Analysis of the structural organization of the metatarsal bones and phalanges of the human toes based on anatomical network models



Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

ABSTRACT

Background. The human foot is a complex anatomical structure that provides support, shock absorption and body movement. Disruptions in the structural organization of foot bones lead to the development of various pathologies, including flat feet, deformities and pain syndromes. Modern morphometric and network analysis methods allow quantitative assessment of foot structural features and identification of patterns in the organization of its bone components.

Aim. Comprehensive study of the structural organization of human foot bones using morphometric and network analysis methods to assess modularity, integration and biomechanical significance of bone structures.

Methods. Osteometric and anatomical network study of foot bones from 100 unembalmed male corpses aged 22-60 years without pronounced orthopedic pathologies was conducted. We used osteometric measurements of the metatarsal bones and phalanges of the fingers, constructed anatomical network models and estimated the density of connections, clustering coefficient, modularity, average distance between nodes, and joint heterogeneity.

Results. Analysis of foot bones showed individual variability in size with average values within statistical norms. The anatomical network included 19 nodes and 32 edges. Network analysis allowed identification of two morphological modules: proximal and distal. Connection density was 0.28 ± 0.07, clustering coefficient – 0,41 ± 0,05, modularity – 0,44 ± 0,08. The most pronounced connections were found between bones forming the medial longitudinal arch.

Conclusion. The structural organization of foot bones is characterized by pronounced morphological integration and modularity, which ensures arch formation and shock absorption functions. The obtained data can be used for diagnosis, prevention and individualization of orthopedic treatment of foot pathologies.

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Стопа человека представляет собой уникальную анатомическую структуру, обеспечивающую опору, амортизацию и движение тела. Она состоит из 26 костей, объединённых в три отдела: предплюсну, плюсну и фаланги пальцев, соединённых многочисленными суставами и связками [1]. Кости стопы формируют сложную систему продольных и поперечных сводов, играющих главенствующую роль в биомеханике ходьбы и стояния, а также в амортизации нагрузок при движении [2]. Нарушения структурной организации костей стопы приводят к развитию различных патологий, таких как плоскостопие, деформации, болевые синдромы и снижение качества жизни [3].

В последние годы особое внимание уделяется изучению морфологической интеграции и модульности костей стопы, что позволяет глубже понять механизмы формирования сводов, распределения нагрузки и возникновения патологических состояний [4-7]. Современные методы морфометрического и сетевого анализа позволяют количественно оценивать структурные особенности стопы, выявлять закономерности организации её костных компонентов и их взаимосвязей [8-10]. Однако, несмотря на значительное количество исследований, вопросы о структурной организации костей стопы, их роли в формировании сводов и биомеханике движения остаются актуальными [11-13].

Цель исследования

Комплексное исследование структурной организации костей стопы человека с использованием морфометрических и сетевых методов анализа на материале 100 исследованных стоп, с акцентом на оценку модульности, интеграции и биомеханической значимости костных структур.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Дизайн исследования. Проведено остеометрическое и анатомо-сетевое исследование костей стопы от небальзамированных трупов людей мужского пола без явных деформаций, травм и выраженных признаков ортопедических заболеваний.

Критерии включения: возраст в пределах 22-60 лет; отсутствие травматических изменений, врождённых деформаций, выраженных ортопедических заболеваний.

Исследование проведено в соответствии с полученным разрешением независимого Этического комитета при ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова» Минобороны России (протокол заседания №251 от 29.06.2021).

Методы исследования.

При проведении остеометрического анализа измеряли длину плюсневых костей и фаланг пальцев, которая определялась как расстояние между центром суставной поверхности и наиболее удаленной от него точкой на головке кости.

Сетевой анализ проводился путём построения анатомической сетевой модели костей стопы, где узлы представляли отдельные кости, а рёбра — анатомические и функциональные связи между ними (суставы, связки, участие в формировании сводов).

Оценка параметров сетей включала: плотность связей, коэффициент кластеризации, модульность, среднее расстояние между узлами, неоднородность соединений.

Статистический анализ: проверка нормальности распределения проводилась с использованием теста Shapiro-Wilk, сравнение количественных переменных — с помощью t-критерия Стьюдента (p<0,05).

Программное обеспечение: описательная статистика выполнена в Statistica 14.0.0.15 (TIBCO Software inc., USA). Визуализация корреляционной матрицы выполнена в OriginPro 2024 (64-bit) SR1 (OriginLab Corporation, USA). Для построения сетевых моделей использовались функции пакета IGRAPH в среде программирования R v. 4.3.1.

Анатомическая организация костей стопы

Стопа состоит из трёх отделов: предплюсна (пяточная, таранная, кубовидная, ладьевидная, три клиновидные кости); плюсна (пять плюсневых костей); фаланги пальцев (проксимальные, средние и дистальные фаланги, у большого пальца — две фаланги). В исследовании использованы размерные характеристики плюсневых костей и фаланг пальцев.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Морфометрические параметры

Измерения показали индивидуальную вариабельность размеров костей стопы, однако средние значения находились в пределах среднестатистических показателей. Данные морфометрического анализа представлены в таблице 1.

Сетевой анализ

Построенная анатомическая сеть включала 19 узлов (кости плюсны и фаланги пальцев) и 32 ребра (суставные и функциональные связи). Данные сети были смоделированы как системы связей между узлами, информация о которых закодирована в виде матриц смежности парных коэффициентов корреляции.

Выделяли два типа соединений между фалангами пальцев: I тип связи, обусловленный анатомическим расположением (проксимальные фаланги, средние фаланги, дистальные фаланги), II тип — наличием связи между костями посредством межфалангового сустава (рис. 1).

Количественная оценка основных параметров сети показала следующие результаты:

  • Плотность соединений: 0,28 ± 0,07
  • Коэффициент кластеризации: 0,41 ± 0,05
  • Модульность: 0,44 ± 0,08
  • Среднее расстояние между узлами: 0,54 ± 0,09
  • Неоднородность соединений: 0,72 ± 0,06

Анализ модульности

Были выделены два морфологических модуля:

– Модуль 1 (проксимальный) включал проксимальные фаланги I–V пальцев.

– Модуль 2 (дистальный) включал средние фаланги II–V пальцев и дистальные фаланги I–V пальцев.

Внутри модулей наблюдались более плотные связи в отделах, соответствующих локализации сводов стопы (рис. 2). Между I и II плюсневыми костями значение весового коэффициента составило 0,88, между II и III плюсневыми костями — 0,8, между IV и V плюсневыми костями — 0,78. В дистальном отделе наибольшие взаимосвязи были между фалангами II и III пальцев (0,85), а также между фалангами IV и V пальцев (0,82).

Результаты исследования свидетельствуют о том, что дистальный отдел стопы имеет неоднородную структуру организации, что, наиболее вероятно, обусловлено модификационной и функциональной изменчивостью в ходе эволюции. Функциональная интеграция и биомеханика определяются рессорной, опорной, балансировочной и толчковой функциями стопы.

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Морфологическая интеграция костей стопы обусловлена наличием сводов и демонстрирует высокую степень интеграции, что обеспечивает устойчивость и способность к амортизации [3, 4, 5]. Наши результаты согласуются с данными современных исследований, подтверждающих важность сетевого подхода в анализе структурной организации костей стопы [10, 12].

Выявленная модульность костных структур отражает эволюционные и функциональные особенности стопы человека. Проксимальный модуль, включающий проксимальные фаланги, обеспечивает основную опорную функцию, в то время как дистальный модуль участвует в тонкой координации движений при ходьбе [10, 11].

Высокие значения весовых коэффициентов между костями медиального продольного свода (I и II плюсневые кости) подтверждают их ключевую роль в поддержании архитектуры стопы и распределении нагрузки [11, 13]. Это согласуется с клиническими данными о том, что нарушения в данной области наиболее часто приводят к развитию плоскостопия и других деформаций стопы.

Клиническое значение

Нарушение структурной организации костей стопы приводит к снижению высоты сводов, развитию плоскостопия, деформациям и болевым синдромам. Комплексная оценка костных структур и их связей позволяет более точно диагностировать патологии и посттравматические нарушения, а также планировать лечение. Сетевой подход может быть использован для оценки эффективности ортопедических, хирургических вмешательств и реабилитации пациента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Структурная организация костей стопы человека характеризуется выраженной морфологической интеграцией и модульностью, что обеспечивает формирование продольных и поперечных сводов, устойчивость и амортизацию при движении. Сетевой анализ костей стопы позволяет выделить функциональные модули, соответствующие основным биомеханическим зонам. Наиболее выраженные связи обнаружены между костями, формирующими медиальный продольный свод, что подчёркивает их главенствующую роль в поддержании формы и функции стопы.

Полученные данные свидетельствуют о том, что нарушение структурной организации костей стопы ведёт к снижению эффективности амортизации, развитию деформаций и снижению качества жизни. Использование остеометрических и сетевых методов анализа открывает новые возможности для диагностики, профилактики и лечения патологий и повреждений стопы, а также для индивидуального подбора ортопедических средств и реабилитационных программ.

Дальнейшие исследования целесообразно направить на изучение возрастных, половых и популяционных особенностей структурной организации стопы, а также на разработку новых методов оценки и коррекции её биомеханических функций.

×

About the authors

Ivan Vasilyevich Gayvoronsky

S.M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Ministry of Defense, St. Petersburg, Russia; St. Petersburg State University, St. Petersburg, Russia

Email: i.v.gaivoronsky@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6836-5650
SPIN-code: 1898-3355

Doctor of Medical Sciences, Professor, Head of the Department of Normal Anatomy

Russian Federation, 37a Akademika Lebedeva Street, Saint Petersburg, 194044, Russia; 7-9 Universitetskaya Embankment, Saint Petersburg, 199034, Russia

Oksana Malikovna Fandeeva

S.M. Kirov Military Medical Academy of the Ministry of Defense of the Russian Federation; First St. Petersburg State Medical University named after Academician I.P. Pavlov" Ministry of Health of Russia

Author for correspondence.
Email: oksfan@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3857-7388
SPIN-code: 8320-9471

Doctor of Medical Sciences, Associate Professor of the Department of Normal Anatomy 

37A Akademika Lebedeva Street, 194044, Saint Petersburg, Russia; 197022, Russian Federation, Saint Petersburg, 6-8 Lev Tolstoy Street

Pavel Stepanovich Pashchenko

S.M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg, Russia

Email: pashchenko@vmeda.org
ORCID iD: 0009-0007-4987-9262
SPIN-code: 1035-3261

Doctor of Medical Sciences, Professor of the Department of Normal Anatomy

194044, Russia, Saint Petersburg, 37A Akademika Lebedeva Street

Gennady I. Nichiporuk

Kirov Military Medical Academy; Saint Petersburg State University

Email: vmeda-nio@mil.ru
ORCID iD: 0000-0001-5569-7325
SPIN-code: 3532-1203

MD, Cand. Sci. (Medicine), Associate Professor

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Stas Viktorovich Vinogradov

S.M. Kirov Military Medical Academy, Saint Petersburg, Russia

Email: vitista@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8429-5840
SPIN-code: 9343-0818

Candidate of Medical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Normal Anatomy

194044, Russia, Saint Petersburg, 37A Akademika Lebedeva Street

Vladimir Andreevich Shashkov

S.M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg, Russia

Email: dr.shashkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7360-5970
SPIN-code: 6861-3767

Candidate of Medical Sciences, Lecturer at the Department of Normal Anatomy

194044, Russia, Saint Petersburg, 37A Akademika Lebedeva Street

References

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) Eco-Vector

License URL: https://eco-vector.com/for_authors.php#07
Периодический печатный журнал зарегистрирован как СМИ Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор): № 0110212 от 08.02.1993.
Сетевое издание зарегистрировано как СМИ Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор): ЭЛ № ФС 77 - 84733 от 10.02.2023.