Journal of Physical Anthropology 151(3)
DOI: 10.1002/ajpa.22287
Abstract
The absence of a midtarsal break has long been regarded as a derived feature of the human foot. Humans possess a rigid midfoot that acts as an efficient lever during the propulsive phase of bipedal gait. Non-human primates, in contrast, have a more mobile midfoot that is adaptive for tree climbing. Here, we report plantar pressure and video evidence that a small percentage of modern humans (n = 32/398) possess both elevated lateral midfoot pressures and even exhibit midfoot dorsiflexion characteristic of a midtarsal break. Those humans with a midtarsal break had on average a significantly flatter foot than those without. Midtarsal breakers also had significantly more medial weight transfer (pronation) during the stance phase of gait than those without this midfoot mobility. These data are in accordance with Elftman (Clin Orthop 16 (1960) 41-45) who suggested that pronation aligns the axes of the transverse tarsal joint, permitting elevated midfoot mobility. 「midtarsal break」がないことは、長い間、人間の足の特徴と考えられてきました。 人間は、二足歩行の推進段階で効率的なレバーとして機能する硬いミッドフットを持っています。 対照的に、人間以外の霊長類は、ツリークライミングに適応する、より可動性の高いミッドフットを持っています。 ここでは、足底圧と、現代人のわずかな割合（n = 32/398）が中足部の横方向圧力の上昇と中足骨折の特徴である中足背屈を示すビデオ証拠を報告します。 中足骨骨折のある人は、平均して、足のない人よりもかなり平らな足でした。 また、midtarsal breakがある人は、この中足部の可動性を持たないものよりも、歩行のスタンス段階で有意に多くの内側重量移動（回内）がありました。 これらのデータはエルフマン（Clin Orthop 16（1960）41-45）に準拠しており、回内運動は横足根関節の軸を揃え、中足部の可動性を高めることを示唆しています。 intro
歩行の立脚期では、人間の足は柔軟であり、地面の反力を吸収し、基材に順応します。ただし、歩行の推進期では、足が硬直し、効率的なレバーとして機能します。この中足部の剛性は、硬い足底靭帯（Gomberg、）、十分に発達した足底腱膜（ヒックス、）、連動する足根関節（Bojsen-Møller、）、およびper骨の斜めの翻訳を含む多くの解剖学的要因の産物です。足の下の長腱（Lovejoy et al。、）。対照的に、人間以外の霊長類は、中足部がより可動性であるため、樹上基質の周りに中足部を形成できます。人間以外の霊長類の移動性の高い中足部は、midtarsal breakまたはミッドフットブレイクと呼ばれるものをもたらします（DeSilva、）。人間以外の霊長類がかかとを土台から持ち上げると、中足部に一時的な支点を確立します（Elftman and Manter;; DeSilva、）。この動きは、チンパンジーの地上移動中にElftmanとManter（）によって最初に認識され、その後の研究では、midtarsal breakのない非ヒト霊長類を特定することはまだありません（Meldrum、; Gebo、; Schmitt and Larson、）。長年中足骨関節での運動であると示唆されていましたが、実際にはmidtarsal breakは踵骨立方、外側（4番目と5番目）の足根中足骨関節（DeSilva、）の両方で背屈を伴うより複雑な運動であり、強い回転成分を含む（トンプソン他、）。 midtarsal breakの研究は一般的にこの性格を二分しました。人間はmidtarsal breakを持ちませんが、非ヒト霊長類は持ちます。しかし、整形外科および古人類学の両方の文献からのいくつかの研究により、人間の中足の可動性にかなりのばらつきがあることがわかりました。たとえば、死体の研究では、矢状面の屈曲は人間の足で非常に高くなることがあり（Ouzounian and Shereff、; Whittaker et al。、）、特に足首の背屈が限られている場合（Karas）およびHoy、）、および発達病理学（Maurer et al。、in press）。 6人の男性被験者の足の関節運動のin vivo研究でも、中足部の硬直性にかなりのばらつきが見られました（Lundgren et al。、）。しかし、これらの研究はすべて個人の小さなサンプルで行われています。また、一部のヒトのmidtarsal breakに関する逸話的な報告も時折あります（Vereecke et al .;; Crompton et al。、2010、2012）。ここでは、足底圧とビデオ文書の両方を使用して、現代人のごく一部のmidtarsal breakについての最初の明確な証拠を提示します。 MATERIALS AND METHODS
ボストン科学博物館では、地元の研究者とのLiving Laboratoryの共同作業の一環として、成人の非病理学の人間に関するデータが収集されました。研究デザインは、ボストン大学とボストン科学博物館の両方の施設内審査委員会によって承認されました。 2011年6月から2012年8月までの398人の成人被験者に関するデータを収集しました（表1）。年齢は自己報告され、研究参加者の身長と体重のデータが収集されました。参加者のほとんどは、科学博物館を歩き回るのに十分でしたが、歩行や神経障害状態に影響を与える怪我のある少数の個人は研究に含まれていませんでした。参加者は、通常の歩行速度で裸足で歩き、速度、歩幅、歩隔、足の回転、ケイデンス、歩数などの時空間データを収集するために使用された長さ6.1 mの機械化された歩行カーペット（ニュージャージー州Gaitrite Inc.）スイング時間、スタンス時間、シングルサポート時間、ダブルサポート時間（表1）。研究参加者は、足底圧測定システム（マサチューセッツ州Tekscan Inc）の高解像度（HR）Mat VersaTekの上を歩き続けました。 HRマットは、サイズが487.7 mm×447.0 mmのほぼ正方形のプレートで、185個のデータを収集する8,448個の検知素子で構成されています。 HRマットは小さすぎて複数のフットプリントを収集できないため、調査参加者の左足と右足の両方からのデータが混在しています。 Tekscanソフトウェアのウォークキャリブレーションプロトコルを使用して、各個人に対してHRマットをキャリブレーションする最初のサービングで2つの試行が実行されました。足底中部の足底部圧力の上昇が中足部の背屈の産物であるかどうかをテストするために運動学的データが必要になることが明らかになったとき、ビデオカメラ（Sony DCR‐TRV280 Digital 8 Handycam）を実験装置に追加しました。ビデオカメラは、VersaTekデジタルフォースプレートの右側に配置され、参加者の右足の外側を撮影できました。ビデオデータは、Tekscanのビデオ同期ソフトウェアパッケージを使用して足底圧データと調整され、30フレーム/秒で分析されました。ビデオデータは、調査対象の398人の被験者のうち141人で収集されました。これらのうち、75人の参加者について、右足のビデオを明確な側面図でキャプチャし、定量化しました。 足底圧のピークおよび力の中心軌道は、リサーチフットソフトウェアモジュール（HR Mat Research 6.51）を使用して計算されました。本研究のmidtarsal breakは、横中足に沿って200 kPaを超える圧力領域として定義されました。この値（200 kPa）は、関心のある地域を識別するために足病医コミュニティが使用する標準的な圧力であり（たとえば、Bus et al。）、したがって、この研究で使用されました。 Tekscanビデオ同期ソフトウェアパッケージを使用して、フレームごとのビデオデータを同時に検査し、横中足部の圧力が上昇したものも中足背屈を示すかどうかをテストしました。最大背屈の外側中足の静止画をキャプチャし、ImageJ（NIH）にインポートしました。背屈は、DeSilva（）に記載されているように、前足の足底部と第5中足骨の結節部に沿って足底のalongに沿って引かれる線との間に形成される角度として定量化されました。アーチは、中足部の最小幅を前足部の最大幅で割った尺度であるチポースミラックインデックス（CSI）（Chippaux、; Smirak、）を使用して定量化されました。 CSIが0の場合は、少なくとも中足の一部が地面にまったく接触しないほど高いアーチを意味します。内側の体重移動は、Songらによって開発された圧力変動指数の中心（CPEI）を使用して測定されました。 （1996）。 CPEIを計算するために、Tekscanソフトウェアを使用して、力の中心の軌跡を参加者のフットプリントにマッピングしました。フォースポイントの最初の中心（通常、かかと上）からフォースポイントの最終的な中心（通常、足の指の下）まで直線が引かれました。 CPEIを計算するために、この線から力の軌跡の中心に沿ったポイントまでの距離、つまり最も横方向にずれている距離を測定し、力の中心点と最終点を結ぶ線の長さで割った。パラメーターの多く（CSI、CPEIなど）が正常なシャピロ-ウィルク検定に失敗したため、統計的有意性はMann-Whitney U検定を使用して評価されました。歩行パラメータはすべて正規分布であり、スチューデントのt検定で評価されました。 RESULTS
midtarsal breakのある人は、midtarsal breakのない人よりも平均して高いCSI（P <0.0001）であったため、扁平足でした。 CSIが0であるほど十分に高いアーチを持つ個人では、外側中足部が地面からアーチ状になっているため、これらの個人の外側中足部圧は存在しません。したがって、CSI値> 0のアーチの高さとmidtarsal breakの関係をテストし、これも非常に有意であることがわかりました（P <0.001）。ただし、midtarsal breakのある人の平均CSIは0.35であり、足病学のコミュニティと同様にバイオメカニストも同様であると考えられます（Riddiford-Harland et al。、など）。 「低下」とみなされるほど低いCSI値を示したのは5人のみで、「flat feet」とみなされたCSI値は3人のみでした。11人が「正常」範囲にあり、大半（n = 13/32）は中程度です。これらのデータは、中足骨ブレーカーは一般集団よりも平均して低いアーチを持っていますが、いわゆる「正常な」アーチを持つ人は依然としてかなりの中足部の可動性を示すことができることを示しています。 足の機能または全体的な歩行パフォーマンスに関連する測定値において、midtarsal breakのある人が硬い足のある人と異なるかどうかを調べる事後調査を実施しました。測定された歩行パラメータ（速度、ステップ長、ステップ幅、足の回転、ケイデンス、ステップ時間、スイング時間、スタンス時間、シングルサポート時間、ダブルサポート時間）について、midtarsal breakとその他の間に大きな違いはありませんでした（すべてP> 0.1）。しかし、midtarsal breakのある人はmidtarsal breakのない人と比較して統計的に高いCPEIを持っていることがわかりました（P = 0.0001）（表1）。 CSIとCPEIは参加者で相関していたが、CPEIはCSIの変動の4.5％のみを説明しており、どちらも人間の足の中足骨の可動性に独立して貢献できることを示唆している。 DISCUSSION
以前の研究では、midtarsal breakがヒトに発生する可能性があるという事例証拠が示されていますが（Vereecke et al。、; Crompton et al。、2010、2012）、これは、中足背屈の頻度を記録し、視覚的証拠を提供する最初の研究ですいくつかの人間の足。この研究で検査された398人の人間の約8％が、中足外側の圧力の上昇によって定義されるmidtarsal breakを有していたため、midtarsal breakが人間に完全に存在しないと主張することはもはや正確ではありません珍しい。しかし、これらの足底圧マップを研究することで、midtarsal breakは二分性ではなく連続的であることが明らかになり、今後の研究でこれらの中足可動性の微妙な違いをより詳細に調べるつもりです。 人間の92％がmidtarsal break（この研究で定義されている）はありませんが、この中足部の可動性を持つ人がより高いCPEIを持っていることはかなりの関心事です。この指標は中足内回内転の直接的な尺度ではありませんが、足部回内の代理として設計されており（Song et al。、）、他の人によって圧力に基づく足部回内の測定として使用されています（Yoon et al。、 ; Hillstrom et al。、）。距骨下関節の回内は、横足根関節の整列をもたらし（Elftman、; Close et al。、; Phillips and Phillips、）、スタンスフェーズ中に中足を可動にし、その基質に適応し、衝撃として作用することを可能にしますアブソーバー。より最近の死体研究では、足根中足背屈が後足の外転（三回性回内運動の構成要素）中に最大になることがわかりました（Blackwood et al。、）。この現在の研究で提示されたデータは、内側の体重移動が高い人は、中足部が可動であるだけでなく、中足部が識別できるほど中足部が可動することを示唆しています。さらに、midtarsal breakのアーチが平均して低いという我々の発見は、外側中足の硬化における足底靭帯（例えば、長い足底靭帯）の役割と一致しています。 したがって、過度の回内筋と低いアーチ型の個体は、midtarsal breakのいくつかの解剖学的相関を有する可能性があると予測されます。たとえば、人間は他の霊長類と比較して第4中足骨の背足底が平らな基盤を持っていますが、このキャラクターにはかなりのバリエーションがあり（DeSilva、）、より凸状の外側中足骨基盤を持つ人も中足の種類を示す可能性があると仮定しますこの研究で発見された背屈。 Australopithecus sedibaの第4中足骨の凸底の最近の発表は、Auに見られる中足部の硬直とは対照的に、この種の初期ヒト族が中足部の可動性を有していたことを示唆しています（DeSilva et al。、）。 afarensis（Ward et al。、）およびAu。アフリカヌス（DeSilva、）。この現在の研究で報告されたデータは、Auの中足部の可動性を示しています。セディバは扁平足および/または過度の回内運動によって引き起こされた可能性があり、後者はマラパ洞窟の頭蓋後化石と一致しています（DeSilva et al。、）。 足は非常に複雑であり、回内と低いアーチが足の柔軟性に寄与する多くの可能性のある要因の2つに過ぎないことを認識することが重要です。例えば、(クロンプトン等。）足底圧迫データを提示します。これは、足底中靱帯が内側重量移動が減少しているようで、足底靭帯が緩い、足底腱膜が薄い、または石灰立方立方体のロック機構が発達している可能性がある人です。さらに、過剰な回内は、おそらく非ヒト霊長類の中足骨折の主な原因ではありません。(ラングドン等。）横方向の足根関節が類人猿の回外と回内の両方で整列していることを示した。さらに、類人猿は、長い足底靭帯と人間の足の足底側面の安定化に役立つ堅牢な足底腱膜の両方を欠いています。この研究では、中足骨骨折のある参加者のcal立方関節の形態や足底靭帯や足底腱膜の解剖を調べることができなかったため、これらの構造の変化が中足の可動性の変化にどのように影響するかについてはまだ推測できません。それにもかかわらず、我々の研究は、スタンス段階での低いアーチと過度の内側の体重移動により、人間の中足が十分に柔軟になり、midtarsal breakを起こすことができることを示しています。