Age-related changes in three-dimensional foot motion during barefoot walking in children aged between 7 and 11 years old
Mahaffey R, Warne ML, Blandford L, Morrison SC (2022)
Age-related changes in three-dimensional foot motion during barefoot walking in children aged between 7 and 11 years old.
Highlights
Frontal and transverse plane motion of the midfoot during gait correlates with age.
Transverse plan motion of the metatarsals during gait correlates with age.
Development of foot segment kinematics continues until at least 11 years old.
Abstract
Background
The biomechanical complexity of children’s feet changes throughout childhood, yet kinematic development of the feet is poorly understood. Further work exploring the kinematic profile of children’s feet would be beneficial to help inform our understanding of the typical development of children’s feet.
Research Question
Do three-dimensional segmental kinematics of the feet during gait relate to age in a sample of children age 7–11 years?
Methods
This study was a secondary analysis of an existing database representing one hundred and twenty-one children age 7 – 11 years (90 male, 31 female; mean ± SD: age 9.57 ± , 1.17 years, height 1.37 ± 0.08 m, body mass 35.61 ± 9.33 kg). Fifteen, 9 mm retroreflective markers were attached to the right shank and foot of each participant in, line with the 3DFoot model. Multi-segmental joint kinematics were collected during barefoot walking. Sagittal, frontal, and transverse planar motion was described for the shank-calcaneus, calcaneus-midfoot, and midfoot-metatarsals segment of the right foot. Principal component analysis (PCA) was used to reduce the major modes of variation in the data to fully explore foot segment motion over the entire gait cycle. Correlations and multiple regression between PCA outputs with age, and potential confounding factors are presented.
Results
Significant positive correlations were found between age and greater calcaneus, dorsiflexion, midfoot inversion and adduction, and metatarsal dorsiflexion, plantarflexion and abduction. There were no significant confounding effects of height, body mass, walking speed or gender on the relationships between age and PCA outputs.
Significance
The findings from this study demonstrated a relationship between foot kinematics and age suggesting that the development of foot kinematics is ongoing until at least the age of 11 years. This work offers a comprehensive data set of inter-segmental kinematics which helps to advance understanding of the development of the pediatric foot.
背景
子供の足の生体力学的な複雑さは、幼少期を通じて変化するが、足の運動学的な発達はあまり理解されていない。子供の足の運動学的プロフィールをさらに調査することは、子供の足の典型的な発達についての理解を深めるのに役立つと思われる。 研究課題
7～11歳の子どもを対象とした歩行時の足の3次元セグメントキネマティクスは年齢と関係があるか？ 研究方法
本研究は、7～11歳の子供121名（男性90名、女性31名、平均±SD：年齢9.57±、1.17歳、身長1.37±0.08m、体重35.61±9.33kg）の既存のデータベースの二次解析である。3DFootモデルに合わせて，各受験者の右脛骨と足部に9mmの再帰反射マーカーを15個ずつ取り付けた．裸足歩行時の多関節運動データを収集した。右足の脛骨-踵骨、踵骨-中足骨、中足骨-中足骨について、矢状面、正面、横方向の平面運動が記録された。主成分分析（PCA）を用いてデータの主要な変動モードを低減し、歩行周期全体にわたる足部セグメントの動きを完全に探索した。PCA出力と年齢、および潜在的な交絡因子との相関と重回帰を示した。 結果
年齢と大菱形骨、背屈、中足骨転位、内転、中足骨背屈、足底屈、外転の間に有意な正の相関が認められた。年齢とPCA出力の関係には、身長、体重、歩行速度、性別の交絡による有意な影響は認められなかった。
意義
本研究で得られた知見は、足の運動学と年齢との関係を示し、足の運動学の発達が少なくとも11歳まで続いていることを示唆するものであった。本研究は、小児の足の発達に関する理解を深めるのに役立つ、分節間の運動学に関する包括的なデータセットを提供する。
Keywords
1. Background
小児期は、足の構造と機能が大きく変化する時期です [1, [2。しかし，この成長・発達の時期の運動学的な変化については，まだ十分に理解されていません．文献によると、子供の足は7歳までに構造的な発達を遂げることが示唆されていますが [3、そのような変化がいつ止まるのかについては議論があります。子供の足の発達を探る過去の研究では、静的な足の人体測定と形態学（レビューについては、Udenら[4を参照）、動的なフットプリント, 足底圧評価, 三次元歩行解析など様々な測定技術を採用してきました。後者に関しては、モーションキャプチャ技術により、歩行中の足部セグメントのバイオメカニカルインタラクションの理解が深まり、足の構造と機能に対する疾患の影響に関する洞察が進みました．この技術は、小児の足の発達に関する新しい知見を支援する能力を備えている。しかし，このような可能性があるにもかかわらず，小児期の足部セグメントの角運動について調べた研究は比較的少ない． 小児の歩行運動学に関する既存研究の統合は、母集団、研究の焦点、足部セグメントを調査した解像度との不一致によって妨げられている。Samsonら[21は、自立歩行の最初の6年間における関節力学の発達に関する理解を深めることを目的としています。この調査では、足関節の機能が5歳という早い時期に成人に近い歩行パターンを示すことが報告されています。より最近では、Deschampsら[22が、6歳から20歳の男性32名を対象に、年齢と多関節の足の動きの相互作用を調べました。著者らは、踵骨-中足骨の足底屈角度と踵骨-中足骨の足底屈および外転の双方に、年齢が上がるにつれて関係があることを確認しました。しかし、情報量は多いものの、サンプルサイズが小さく（例えば、8～12歳のグループではn＝8）、母集団の年齢幅が大きいため、このテーマについてさらに調査する必要性が浮き彫りになっている。58人の少女と成人女性の対照群（n = 50）を対比して、Jangら［23］は、多関節の足関節運動学における変化が思春期初期まで続いていたことを報告したが、この研究では中足部の運動学については報告していない。これらの文献を総合すると、思春期前の成長段階で起こる構造的な変化に伴う足部運動学の発達について、さらなる研究が必要であることが強調されます。 歩行中の足の発達に関するこれまでの研究は、年齢層に対する任意のカットオフや、離散的な運動量への依存によって制限されています。主成分分析（PCA）は、人間の動作データの次元削減に使用される古典的な多変量統計手法で、時系列データを元の波形の変動の大部分を占める成分に変換する[24。モーションキャプチャ技術により小児の足の運動プロファイルを探索し、PCAと組み合わせる研究は、小児の足の典型的な発達についての理解を深めるのに有益である。そこで本研究では、7歳から11歳の小児を対象に、裸足歩行時の3次元足部運動における加齢変化を明らかにすることを目的とした。 https://gyazo.com/546661ac22e5edcb92c304a078c0ea77
Fig. 1. Scatter plots of significant correlations of age against regression scores from PCA a) shank-calcaneus sagittal plane PC3, b) calcaneus-midfoot frontal plane PC1, c) calcaneus-midfoot transverse plane PC1, d) midfoot-metatarsal sagittal plane PC1, e) midfoot-metatarsal sagittal plane PC2, f) midfoot-metatarsal transverse plane PC1. Dotted lines represent 95% confidence intervals.
https://gyazo.com/3bb6a0c05aa40fc9b6082e5df0f62e45
Fig. 2. Mean (black line) and SD (gray shaded area) of foot segmental angular data over the gait cycle (1–101%). * refer to PCs significantly correlated with age. For descriptive purposes mean lines are shown for children ≥ 10 years old (dotted line) and < 8 years old (dashed line).
4. Discussion
本研究は、7歳から11歳の小児を対象とし、裸足歩行時の足部3次元運動における加齢変化を明らかにすることを目的とした。その結果、足部運動の発達は少なくとも11歳まで継続することが明らかとなった。特に、矢状面の運動は、年齢群間でわずかな運動範囲（最年少から最年長まで3度未満）にもかかわらず、年齢と有意に関連していた。矢状面は、足部モデルを使用した場合のテスト・リテストの信頼性分析で見られる典型的な誤差を超える範囲ではないため、その関係には注意が必要である[26。前額面および横断面の運動も年齢と有意な関係を示したが、すべての子どもでより大きな可動域を示した（最年少から最年長の子どもまで6-8deg）。身長、体重、歩行速度、性別による有意な交絡は認められなかった。
このデータは、年長児では中足部がより大きな内転・内転を示すことを示唆しており、これは内側縦アーチのプロファイルに予想される変化を反映している[4。この結果は、運動パターンの変化というよりも、おそらく年長児の構造的な変化による、中足部の内転・外転と前足部（中足骨）の外転の角度オフセットを強調している（Fig.S2）。Boschらは、前足部および内側縦アーチの発達は少なくとも10歳まで続き、さらに構造的および機能的な発達は思春期まで続く可能性があると報告している。Phetheanら[9は、中足骨中央部の圧力の上昇は、中足骨の傾斜（足底屈）が大きいことに関係していると仮定した。本研究の結果（年長児で中足骨の足底屈が大きい）は、この概念と一致すると思われる。また、年少者では、立脚時に前足部がより平坦になることが示された。 本研究の結果は、年長児において脛骨-踵骨背屈および踵骨-中足骨内転が有意に大きいことを報告した以前のデータ［22］と一致した。しかし、Deschampsら[22は、立脚初期に踵骨-中足骨セグメントおよび踵骨-中足骨セグメントの両方において、有意に大きな足底屈を報告している。一方、我々の研究では、立脚後期および遊脚期に中足骨-中足骨セグメントでより大きな足底屈が生じることが報告されている。さらに、Deschampsらは、踵骨-中足骨セグメントにおいて、本研究で報告された中足骨-中足骨セグメントとは対照的に、有意に大きな外転を報告している。両研究はセグメントの動きに関して概ね一致しているが、この違いは、近位セグメントに関するセグメントの動きの記述の結果であると思われる。Deschampsら［22］は踵骨-中足骨の動きについて報告し、中足骨の関節を省いている。実際、2つのセグメントの動きの間に関節の数を増やすと、どの関節の回転が起こっているかの解釈が変わり、剛体の仮定に反することが多くなります[29。 我々のデータは、年齢とともに脛骨-踵骨の背屈が大きくなることを報告しており、これらの知見は以前の研究[23と一致しています。しかし、Jangらは、脛骨に対して踵骨がより大きく背屈することを報告しており、一方、我々の研究は、踵骨に対して中足部がより大きく背屈することを報告しています。さらに、Jangら[23は、年齢が上がるにつれて踵骨-中足骨セグメントで内転と足底屈が大きくなると報告しています。しかし、先の研究では、内転と足底屈は中足骨-中足骨セグメントで起こることがわかった。これらの研究間の違いは、異なる運動学的モデルの使用と足部セグメントの定義に起因していると考えられる。
脛骨-踵骨および踵骨-中足骨セグメントの矢状面運動は歩行速度と相関があり、これは先行研究[30と一致した。性別と足部運動の相関は本研究でも報告されており、性的二型性によって説明できるかもしれない。しかし、足部分節運動と年齢との関連において、交絡変数は有意でなかった。年齢は、足部セグメントの動きと最も強い相関を示した。注目すべきは、年齢と比較して、身長は足の運動特性を説明する要因としては少なかったことである。このことは、単に線形の成長の影響に注目するのではなく、節間調整のパターンの生成と制御に関連するプロセス（例えば、神経筋と筋骨格系の発達）に注目する必要があることを示している。 この研究結果は、限界に留意して見る必要がある。本研究は、先行研究からプールされた既存データの二次分析である。したがって、今後の研究では、小児期における足の運動機能の発達を調べるために、縦断的なデザインを検討する必要がある。このような研究は、内側縦アーチ、中足趾節角、足底圧などの特定の解剖学的構造に焦点を当てた、追加の運動学的および運動測定法を含めることによって、さらに強化されると思われる。ベストフィットの線上でデータが大きく広がっていることは、参加者内でのばらつきが大きいことを示しています。また、足部運動特性の変化には他の要因（成熟度の年代測定ではなく、生物学的測定など）も含まれるため、今回の結果は、正確な個人値を予測するのではなく、傾向を示すために利用することができると考えられます。 5. Conclusion
小児期から青年期にかけてのマルチセグメント運動の発達は、探求が必要な領域である。本研究では、7歳から11歳の小児を対象に、歩行時の3次元足部分節運動の加齢変化を測定した。その結果、小児の足部セグメントの運動学的変化は少なくとも11歳まで継続することが明らかになった。我々のデータは、矢状面の運動学が7歳までに年長者と年少者の間で一貫しており、歩行速度と関連していることを示唆している。しかし、前頭葉と横隔の運動の発達は、（少なくとも）11歳まで続いていた。本研究は、小児期を特徴づける成長期に伴う関節運動学の継続的な発達を強調する、包括的なデータセットを提供する。さらに、この研究は、小児期の足の運動学的発達に関する理解を深めるのに役立つ。