Foot morphological difference between habitually shod and unshod runners
Foot Morphological Difference between Habitually Shod and Unshod Runners.
Abstract
Foot morphology and function has received increasing attention from both biomechanics researchers and footwear manufacturers. In this study, 168 habitually unshod runners (90males whose age, weight & height were 23±2.4years, 66±7.1kg & 1.68±0.13m and 78females whose age, weight & height were 22±1.8years, 55±4.7kg & 1.6±0.11m) (Indians)and 196 shod runners (130 males whose age, weight & height were 24±2.6years, 66±8.2kg& 1.72±0.18m and 66 females whose age, weight & height were 23±1.5years, 54±5.6kg &1.62±0.15m)(Chinese) participated in a foot scanning test using the easy-foot-scan (athree-dimensional foot scanning system) to obtain 3D foot surface data and 2D footprintimaging. Foot length, foot width, hallux angle and minimal distance from hallux to secondtoe were calculated to analyze foot morphological differences. This study found that signifi-cant differences exist between groups (shod Chinese and unshod Indians) for foot length(female p = 0.001), width (female p = 0.001), hallux angle (male and female p = 0.001) andthe minimal distance (male and female p = 0.001) from hallux to second toe. This study sug-gests that significant differences in morphology between different ethnicities could be con-sidered for future investigation of locomotion biomechanics characteristics betweenethnicities and inform last shape and design so as to reduce injury risks and poor perfor-mance from mal-fit shoes. 足部形態と機能は、バイオメカニクス研究者と靴メーカーの両方からますます注目されています。本研究では、普段から靴を履いていないランナー168名（男性90名：年齢23±2.4歳、体重66±7.1kg、身長1.68±0.13m、女性78名：年齢22±1.8歳、体重55±4.7kg、身長1.6±0.11m）および靴を履いたランナー196名（男性130名：年齢24±2.0kg、身長1.5m）を対象とした。 6歳、66±8.2kg、1.72±0.18m、女性66名、23±1.5歳、54±5.6kg、1.62±0.15m）（中国）が参加し、3次元足裏スキャニングシステム「イージーフットスキャン」で足の表面データおよび足跡画像を2次元化するテストを行った。足長、足幅、母趾角、母趾から第2趾までの最短距離を算出し、足の形態差を分析した。本研究では、足長（女性 p = 0.001）、足幅（女性 p = 0.001）、母趾の角度（男性および女性 p = 0.001）、母趾から第2趾までの最小距離（男性および女性 p = 0.001）においてグループ（中国人と裸足インド人）間で有意差があることが判明しました。本研究は、今後、民族間のロコモーションのバイオメカニクス特性を調査し、ラストの形状やデザインに反映させ、不適合な靴による怪我のリスクやパフォーマンスの低下を軽減するために、民族間の形態の有意差を考慮することができることを示唆している。 はじめに
近年、裸足ランニングが注目されている。進化論の観点からは、長距離走の能力は人類の生存に不可欠であった[1,2。裸足ランナーと靴を履いたランナーの違いは、足底打撃角や打撃指数解析による接地パターンの違い[2-4、傷害リスク評価のためのランニング・歩行・ジャンプのキネティクス[5-7、下肢の筋活動特性に関するいくつかの先行研究[8で明らかにされています。しかし，裸足ランニングと土踏まずランニングのバイオメカニクス的解析は，どちらのランニングスタイルがより傷害予防やランニング経済的であるかの合意には至っていない．裸足ランニングは、足関節の足底屈曲のための固有受容運動調節機能と筋力、特に腓腹筋内側（MG）を強化し、脛骨疲労骨折や膝蓋大腿疼痛症候群などの反復性ストレス傷害の予防に役立つと普及した[9,10。一方、靴を履いて走ることは、下肢や足への荷重率や足底圧を減少させると考えられており、特にクッションシステムを搭載した運動用靴はその傾向が強く[12、普及している「ミニマリストシューズでは、裸足感覚が感じられる、怪我のリスクを下げる、ランニングエコノミーを高めるといった説得力のない効果が示されています[6，13-16。その理由は、単純な裸足ランニング（靴なし）ではなく、（前足部打撃パターンを持つ）異なるランニングスタイルやテクニックが存在するためかもしれません[17,18。また、履物は異なる足の構造の測定として足の形態に影響を与えることが示されている[19-22。特に、正しく装着されていない靴、中国人女性の足の纏足[23、ハイヒールの長期着用による女性の外反母趾[24が挙げられる。若い頃から普通の靴を履いていても、裸足で生活する集団と比較して足の形状に影響を与える可能性がある。性別、年齢、民族の違いにより、足型、足圧または足への負荷、足の形態的特徴に多くの違いがあることが示されている[25-30。 異なる足部形態的特徴は、異なる機能と関連している。26個の骨と関連する筋肉を有する正常な足は、足の静的および動的機能を確保し、足全体の特徴に寄与しているが［26、その形状および形態は個人によって異なる［31,32］。異なる足の形態の機能を正確に知ることは、怪我の予防に重要な役割を果たすだけでなく[33,34、スポーツのパフォーマンスにも情報を提供します[35,36。競技性の高いアスリートやレクリエーション目的のアスリートは、様々な傷害を負う危険性があり、典型的には、角質やタコのような過角化病変［37］や、ストレスによる傷害［38,39］が挙げられます。広く受け入れられている説明の1つは、スポーツシューズ [33やフィットしていないシューズによる保護の欠如 [40,41 が、怪我やパフォーマンスの低下を招くというものでした [42。シューズを設計する際に怪我を減らすために、様々な足の形態が注目されるようになりました [43。人間の足の人体測定に関しては、伝統的な人体測定法が導入されて以来、特定の足の部位の長さ、幅、胴回り又は周長のような指標が収集され、靴の設計に利用されてきました[44。静的及び動的な条件下で、従来の方法と比較した足型又は形態測定システムの信頼性と再現性を確認するための研究が実施されている[21,44-47。
習慣的に靴を履かない集団と靴を履く集団の間の形態的な違いは、靴を履かない足は靴を履く足よりも広く [48、靴を履いて歩く人は靴を履かない人に比べて細い足（短くて細い）であると報告されています。また、裸足歩行者の母趾は他の4指と大きく離れており、これは指と同じように前足で歩くためと考えられている[30。足指の形態的な違いについては、これまで定量的な指標は用いられてこなかった。母趾角（HA）は、内側の踵と内側の前足部を結ぶ接線（A-B線とA'-B'線）から外反母趾（B-C線とB'-C線）が離れてできる角度である [35．本研究では、民族の異なる習慣的に靴を履かないランナーと履く習慣のあるランナーの母趾角、母趾と第2指の指節間との最小距離（D）、足長、足幅を定量化することを主目的としている。母趾と第2趾の指間関節の最短距離については、本研究のために収集されたものをもとに描かれている。外反母趾のような足の変形は、合わない靴を長期間履くことによる母趾の角度に影響を与えるため、除外した[48。母趾角と母趾と足指間の最小距離は、靴を履いた人と履かない人の違いを定量化するための追加指標となる可能性がある。第二の目的は、習慣的に靴を履いていない足と靴を履いている足の母趾角と最短距離の間の関連性を評価し、形態的な傾向を明らかにすることであった。 Materials and Methods
Ethics statement
This study was approved by the Ethics Committee of Ningbo University. Before the test experiments, the subjects were informed of requirements and procedures of the scanning test. All gave informed written consent to participate in the study.
Participants
インド人ランナー168名と中国人ランナー196名の合計364名が、フットスキャン検査に志願した。インド人ランナーは寧波大学の1000人以上の留学生の中から健康診断で選ばれ、中国人ランナーは寧波大学のネイティブの大学生であった。参加者は全員、屋外またはトレッドミルでのランニング歴があり、少なくとも週に3回、1回1時間の運動を続けていた。南インド出身のインド人ランナーは、生まれたときから裸足でランニングや運動をしており、日常生活ではスリッパやビーチサンダルを履いていた。中国人は、生まれたときから靴を履いており、日常生活でも様々な種類の靴を履いていた。外反母趾、内反尖足、偏平足、糖尿病足、その他の足の変形がある者は、検査前の身体検査で除外された。参加者は全員、過去半年以内に下肢に怪我や手術をしたことがない。参加者の基本的な属性は表1に示すとおりである。 https://gyazo.com/52001bd554fa5462c9ca206e46becfe3
Methods and equipment
Easy-Foot-Scan (EFS), OrthoBaltic (Kaunas, Lithuania) を用いて，足の3次元表面データと2次元足型画像の同時処理と取得を行った．EFSのスキャン速度，スキャン感度，解像度，平滑化，穴埋めは，それぞれfast，normal，1.0mm，30mm，100mmに設定され，測定インタフェースはEFSを使用した．3次元データと2次元画像を正確に得るために，国際規格であるISO（International Standards Organization）-20685 および7250に厳密に従った[49．Telfer and Woodburn [49が述べているように，これらの規格は「3Dスキャンシステムを使用して取得した測定値が従来の方法を使用して取得した測定値と比較可能であることを保証し，身体測定データベースで使用できることを目的として作成された」ものである．これらの規格は、『従来の値と3Dスキャンで得られた値の間の最大平均差は2mmであることを要求している』。今回のスキャニング試験におけるEFSシステムは、0.3mmという高精度のものを搭載しています。母趾角の算出には、あらかじめ各参加者の内側踵皮（A & A'）、第1中足趾節関節の頭部（B & B'）、母趾（C & C'）に3つのランドマークを手書きしました（S2 Fig）。2本の線（線A-B & A'-B'と線B-C & B'-C'）を使用して、Auto CAD（Computer Aided Design, 2007）で母趾角（HAとHA'）を、2Dフットプリント画像から計算した第2指の外反骨と指節間関節間の最小距離（DとD'）を求めた（図1および2）。
https://gyazo.com/6e4ed142d157ce9f187b32cee1f8b9f1
Fig 1. 2D foot print image of habitually shod (left) and unshod (right) runners.
https://gyazo.com/4ee4048e5e4c4d4c73021c7c057d7251
Fig 2. The dorsal view of foot surface data, length (length’), width (width’), minimal distance (distance’) and HA (hallux angle, HA’).
Three landmarks were drawn to connect line A-B (A’-B’) and line B-C (B’-C’), with A (A’) in medial calcaneous, B (B’) in the head of the first metatarsophalangeal joint and C (C’) in the hallux.
参加者は，右足をガラス板の中央（走査領域）に，左足を走査領域外の支持板の上に置いて静止するように指示された（S1図）．両足間の距離は、参加者の体重が両足に均等にかかるように、肩幅分とした（S1図）。BMI（body mass index）は，体重（kg）を身長（m2）の2乗で割った値と定義される．世界保健機関（WHO）は，BMI値が18.5～24.9を正常値，18.5未満を低体重，30以上を肥満と定義している[50．参加者のBMIは、表1に見られるように、18.50から24.99kg/m2の間で正常範囲にあった[51。参加者全員のBMIが正常範囲であったため，体重や荷重の違いによる足型の変化や，自重を支える条件下での身長の違いは無視できる[51-54． Data acquisition and statistical analysis
ISO20685、7250規格を遵守するため、試験で収集した3次元表面データは、球周囲、腰回り周囲、甲踵周囲、短踵周囲、足首周囲、皮膚周囲を除く足長・足幅の測定結果に限定しています。母趾角（図1、図2）は、内側の踵と内側の前足部を結ぶ接線から母趾が離れてできる角度のことである[35。Auto CAD 2007 (Autodesk, America) を用いて、外反母趾角 (HA&HA') 値と母趾と第二趾の最小距離 (D&D') を算出するために、2D フットプリント画像 (Fig. 1 および 2) を収集した。
すべての統計分析は、ソフトウェアSPSSバージョン17.0（SPSS Inc.、シカゴ、イリノイ州、アメリカ）を使用して行った。一元配置分散分析（one-way ANOVA）は、習慣的に靴を履いていない足（インド人）と靴を履いた足（中国人）の長さと幅の違いの有意性を分析するためにとられたものである。LSD（最小有意差）は，母趾の角度と，普段から靴を履いていない足と靴を履いている足の間の差の有意性を分析するために，ANOVAで実施された．有意なp値は0.05とした。 Result
The length, width, hallux angle and minimal distance between hallux and the interphalangeal joint of the second toes of habitually unshod (Indian) feet and habitually shod (Chinese) feet were collected and analyzed to quantitatively show foot morphological characteristics. The individual level foot morphology data collected is shown in the S1 Table. Length and width of unshod feet and shod feet
表2、3に示すように、習慣的に靴を履かない足の長さと幅、習慣的に靴を履く足の長さと幅は、それぞれ異なる足の長さと幅のサンプル分布に分けられている。テスト参加者全員の年齢、体重、身長またはBMIを表1に示す。彼らは、同様の年齢とBMIのグループに分類される。
https://gyazo.com/f8e700f3f174a4161d6affda9ad0ccef
Table 2. The length sample distribution of unshod feet and shod feet.
https://gyazo.com/1fc7615ef18cb20f12d27ec7bbd9a6bd
Table 3. The width sample distribution of unshod feet and shod feet.
足長については、裸足群は比較的集中した範囲にあり、250-260mmグループで男性60％、230-240mmと240-250mmグループでそれぞれ女性46.2％と30.8％となっている。一方、男性の靴群は、240-250mm（21.5%）、250-260mm（30.8%）、260-270mm（21.5%）および270mm以上（20%）のグループに同率で分布している。靴群の女性の足は、裸足群の女性の足よりも小さい範囲で固定されており、230-240mmグループで54.5％であった。 足幅については、男性の100-110mm群が53.3％、女性の100-110mm群と110-120mm群がそれぞれ23.1％と38.5％と、裸足群の方が集中的に幅が広がっている。しかし、靴群では、100-110mmと110-120mmのグループで、男性が38.5％と29.2％、90-100mmと100-110mmのグループで、女性が39.4％と27.2％と、分散した範囲を示しています。 One-way ANOVA of length and width of unshod and shod feet
足長・足幅の一元配置分散分析（表4）により、女性の裸足群と靴群の間には、p=0.001（<0.01）で統計的に有意な差があることが示された。しかし、男性の裸足群と靴群の足長と幅の差は有意でなかった。 https://gyazo.com/245f60a895b5a9f1a7cc2374e18ee2cb
Table 4. The one-way ANOVA of length and width of unshod and shod feet (mm).
The LSD-ANOVA of HA (HA’) and D (D’)
母趾角と最短距離の最小有意差分散分析（LSD-ANOVA）（表5）により、男女ランナーともに母趾角HAとHA'には統計的に有意な差があり（p＝0.001）、また、男女ランナーともにDとD'には統計的に有意な差がある（p＝0.001）ことがわかった。習慣的に靴を履いている男性と履いていない女性の母趾角（HA & HA'）は、それぞれ8.88°（5.17°）と3.86°（3.49°）、p = 0.001（<0.01）；F = 64.514、13.21°（4.89°）と2.91°（3.45°）、p = 0.001（<0.01）；F = 218.351 であることがわかった。男性および女性の習慣的に靴を履く足と靴を履かない足の母趾と第2趾の趾節間関節の最小距離（D & D'）は、それぞれ6.28mm（6.64mm）および23.73mm（13.19mm）、p = 0.001 (<0.01); F = 166.995; 5.39mm (3.91mm) および 19.38mm (10.25mm), p = 0.01; F = 109.312 であった．母趾角（HA & HA'）と最小距離（D & D'）を組み合わせると、習慣的に靴を履く男性および女性の足の母趾角は、習慣的に靴を履かない男性および女性の足のHA'よりも大きいことがわかった。一方，靴を履いている男女の最小距離（D）は，靴を履いていない男女の最小距離（D'）より小さい．
https://gyazo.com/a3f40c04b089173783796317e64886e0
Table 5. The LSD ANOVA of hallux angle (deg) and distance between unshod and shod feet (mm).
靴を履く習慣のある足と履かない足の違いを示すために、女性と男性について、母趾角と最短距離を一緒に分析した。母趾角の平均値（SD）は HA = 10.3±5.4 と HA' = 3.42±3.5 (Fig 3A) であり、最小距離の平均値（SD）は D = 5.98±5.8 と D' = 21.71±12.1 (Fig 3B)である。また、母趾の角度が大きいほど、最小距離が小さくなる傾向が見られた（Fig.3C）。しかし、母趾角と最小距離の相関を定量化すると、靴を履いている足（緑線）と履いていない足（青線）のフィット値は相関が低く、R2＝0.057、R2＝0.182となった。
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Fig 3. A-The mean value of Hallux Angle (HA = 10.3±5.4 & HA’ = 3.42±3.5) (Fig 3-A), B-minimal Distance (D = 5.98±5.8 & D’ = 21.71±12.1) (Fig 3-B) and C-the correlation between the hallux angle value and the minimal distance with habitually shod feet (R2 = 0.057) and unshod feet (R2 = 0.182) (Fig 3-C).
Discussion
足の形態に関する研究は、20世紀初頭から行われている[22。形態の違いの理由は、民族の違い[25,26,28,30、性別や年齢の違い[55、病的要因[56、スポーツ参加の形態の違い[33,35に起因するとされている。本研究では、日常的な靴の着用と民族の影響を考慮した足の形態的特徴を説明するために、中国（習慣的に靴を履く人口）とインド（習慣的に靴を履かない人口）の同じ年齢、身長、体重またはBMI群の女性および男性ランナーを募集した。
女性の裸足の足の長さ（mean±SD = 240.2±9.3）は、女性の靴を履いた足の長さ（235.4±7.1）より有意に大きく、p = 0.001, F = 12.003 であり、習慣的に裸足でいるインド人の長さと幅（体高）が、習慣的に靴を履くインド人と西洋人により大きいのと一致した [25. しかし、本研究の男性参加者ではこのようなことは見られず、長さと幅の差は有意でなかった。本研究における女性参加者の足の長さと幅の差の説明は、靴を履いた女性は、ハイヒールや頭の尖った靴を履くことによって、外反母趾などの足の変形を起こしやすくなるためと思われる[24,48,57。足に合わない靴を長期間履いていると、体重がかかる条件下での足の自然な成長と動きが制限される [48。これは古代中国の縛られた足の縦アーチの崩れやつま先の変形のような極端な例で観察されていた[23。 男性参加者がサイズの合わない靴を履いていることが少ないという事実は、女性と比較して、習慣的に靴を履いている足とそうでない足の長さと幅の差が有意でないことを説明するかもしれない[24,57。さらに、スリッパやビーチサンダル [48、先の尖った靴 [24、あるいは裸足の着用など、地理的または民族的な影響 [28-30,35,55 に起因する理由もあるようである。結果を解釈する際に考慮する必要がある今回の研究の限界は、参加者の全体的な身長が低いのは、民族の違いによるものと思われることである。このことは、他の集団への一般化可能性を制限する。現在の研究に続く研究は、他の集団に結果を一般化するために、身長（身長）、年齢及びBMIを含む因子が正規化されていることを考慮すべきである[48,51,54。
母趾角と内反小趾指数は、以前の研究において異なる足型を分析するために提案されています[31,32。これらの指標は、異なる民族（白人、マオリ族、太平洋諸島のアスリート）の間で母趾角が明確に区別されており［35、扁平足またはハイアーチ足の異なるサブアーチ指標値を示していました［31］。本研究で提案したもう一つの有用な定量的指標は、母趾と第2趾の指節間関節の間の最小距離であった。靴を履いていないランナーは、靴を履いているランナーに比べ、母趾の角度（HA'）が小さく、最小距離（D'）が大きいことが示された。靴を履いていない足と靴を履いている足の間の母趾角と最短距離の差の1つの可能性のある説明は、長期の不適合または先の尖った靴の着用が、裸足の分離と屈曲機能とは対照的に靴環境に足指形状（クロウトゥ）を適応させたことである［29，30，48，58］。さらに、先行研究では、分離した母趾は屈曲と歩行の機能を持つ指のように働く可能性が指摘されていた[58。HA（HA'）とD（D'）の差と合わせて、習慣的に靴を履かないランナーと靴を履くランナーでは、母趾角と最小距離の間に、つまり、HAが大きいほどDが小さく、HA'が小さいほどDが大きくなるという傾向が存在するが、これらは相関が低い（それぞれR2 = 0.057 とR2 = 0.182 ）ということが示された。150万年前のヒトの足跡からは、足長軸に対する母趾の角度が外転している形態的特徴が見られ、母趾と現代の靴を履いた足の内転した母趾との違いを示している[29。本研究では、母趾の外転角度は、母趾の外転角度と同様である。また、先行研究ではアーチが足長や足幅に影響することが報告されており、本研究ではフラットアーチやハイアーチの被験者を除外しているが、アーチタイプが母趾角や最小距離に影響するかどうかを定量的に検討するためにArch indexを算出していないことが本研究の限界である [25． 習慣的に靴を履いていない足（インド人）と習慣的に靴を履いている足（中国人）の形態的特徴が有用であると考えられる用途は、特にこの2つの大きな民族集団におけるスポーツ用の靴の設計に情報を提供することです。スポーツのパフォーマンスを向上させることを目的とする職業的なアスリートから、身体のフォームを維持することを目的とするレクリエーションランナーまで、裸足で走ることは、特に習慣的に靴を履いているランナーにとって選択肢であり [11,59、有効なトレーニング [8 、パフォーマンス [2 、怪我の予防 [12 、ランニングエコノミー [60において利益をもたらす可能性があります。足部測定は、足部センシング技術の利用可能性の向上と開発により、広く利用できるようになりました。非加重、半加重から全身加重まで様々な条件下での足の形態的特徴[52,53、異なる年齢、性別または特定の足の部位[55,61,62、異なる民族[28,30,55は、以前に研究されています。本研究では、母趾角と母趾間距離の測定は、男性・女性ともに、靴と裸足を区別するのに適した指標であることが示された。 Conclusion
靴を履かない習慣のあるインド人ランナーと靴を履く習慣のある中国人ランナーの足の形態的特徴を、足の長さと幅、母趾角の関係、母趾と第2趾の最小距離の定量指標で分析した。女性の足長・足幅には量的な差が存在する。また，母趾角は，母趾から第2趾までの最短距離と大きな相関があった．身長、BMI、年齢、性別の影響を考慮した上で、民族性（中国人とインド人）が違いの理由の1つである。また、若い頃からの長期間の不適合な履物により、目に見えない形で足が自然発生的に変形していることも原因のひとつと考えられる。これらの情報は、スポーツ産業において、異なる人種を考慮した靴の設計に活用され、怪我の軽減やスポーツパフォーマンスの向上に寄与することが期待されます。今後は、足部の形態的特徴を考慮したロコモーションバイオメカニクスの研究が必要である。