Influence of Shod and Barefoot Running on the In Vivo Kinematics of the First Metatarsophalangeal Joint
Zhang F, Ye D, Zhang X, et al (2022)
Influence of Shod and Barefoot Running on the In Vivo Kinematics of the First Metatarsophalangeal Joint.
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The biomechanics of the first metatarsophalangeal joint (MTPJ) is affected by different shoe conditions. In the biomechanical research field, traditional skin marker motion capture cannot easily acquire the in vivo joint kinematics of the first MTPJ in shoes. Thus, the present study aims to investigate the differences of the first MTPJ's six-degree-of-freedom (6DOF) kinematics between shod and barefoot running by using a high-speed dual fluoroscopic imaging system (DFIS). In total, 15 healthy male runners were recruited. Computed tomography scans were taken from each participant's right foot for the construction of 3D models and local coordinate systems. Radiographic images were acquired at 100 Hz while the participants ran at a speed of 3 m/s ± 5% in shod and barefoot conditions along an elevated runway, and 6DOF kinematics of the first MTPJ were calculated by 3D-2D registration. Paired sample t-tests were used to compare the kinematic characteristics of the first MTPJ 6DOF kinematics during the stance phase between shod and barefoot conditions. Compared with barefoot, wearing shoes showed significant changes (p < 0.05): 1) the first MTPJ moved less inferior at 50% but moved less superior at 90 and 100% of the stance phase; 2) the peak medial, posterior, and superior translation of the first MTPJ significantly decreased in the shod condition; 3) the extension angle of the first MTPJ was larger at 30-60% but smaller at 90 and 100% of the stance phase; 4) the maximum extension angle and flexion/extension range of motion of the first MTPJ were reduced; and 5) the minimum extension and adduction angle of the first MTPJ was increased in the shod condition. On the basis of the high-speed DFIS, the aforementioned results indicated that wearing shoes limited the first MTPJ flexion and extension movement and increased the adduction angle, suggesting that shoes may affect the propulsion of the first MTPJ and increase the risk of hallux valgus.
第1中足趾節関節（MTPJ）のバイオメカニクスは、靴の状態の違いによって影響を受ける。バイオメカニクス研究分野では、従来のスキンマーカモーションキャプチャでは、靴を履いた状態での第1中足趾節関節のin vivo関節運動特性を容易に取得することができない。そこで本研究では、高速二重透視イメージングシステム（DFIS）を用いて、靴を履いた場合と裸足の場合の第1MTPJの6自由度（6DOF）キネマティクスの違いを検討することを目的とした。健康な男性ランナー15名を対象とした。3次元モデルおよび局所座標系の構築のために、各参加者の右足からコンピュータ断層撮影を行った。X線画像は、参加者が高架滑走路を靴および裸足で3m/s±5%の速度で走行中に100Hzで取得し、第1MTPJの6自由度運動学は3D-2Dレジストレーションにより算出された。一対の標本t検定を用いて、立脚相における第一三叉関節の6自由度の運動特性を、靴を履いている状態と裸足の状態で比較した。裸足と比較して、靴を履くことで有意な変化が見られた（p＜0.05）。1）立脚相の50％では第1MTPJの下方への移動が少なく、90および100％では上方への移動が少ない。2）第1MTPJの内側、後方および上方への移動のピークは、靴を履いた状態で有意に減少した。3）第1MTPJの伸展角は立脚相の30～60％で大きく、90％と100％で小さかった。4）第1MTPJの最大伸展角および屈曲・伸展可動域は減少した。5）第1MTPJの最小伸展・内転角は、義足状態で増加した。高速DFISに基づき、前述の結果から、靴を履くことで第1MTPJの屈曲・伸展運動が制限され、内転角が増加することが示され、靴が第1MTPJの推進力に影響を与え、外反母趾のリスクを高める可能性があることが示唆されました。