Elektronische Fußdruck- messung in der Ortho- pädie-Schuhtechnik

Elektronische Fußdruckmessung
in der Orthopädie-Schuhtechnik
Dr. J. Natrup
Die Grundlagen der elektronischen
Druckmessung gehen auf die Entwicklungen
von Nicol & Hennig (1976) zurück. Dort
wurde erstmals eine mit kapazitiver Sensorik
ausgestattete Druckmessplattform präsentiert.
Durch das speziell entwickelte Multiplex-
Verfahren war es möglich, eine größere Anzahl von Sensoren mit einem relativ
geringen Kabelaufwand abzufragen. Die Übertragung dieser starren
Messplattform auf flexible Folien, wie sie beispielsweise für Druckmessungen
im Schuh von Nöten sind, wurde von Nicol & Rusteberg (1993) vorgestellt.
Erste Anwendungen im deutschsprachigen Raum für die Orthopädie-
Schuhtechnik präsentierten Baumann u.a. (1994).
In den vergangenen 15 Jahren haben sich einige Hersteller mit der
Weiterentwicklung der elektronischen Druckmessung beschäftigt, und die
Systeme werden in verschiedenen Anwendungsbereichen der Orthopädie-
Schuhtechnik eingesetzt. Heute zählen die Überprüfung von Einlagen und
Schuhen für den diabetischen Fuß oder die Versorgung von Sportlern zu den
wesentlichen Einsatzgebieten.
Daher ist es das Ziel des vorliegenden Vortrags, diese beiden Anwendungen
beispielhaft zu beschreiben. Zuvor soll es außerdem darum gehen, die nötige
Genauigkeit der Messtechnik sowie die für die Auswertung wichtigen
Parameter zu analysieren.
Genauigkeit
Dr. J. Natrup
Zum Thema der Genauigkeit von elektronischen Druckmesssystemen liegen
diverse Veröffentlichungen vor (Cavanagh & Ulbricht 1994, Drerup & Wetz
2000, Natrup 2008). Eine besondere Bedeutung besitzt das Kriterium der
Reliabilität, was insbesondere für zertifizierte Betriebe wichtig ist. Daher soll
dieses im folgenden etwas genauer behandelt werden.
Die Reliabilität gibt an, wie genau ein Messergebnis unter konstanten
Bedingungen reproduziert werden kann. Das bedeutet, in welchem Maße bei
Wiederholungsmessungen das gleiche Ergebnis herauskommt.
Dabei ist die Größe des Fehlers vom Typ und der Bauweise des Sensors
abhängig. Jeder Sensor weist einen gewissen Reproduzierfehler auf. Die
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für Orthopädieschuhtechnik
Hannover e.V. Fachvorträge: Samstag 28. Februar 2009

Schwankungen der am Markt befindlichen Sensoren liegen im Bereich von 1 %
Fehler bis zu 20 % Fehler. Diesen Fehler zu bestimmen und anzugeben, ist
Aufgabe der Hersteller und kann den Leistungsbeschreibungen entnommen
oder nachgefragt werden.
Ein großes Problem bei der Reliabilität ist, dass sich die Eigenschaften von
Sensoren im Laufe der Zeit mit zunehmender Anzahl von Belastungen
verändern. Dieser Prozess vollzieht sich in Abhängigkeit des Sensortyps
unterschiedlich schnell. Die Lösung dieses Problems ist eine erneute
Kalibrierung.
Bei einer Kalibrierung wird über eine definierte Belastungseinleitung für jeden
Sensor eine Kennlinie ermittelt. Diese wird in der Software abgelegt und bei
einer späteren Belastung zur Berechnung des Druckwerts benutzt. Kennlinien
sind im allgemeinen nicht linear und für jeden Sensor unterschiedlich. In
Abbildung 1 sind ein linearer (blau) und ein nicht-linearer (rot) Verlauf einer
Kennlinie beispielhaft dargestellt.
Wegen der Nicht-Linearität muss jeder Sensor einzeln über mehrere
Stützstellen kalibriert werden. Lediglich eine Stützstelle wie beispielsweise das
Körpergewicht zu verwenden, ist nicht ausreichend.
Wie bereits erwähnt, steht die Reliabilität in enger Korrelation zu dem Thema
der Zertifizierung. Wenn ein Betrieb zertifiziert ist oder sich zertifizieren lassen
möchte, wird die Qualität aller eingesetzten Messinstrumente in regelmäßigen
Abständen überprüft.
Beispielsweise ist dann nachzuweisen, wann und wie ein Messgerät kalibriert
wurde und welche Gütekriterien es in welchem Maße erfüllt. Ist das Messgerät
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Abb. 1:
Kennlinien von
Drucksensoren

selber als Medizinprodukt mit Messfunktion zertifiziert, ist der Hersteller hierfür
verantwortlich und der Nachweis für den OST-Betrieb problemlos.
Auswertung
Nach der Durchführung einer elektronischen Druckmessung liefert die
Software die Möglichkeit, verschiedene Parameter zur Beurteilung der
Belastungsverhältnisse am Fuß heranzuziehen. Neben der reinen
Druckverteilung liegen weitere Parameter vor, die allerdings nur selten
verwendet werden. Hierzu sind beispielsweise die Kraft-Zeit-Funktion, das
Kraft-Zeit-Integral (häufig als Impuls bezeichnet), die Kraftrate oder die
Ganglinie zu zählen.
Dabei wird die Druckverteilung im allgemeinen durch eine Farbcodierung
angegeben, wobei der Farbwert rot meistens für die Darstellung erhöhten
Drucks benutzt wird. Das Kraft-Zeit-Integral ergibt sich aus dem Verlauf der
Kraft-Zeit-Funktion. Da Maximaldruck und Kraft-Zeit-Integral (Impuls) die
wichtigsten Parameter sind, soll im folgenden auf diese besonders
eingegangen werden.
Druck
Der Parameter Druck (s. Abb. 2) ist sicherlich derjenige, über den die meisten
Erkenntnisse und Erfahrungen vorliegen. Jeder Orthopädie-Schuhtechniker,
der Druckmessungen beispielsweise in der Diabetikerversorgung einsetzt,
wendet gewisse Standards bei der Analyse und Versorgung an. In der Regel
geht es hierbei um den Vergleich von Messungen vor und nach einer
Versorgung. Das kann bedeuten, dass eine Messung im Schuh ohne Einlage
durchgeführt wird, und die dort festgestellten Druckmaxima müssen bei der
Kontrollmessung auf der Einlage reduziert werden. Das wäre eine rein
qualitative Vorgehensweise.
Mehr Quantität besitzt die Forderung, wie sie auch häufig von Seiten der
Kostenträger formuliert wird: Der maximale Druck sollte auf der Einlage im
Vergleich zu einer Neutralmessung um mindestens 30 % reduziert sein.
Neutralmessung bedeutet hierbei, dass die Messung ganz ohne Hilfsmittel,
also barfuß ohne Schuhe durchgeführt wird.
Das kann eine Messung über eine Druckmessplattform sein, oder es werden
Konstruktionen verwendet, die eine Innenschuh-Messsohle am Fuß halten,
ohne größeren Einfluss auf die Druckverteilung zu nehmen, sogenannte
Neutralschuhe.
Unabhängig von der Auswahl einer dieser beiden Methoden erscheint diese
Vorgehensweise als nicht hinreichend. Zum einen wird die 30%ige
Reduzierung in sehr vielen Fällen realisiert. Die Mittelwerte des Maximaldrucks
beim Gehen mit mittlerer Geschwindigkeit liegen barfuß etwa zwischen 40 und
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Abb. 2: Isobaren-Darstellung der Fußdruckverteilung
50 N/cm², während unter gleichen Bedingungen im Schuh die Werte etwa
zwischen 20 und 30 N/cm² liegen. Das bedeutet, dass die 30%ige Reduzierung
rein statistisch im Mittel erreicht wird. Extreme Druckbelastungen, wie sie bei
Ulzerationen am diabetischen Fuß vorkommen, werden über diese Mittelwertbetrachtung
natürlich nicht erfasst.
Zum anderen wird die Wirksamkeit der 30%igen Reduzierung deutlich, wenn
die Auswirkung des Drucks physiologisch betrachtet wird. Schädigungen
treten dann auf, wenn Gewebe nicht oder nur vermindert mit Sauerstoff
versorgt wird. In der Peripherie geschieht diese Versorgung über kleine
Blutgefäße, in denen ein gewisser Blutdruck herrscht.
Sie werden verschlossen, wenn der äußere, einwirkende Druck höher ist als
dieser kapillare Blutdruck. Damit sollte der äußere Druck einen gewissen
Grenzwert nicht überschreiten. Dieser ist allerdings unabhängig davon, ob der
Maximaldruck bei einer Neutralmessung 40 oder 50 N/cm² ist. Eine relative
Betrachtungsweise hilft demnach nicht optimal weiter.
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Ein weiteres Problem ergibt sich durch die Tatsache, dass der an den
Blutgefäßen wirkende Druck nicht mit dem außen gemessenen, plantaren
Druck identisch sein muss. Weitere Einflussfaktoren sind beispielsweise die
Beschaffenheit des Gewebes zwischen Gefäß und Haut oder die
Scherbelastungen durch Druck in Querrichtung, die nicht gemessen werden
können.
Daher ist es schwer möglich, einen expliziten Wert als kritische Schwelle für
den Maximaldruck anzugeben. Dennoch können aufgrund der Erfahrungen
von vielen Messungen am diabetischen Fuß Bereiche, die eine Annäherung an
kritische Belastungen darstellen, angegeben werden. Es kann angenommen
werden, dass diese kritischen Werte für Druckbelastungen auf einer Bettung in
einem Bereich von 20 bis 25 N/cm² liegen.
Das bedeutet, dass ein Maximaldruck von über 25 N/cm² sicher als kritisch zu
bewerten ist, während ein Wert unter 20 N/cm² mit hoher Wahrscheinlichkeit als
unbedenklich angenommen werden kann.
Kraft-Zeit-Integral (Impuls)
Jedes Druckmesssystem bestimmt eine Kraft-Zeit-Funktion. Mathematisch
gesehen ergibt sich der Impuls aus dem Integral dieser Kraft-Zeit-Funktion
nach der Zeit. Graphisch betrachtet, ist dieses gleichzusetzen mit der Fläche
unter der Kurve. Demnach wird das Kraft-Zeit-Integral größer, wenn der
Kraftverlauf insgesamt höher ist, und ist damit direkt abhängig vom
Körpergewicht.
Außerdem wird das Kraft-Zeit-Integral größer, wenn der Bodenkontakt länger
ist. Damit ist es abhängig von der Kontaktzeit, welche wiederum von der
Ganggeschwindigkeit abhängt. Vereinfacht gesagt, haben schwere Personen,
die langsam gehen, die höchsten Impulswerte, während es bei leichten, schnell
gehenden Personen umgekehrt ist.
Die Faktoren Körpergewicht im allgemeinen und Ganggeschwindigkeit bei
Diabetikern im speziellen sind allerdings schwer zu beeinflussen. Die
Unsicherheit im Gang führt bei Diabetikern dazu, dass sie eher etwas
langsamer gehen. Daher ist der Gesamtimpuls nur sehr schwer zu
beeinflussen, wohl aber die Verteilung zwischen Rück- und Vorfuß.
In Abb. 3 ist die Aufteilung der Gesamtkraft (grau) auf die sechs Fußzonen
Ferse (violett), Mittelfuß (blau), Ballen innen (orange), Ballen mitte (grün),
Ballen außen (rot) und Zehen (gelb) jeweils für den linken und rechten Fuß
dargestellt.
Die Größe der farbigen Fläche repräsentiert die Höhe des Impuls. Im Beispiel
der Abbildung werden die höchsten Werte in der Zone Ferse (violett) erreicht.
Das bedeutet, dass die Belastung, vor allem zeitlich gesehen, lange auf der
Ferse verharrt, während das Abrollen über den Vorfuß eher schnell geschieht.
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Die Bedeutung des Parameters Kraft-Zeit-Integral kann physiologisch ähnlich
erklärt werden, wie die des Maximaldrucks. Die Höhe des Drucks liefert
Informationen darüber, ob versorgende Gefäße verschlossen werden, und das
Kraft-Zeit-Integral gibt Hinweise über die Dauer dieses Verschlusses.
Für das Gefahrenpotenzial ist ein sehr hoher, aber nur kurz wirkender Druck
weniger relevant als ein mittlerer Druck, der über einen längeren Zeitraum
wirkt. Wie oben bereits erwähnt, haben das Körpergewicht und die
Ganggeschwindigkeit einen direkten Einfluss auf das Kraft-Zeit-Integral, so
dass es nicht möglich ist, kritische Schwellwerte für diesen Parameter zu
benennen.
Stattdessen ist darauf zu achten, dass sich die Belastung zwischen Rück- und
Vorfuß gleichmäßig verteilt.
Abb. 3: Verteilung des Kraft-Zeit-Integrals in Fußzonen
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Anwendungsbeispiele
Diabetes
Anhand eines Beispiels soll im folgenden die Anwendung eines elektronischen
Fußdruckmesssystems bei der Diabetikerversorgung verdeutlicht werden.
Die Ausgangslage ist in Abbildung 4 a dargestellt, welche das Ergebnis der
Fußdruckmessung in einem Straßenschuh, mit dem ein Kunde bei einem
Orthopädie-Schuhmacher vorstellig wurde, repräsentiert. Das Problem ist in
diesem Fall der hohe Druck unter der rechten Großzehe.
Der Druck liegt hier mit einem Wert von 32 N/cm2 in einer Größenordnung, wie
sie für den diabetischen Fuß sicher als kritisch anzusehen ist. Die Verteilung
der Impulswerte ist der rechten Seite der Abbildung zu entnehmen. Hier ist der
Wert im Ballenbereich mit 158 Ns etwas höher als an der Ferse (106 Ns).
Damit sollte dieser Diabetiker mit einer Einlage, welche die rechte Großzehe
entlastet, sowie mit einem Schuh mit Ballenrolle und Sohlenversteifung
versorgt werden. Die Ergebnisse dieser Versorgung sind in der Abbildung 4 b
(links – Druck, rechts - Impuls) dargestellt.
Der Maximaldruck wurde im Vergleich zu dem ursprünglichen Straßenschuh
deutlich reduziert (17 N/cm² zu 32 N/cm²). Allerdings führt dieser Schuh zu
einer dramatischen Verschlechterung des Kraft-Zeit-Integrals im
Fersenbereich.
Der Wert war mit etwa 279 Ns fast dreimal so hoch wie die ursprüngliche
Ausgangslage. Mit diesem Ergebnis wäre nicht auszuschließen, dass der
Abb. 4a: Druckverteilung und Kraft-Zeit-Integral eines Diabetikers ohne Versorgung
Abb. 4b: Druckverteilung und Kraft-Zeit-Integral eines Diabetikers mit Versorgung
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Kunde beim Tragen dieser Schuh-Einlagen-Kombination ein Problem an der
Ferse bekommen könnte, da die Ballenrolle zu stark ausgeprägt war.
Das dargestellte Fallbeispiel soll die Kontrollfunktion der elektronischen
Fußdruckmessung in der Diabetikerversorgung verdeutlichen. Hätte der
Orthopädie-Schuhtechniker sich ausschließlich auf die räumliche
Druckumverteilung zur Reduzierung der Druckmaxima beschränkt, so hätte
der Kunde möglicherweise mit dem diabetischen Konfektionsschuh und der
angefertigten Einlage das Geschäft verlassen. Wie beschrieben, hätte dieses
zu Problemen an der Ferse führen können.
Sport
Zur Beurteilung der Belastungen beim Marathonlauf wurden bei 6 Läufern die
Druckverteilungen vor dem Lauf und direkt nach dem Zieleinlauf gemessen
(Natrup, 2003).
In Abbildung 5 sind die Ergebnisse in den sechs Fußzonen jeweils vor dem Lauf
(rote Säulen) sowie nach dem Lauf (grüne Säulen) gegenübergestellt.
Die maximalen Druckwerte sind in allen Zonen mit Ausnahme der Region Ferse
nach dem Lauf geringer als vorher. Diese Druckreduzierung ist in den Zonen
Längsgewölbe, Ballen zentral und Zehen statistisch nachweisbar (p=0,05).
Ebenso ist die deutliche Drucksteigerung um etwa 25 % an der Ferse
signifikant. Damit ist insgesamt eine Belastungsverlagerung vom Vor- auf den
Rückfuß festzustellen, und die Versorgung von Marathonläufern sollte sich
insbesondere auf eine gute Fersendämpfung konzentrieren.
Abb. 5: Maximaldruckverteilung in den Fußzonen vor und nach einem Marathonlauf
Dr. J. Natrup : Elektronische Fußdruckmessung in der Orthopädieschuhtechnik

Literatur:
Baumann, W., Müller, N., Brust, G.: Grundlegende Begriffe und Anwendungsaspekte der elektronischen
Druckverteilunsmessung am Fuß, in: Medizinisch-Orthopädische Technik, 1, 1994, 6-13
Cavanagh, PR, Ulbrecht, JS: Clinical plantar pressure measurement in diabetes: rationale and methodology, in:
The foot , 4, 1994, 123-135
Drerup, B, Wetz, HH: Der Einfluß der Fußbettung und Schuhzurichtung auf die plantare Druckverteilung.
Medizinisch Orthopädische Technik 3, 2000, 84-90
Natrup, J.: Plantare Druckverteilung – vor und nach dem Marathon, in Orthopädieschuhtechnik, 5, 2003, 44-49
Natrup, J.: Druckverteilungsmessungen in der Diabetikerversorgung, in Orthopädieschuhtechnik, 6, 2008, 30-34
Nicol, K., Hennig, E.M.: Time Dependend Method for Measuring Force Distribution Using a Flexible Mat as
Capacitor, in: Komi, P.V.: Biomechanics V-B, Baltimore, 1976, 433-440
Nicol, K., Rusteberg, D.: Pressure Distribution on Mattresses, in: Journal of Biomechanics, 26 (12), 1993, 1479-
1486
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