The Influence of the Shoe over the Medial Foot Arch and the Lower Limbs Kinematics in Toddlers.

Objective  To evaluate the biomechanical behavior of the medial longitudinal arch (MLA) of the foot and the kinematic parameters of the lower limbs with biomimetic footwear (BF) and non-biomimetic (NB1, NB2, NB3 and NB4) footwear in children at the beginning of the gait acquisition phase. Methods  Four toddlers were evaluated at the beginning of the gait acquisition phase under the following conditions: walking barefoot, ambulation with BF and NB1, NB2, NB3 and NB4 footwear in hard floor. BF is described as biomimetic because of its property of emulating natural and irregular floors through a dynamic internal insole. The MLA and kinematics of the hip, knee, and ankle during gait were evaluated by three-dimensional motion analysis system. The similarity between the kinematic curves of barefoot and footwear conditions was analyzed by root mean square error (RMSE). Results  The use of BF presented the highest magnitude of MLA and the greatest difference in relation to barefoot condition (higher RMSE). The BF showed less difference in the kinematics of the knee and ankle joints during gait when compared to barefoot condition (lower RMSE). NB2 footwear presented hip kinematics more similar to barefoot condition (lower RMSE). Conclusion Biomimetics footwear and NB2 shoes (both with wider forefoot region) generated smaller differences in lower limbs compared to barefoot. In addition, the MLA was higher in the BF, probably because different design from other shoes. Sociedade Brasileira de Ortopedia e Traumatologia. This is an open access article published by Thieme under the terms of the Creative Commons Attribution-NonDerivative-NonCommercial License, permitting copying and reproduction so long as the original work is given appropriate credit. Contents may not be used for commecial purposes, or adapted, remixed, transformed or built upon. ( https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ).

Introduction

Urban life causes children to be constantly with shoes. 1 2 3 Shoes are the interface between the body and the ground, in the upright position. During locomotion, footwear directly affects how ground reaction forces are generated and transfer to the entire body. 4 5 Despite the growing interest in the literature on the effect of footwear on locomotion, this effect in toddlers, at gait development phase, has not been extensively explored. 6

The beginning of the independent gait takes place around 15 months of age. 7 8 The foot has several functions in the gait: i) to accommodate soil irregularity and balance maintenance; ii) weight support and load absorption and iii) generate forward movement, transmitting propulsive forces. 9 Thus, during locomotion, oddlers need to move their body mass forward while balancing on uni and bipodal support, bringing a double challenge of stability and progression. 10

At the beginning of the acquisition of independent gait, the feet bones have several ossification centers connected by soft tissues 11 The development of bone structures happens until the age of five years old. 12 This process of ossification corroborates the absence of the medial longitudinal arch (MLA) of the foot in toddlers. 9 Thus, it is expected that the gait itself will help to promote the development of the MLA.

More than protect the feet, the size, shape, and design of footwear can interfere the structural development and its function, impacting on the musculoskeletal system over the time. 3 Studies indicate the use of footwear in early childhood can lead to morphological changes, compared to people who do not wear shoes. 13 14 These changes in the shape of the foot can reduce the ability to mitigate the impact of forces by podal structures, and may change the way we walk. Studies highlighted the importance of walking barefoot for the function and complete foot development. 13 14 Walking barefoot provides muscle strength, foot mobility, prevents static deformities and affects the height of the MLA. 2 13 14 Walking in natural and different types of terrain has the potential to affect the mechanics and energy of locomotion, 15 allowing feet generating constant adjustments to maintain stability. 16 Footwear worn by children during the gait development phase may play an important role in the development of the musculoskeletal system.

The design of nature-inspired products has been called biomimetics. 17 Considering walking barefoot provides good experiences because the contact of natural terrain, biomimetic footwear could impact over MLA of toddlers. Specially in the gait development phase and over kinematics of the lower limb joints during this movement. The aim of this study was to evaluate the biomechanical behavior of MLA and kinematic parameters of the lower limbs of toddlers during gait using biomimetic and non-biomimetic footwear, comparing with walking barefoot.

Methods

A case study 18 was conducted with four oddlers aged between 13 and 17 months (15.50 ± 1.73 months), with body mass from 10 to 12 kg (11.20 ± 0.74 kg), and height from 78 to 90 cm (82 ± 5 cm), with typical motor development. All ddlers had between 2 and 3 months of experience of walking without support. The present study was approved by the research ethics committee of the institution (number 2,083,328), and all parents signed the free and informed consent form before any procedure was performed.

The toddlers performed independent gait on hard floor and were evaluated in six randomized conditions 1) Barefoot; 2) biomimetic footwear (BF); 3) Non-biomimetic footwear 1 (NB1) ; 4) Non-biomimetic footwear 2 (NB2) ; 5) Non-biomimetic footwear 3 (NB3); 6) Non-biomimetic footwear 4 (NB4) . Table 1 shows the characteristics, and Figure 1 shows the images of the shoes tested.

Table 1

Measurements of the footwear used

Footwear	Length (cm)	Mass (g)	External width forefoot (cm)	Internal width forefoot (cm)	Insole	Distance from foot to ground (cm)
Biomimetic (BF)	13.6	517.0	7.3	6.7	Dynamics	1.0
Non-Biomimetic 1 (NB1)	14.6	291.0	6.9	6.0	Static	2.0
Non-Biomimetic 2 (NB2)	14.2	195.5	6.9	6.4	Static	2.0
Non-Biomimetic 3 (NB3)	14.1	429.5	6.5	5.6	Static	1.5
Non-Biomimetic 4 (NB4)	13.9	561.5	6.8	5.6	Static	1.3

Source: elaborated by the authors (2021)

Fig. 1

Images of the toddlers' shoes evaluated. ( A ) BF: biomimetic footwear; ( B ) NB1: non-biomimetic footwear 1; ( C ) NB2: non-biomimetic footwear 2; ( D ) NB3: non-biomimetic footwear 3, ( E ) NB4: non-biomimetic footwear 4. Source: elaborated by the authors (2021).

Gait evaluation was performed by three-dimensional motion analysis system (Qualisys Medical AB, Gothenburg, Sweden). Pelvis, thigh, leg, and foot were tracked during gait by 22 retro reflective markers ( Figure 2 ). Anatomical markers were used for static calibration to define body segments and their coordinate systems.

Fig. 2

Squematic design illustrating the positioning of retroreflective markers used over toddlers' bodies. The bottom image illustrates in more detail the position of the feet markers. Source: elaborated by the authors (2021).

The data were analyzed in visual 3D software (C-Motion Inc., Rockville, MD, USA). All data were low pass filtered with butterworth, fourth order at 6Hz cutoff frequency. Joint centers were estimated according to the literature. 19 The hip, knee and ankle angles in the sagittal plane were extracted. The MLA of the foot was determined by the angle between a vector connecting calcaneus and navicular markers and a vector connecting the navicular and the first metatarsal head markerers. 20 Thus, the smaller the angle, the greater the MLA of the foot. In addition, the lower limbs were classified as support and advance foot. 10 In this classification, the lower limb with the longest stride length is classified as the advance foot, and the contralateral as the support. 10

The toddlers walked independently, at self-selected speed. Verbal, visual, and playful stimuli were used to facilitate the task performance. At least 10 complete strides were analyzed for each lower limb.

The RootMean Square Error (RMSE) index was calculated to estimate the similarity between the curves of the angular variation over time with each shoe and the barefoot walk. This RMSE index is always positive and measures the magnitude of the difference between kinematic curves. 20 In other words, this score measures the difference between the kinematic curve data of each condition (BF, NB1, NB2, NB3, NB4) in relation to the mean of a reference standard, which, in this study, was the barefoot condition. Thus, the higher the RMSE value, the greater the difference between the curves obtained with the shoes analyzed in relation to walking barefoot.

Results

All participants presented longer stride length on the right side (0.399 ± 0.08 m) than on the left side (0.393 ± 0.08 m), classified as advance and support foot, respectively.

The MLA's mean curves at each conditions are presented in Figure 3 , and the RMSE values are represented in Figure 4. Figures 3a and 3b present the MLA mean curve during the stance phase of the gait cycle in the barefoot condition. In these curves, it is possible to observe that the MLA angle is small in the initial gait contact, and it gradually increases, with the peak of this angle occurring around 80% of the support phase, probably contributing to the body impulsion during gait. Still considering barefoot condition, it is clear the difference between advance and support foot. The advance foot ( Figure 3b ) presented greater MLA angle than support foot ( Figure 3a ). Figures 3c and 3d show the MLA curves in barefoot (red line), used as a reference, and different shoes investigated. We observed the effect of footwear is different depending on the function of the foot: support ( Figure 3c ) or advance ( Figure 3d ). Biomimetic Footwear (turquoise blue line) presented the highest MLA (i.e., smallest angle) on both feet. This finding corroborates to the highest RMSE ( Figure 4 ). At this way, BF presented the MLA most different from the barefoot condition.

Fig. 3

Graphics of the mean medial longitudinal arch (MLA) curves of the foot during the gait of four toddlers in all conditions evaluated. ( A ) Barefoot support foot; ( B ) Barefoot advance foot; ( C ) Support foot: BF (biomimetic footwear), NB1 (non-biomimetic footwear 1), NB2 (non-biomimetic footwear 2), NB3 (non-biomimetic footwear 3), NB4 (non-biomimetic footwear 4) and, ( D ) Advancefoot: BF (biomimetic footwear), NB1 (non-biomimetic footwear 1), NB2 n-biomimetic footwear 2), NB3 (non-biomimetic footwear 3), NB4 (non-biomimetic footwear 4). Source: elaborated by the authors (2021).

Fig. 4

Graphs of the means of the differences of the curves of the longitudinal arch of the foot (RMSE) during the gait of four children with different shoes, compared with barefoot condition. BF (biomimetic footwear), NB1 (non-biomimetic footwear 1), NB2 (non-biomimetic footwear 2), NB3 (non- biomimetic footwear 3), NB4 (non- biomimetic footwear 4). Source: Prepared by the authors (2021).

The average angles curves of hip, knee, and ankle in each condition are presented in Figure 5. The greatest differences between the conditions are at the end of the support phase (approximately between 50 and 70% of the gait cycle) at ankle joint. The RMSE differences between the barefoot and with the shoes investigated are shown in Figure 6 . The shoes that presented lower RMSE (i.e., greater similarity with barefoot gait) were BF (turquoise column) and NB2 (green column) ( Figure 6 ).

Fig. 5

Graphs of the mean of the angular curves of the ankle (a and b), knee (c and d) and hip (e and f) during the gait of four toddlers in all conditions evaluated: Barefoot, BF (biomimetic footwear), NB1 (non-biomimetic footwear 1), NB2 (non-biomimetic footwear 2), NB3 (non-biomimetic footwear 3), NB4 (non-biomimetic footwear 4). Dorsiflexion and flexion: positive values in the graphs. Source: elaborated by the authors (2021).

Fig. 6

Graphics illustrating the average differences of the curves of the angular variations of the ankle, knee, and hip joints (RMSE) during the gait of four toddlers with different shoes compared to barefoot condition. BF (biomimetic footwear), NB1 (non- biomimetic footwear 1), NB2 (non- biomimetic footwear 2), NB3 (non- biomimetic footwear 3), NB4 (non- biomimetic footwear 4). Source: elaborated by the authors (2021).

Discussion

This study showed graphical differences between shod and unshod conditions. This finding suggests footwear may affect the movement pattern of children. In addition, the findings indicated walking with BF was, in general, more similar to barefoot at lower limb (i.e., lower RMSE) and more different at MLA angle (i.e., higher RMSE). Considering this, the footwear design seems to influence the lower limb kinematic variables in toddlers. This study suggests that design that considers biomimetism may impacts MLA of toddlers, and preserves joint movements of lower limbs more similar to barefoot.

There is a growing interest in children's footwear, especially in the last 10 years. 5 However, just few studies consider the impact of footwear on toddlers. Some authors 3 21 claim that footwear can have a long-term effect on foot function. Footwear with a biomimetic and anatomical design can protect the foot and may maintain natural flexibility, forefoot width, and sustain foot MLA.

The MLA is dependent on passive and active anatomical structures. Plantar aponeurosis is considered important structure during the support phase, along with ligaments, while leg and intrinsics foot muscles act as an active support. 22 Figure 3 shows average feet MLA curves during gait of four toddlers in the barefoot condition. Graphically, the behavior of the curves is very similar to the curves of the MLA of adults in the barefoot condition. 22 23 The differences described by the RMSE related to MLA, especially BF compared to walking barefoot, can be explained by two conjectures. The first would be through a mechanical effect of the insole of biomimetic footwear. During the gait stance phase, a higher pressure is applied to the lateral part of the foot. The biomimetic footwear has a dynamic insole that contains material similar to grains of sand. The insole material probably accumulates under the region with lower pressure (i.e., the medial region of the foot), favoring the increase of MLA. The second conjecture is the dynamic insole of biomimetic footwear may have stimulated the activity of the muscles of the plantar region of the foot. In this perspective, muscle contraction may contribute to the formation of MLA. This second possibility corroborates the observations of Kung et al., 1 who stated that walking barefoot would increase muscle strength in the ankle and foot region, specifically plantar flexors, inverters, and ankle adductors. RMSE showed MLA higher difference between BF and barefoot. This difference and the biomechanical behavior of MLA when toddler is using BF suggest an increase of the stiffness of the midfoot. This effect corroborates the role of the foot in acting as a rigid lever at the end of the stance phase to impulse the body ahead during gait. 24 However the literature indicates MLA is not influenced only by local factors. Its development is dependent on several factors, such as body weight, physical activity, ethnicity, and age. 12 25

The morphology and anatomy of the to foot at the beginning of gait acquisition has been associated with the body dimensions of the child. 26 Body weight more than doubles from birth to the first year of life. In addition, the length of the lower limb increases around 50% from birth to 18 months old, and 50% of the adult foot length is reached around 12 to 18 months old. 26 Studies 27 indicates that motor development depends not only on neuromuscular maturation, but also the influence of external factors, such as posture (gravity and positioning), physical growth (mass, length, and proportions), muscle strength, and upright balance development. Between two and five years old is considered an important period where the independent gait starts significantly impact directly on the development of the foot. 26 Shoes that mimics the irregularity of surfaces such as walking in the sand, can provide an safe variation for toddlers. Urban children are generally exposed to hard, regular surfaces in their day-to-day lives. At this way, shoes that mimic a natural environment, such as BF, can offer different stimuli that may help the proper development of the musculoskeletal system in a safe way for urban life. However, this is a cross-sectional study, and, we cannot conclude about the medium and long-term effects. Further studies are needed to investigate the impacts on musculoskeletal development of the use of footwear that mimics irregular terrains.

All shoes used in this study presented some difference described by RMSE with the barefoot condition. The shoes that presented, in general, the smallest RMSE (at joint angles) were BF and NB2. These shoes are similar in the internal design. Both have larger forefoot width ( Table 1 ). Probably, these shoes do not restrict (or restrict less) the increase in the width of the forefoot expected during weight acceptance. 28 During weight acceptance, the foot pronation is expected to help load absorption and allow the foot to adapt to the ground. 29 Specifically, during pronation, it is expected adduction of talus in relation to the calcaneus, moving it anteriorly (i.e., plantar flexion of the talus in relation to the calcaneus). 29 This movement happens at sime time by anterior and inferior displacement of the navicular and cuneiforms, together with an anterior displacement of the three foot medial rays (i.e., metatarsus and their respective phalanges) of the forefoot in relation to the other two lateral rays of the forefoot. 29 This movement is reversed during the supination of the foot, in which the foot becomes a rigid lever to favor the propulsion of the body. 29 A study demonstrates that foot movements are coupled to knee and hip movements in the sagittal plane. 30 Thus, footwear that minimally restricts the movement of the forefoot are more similar to walking barefoot. The impact of the width of the footwear on the forefoot was indicated by Franklin et al., 28 who indicated that the use of footwear throughout life has resulted in functional and anatomical alterations, mainly in relation to a reduced forefoot width.

The generalization of the findings of this study is limited, since this is a descriptive study based on four toddlers. In addition, the effects described in this study were immediate, that is, toddlers had no previous experience with any of the models of the shoes evaluated. The findings described in this case study may contribute to the planning of future studies to evaluate the acute and chronic effects of footwear use with different designs.

Conclusion

The present study suggests that gait with footwear differs from walking barefoot in the MLA kinematic curves of the foot, ankle, knee, and hip. This difference can be of greater or lesser magnitude depending on the type of footwear. The toddlers showed the greatest difference in MLA with BF. In addition, the smallest differences in ankle, knee, and hip kinematics were observed when the toddlers wore shoes with a wider design in the forefoot region.

Introdução

A vida urbana faz com que crianças fiquem constantemente calçadas. 1 2 3 Durante a locomoção, o calçado afeta diretamente a forma como as forças de reação do solo são geradas e transmitidas para todo o corpo, 4 5 uma vez que é a interface entre o corpo e o solo. Apesar do crescente interesse na literatura sobre o efeito do calçado na locomoção, esse efeito nas crianças, ainda em fase de desenvolvimento da marcha tem sido pouco explorado. 6

O início da marcha independente acontece em torno dos 15 meses de idade. 7 8 O pé possui como principais funções na marcha: i) acomodar irregularidade do solo e manutenção do equilíbrio; ii) suporte de peso e absorção de carga e iii) gerar o movimento para frente, transmitindo forças propulsivas. 9 Dessa forma, durante a locomoção, a criança precisa mover sua massa corporal à frente ao mesmo tempo em que se equilibra em apoio uni e bipodal, trazendo um duplo desafio de estabilidade e progressão. 10

No início da aquisição da marcha independente, os ossos do pé possuem vários centros de ossificação conectados por tecidos moles, 11 e o desenvolvimento das estruturas ósseas acontece até os cinco anos de idade. 12 Esse processo de ossificação ao longo do crescimento corrobora com a ausência do arco longitudinal medial (ALM) do pé em crianças no início da aquisição da marcha. 9 Assim, é esperado que a própria marcha venha a promover o desenvolvimento do ALM.

Além de proteger os pés, o tamanho, a forma e o design de calçados podem interferir no desenvolvimento estrutural e na sua função e, assim, gerar impactos sobre o sistema musculoesquelético a longo prazo. 3 Estudos indicam que o uso de calçados na primeira infância pode levar a alterações morfológicas nos pés de indivíduos, em comparação com pessoas que não usam calçados. 13 14 Essas alterações no formato do pé podem reduzir a habilidade de atenuar o impacto das forças pelas estruturas podais, alterando até a forma como se caminha. Estudos têm destacado a importância do andar descalço no desenvolvimento e função do pé. 13 14 O andar descalço proporciona força muscular, mobilidade podal, evita deformidades estáticas e afeta a altura do ALM. 2 13 14 O caminhar em diferentes tipos naturais de terreno tem o potencial de afetar a mecânica e a energética da locomoção, 15 além de gerar constantes ajustes para manter a estabilidade. 16 Dessa forma, o calçado usado por crianças durante a fase de desenvolvimento da marcha pode ter um papel importante sobre o desenvolvimento do sistema musculoesquelético.

O design de produtos inspirados na natureza tem sido chamado de biomimetismo. 17 Considerando os efeitos do andar descalço proporciona experiências tanto em solos planos como em terrenos naturais, calçados biomiméticos poderiam impactar no ALM de crianças na fase de desenvolvimento da marcha e na cinemática das articulações do membro inferior durante a marcha. O objetivo deste estudo foi avaliar o comportamento do ALM e dos parâmetros cinemáticos dos membros inferiores de crianças durante a marcha usando calçados biomiméticos (CBs) e não biomiméticos, comparando-os com o ato de andar descalço em solo plano.

Métodos

Um estudo de casos 18 foi realizado com 4 crianças com idade entre 13 e 17 meses (15,50 ± 1,73 meses), com massa corporal de 10 a 12 kg (11,20 ± 0,74 kg) e altura de 78 a 90 cm (82 ± 5 cm), com desenvolvimento motor típico. Todas as crianças tinham entre 2 e 3 meses de experiência de caminhar sem apoio. Este estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa da instituição (parecer número 2.083.328), e todos os pais assinaram o termo de assentimento livre e esclarecido antes de qualquer procedimento ser realizado com as crianças.

As crianças realizaram marcha independente em solo plano e foram avaliadas em seis condições, cuja sequência foi estabelecida por tabela de aleatorização: 1) Descalço; 2) CB; 3) Calçado não biomimético 1 (NB1) ; 4) Calçado não biomimético 2 (NB2) ; 5) Calçado não biomimético 3 (NB3); 6) Calçado não biomimético 4 (NB4) . A Tabela 1 traz as características e a Figura 1 , as imagens dos calçados testados.

Tabela 1

Medidas dos calçados utilizados

Calçado	Comprimento (cm)	Massa (g)	Largura externa antepé (cm)	Largura interna antepé (cm)	Palmilha interna	Distância do pé ao solo (cm)
Biomimético (CB)	13,6	517,0	7,3	6,7	Dinâmica	1,0
Não biomimético 1 (NB1)	14,6	291,0	6,9	6,0	Estática	2,0
Não biomimético 2 (NB2)	14,2	195,5	6,9	6,4	Estática	2,0
Não biomimético 3 (NB3)	14,1	429,5	6,5	5,6	Estática	1,5
Não biomimético 4 (NB4)	13,9	561,5	6,8	5,6	Estática	1,3

Fonte: Elaborado pelos autores (2021).

Fig. 1

Imagens dos calçados infantis avaliados. ( a ) CB: calçado biomimético, ( b ) NB1: calçado não biomimético 1; ( c ) NB2: calçado não biomimético 2; ( d ) NB3: calçado não biomimético 3, ( e ) NB4: calçado não biomimético 4. Fonte: Elaborado pelos autores (2021).

A avaliação da marcha foi realizada por meio de sistema de análise tridimensional do movimento (Qualisys Medical AB, Gothenburg, Suécia). Pelve, coxa, perna e pé foram rastreados durante a marcha por meio de 22 marcadores retro refletivos ( Figura 2 ). Marcadores anatômicos foram usados para a calibração estática a fim de definir os segmentos corporais e os respectivos sistemas de coordenadas.

Fig. 2

Desenho esquemático que ilustra o posicionamento dos marcadores retro refletivos no corpo das crianças. A imagem inferior ilustra de forma mais detalhada a posição dos marcadores nos pés. Fonte: Elaborado pelos autores (2021).

Os dados foram analisados no software Visual3D (C-Motion Inc., Rockville, MD, EUA). Todos os dados foram filtrados com filtro Butterworth passa baixa de quarta ordem em frequência de corte de 6 Hz. Os centros articulares foram estimados conforme literatura. 19 Os seguintes ângulos no plano sagital foram extraídos: quadril, joelho e tornozelo. O ALM do pé foi determinado pelo ângulo entre o vetor que conecta o marcador do calcâneo e do navicular e o vetor que conecta o marcador do navicular e o da cabeça do primeiro metatarso. 20 Dessa forma, quanto menor o ângulo, maior o ALM do pé. Além disso, os membros inferiores foram classificados como membro de apoio e membro de avanço. 10 Nessa classificação, o membro inferior com maior comprimento da passada é classificado como o de avanço, e o contralateral como o de apoio. 10

As crianças caminharam livremente, em velocidade auto selecionada, e estímulos verbais, visuais e lúdicos foram utilizados para facilitar a tarefa. Foram analisados no mínimo 10 passadas completas para cada membro inferior.

Para estimar a semelhança entre as curvas da variação angular em relação ao tempo de cada um dos calçados e o caminhar descalço, foi utilizado o índice root mean square error (RMSE). Esse índice é sempre positivo e mede a magnitude da diferença das curvas cinemáticas. 20 Em outras palavras, esse escore mede a diferença entre os dados da curva cinemática de cada condição (CB, NB1, NB2, NB3, NB4) em relação à média de um padrão de referência, que neste estudo foi a condição descalça. Assim, quanto maior o valor do RMSE, maior a diferença entre as curvas obtidas com os calçados analisados em relação a andar descalço.

Resultados

Todos os participantes apresentaram maior comprimento da passada no lado direito (0,399 ± 0,08 m) do que no lado esquerdo (0,393 ± 0,08 m), que foram classificados como membro inferior de avanço e de apoio, respectivamente.

As curvas médias do ALM nas condições avaliadas estão apresentadas na Figura 3 , e os valores de RMSE estão representados na Figura 4 . As Figuras 3a e 3b apresentam a curva média do ALM durante a fase de apoio do ciclo de marcha na condição descalça. Nessas curvas, é possível observar que o ângulo do ALM é pequeno no contato inicial da marcha e, gradualmente, aumenta, sendo que o pico desse ângulo ocorre em torno dos 80% da fase de apoio, provavelmente, contribuindo com a impulsão do corpo à frente. Observa-se ainda que, na condição descalça, o pé do membro inferior de avanço ( Figura 3b ) apresentou um maior ângulo do ALM durante a fase de apoio que o do membro de apoio ( Figura 3a ). As Figuras 3c e 3d apresentam as curvas do ALM tanto na condição descalça (linha vermelha), usada como referência, quanto com os diferentes calçados investigados. Observa-se que o efeito do calçado é diferente dependendo da função do pé: membro inferior de apoio ( Figura 3c ) ou avanço ( Figura 3d ). O CB (linha azul turquesa) foi o calçado que apresentou o maior ALM (i.e., menor ângulo) em ambos os pés. Esse achado se relaciona com o maior RMSE ( Figura 4 ). Ou seja, o CB foi o calçado que apresentou o ALM mais diferente da condição descalça.

Fig. 3

Gráficos da média das curvas arco longitudinal medial (ALM) do pé durante a marcha de quatro crianças em todas as condições avaliadas. ( a ) Descalço pé de apoio, ( b ) Descalço pé de avanço, ( c ) Pé de apoio: CB (calçado biomimético), NB1 (calçado não biomimético 1), NB2 (calçado não biomimético 2), NB3 (calçado não biomimético 3), NB4 (calçado não biomimético 4) e, ( d ) Pé de avanço: CB (calçado biomimético), NB1 (calçado não biomimético 1), NB2 (calçado não biomimético 2), NB3 (calçado não biomimético 3), NB4 (calçado não biomimético 4). Fonte: Elaborado pelos autores (2021).

Fig. 4

Gráficos das médias das diferenças das curvas do arco longitudinal do pé (RMSE) durante a marcha de quatro crianças com diferentes calçados, comparados com a condição descalça. CB (calçado biomimético), NB1 (calçado não biomimético 1), NB2 (calçado não biomimético 2), NB3 (calçado não biomimético 3), NB4 (calçado não biomimético 4). Fonte: Elaborado pelos autores (2021).

As curvas médias do quadril, joelho e tornozelo em cada condição estão apresentadas na Figura 5 . Observa-se que as maiores diferenças entre as condições estão no final da fase de apoio (aproximadamente entre 50 e 70% do ciclo de marcha) na articulação do tornozelo. As diferenças em RMSE entre as condições calçada e com os calçados investigados estão representadas na Figura 6 . Os calçados que apresentaram menor RMSE (ou seja, maior similaridade com o andar descalço) foram o CB (coluna azul turquesa) e NB2 (coluna verde) ( Figura 6 ).

Fig. 5

Gráficos da média das curvas articulares do tornozelo (a e b), joelho (c e d) e quadril (e e f) durante a marcha de quatro crianças em todas as condições avaliadas: Descalço, CB (calçado biomimético), NB1 (calçado não biomimético 1), NB2 (calçado não biomimético 2), NB3 (calçado não biomimético 3), NB4 (calçado não biomimético 4). Dorsiflexão e flexão: valores positivos nos gráficos. Fonte: elaborado pelos autores (2021).

Fig. 6

Gráficos das médias das diferenças das curvas das variações angulares das articulações do tornozelo, joelho e quadril (RMSE) durante a marcha de quatro crianças com diferentes calçados comparados com a condição descalça. CB (calçado biomimético), NB1 (calçado não biomimético 1), NB2 (calçado não biomimético 2), NB3 (calçado não biomimético 3), NB4 (calçado não biomimético 4). Fonte: Elaborado pelos autores (2021).

Discussão

Em linhas gerais, este estudo descreveu que os diferentes calçados analisados resultaram em algum grau de diferença em relação à condição descalça, o que sugere que o calçado pode afetar o padrão de movimento das crianças. Além disso, os achados indicaram que a deambulação com CB foi, em geral, mais similar ao andar descalço nas articulações do membro inferior (i.e., menor RMSE) e mais diferente quanto ao ALM do pé (i.e., maior RMSE). Assim, o design do calçado parece influenciar as variáveis cinemáticas do membro inferior de crianças durante o início da aquisição da marcha. Este estudo sugere que um design que considera o biomimetismo impacta no ALM das crianças nessa fase além de permitir movimentos articulares de membros inferiores mais semelhantes ao andar descalço.

Existe evidência de crescente aumento no interesse em calçados para crianças, principalmente nos últimos 10 anos. 5 Apesar disso, há poucas pesquisas sobre o impacto do calçado em crianças, principalmente na fase de aquisição da marcha. Alguns autores 3 21 afirmam que o calçado pode ter um efeito a longo prazo na função do pé. Um calçado com um design biomimético e anatômico é capaz de proteger o pé e pode também manter a flexibilidade natural, largura do antepé e sustentar o ALM do pé.

O ALM é dependente de estruturas anatômicas passivas e ativas. A aponeurose plantar é considerada uma estrutura importante durante a fase de apoio, juntamente com os ligamentos, enquanto os músculos da perna e os intrínsecos do pé atuam como um suporte ativo. 22 A Figura 3 traz a média das curvas do ALM do pé durante a marcha das quatro crianças na condição descalça. Graficamente, apesar de o ALM ainda estar em desenvolvimento, na condição descalça, o comportamento das curvas é muito semelhante às curvas do ALM de adultos. 22 23 As diferenças descritas pelo RMSE relativas ao ALM, principalmente do CB com o andar descalço, podem ser explicadas por meio de duas conjecturas. A primeira seria por meio de um efeito mecânico da palmilha do CB. Durante a fase de apoio da marcha, uma pressão maior é aplicada na parte lateral do pé. O CB avaliado possui uma palmilha dinâmica que contém material similar a grãos de areia. Dessa forma, esse material provavelmente se acumula sob a região com menor pressão (ou seja, a região medial do pé), favorecendo assim o aumento do ALM. A segunda conjectura é que a palmilha dinâmica do CB pode ter estimulado a atividade dos músculos da região plantar do pé. Nessa perspectiva, a contração muscular favoreceu a formação do ALM. Essa segunda possibilidade corrobora as observações de Kung et al., 1 que afirmaram que o andar descalço aumentaria a força muscular na região do tornozelo e pé, especificamente nos flexores plantares, inversores e adutores do tornozelo. A maior diferença do ALM do pé, da condição CB em relação à condição descalça, descrita pelo RMSE, juntamente com o padrão observado dessa variável nos gráficos descritivos sugerem que o CB promoveu um aumento da rigidez do mediopé. Esse efeito corrobora o papel do pé em atuar como uma alavanca rígida no final da fase de apoio para promover a propulsão do corpo à frente durante a marcha. 24 Ressalta-se que a literatura indica que o ALM não é influenciado somente por fatores locais. O seu desenvolvimento é dependente de vários fatores, como o peso corporal, atividade física, etnicidade e até mesmo a idade. 12 25

A natureza da morfologia e anatomia do pé do bebê, no início da aquisição de marcha, tem sido associada às dimensões do corpo dessa criança. 26 O peso do corpo mais que dobra desde o nascimento até seu primeiro ano de vida. Além disso, o comprimento do membro inferior aumenta em torno de 50% do nascimento até os 18 meses de idade, e 50% do comprimento do pé quando adulto é alcançado em torno de 12 a 18 meses de idade. 26 Estudo 27 indica que o desenvolvimento motor depende não somente da maturação neuromuscular, mas, também da confluência de outros fatores externos que afetam diretamente, como, por exemplo, a postura (gravidade e posicionamentos), crescimento físico (massa, comprimento e proporções), força muscular e o desenvolvimento do equilíbrio. A idade entre dois e cinco anos de idade é considerado um período em que os estímulos resultantes do andar impactam significativamente para o desenvolvimento do pé. 26 Um calçado que mimetiza a irregularidade de superfícies como o andar na areia pode fornecer uma variação ambiental de forma segura para a criança. Crianças urbanas, geralmente, são expostas a superfícies mais planas e regulares no seu dia a dia. Dessa forma, calçados que mimetizam um ambiente natural, como o CB, podem oferecer diferentes estímulos e assim, auxiliar no desenvolvimento adequado do sistema musculoesquelético, de forma segura para a vida urbana. Entretanto, deve se considerar que este é um estudo transversal e assim, não podemos concluir sobre os efeitos de médio e longo prazo. Futuros estudos são necessários para investigar os impactos no desenvolvimento musculoesquelético do uso de calçados que mimetizam solos irregulares.

Todos os calçados apresentaram alguma diferença descrita pelo RMSE com a condição descalça tanto localmente no tornozelo quanto em articulações proximais. Os calçados que apresentaram, em geral, menor diferença foram CB e NB2. Esses calçados são similares no design relativo à largura interna do antepé, em que apresentam maior largura interna comparado aos demais calçados ( Tabela 1 ). Provavelmente, esses calçados não restringem (ou restringem menos) o aumento da largura do antepé esperada durante a descarga de peso. 28 Durante a descarga de peso, espera-se que a pronação do pé favoreça a absorção da carga e permita a adaptação do pé ao solo. 29 Especificamente, durante a pronação, espera-se que à medida em que o tálus aduz em relação ao calcâneo, ele se desloque anteriormente (i.e., flexão plantar do tálus em relação ao calcâneo). 29 Esse movimento é acompanhado por deslocamento anterior e inferior do navicular e cuneiformes, juntamente com um deslocamento anterior dos três raios (i.e., metatarso e suas respectivas falanges) mediais do antepé em relação aos outros dois raios laterais do antepé. 29 Esse movimento é revertido durante a supinação do pé, em que o pé se torna uma alavanca rígida para favorecer a propulsão do corpo à frente. 29 O estudo de Thelen demonstra que os movimentos do pé se acoplam aos movimentos do joelho e quadril no plano sagital. 30 Assim, provavelmente, calçados que restrinjam minimamente o movimento do antepé favorecem que os acoplamentos articulares do membro inferior no plano sagital sejam mais semelhantes ao andar descalço. O impacto da largura do calçado no antepé foi indicado por Franklin et al., 28 que indicaram que o uso de calçados por toda a vida tem resultado em alterações funcionais e anatômicas, principalmente, em relação a uma largura de antepé reduzida.

A generalização dos achados deste estudo é limitada, uma vez que este é um estudo descritivo baseado na análise de apenas quatro crianças. Além disso, os efeitos descritos neste estudo foram imediatos, ou seja, as crianças não tinham experiência prévia com nenhum dos modelos dos calçados avaliados. Os achados descritos neste estudo de caso podem contribuir com o planejamento de futuros estudos para avaliar os efeitos agudo e crônico do uso de calçados com diferentes designs.

Conclusão

A descrição analisada neste trabalho sugere que a marcha com calçados difere do deambular descalço nas curvas cinemáticas do ALM do pé, tornozelo, joelho e quadril. Essa diferença pode ocorrer em maior ou menor magnitude dependendo do tipo de calçado. As crianças apresentaram maior diferença no ALM com o CB. Além disso, as menores diferenças na cinemática de tornozelo, joelho e quadril foram observadas quando as crianças usaram calçados mais largos na região do antepé.