扁平足にアーチ矯正！？身体にはどんな影響があるのだろう

オーダーメイドインソールってたくさん作られていますけども、どのような影響があるのだろうか、と調べています。

興味深い研究がありましたのでピックアップします。

今回の論文は扁平足が対象、です。

The Effect of Arch Height and Material Hardness of Personalized
Insole on Correction and Tissues of Flatfoot
インソールのアーチ高さと素材硬度が扁平足の矯正と組織に与える影響
Honglun Su, Zhongjun Mo, Junchao Guo, Yubo Fan, "Corrigendum to “The Effect of Arch Height and Material Hardness of Personalized Insole on Correction and Tissues of Flatfoot”", Journal of Healthcare Engineering, vol. 2018, Article ID 4136246, 1 page, 2018. https://doi.org/10.1155/2018/4136246

結論から見ていきましょう。

In general, insole material and support design are positively affecting the correction of orthopedic insole, but negatively resulting in unreasonable stress on the stress in the joint and ligaments. There should be an integration of improving correction and reducing stress in foot tissues.
直訳：一般に、インソールの素材やサポート設計は、整形外科用インソールの矯正にはポジティブな影響を与えているが、関節や靭帯のストレスにはネガティブな結果となっている。矯正の改善と足組織のストレスの軽減の統合があるべきである。

いきなり、？？？の展開です。

では、Abstractから見ていきましょう。

Abstract

Flat foot is one of the common deformities in the youth population, seriously affecting the weight supporting and daily exercising. However, there is lacking of quantitative data relative to material selection and shape design of the personalized orthopedic insole. This study was to evaluate the biomechanical effects of material hardness and support height of personalized orthopedic insole on foot tissues, by in vivo experiment and finite element modeling. The correction of arch height increased with material hardness and support height. The peak plantar pressure increased with the material hardness, and these values by wearing insoles of 40° were apparently higher than the bare feet condition. Harder insole material results in higher stress in the joint and ligament stress than softer material. In the calcaneocuboid joint, the stress increased with the arch height of insoles. The material hardness did not apparently affect the stress in the ankle joints, but the support heights of insole did. In general, insole material and support design are positively affecting the correction of orthopedic insole, but negatively resulting in unreasonable stress on the stress in the joint and ligaments. There should be an integration of improving correction and reducing stress in foot tissues.
直訳：扁平足は若年層によく見られる変形（deformitiesなので超直訳ですと奇形）の一つであり、体重支持と日常の運動に深刻な影響を与えている。しかし、個人用整形外科用インソールの材料選択や形状設計に関する定量的なデータが不足している。本研究では、生体内実験と有限要素モデルを用いて、足組織に与える生体力学的影響を評価することを目的とした。その結果、アーチ高さの補正は、材料の硬さと支持の高さに応じて増加することがわかった。足底圧のピーク値は素材の硬さに応じて増加し、40°のインソールを履いた場合の値は素足の状態よりも明らかに高い値であった。インソールの材質が硬いと、軟らかい材質よりも関節や靭帯の応力が高くなる。踵骨立方骨関節では、インソールのアーチの高さに応じて応力が増加した。材料の硬さは足関節のストレスには明らかに影響を与えることはなかったが、インソールのサポートの高さは影響した。一般に、インソールの素材やサポート設計は、整形外科用インソールの矯正にはポジティブな影響を与えているが、関節や靭帯のストレスにはネガティブな結果となっている。矯正の改善と足組織のストレスの軽減の統合があるべきである。

アブストラクトのみでは判断が難しいですが、硬度はそれほど悪影響はなかった、、？のかもしれません。むしろ内側縦アーチを矯正することによるメカニカルストレスがあるのかもしれない、という感じでしょうか。内容、見ていきます。
＊ここからは一部抜粋という形で行きます！全部見たい方は各自読んでください。

Due to the difference between individuals (soft tissue material properties, flatness, etc.), customized orthopedic insole needs to be produced. In the customization process, the insole shape design and material selection of the insole seriously depended on the experience of pedorthist, lack of quantitative theoretical support. Previous study showed that the custom-molded insole could reduce stress compared with the flat insole.
直訳：個人差（軟組織材料特性、平坦度など）のために、カスタマイズされた整形外科用インソールを生産する必要がある。カスタマイズのプロセスでは、インソールの形状設計と材料の選択は、小児科医の経験、定量的な理論的なサポートの欠如に真剣に依存していた。これまでの研究では、カスタム成形されたインソールは、フラットインソールに比べてストレスを軽減することができることが示された。

ここ翻訳難しいですね。

オーダーメイドインソールは当然ながら個人差にあわせて作成する必要がある、というのはわかりました。

そこからですが、おそらく定量的な理論や方法ではなく、経験則に基づいて作られている、というような意味でしょうか。

でも完全フラットのインソールよりはストレスは軽減される、と。

The thickness, heel’s height, and materials of proper insole could minimize the peak plantar stress and achieve uniform stress distribution.
直訳：適切なインソールの厚さ、かかとの高さ、材質は足底のピークストレスを最小化し、均一なストレス分布を達成することができた。

うむ、そうでしょうね。

そしてここからこの研究の目的、です。

This study was to evaluate the effects of design parameters including material hardness and support arch height of personalized orthopedic insole on the correction of foot arch and plantar pressure distribution by in vivo experiments and to evaluate the biomechanical effects on the foot tissues, including stress distribution on joint cartilage and ligaments using finite element modeling.
直訳：本研究では、個人用整形外科用インソールの材料硬度やサポートアーチ高さなどの設計パラメータが足底アーチや足底圧分布の補正に及ぼす影響をin vivoで評価し、関節軟骨や靭帯への応力分布を含む足組織へのバイオメカニクス的影響を有限要素モデルを用いて評価することを目的とした。

硬さとアーチの高さがin vivo（ここではヒト）でどんな影響があるのかを調査した！という感じです。

材料と方法としては

material hardness (Shore A, 30°, 35°, and 40°) and support arch height (27 mm, 30 mm, and 33 mm) of orthopedic insole on the correction effect of foot arch and plantar pressure distribution by in vivo experiment.
直訳：矯正用インソールの素材硬度（ショアA、30°、35°、40°）とサポートアーチ高さ（27mm、30mm、33mm）が足部アーチと足底圧分布の補正効果に及ぼす影響をin vivo実験で調査した。

(Shore A, 30°, 35°, and 40°) 、というのはきっと硬さの値ですね。

高さも三段階で見た、となっています。

ここあたりからTYPEⅠ、TYPEⅡ、TYPEⅢという表現で出てきますが、Ⅰが高さ27mm、Ⅱが30mm、Ⅲが33mmです。

で、いろいろ計測方法がつらつらと載っておりまして省略し、

In bare foot and weight-bearing condition, the distance between the navicular bone and the foot bottom (arch height) was about 16.6 mm. The displacement of the navicular bone in the vertical direction by wearing orthopedic insoles is shown in Figure 4. The foot arch height increased with the material hardness and arch shape of the insole. By wearing insoles made up by material with hardness of 30°, the arch height increased by 43%, 66%, and 83% with insoles of types I, II, and III, respectively. By wearing the insoles with material hardness of 35°, the arch height increased by 65%, 90%, and 103% with insoles of types I, II, and III, respectively. By wearing insoles with material hardness of 40°, the arch height increased by 80%, 97%, and 110% with insole of types I, II, and III, respectively.
直訳：素足で体重を乗せた状態では、舟状骨と足底（アーチの高さ）との距離は約16.6mmであった。矯正用インソールを装着した場合の舟状骨の上下方向の変位量を図４に示す。足底のアーチ高は、インソールの素材の硬さやアーチ形状に応じて増加していた。硬度30°の素材で構成されたインソールを着用することで、アーチ高は、TYPEⅠ、TYPEⅡ、TYPEⅢのインソールでそれぞれ43％、66％、83％増加した。材料の硬度が35°のインソールを履くことにより、TYPEⅠ、TYPEⅡ、TYPEⅢのインソールでは、アーチ高がそれぞれ65％、90％、103％増加した。材料硬度が40°のインソールを着用した場合アーチ高は、TYPEⅠ、TYPEⅡ、TYPEⅢのインソールでそれぞれ80％、97％、110％増加した。

ざっくり、素材が硬く、アーチが高くなるほどアーチは上がる、とグラフ上では見て取れます。

問題はここから。

The maximal stress in the cartilage of the primary foot joints (talonavicular, calcaneocuboid, tibiotalar, and talofibular joints) is shown in Figure 6. In the joint of the middle foot (talonavicular joint and calcaneocuboid joint), the maximal stress increased with the material hardness. In the calcaneocuboid joint, the stress increased with the arch height of insoles. However, in the talonavicular joint, type II insole results in the greatest cartilage stress. The stress in the middle joint was relatively much lower than the ankle joints (tibiotalar joint and talofibular joint). The material hardness did not apparently affect the stress in the ankle joints, but the arch height of orthopedic insoles did.
直訳：図6に、足の一次関節（距舟関節、踵立方関節、距骨下関節、脛腓関節）の軟骨の最大応力を示す。中足部の関節（距舟関節、踵立方関節）では、材料の硬さに応じて最大応力が増加している。踵立方関節では、インソールのアーチの高さに応じて応力が増加したが、距舟関節では、アーチの高さに応じて応力が増加した。しかし距舟関節では、TYPEⅡインソールが最大の軟骨応力をもたらした。中間関節の応力は足関節（距骨下関節、脛腓関節）に比べて相対的に低かった。材料の硬さは足関節のストレスには明らかには影響しなかったが、整形外科用インソールのアーチの高さは影響した。

正直、関節の名前で大混乱を起こしています。間違えてたら教えて下さい。

解釈としては硬さは関係ないかのような控えめなコメントですが、グラフを見る限りかなり影響ありそうに感じます。

It was reported that orthopedic insole could improve the patient’s foot arch, hereby relieving foot pain, preventing inflammation of soft tissue and tendon sheath and other pathological features. However, there is little knowledge about the changes in the internal skeleton and of medial longitudinal arch by wearing orthopedic insole. In this study, the influence of design parameters, including material hardness and support arch height of personalized orthopedic insole on the correction of foot arch and plantar pressure distribution, and the biomechanical effects on the foot tissues, including stress distribution on joint cartilage and ligaments, were quantitatively analyzed by in vivo experiment and finite element modeling. The results showed that the foot arch height increased with the material hardness and arch shape of the insole. The insole with harder material and higher scaffold of the medial longitudinal arch elevate higher foot arch. By wearing the insole made up with the material of 40° and type III shape, the arch height was elevated up to twice of the initial bare foot weight-bearing condition.
直訳：矯正用インソールを装着することにより、患者の足のアーチが改善され、足の痛みが緩和され、軟部組織や腱鞘の炎症やその他の病理学的特徴が予防されることが報告されている。しかし、整形外科用インソールの装着による内部骨格や内側縦アーチの変化については、ほとんど知られていない。本研究では、パーソナル化された整形外科用インソールの素材硬度やサポートアーチ高などの設計パラメータが足部アーチや足底圧分布の補正に及ぼす影響と、関節軟骨や靭帯への応力分布を含む足部組織へのバイオメカニクス的影響を、生体内実験と有限要素モデルを用いて定量的に解析した。その結果、足のアーチ高は、インソールの素材の硬さやアーチ形状に応じて増加することがわかった。素材が硬く、内側縦アーチの足場が高いインソールは、足のアーチ高を高くすることがわかった。40°の素材とTYPEⅢ形状のインソールを使用したインソールを履くことで、アーチ高は初期の素足の体重負荷状態の2倍まで上昇した。

個人的な印象としては、数字でのFBが好きな中国らしいの研究レビューです。

Cartilage injury and joint dislocation are the primary reasons for foot pain in many patients. Orthopedic insole is used to correct the foot arch height and relieve the pain. The purpose of correcting foot arch height is to redistribute the force transfer pattern in the joints to avoid further damaging of foot tissues. However, in the clinical practice, wearing orthopedic insoles is more painful than nonwearing condition in short-term follow-ups. It means that there is an effect on the foot tissues like the ligament and joints by wearing orthopedic insole, at last in short-term follow-ups. In the primary middle joints (talonavicular joint and calcaneocuboid joint), the maximal stress increased with the material hardness. In the calcaneocuboid joint, the stress increased with the arch height of insoles, meaning higher insole arch height results in greater joint stress. However, in the talonavicular joint, type II insole results in the greatest cartilage stress. Despite that, the stress in the middle joint was relatively much lower than that in the ankle joints (tibiotalar joint and talofibular joint), which are the primary structure transferring body weight to the foot. The material hardness did not apparently affect the stress in the ankle joints, but the arch height of orthopedic insoles did. However, the maximal stress in almost all the primary foot ligaments increased with the material hardness and arch height of the orthopedic insoles.
直訳：軟骨の損傷や関節の脱臼は、多くの患者さんの足の痛みの主な原因となっている。整形外科用インソールは、足のアーチ高を矯正して痛みを和らげるために使用される。足のアーチ高を矯正する目的は、関節内の力の伝達パターンを再配分して、足の組織をさらに損傷させないようにすることである。しかし、臨床の現場では、短期経過観察では、矯正用インソールの装着は非装着状態に比べて痛みを感じやすいとされている。つまり、短期経過観察では、ようやく整形外科用インソールの装着による靭帯や関節などの足組織への影響が出てきたということになる。第一次中関節（距舟関節、踵立方関節）では、材料の硬さに応じて最大応力が増加した。踵立方関節では、インソールのアーチの高さに応じて応力が増加し、アーチの高さが高いほど関節応力が大きくなることを意味している。しかし、距舟関節では、TYPEⅡのインソールが最大の軟骨ストレスをもたらす。にもかかわらず、中間関節のストレスは、体重を足に伝達する主要な構造物である足関節（距骨下関節、脛腓関節）のストレスよりも相対的にはるかに低かった。足関節では材料の硬さは明らかに影響しなかったが、整形外科用インソールのアーチの高さは影響した。しかし、足の靭帯の最大応力は、ほぼすべての一次構造の靭帯で、材料の硬さと整形外科用インソールのアーチの高さに応じて増加した。

飛ばし飛ばしですみません！ドンドン飛ばして行きます。

Several limitations of this study should be noted for the interpretations and applications of the predicted results. The correction stage of flatfoot might influence the biomechanical evaluation eventually. However, the biomechanics was just evaluated for the first stage of orthopedic insole treatment. Evaluation of long-term effect should be done in the future. Since there were differences between individuals (degree of flatness, flexible of foot arch, material property, etc.), it is limited to apply the findings obtained from only one subject to all flatfoot. Fortunately, it was a self-comparison and parametric study, especially the FE foot model could represent patients with similar tissue geometry and arch height. Muscle forces play important role by keeping foot stability and providing stiffness. However, only tendon force was considered in the present study. The displacement of navicular bone based on the in vivo experiment was used as a displacement loading to simulate to corrective function of orthopedic insole, which might not reflect the interaction of insole and skin. In addition, the material property of the foot tissues which was simplified as linear formulation and achieved for the literature weakens the individual characters. However, as a parameterized study of material hardness and shape of insole, this simplification should induce a universal support of orthopedic insole design.
直訳：この研究のいくつかの制限は、予測された結果の解釈および適用のために注意すべきである。扁平足の矯正段階は、最終的にはバイオメカニクス評価に影響を与える可能性がある。しかし、バイオメカニクスの評価は整形外科的インソール治療の第一段階での評価に過ぎない。長期的な効果の評価は今後行うべきである。また、個人差（扁平度、足部アーチの柔軟性、素材特性など）があるため、一人の被験者から得られた知見をすべての扁平足に適用することには限界がある。幸いなことに、自己比較とパラメトリックな研究であり、特にFE足モデルは組織形状やアーチの高さが似ている患者を表現することができた。筋力は足の安定性を維持し、剛性を提供することで重要な役割を果たしている。しかし、本研究では腱力のみを考慮した。本研究では、インソールと皮膚の相互作用を反映していない可能性のある整形外科用インソールの矯正機能をシミュレートするために、in vivo実験に基づく舟状骨の変位を変位負荷として使用した。また、文献にあるような線形定式化された足組織の材料特性は、個々の特性を弱くしている。しかし、材料の硬さやインソールの形状をパラメータ化した研究として、この単純化は整形外科用インソールの設計を普遍的に支持するものとなるはずである。

で、結論です。

In general, insole material and support design are positively affecting the correction of orthopedic insole, but negatively resulting in unreasonable stress on the stress in the joint and ligaments. There should be an integration of improving correction and reducing stress in foot tissues.
直訳：一般に、インソールの素材やサポート設計は、整形外科用インソールの矯正にはポジティブな影響を与えているが、関節や靭帯のストレスにはネガティブな結果となっている。矯正の改善と足組織のストレスの軽減の統合があるべきである。

この論文の面白いなーと思うことは、今までスタティックに作成されてきたオーダーメイドのインソールで結構流通している硬さや、内側縦アーチを上げるインソールに対して挑戦していることです。

そしてアーチを上げる構造に関しては若干ストレスがかかっていることを指摘しています。

そして今回の研究では言い切れずとも、グラフ上では硬さも若干影響しているように見えます。

今までのバイメカ的な、

「下がっているから上げればいい」

「不安定だから固めればいい」

というようなスタティックなインソールが必ずしもいいものとは言い切れない、かもしれないことを指摘しています。

では、メカニカルな面からではない変化をインソールでどのように出していくのか。これが次のテーマになると考えています！！

とは言え、、今回紹介した研究は大規模な研究ではないこと。COIではないにしろ、中国政府からの国家レベルでのサポートがあることなど、まだ課題もある印象です。

でも結構興味深いテーマでした！このあたりもう少し追っていきたいと思っています。