Comparison of the kinematics, repeatability, and reproducibility of five different multi-segment foot models

Abstract

Background: Multi-segment foot models (MFMs) for assessing three-dimensional foot motion are analyzed via either the marker-based method or the bone-based method. Their validation studies have already been conducted, but it is difficult to compare the results because different operators, subjects, and post-processing software were utilized in each study. The aim of this study is to compare the kinematics, repeatability, and reproducibility of five popular MFMs using the bone- or marker-based analysis when walking with the markers of the models. Methods: Eleven healthy males with a mean age of 26.5 years participated in this study. We created a merged 29-marker set including three marker-based models: Oxford (OFM), modified Rizzoli (mRFM), and DuPont (DFM) and two bone- and marker-based models: Milwaukee (MiFM) and modified Shriners Hospital for Children Greenville (mSHCG). The subjects walked at a self-selected speed along an 8-meter walkway with the merged set and 3 trials were selected for analysis. We built the local coordinate systems of five models according to the original models and analyzed two relative angles of three segments: shank-hindfoot and hindfoot-forefoot. Two raters individually applied the merged set to the participants and repeated it after one or two weeks to analyze intra- and inter-session repeatability and inter-rater reproducibility. Coefficients of multiple correlation (CMC) were used to assess both repeatability and reproducibility, and statistical parametric mapping (SPM) of the t-value was employed for kinematics comparison. Results: High repeatability and reproducibility in the sagittal plane were verified. For the hindfoot motion in the coronal plane, MiFM and mSHCG had lower variability, with kinematic similarity of the other models. MiFM and mSHCG showed more dorsiflexed hindfoot and plantarflexed forefoot compared to the other models. There were no significant differences in all hindfoot kinematics of OFM and DFM. DFM and mSHCG tended to have a higher ROM than the other models. Discussion: In general, the bone-based analysis was more reliable, especially in the hindfoot kinematics. All models had different initial angles in each inter-segmental motion, and it was noticeable in the sagittal plane. Consequently, it was important when comparing the clinical papers used in different foot models on patients with the same diseases.

배경: 다양한 다분절 족부동작분석모델이 마커 기반 분석법과 뼈 기반 분석법을 이용하여 족부족관절의 3차원적 움직임을 분석하는데 사용되고 있다. 각 모델의 재현성과 반복성에 대한 연구는 이미 진행되었지만 서로 다른 검사자, 피험자, 분석 소프트웨어가 사용되었기 때문에 연구 결과를 직접적으로 비교하기엔 한계가 있다. 본 연구의 목적은 가장 널리 사용되는 다섯 가지 다분절 족부동작분석 모델의 마커를 모두 부착하고 동일한 실험 조건에서 각 모델의 운동형상학과 재현성, 반복성을 비교하는 것이다.

방법: 본 연구는 평균 나이 26.5세의 건강한 성인 남자 11명을 대상으로 하였다. 세계적으로 가장 널리 사용되는 다섯 개 모델을 병합하여 29-마커 모델을 새롭게 만들었는데, 마커 기반 분석법인 Oxford (OFM), modified Rizzoli (mRFM), DuPont (DFM) 모델과 뼈 기반 분석법인Milwaukee (MiFM), modified Shriners Hospital for Children Greenville (mSHCG)모델을 함께 사용하였다. 피험자들은 병합된 29-마커 모델을 부착한 채 8m 길이의 보행로를 따라 각자 편한 속도로 걸었으며 그 중 3개의 보행주기를 분석하였다. 하퇴부, 후족부, 전족부 분절을 원 모델들의 분석법에 따라 각각 생성하였고, 하퇴부에 대한 후족부, 후족부에 대한 전족부의 상대적인 움직임을 분석하였다. 반복성과 재현성 분석을 위해 두 명의 검사자가 2주 간격으로 총 두 번 실험을 진행하였다. 반복성과 재현성 분석에는 복합상관계수 (Coefficients of multiple correlation (CMC)) 를, 운동형상학 분석에는 통계학적 매개변수 지도화법 (Statistical parametric mapping (SPM)) 을 이용하였다.

결과: 다섯 개 모델의 전족부, 후족부 움직임은 모두 시상면에서 높은 반복성과 재현성이 확인되었다. 후족부 관상면 움직임의 반복성과 재현성은 뼈 기반 분석법인MiFM과 mSHCG에서만 높게 나타났지만 운동형상학은 모든 모델에서 통계적으로 유사한 패턴을 보였다. MiFM과 mSHCG은 다른 세 개 모델에 비하여 후족부는 배측굴곡되고, 전족부는 저측굴곡되는 양상을 보였다. OFM과 DFM의 후족부 움직임은 시상면, 관상면, 횡단면에서 모두 통계적인 차이가 없었다. DFM과 mSHCG는 다른 모델에 비해 전반적으로 더 큰 관절가동범위가 측정되었다.

결론: 뼈 기반 분석방법을 사용한 모델들이 마커 기반 분석방법만 사용한 모델들보다 더 신뢰도가 높았으며, 이는 후족부 움직임에서 두드러졌다. 각 면에서 입각기의 초기 각도는 모델마다 달랐는데, 특히 시상면 움직임에서 뼈의 해부학적 구조를 반영한 모델과 그렇지 않은 모델의 차이가 크게 나타났다. 따라서 동일한 족부질환에서 서로 다른 족부 동작분석 모델을 사용한 연구 결과를 서로 비교하고자 할 때는 결과해석에 주의하여야 한다.