A dynamic model of the windlass mechanism of the foot: Evidence for early stance phase preloading of the plantar aponeurosis

Caravaggi P, Pataky T, Goulermas JY, Savage R, Crompton R.

A dynamic model of the windlass mechanism of the foot: evidence for early stance phase preloading of the plantar aponeurosis.

The Journal of experimental biology. 2009;212 Pt 15:2491–9.

10.1242/jeb.025767

https://gyazo.com/922fb0f6332738e6216a72b29635ba32

Abstract

In the present study we have estimated the temporal elongation of the plantar aponeurosis (PA) during normal walking using a subject-specific multi-segment rigid-body model of the foot. As previous studies have suggested that muscular forces at the ankle can pre-load the PA prior to heel-strike, the main purpose of the current study was to test, through modelling, whether there is any tension present in the PA during early stance phase. Reflective markers were attached to bony landmarks to track the kinematics of the calcaneus, metatarsus and toes during barefoot walking. Ultrasonography measurements were performed on three subjects to determine both the location of the origin of the PA on the plantar aspect of the calcaneus, and the radii of the metatarsal heads. Starting with the foot in a neutral, unloaded position, inverse kinematics allowed calculation of the tension in the five slips of the PA during the whole duration of the stance phase. The results show that the PA experienced tension significantly above rest during early stance phase in all subjects (P<0.01), thus providing support for the PA-preloading hypothesis. The amount of preloading and the maximum elongation of the slips of the PA decreased from medial to lateral. The mean maximum tension exerted by the PA was 1.5 BW (body weight) over the three subjects.

本研究では、被験者固有の足のマルチセグメント剛体モデルを使用して、通常の歩行中の足底腱膜（PA）の時間的伸長を推定しました。以前の研究では、足首の筋力が踵を打つ前にPAに事前負荷をかけることができることが示唆されていたため、現在の研究の主な目的は、モデリングを通じて、立脚初期の段階でPAに張力が存在するかどうかをテストすることでした。 。裸足での歩行中の踵骨、中足骨、つま先の運動学を追跡するために、反射マーカーが骨のランドマークに取り付けられました。踵骨の足底側面のPAの起点の位置と中足骨頭の半径の両方を決定するために、3人の被験者に対して超音波検査を実施しました。足がニュートラルで無負荷の位置にある状態から始めて、インバースキネマティクスにより、立脚フェーズの全期間中のPAの5つのスリップの張力を計算できました。結果は、PAがすべての被験者の立脚初期段階で安静時よりも有意に緊張を経験したことを示しており（P <0.01）、PAプレロード仮説のサポートを提供します。予荷重の量とPAのスリップの最大伸びは、内側から外側に減少しました。 PAによって加えられた平均最大張力は、3人の被験者で1.5 BW（体重）でした。

keywords

foot biomechanics

plantar aponeurosis

windlass mechanism

computer modelling

inverse kinematics