Effects of Walking Speed and Visual Stimulus on the Axis Orientation of the Metatarsophalangeal Joint and Foot Progression Angle During Gait

Abstract

본 연구는 보행 시 시각적 자극과 보행 속도가 발허리발가락(Metatarsophalangeal, MP) 관절 축 방향과 발 디딤 각도 변화에 미치는 영향을 규명하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 6개의 반사 마커와 9대의 모션 캡처 카메라, 트레드밀을 사용하여 발 움직임 데이터를 수집하였으며, 6명의 성인을 대상으로 시각적 자극(TV 시청)과 세 가지 보행 속도(느림, 보통, 빠름) 조건에서 실험을 진행하였다. 발허리발가락관절 축 방향은 heel-off부터 toe-off까지 구간 동안 관절 각속도 벡터를 기반으로 정의하였으며, 발 디딤 각도는 heel-off 시작 시점에서 발 방향과 보행 진행 방향 사이의 각도로 측정하였다. 분석 결과, 시각적 자극은 발허리발가락(MTP) 관절 축 평균 각도에 유의미한 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 반면, 보행 속도는 MTP 관절 축 각도에 큰 영향을 미 쳤으며, 느린 속도에서는 안정성과 균형을 유지하기 위해 비스듬 축(oblique axis)이 더 많이 활용되었고, 빠른 속도에서는 에너지 효율성과 추진력을 최적화하기 위해 가로축 (transverse axis)이 주로 사용되었다. 또한, 시각적 자극과 보행 속도의 상호작용은 발꿈치 들림 중기 단계에서 MTP 관절 축 각도에 유의미한 영향을 미쳤다. 느린 속도와 보통 속도에서 시각적 자극은 발의 전족부 하중을 증가시켜 가로축 활용도를 높이는 경향을 보였다. 시각적 자극 조건에서는 발 디딤 각도의 범위가 확대되었고, 팔자걸음 빈도가 증가하여 무릎 부하를 줄이기 위한 적응 전략으로 작용한 것으로 해석된다. 본 연구는 보행 속도와 시각적 자극이 발가락 관절 축과 발 디딤 각도에 미치는 영향을 규명하며, 발과 발허리발가락관절의 움직임에 대한 생체역학적 이해를 높이고, 의족 및 보조기기의 발 구조 설계 방향을 제시한다|This study aimed to investigate the effects of visual stimulus and walking speed on the metatarsophalangeal (MTP) joint axis orientation and foot progression angle during walking. To achieve this, foot movement data were collected using six reflective markers, nine motion capture cameras, and a treadmill. Experiments were conducted on six adult participants under visual stimulus conditions (TV viewing) and three walking speed conditions (slow, normal, and fast). The MTP joint axis orientation was defined based on angular velocity vectors during the heel-off to toe-off phases, while the foot progression angle was measured as the angle between the foot direction and the walking direction at the onset of heel-off. The analysis revealed that visual stimulus did not have a statistically significant effect on the MTP joint axis orientation. However, walking speed had a considerable impact on the MTP joint axis orientation, with the oblique axis being more utilized at slow speeds to maintain stability and balance, and the transverse axis being predominantly used at fast speeds to optimize energy efficiency and propulsion. Additionally, the interaction between visual stimulus and walking speed significantly influenced the MTP joint axis angle during the mid heel-off phase. At slow and normal speeds, visual stimulus tended to increase the forefoot load, leading to greater reliance on the transverse axis. Under visual stimulus conditions, the range of foot progression angles expanded, and the frequency of out-toeing gait increased, which was interpreted as an adaptive strategy to reduce knee load. This study investigates the effects of walking speed and visual stimulus on the MTP joint axis orientation and foot progression angle, enhancing the biomechanical understanding of foot and metatarsophalangeal (MTP) joint movements. Additionally, it provides guidance for the design of foot structures in prosthetics and assistive devices.