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9. Mai 2019
Redaktion
Druckverteilungsmessung

Welche Schlüsse dürfen aus Messergebnissen gezogen werden?

Innenschuhdruckmesssohlen stellen ein wichtiges Messinstrument zur Erfassung der plantaren Belastung des Fußes im Schuh dar. Innenschuhdruckmesssohlen stellen ein wichtiges Messinstrument zur Erfassung der plantaren Belastung des Fußes im Schuh dar. Für den Benutzer ist es dabei wichtig zu wissen, wie die gewonnenen Daten interpretiert werden dürfen und wie nicht.

Seit vielen Jahrzehnten werden Druck­messeinlegesohlen verwendet, um die plantare Belastung des Fußes zu bestimmen. In der heutigen Zeit sind diese Systeme ein wertvolles Mittel, um die Wirkung von Schuh- und Einlagever­sorgungen zu untersuchen. Bei der Versorgung des Diabetischen Fußes wird auch in der Fortschreibung der Produktgruppe 31 (Schuhe) vom 10. September 2018 gefordert, den Wirkungsnachweis u. a. über die plantare Druckverteilungsmessung zu belegen. Somit ist es nur logisch, dass in den orthopädieschuhtechnischen Betrieben Systeme zur Messung des plantaren Drucks nicht mehr wegzudenken sind.

Wie bei allen Messsystemen ist aber auch hier für den Benutzer von Bedeutung, welche Schlüsse aus den Messer­gebnissen gezogen werden dürfen und welche nicht. Anlass für diesen ­Artikel waren Erlebnisse des Autors auf den Kon­gressen im Rahmen der Messen ­ORTHOPÄDIE SCHUH TECHNIK in Köln und OT-WORLD in Leipzig. Bei ­einzelnen Präsentationen und Diskussionen ­wurde durch den Verweis auf einschlägige ­Veröffentlichungen (1) und (2), aber ­ohne weitere Ergänzungen, eine Schwelle des plantaren Druckmaximums von 200 kPa angegeben, die es bei der Versorgung des Diabetischen Fußes zu unterschreiten gilt.

Das war überraschend, da in den erwähnten Publikationen weit mehr relevante Aspekte behandelt werden, deren Nennung zum richtigen Verständnis der 200 kPa zwingend notwendig ist. Des Weiteren ist aus dem Bereich der Sensor- und Messtechnik bekannt, dass aufgrund des unterschiedlichen Aufbaus von Druckmesssystemen Absolutwerte generell zunächst kritisch zu betrachten sind.

Ziel der vorliegenden Studie war daher der Vergleich von zwei frisch kalibrierten, in Deutschland verbreiteten, Innenschuhdruckmesssohlen zur Erfassung der plantaren Druckverteilung (S1 und S2) im Schuh während verschiedener Aktivitäten des Alltags. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sollen dann im Kontext des unterschiedlichen Aufbaus der Messsysteme und der einschlägigen Literatur diskutiert werden.

Versuchsdesign

Da der Gegenstand dieses Artikels nicht in einer Bewertung der Messsysteme liegt, wird auf die Nennung der Hersteller verzichtet und die Systeme mit S1 und S2 bezeichnet. Die beiden Systeme unterschieden sich in der

  • Sensorart, wobei beide Systeme als Messprinzip die Widerstandsmessung verwenden;
  • Größe der Sensoren um etwas mehr als 10 %, wobei S1 die größeren Sensoren verwendet;
  • Anzahl der Sensoren um mehr als den Faktor 2, wobei S2 die höhere Anzahl an Sensoren verwendet;
  • räumlichen Auflösung um mehr als den Faktor 2, wobei S2 eine größere Fläche abdeckt, bedingt durch die höhere Anzahl an Sensoren.

Beide Systeme wurden unmittelbar vor den Messungen kalibriert und die Daten mit einer Messfrequenz von 200 Hz aufgezeichnet.
Im Rahmen der Studie wurden bei mehreren Bewegungen des Alltags die plantare Druckverteilung nacheinander mit den beiden Messsystemen S1 und S2 aufgezeichnet. Bei den hier präsentierten Bewegungen handelt es sich um das

  1. ebene Gehen auf dem Laufband mit 4 km/h (Mittelwertbildung aus mindestens 25 Schritten);
  2. Gehen auf dem Laufband mit 10 % Steigung (Mittelwertbildung aus mindestens 25 Schritten);
  3. Treppabgehen mit einer Taktfrequenz von 85 Schlägen pro Minute (Mittelwertbildung aus 10 Stufen).

Vor und nach der Treppe befand sich eine ausreichende ebene Strecke, sodass die jeweilige Versuchsperson nicht aus dem Stand die erste Stufe nehmen musste und nach der letzten Stufe weitergehen konnte – wie es im Alltag auch häufig der Fall ist. Für die beiden Gangbedingungen standen 15 Personen (27 ± 5 J., 1,80 ± 0,04 m, 81 ± 12 kg, BMI: 25,0 ± 3,6 kg/m²) zur Verfügung, für das Treppabgehen 11 Personen (25 ± 5 J., 1,72 ± 0,11 m, 71 ± 12 kg, BMI: 24,0 ± 3,2 kg/m²). Für jede der drei Versuchsbedingungen erhielten die Probanden eine ausreichende Eingewöhnungsphase (3).

An der Studie nahmen ausschließlich Versuchspersonen teil, die keine Traumata, Erkrankungen und Operationen an der Hüfte, dem Knie und dem Fuß in den letzten zwölf Monaten zu verzeichnen hatten (4). Für jede Messung wurden die Druckmaxima bezogen auf die Fußregionen Vorfuß, Mittelfuß und Rückfuß ausgewertet. Für das ebene Gehen mit 4 km/h erfolgte zusätzlich ein Vergleich einiger Gangparameter. Die Analyse auf signifikante Unterschiede ( = 0,05) erfolgte mit dem Wilcoxon-Test.

Abb.: Peikenkamp
1 (a) Auftretende Maximaldrücke in den drei Fußregionen für die beiden verwendeten Innenschuhdruckmesssohlen S1 und S2 beim ebenen Gehen mit 4 km/h. Signifikante Unterschiede sind mit einem * gekennzeichnet. Die Streubalken kennzeichnen jeweils den Bereich zwischen der Versuchsperson mit dem kleinsten und der Versuchsperson mit dem größten Druckwert. (b) Prozentualer Unterschied zwischen S1 und S2. Die Streubalken kennzeichnen jeweils den Bereich zwischen der Versuchsperson mit dem kleinsten und der Versuchsperson mit dem größten Unterschied zwischen S1 und S2.
2 (a) Auftretende Maximaldrücke in den drei Fußregionen für die beiden verwendeten Innenschuhdruckmesssohlen S1 und S2 beim ebenen Gehen mit 4 km/h und 10% Steigung. Signifikante Unterschiede sind mit einem * gekennzeichnet. Die Streubalken kennzeichnen jeweils den Bereich zwischen der Versuchsperson mit dem kleinsten und der Versuchsperson mit dem größten Druckwert. (b) Prozentualer Unterschied zwischen S1 und S2. Die Streubalken kennzeichnen jeweils den Bereich zwischen der Versuchsperson mit dem kleinsten und der Versuchsperson mit dem größten Unterschied zwischen S1 und S2.

Ergebnisse

Die Balken in den Säulen der Abbildungen 1 – 3 stellen nicht die Standardabweichung dar. Das obere Ende dieser Streubalken zeigt das Ergebnis für die Versuchsperson mit dem höchsten Wert, das untere Ende entsprechend das Ergebnis für die Versuchsperson mit dem niedrigsten Wert. Lediglich in Abbildung 4 ist die Standardabweichung eingetragen.

Abbildung 1a zeigt die auftretenden Maximaldrücke beider Systeme während des ebenen Gehens mit 4 km/h. Für alle drei Fußregionen fallen die gemessenen Druckwerte bei System S2 signifikant höher aus. Abbildung 1b verdeutlicht, dass die Druckwerte bei S2 im Durchschnitt um mindestens 100 % höher sind. Dabei fällt dieser Unterschied für die einzelnen Probanden sehr unterschiedlich aus. So beträgt z.B. im Vorfußbereich der geringste Unterschied zwischen den beiden Messsystemen ca. 30 %, während der größte Unterschied bei ca. 270 % zu finden ist. Ähnlich verhält es sich für die beiden übrigen Fußregionen. Im Durchschnitt zeigen sich die größten Unterschiede zwischen den Systemen im Vorfußbereich und die geringsten im Rückfußbereich.

Abbildung 2a zeigt die auftretenden Maximaldrücke beider Systeme während des ebenen Gehens mit 4 km/h inklusive einer 10 %igen Steigung. Analog zum Gehen ohne Steigung zeigen sich auch hier für alle drei Fußregionen signifikant höhere Druckwerte bei System S2, wobei die Druckwerte bei S2 im Durchschnitt wiederum um mindestens 100 % höher ausfallen. Die größten Unterschiede zwischen den Systemen sind im Mittelfußbereich und die geringsten im Vorfußbereich zu finden (Abbildung 2b). Die Streubalken verdeutlichen analog zum ebenen Gehen die Abhängigkeit der Systemunterschiede von der Versuchsperson.

Abbildung 3a zeigt als letztes Beispiel die auftretenden Maximaldrücke beider Systeme während des Treppabgehens. Wie in den beiden untersuchten Varianten des Gehens unterscheiden sich die durchschnittlichen Druckmaxima zwischen den Systemen auch hier signifikant. Dabei fallen die Unterschiede zwischen den beiden Systemen bei diesen Messungen am größten aus (Abbildung 3b). Unverändert zeigen die Streubalken, dass die Größe des Druckunterschieds zwischen den Versuchspersonen variiert.

Abbildung 4 zeigt den Vergleich von ausgewählten Gangparametern zwischen den beiden Druckmesssystemen beim ebenen Gehen mit 4 km/h. Die Messungen zeigen nahezu identische Werte für beide Systeme für die ermittelte Doppelschrittdauer und Doppelschrittlänge. S1 liefert eine signifikant längere Standphasendauer und eine signifikant geringere Schwungphasendauer im Vergleich zu S2, wobei die Unterschiede jeweils unter 4% liegen.

3 (a) Auftretende Maximaldrücke in den drei Fußregionen für die beiden verwendeten Innenschuhdruckmesssohlen S1 und S2 beim Treppabgehen. Signifikante Unterschiede sind mit einem * gekennzeichnet. Die Streubalken kennzeichnen jeweils den Bereich zwischen der Versuchsperson mit dem kleinsten und der Versuchsperson mit dem größten Druckwert. (b) Prozentualer Unterschied zwischen S1 und S2. Die Streubalken kennzeichnen jeweils den Bereich zwischen der Versuchsperson mit dem kleinsten und der Versuchsperson mit dem größten Unterschied zwischen S1 und S2.

Diskussion

Bei der Betrachtung der Ergebnisse ist zu berücksichtigen, dass die Messungen mit den beiden Systemen nacheinander durchgeführt werden mussten. Das mag einen Einfluss auf die Ergebnisse haben, da sich der Vergleich nicht auf exakt denselben Versuch bezieht. Dieser dürfte jedoch nicht sehr groß sein, da es sich bei den Bewegungen um Alltagsaktivitäten handelte, die von den gesunden Versuchspersonen mit einer relativ hohen Reproduzierbarkeit durchgeführt werden können. Diese Einschätzung wird durch die analysierten Gangparameter in Abbildung 4 bestätigt.

4 Vergleich von vier Gangparametern zwischen den beiden verwendeten Innenschuhdruckmesssohlen S1 und S2 beim ebenen Gehen mit 4 km/h. Signifikante Unterschiede sind mit einem * gekennzeichnet.

Da die Ganggeschwindigkeit durch das Laufband konstant gehalten wurde und sich weder Doppelschrittdauer und Doppelschrittlänge zwischen S1 und S2 unterscheiden, muss auch die Schrittfrequenz nahezu unverändert geblieben sein. Somit wurde das Gangverhalten, bezogen auf die ausgewerteten Gangparameter, durch die beiden Innenschuhdruckmesssohlen höchstens unwesentlich unterschiedlich beeinflusst. Das bestätigt sich auch durch die nur sehr geringen Unterschiede bezüglich der Standphasendauer und Schwungphasendauer.

Daher müssen die großen Unterschiede der Druckmaxima zwischen den beiden Druckmesssystemen andere Ursachen haben. Die um lediglich 10 % unterschiedliche Größe der Sensoren kann dabei höchstens einen kleinen Teil erklären. CT-Aufnahmen der beiden untersuchten Messsohlen verdeutlichen, dass die drucksensitive Fläche der Sensoren deutlich weniger als 40% der Fußfläche beträgt. Für den vom Sensor angezeigten Druck ist es daher von großer Bedeutung, welcher Anteil der druckverursachenden Struktur (z. B. Metatarsalköpfchen) sich auf dem Sensor befindet und welcher außerhalb der Messfläche.

Die Ausprägung dieses Aspekts hängt u. a. von der Anzahl der Sensoren und der dadurch hervorgerufenen räumlichen Auflösung der Druckmesssohle ab. In diesen Eigenschaften unterschieden sich die beiden Messsysteme um etwa den Faktor 2, sodass schon alleine aus diesem Grund die gemessenen Unterschiede in den Druckmaxima zwischen den Messsystemen nicht prinzipiell überraschen können. Unbekannt ist dem Benutzer auch, ob der tatsächlich vom Sensor erfasste Druck angegeben wird oder eine Glättung der Werte stattfindet. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, in dem für jeden Sensor eine Verrechnung des gemessenen Wertes mit denen der benachbarten Sensoren erfolgt.

Dieses Verfahren kann durchaus sinnvoll sein. Bei der relativ hohen Anzahl an Drucksensoren einer Messsohle ist es möglich, dass ein Sensor durch einen Defekt oder Verschleiß seine Messeigenschaft ändert und dadurch zu hohe oder zu niedrige Werte anzeigt. Durch die beschriebene Einbeziehung der benachbarten Sensoren fällt dieser Effekt dann aber für den Benutzer nicht, so stark aus. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass bei zwei verschiedenen Messsystemen zwangsläufig unterschiedliche absolute Druckwerte zu erwarten sind, wenn ein System diese Verrechnung vornimmt und das andere nicht, oder wenn die beiden Systeme einen unterschiedlichen Verrechnungsalgorithmus verwenden. Ob, und wenn ja wie, eine Verrechnung bei den in dieser Studie verwendeten Messsystemen durchgeführt wird, ist dem Autor nicht bekannt.

Einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Messwerte dürfte der Zeitpunkt der letzten Kalibrierung ausüben. Die Kalibrierung wird benötigt, da Drucksensoren im Laufe der Zeit ihre Messeigenschaft verändern. Daher sind bei identischer Messbedingung unterschiedliche Werte zu erwarten, wenn direkt nach der Kalibrierung und ein weiteres Mal mehrere Monate später gemessen wird. Dieser Aspekt ist zwar für diese Studie nicht relevant, da beide Systeme unmittelbar vor den Messungen kalibriert wurden. Im orthopädieschuhtechnischen Alltag könnte das aber anders aussehen.

Es wird also deutlich, dass die Verwendung von absoluten Druckwerten und insbesondere der Vergleich von Druckwerten unterschiedlicher Messsysteme problembehaftet sind. In diesem Kontext ist auch die immer wieder publizierte Schwelle von 200 kPa kritisch zu sehen. Die unreflektierte Nennung wird auch den Autoren der betreffenden Studien (z. B. (1) und (2)) nicht gerecht. In (2) erwähnen die Autoren explizit, dass diese Schwelle ein Provisorium ist, um Reulzerationen zu vermeiden und diese natürlich noch von vielen anderen Faktoren abhängen. Die Studie berichtet, dass diese Schwelle auf Basis von Gangmessungen mit dem pedar®-System (novel GmbH, München, Deutschland) beruht.

Zusätzlich erfolgten aber auch noch Messungen mit dem pliance®-System (novel GmbH, München, Deutschland). Hier lagen die gemessenen Werte durchschnittlich über 40 % oberhalb der pedar®-Werte. Die Autoren begründen diese Differenz mit der stark unterschiedlichen Größe der Sensoren (pedar®: 185 mm²/pliance: 19,4 mm²). Es zeigt sich also auch hier, dass unterschiedliche Messsysteme sehr unterschiedliche absolute Druckwerte messen können.

Nun wäre das Problem der unterschiedlichen Messwerte einfach zu beheben, wenn sich die Druckwerte der Messsysteme um einen konstanten Faktor unterscheiden würden. Das ist aber nicht der Fall. Abbildung 1b, Abbildung 2b und Abbildung 3b zeigen deutlich, dass sich die prozentualen Unterschiede im Durchschnitt deutlich zwischen den Fußregionen unterscheiden. Außerdem, und das ist noch entscheidender, variiert der Unterschied sehr stark zwischen den Versuchspersonen (s. Streubalken in den Abbildungen).

Da in den orthopädieschuhtechnischen Betrieben Innenschuhdruckmesssohlen unterschiedlicher Hersteller zur Erfassung des plantaren Drucks verwendet werden, kann und darf sich der Nutzen einer Versorgung zur Reulzeration aufgrund der aufgeführten Aspekte nicht an einem festen Druckwert orientieren sondern an einem Vorgehen, das unabhängig von dem jeweils verwendeten Druckmesssystem angewendet werden kann. Eine Möglichkeit besteht hier in dem Vergleich der Druckwerte zwischen einer Versorgung und einer Referenzbedingung. Diese Referenzbedingung kann dabei z. B. der Schuh sein, mit dem der Patient den Orthopädieschuhtechniker aufsucht.

Die mindestens durch die Versorgung zu erreichende Reduktion der Druckmaxima wird häufig mit 25 % (1) oder auch 30 % angegeben. Auch diese Werte müssen sicher noch weiter wissenschaftlich untersucht werden, die Verwendung stellt aber die deutlich bessere und praktikablere Alternative für den orthopädieschuhtechnischen Alltag dar im Vergleich zur Verwendung von Absolutwerten.

Fazit

Durch die Überprüfung der Versorgung insbesondere beim Diabetischen Fuß mit Hilfe von Druckverteilungsmessungen konnte bereits vielen Patienten geholfen und Amputationen verhindert oder zumindest verzögert werden. Dieses unterstreicht die Wichtigkeit dieser Messsysteme in der Orthopädieschuhtechnik. Daher ist dieser Artikel auch nicht als Kritik gegenüber den Druckmesssystemen zu verstehen.

Ziel ist es vielmehr, die Benutzer für den Umgang zu sensibilisieren und aufzuzeigen, welche Vorgehensweisen zulässig sind und bei welchen Schlussfolgerungen Vorsicht geboten ist. Es darf nie vergessen werden, dass eine Fehlbehandlung der Messwerte zu dramatischen Folgen für die Patienten führen kann.

Zusammenfassung

Innenschuhdruckmesssohlen stellen ein wichtiges Messinstrument zur Erfassung der plantaren Belastung des Fußes im Schuh dar. Für den Benutzer ist es dabei wichtig zu wissen, wie die gewonnenen Daten interpretiert werden dürfen und wie nicht. In dieser Studie wurden Innenschuhdruckmesssohlen von zwei verschiedenen Herstellern bei verschiedenen Alltagsbewegungen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die gemessenen Werte um mehr als den Faktor 2 unterscheiden können. Die Gründe hierfür sind im unterschiedlichen Aufbau der Systeme wie Sensorgröße, Sensoranzahl, räumliche Auflösung, dem Zeitpunkt der letzten Kalibrierung sowie in der softwareseitigen Verarbeitung der Messdaten zu finden.

Daher ist ein Vergleich von Absolutwerten kritisch zu sehen, wenn diese mit Systemen verschiedener Hersteller erhoben wurden. Das ist auch zu berücksichtigen, wenn die in der Literatur häufig erwähnte Schwelle von 200 kPa herangezogen wird, die von den gemessenen Druckwerten bei der Versorgung des Diabetischen Fußes nicht überschritten werden sollte. Wenn die eigenen Daten mit einem anderen Messsystem erhoben wurden, ist die Verwendung dieser Schwelle zum Vergleich der eigenen Daten nicht zielführend. Häufig ist es in der Praxis sinnvoller, die gemessenen Druckwerte einer orthopädieschuhtechnischen Versorgung mit einer Referenzbedingung zu vergleichen.

KLAUS PEIKENKAMP

Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. habil. Klaus Peikenkamp
Labor für Biomechanik der FH Münster
Bürgerkamp 3
D-48565 Steinfurt
peikenkamp@fh-muenster.de

 

Foto: Andrey Popov/AdobeStock_495062320
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