The Role of Footwear in the Pathogenesis of Hallux Valgus: A Proof-of-Concept Finite Element Analysis in Recent Humans and Homo naledi
Yu, Genyu & Fan, Yuzhou & Fan, Yuxuan & Li, Ruining & Liu, Yaming & Antonijevic, Djordje & Milovanovic, Petar & Zhang, Bo & Li, Zhiyu & Djuric, Marija & Fan, Yifang. (2020).
Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8. 648.
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Hallux valgus (HV), the bunion of the first metatarsophalangeal joint (MTPJ), bothers many adults. No consensus has been reached about the causes of HV, be it a hereditary, or acquired, or multifactorial disease. Nor has agreement been reached using MTPJ angle to assess HV based on X-ray because in most cases the assessment of MTPJ is not reliable as it depends on the posture during scanning. In this study, we assume that HV is predominately acquired and that shoe wearing per se is an important player in HV pathogenesis. To verify our hypothesis, a CT-based finite element (FE) model of the first MTPJ of fossil remains of bear-footed Homo naledi was created and compared to that of five contemporary shoe-wearing wrestlers (10 models from two scans at an interval of about 18 months) because Homo naledi's first MTPJ is an ideal model for non-shoe wearing with parallel sesamoid grooves. We developed the first MTPJ structure transformation method and created MTPJ joint capsule model for both Homo naledi and wrestlers. Constraint on the medial side of the first MTPJ capsule was set to simulate shoe-wearing conditions compared to the lack of medial constraint for barefooted conditions. Analysis of eight FE models of different angles for the first MTPJ of Homo naledi was performed by the first MTPJ transformation method and results showed that stress concentrated on the medial capsule of the first MTPJ in simulated shoe-wearing conditions, even at MTPJ angle of 0°. Increase in the first MTPJ angle further increased stress concentration on the medial side, and stress-growth relationship might reveal the causes of HV. We further developed a method to position the first MTPJ in wrestlers and created CT-based models at two time points. It was evident that the first MTPJ angle increased in all but one athlete, with a maximal increase of 4.03 degrees. This verifies our hypothesis that HV might be developed by wearing shoes. Further longitudinal studies with larger sample sizes are needed to additionally validate our results and determine the magnitude of the effects of shoe wearing on development and progression of HV. 最初の中足趾節関節（MTPJ）の外反母趾（HV）は、多くの成人を悩ませます。遺伝性疾患、後天性疾患、多因子性疾患など、HVの原因についてはコンセンサスが得られていません。 MTPJの評価はスキャン中の姿勢に依存するため、ほとんどの場合信頼性が低いため、X線に基づいてHVを評価するためにMTPJ角度を使用することについても合意に達していません。この研究では、HVが主に獲得され、靴を履くこと自体がHVの病因における重要なプレーヤーであると仮定します。私たちの仮説を検証するために、クマの足のホモ・ナレディの化石遺物の最初のMTPJのCTベースの有限要素（FE）モデルが作成され、5人の現代の靴を履いているレスラーのモデルと比較されました（間隔を置いて2回のスキャンから10モデルホモ・ナレディの最初のMTPJは、平行な種子骨溝を備えた非靴着用の理想的なモデルであるためです。最初のMTPJ構造変換法を開発し、ホモ・ナレディとレスラーの両方のためのMTPJ関節包モデルを作成しました。最初のMTPJカプセルの内側の拘束は、裸足の状態の内側の拘束がない場合と比較して、靴を履く状態をシミュレートするように設定されました。ホモ・ナレディの最初のMTPJの異なる角度の8つのFEモデルの分析は、最初のMTPJ変換法によって実行され、結果は、MTPJの角度が0の場合でも、シミュレートされた靴着用条件で最初のMTPJの内側カプセルに応力が集中することを示しました。 °。最初のMTPJ角度の増加は、内側の応力集中をさらに増加させ、応力と成長の関係により、HVの原因が明らかになる可能性があります。さらに、レスラーに最初のMTPJを配置する方法を開発し、2つの時点でCTベースのモデルを作成しました。最初のMTPJ角度は、1人を除くすべてのアスリートで増加し、最大で4.03度増加したことは明らかでした。これは、靴を履くことによってHVが発生する可能性があるという仮説を検証します。私たちの結果をさらに検証し、靴の着用がHVの発症と進行に及ぼす影響の大きさを判断するには、より大きなサンプルサイズでのさらなる縦断的研究が必要です。