The process of measuring pressure distribution during walking or running is called pedography. The force or pressure distribution in the dynamic load provides information about the structure and function of the foot. In addition, the analysis of this data aids in the diagnosis of foot deformations and conditions related to orthopaedics, diabetology, biomechanics, and sports performance.
Pedography
A standing or moving human body produces ground reaction forces under the feet caused by gravity and the acceleration of the body during movement. When an individual stands on both feet without moving, all forces are vertically distributed on both feet. This distribution of forces under the feet is dependent on the patient’s posture and foot structure. During walking or running, the ground reaction forces increase due to the acceleration or deceleration of the body mass. Both vertical and horizontal ground reaction forces occur during walking, predominantly the vertical forces.
When local vertical pressure distribution under the feet is measured accurately, the distribution of local forces can be calculated by multiplying the loaded local areas by the respective local pressure. The sum of these local forces results in the total ground reaction force in the vertical direction.
Pedography was originally developed in 1984 by novel GmbH, the Munich, Germany based company, as part of a BMFT project. As a result of this development project, the novel product line is widely used in medical facilities, industry, and research centers across the globe.
Static and semi-static measurement I
When standing on both legs the dynamic force components, which influence on the form and function of the foot, are omitted in a static load condition. The static measurement displays the distribution of bodyweight for both feet as well as forefoot and rear foot distribution.
The semi-static measurement is called posturography. In this case, both feet are placed on the measurement platform for continuous recording of the weight or pressure distribution. This type of measurement records the movement of the body’s center of gravity. Postuography systems are used primarily to aid in neurological assessment.
Pedography can be performed using a pressure measurement platform, over which the individual walks barefoot, or by implementing sensor insoles that are placed in the patient’s footwear for full freedom of movement. It should be noted that only barefoot pedography on the pressure measurement platform results in an unaltered diagnosis of the foot.
When measuring in shoes, the data is always a result of the foot, the shape of the insole and the shoe function in their interaction. However, it is precisely this combination that plays the decisive role in the evaluation of shoes or insoles.
To carry out the pedography
The recommended method for foot diagnostics is measurement on a pressure distribution sensor platform.
The individual walks barefoot at a comfortable self-selected pace over the platform which is level with the walking surface. The sensor platform may be approached with mid-gait, 2 steps, or 1 step prior to reaching the recording sensor area. This standard procedure is repeated 3 -5 times to record and report the natural fluctuations in human gait. The data collection software analyzes the individual data files and creates average results for the recorded steps.
If an individual is being seen for diabetic footcare it may be advisable to request the individual walk on the measurement platform with the 1st step to avoid unnecessary strain on the plantar surface of the foot. Ask the individual to look straight ahead, walk freely to avoid targeting and placing the foot on the the sensor area. The walk starting point for all sensor platform measurements may vary slightly so be patient during this process.
Superior pedography systems can automatically detect missteps and reject incorrect measurements. It is important to measure both left and right feet for an intra-individual bilateral control.
Functional diagnostics of the foot using pedographic data analysis
For this analysis the dynamic recorded footprint is geometrically divided into different anatomical regions of interest and identified with orientation points using mathematical processes. First the basic mechanical parameters force, location, and time are calculated and then the significant pedography parameters such as maximum pressure, force-time-integral, force progression and duration of loading in certain foot regions or the change of the loading area, are calculated. Intra-individual comparisons before and after a conservative or operative treatment are possible as well as inter-individual comparisons of the data with a control group.
Based on these comparisons the software generates comprehensive pedography reports, which facilitate the exchange of information between medical professionals and provide precise documentation of treatment and care.
The most important parameters for pedography include:
- the total dynamic force under the foot (vertical ground reaction force),
- the local peak pressure,
- the pressure-time-integral at highly stressed areas (especially in the case of the diabetic foot),
- the temporal course of the foot load,
- the deformation of the foot during the load,
- the total force in certain anatomical areas (for example O in hallux patients),
- the force-time integral in certain anatomical areas.
Reproducibility in pedography
In pedography, reproducibility must be differentiated from a technical point of view and from a medical-biomechanical point of view. The technical reproducibility must be flawless so that fluctuations or changes from an anatomical or physical point of view are not masked. The absolute prerequisites for high reproducibility from a technical point of view are the individual calibration of each individual pressure sensor and the stability and durability of the calibration over a long period of time. Furthermore, the dimensions of the individual sensor and the pressure measuring range play a major role.
Very small sensors with an edge length of five by five mm make it possible to locate very small pressure points, which can trigger an ulcer in diabetic feet, for example. The pressure measurement range must be able to detect all the pressures that occur; the very small ones under the metatarsus and the extremely high ones that can occur under the bony structure. A typical pressure range is from 1 to 130 N per square centimeter.
In addition, the speed of the measurement must be fast enough to detect rapid changes, such as those occurring when the heel occurs. The typical video frame rate of 25 frames per second is only sufficient for normal walking.
A sampling rate of 50 or 100 frames per second is better.
For medical and biomechanical reproducibility, the measurement procedure, the averaging of the measurements and the patient’s ability to walk reproducibly are decisive.
Although high reproducibility is important for statistical analyses, it is not always given in all cases, depending on the clinical picture. Poor biomechanical reproducibility can also be be an indication of a certain clinical picture.
Medical Devices Act
Pedography systems that are used in hospitals are subject to the Medical Device Regulation. According to the Medical Devices Act valid in the EU, pedography systems are class I medical devices with measuring function (Im). The accuracy of the measuring function must be checked by a so-called “notified body”, for example a TÜV or LGA (Landesgewerbe stalt), or the manufacturer must use a certified ISO system monitored by a notified body. Both the manufacturer’s certificate of conformity and the device itself must bear the CE mark and the four-digit number of the Notified Body, which confirms the accuracy of the measuring function, in a clearly visible position. The manufacturer must also indicate the interval at which the accuracy of the measuring function, i.e. the calibration, must be checked.
German version:
Pedographie: funktionelle Diagnostik am Fuß
Den Vorgang der Druckverteilungsmessung während des Gehens oder Laufens nennt man Pedographie. Die Kraft oder Druckverteilung in der dynamischen Belastung liefert Informationen über Struktur und Funktion des Fußes. Außerdem ermöglicht die Analyse der pedographischen Messdaten die Diagnose von Fußdeformationen und Fehlfunktionen. Die Pedographie wird in der Orthopädie, Dialektologie, Biomechanik und im Sport angewendet. Der vorliegende Artikel beschreibt unter anderem, wie eine Pedographie durchgeführt wird und welche Parameter dabei ent scheidend sind.
Pedographie
Ein stehender oder sich bewegender menschlicher Körper er
zeugt Bodenreaktionskräfte unter
den Füßen, verursacht durch die
Schwerkraft und die Beschleunigung des Körpers bei Bewegung.
Wenn ein Patient auf beiden Füßen
steht, ohne sich zu bewegen, sind
alle Kräfte vertikal auf beide Füße
verteilt. Diese Kraftverteilung unter
dem Fuß hängt von der Körperhaltung und der Fußstruktur des Pat
enten ab. Während des Gehens
oder Laufens werden die Bodenreaktionskräfte aufgrund der Beschleunigung oder Verlangsamung
der Körpermasse größer. In der Bewegung treten dann sowohl vertika
le als auch horizontale Bodenreaktionskräfte auf, wobei die vertika
len Kräfte stark überwiegen.
Wenn man die lokale, vertikale
Druckverteilung unter den Füßen
genau misst, kann damit die Vertei
lung der lokalen Kräfte berechnet
werden, indem man die belasteten
lokalen Flächen mit dem jeweiligen
lokalen Druck multipliziert. Die
Summe dieser lokalen Kräfte ergibt
die gesamte Bodenreaktionskraft in
vertikaler Richtung. Wird die Druckverteilungsmessung während des Gehens oder
Laufens durchgeführt, so nennt
man das Pedographie. Die Kraft
oder Druckverteilung in der dynamischen Belastung liefert Informationen über die Struktur und die
Funktion des Fußes. Die Analyse der pedographischen Messdaten ermöglicht die
Diagnose von Fußdeformationen
und Fehlfunktionen.
Die Pedographie wurde ursprünglich im Jahr 1984 von der Münch ner Firma Novel im Rahmen eines BMFT-Projektes entwickelt und kommt heute in Kliniken und Forschungszentren in der Orthopädie, Diabetologie, Biomechanik und im Sport weltweit zum Einsatz.
Statische und halbstatische Messung I
Bei der Messung im beidbeinigen
Stehen entfallen die dynamischen
Kraftanteile, die aber die Form und
die Funktion des Fußes entscheidend beeinflussen. Bei Messungen
im Stehen sieht man die Verteilung
des Körpergewichtes auf den linken
und rechten Fuß und die Verteilung auf Vor und Rückfuß.
Bei der halbstatischen Messung
spricht man von Posturographie.
Hier steht man mit beiden Beinen
auf der Messplattform, die kontinuierlich die Gewichtsoder Druckverteilung aufzeichnet. Dabei wer
den die Schwankungen des Körperschwerpunktes als Projektion auf
die Druckverteilung erfasst. Posturographiesysteme kommen im Wesentlichen bei neurologischen Fragestellungen zur Anwendung.
Die Pedographie kann entweder mithilfe einer Druckmessplattform durchgeführt werden, über die der Patient barfuß geht, oder mit Sensorsohlen, die in die Schuhe des Patienten gebettet werden und ihm volle Bewegungsfreiheit erlauben. Dabei ist zu beachten, dass nur die Pedographie auf der Druckmessplattform eine unverfälschte Diagnose des Fußes zulässt.
Bei der Messung in Schuhen sind die Daten immer ein Ergebnis aus Fuß, Einlagenform und Schuhfunktion in ihrem Zusammenwirken. Genau diese Kombination spielt allerdings bei der Bewertung von Schuhen oder Einlagen die ent scheidende Rolle.
Zur Durchführung der Pedographie
Die für die Fußdiagnostik richtige Methode ist die Messung auf
der Druckverteilungsmessplattform.
Hierbei geht der Patient in dem für
ihn normalen Tempo nach einem
Anlauf von zwei bis vier Schritten
über die im Boden ebenerdig eingelassene Plattform. Das wiederholt
man drei bis fünfmal, um die natürlichen Schwankungen des mensch
lichen Ganges zu erfassen. Das Pedographiesystem analysiert die wie
derholten Messungen und mittelt mithilfe mathematischer Algorythmen die Ergebnisse.
Der Patient soll dabei so natürlich wie möglich gehen. Bei be
stimmten Fußkrankheiten, wie zum
Beispiel beim Diabetischen Fuß,
vermeidet man eine zu hohe Belas
tung, indem man den Patienten
schon mit dem ersten Schritt über
die Plattform laufen lässt. Der Pa
tient soll nicht zielen, um garantiert die Plattform zu treffen, son
dern frei gehen und den Startpunkt
leicht variieren, wenn er die Platt
form nicht optimal trifft.
Gute Pedographiesysteme erkennen automatisch Fehltritte und ver werfen falsche Messungen. Es soll ten immer beide Füße gemessen werden, damit man immer einen intra-individuellen Links-rechts-Vergleich hat.
Funktionelle Diagnostik des Fußes mithilfe der pedographischen Datenanalyse
Zur pedographischen Analyse
wird der dynamische Fußabdruck
mithilfe mathematischer Verfahren geometrisch in verschiedene
anatomische Bereiche und Orien
tierungspunkte aufgeteilt. Für diese
Bereiche werden zuerst die mechanischen Grundgrößen Kraft, Ort
und Zeit berechnet und dann die für die Pedographie aussagekräftigen Parameter wie Maximaldruck,
Kraft-Zeit-Integral, Kraftverlauf und
Belastungsdauer in bestimmten
Fußregionen oder die Änderung der
Belastungsfläche berechnet. So
wohl intra-individuelle Vergleiche
vor und nach einer konservativen
oder operativen Behandlung als
auch inter-individuelle Vergleiche
dieser Daten mit einer Kontrollgruppe sind dadurch möglich.
Die Software erstellt auf Grundlage dieser Vergleiche umfassende,
pedographische Reports, die nicht
nur den Informationsaustausch
zwischen Fußspezialisten erleich
tern, sondern vor allem eine genaue Dokumentation der Behandlung und Versorgung ermöglichen .
Die wichtigsten Parameter für
Pedographie sind:
- die dynamische Gesamtkraft unter dem Fuß (Bodenreaktionskraft vertikal),
- der lokale Spitzendruck,
- das Druck-Zeit-Integral an hoch belasteten Stellen (insbesondere beim Diabetischen Fuß),
- der zeitliche Verlauf der Fußbelastung,
- die Deformierung des Fußes wäh rend der Belastung,
- die Gesamtkraft in bestimmten anatomischen Bereichen (zum BeispielO bei Hallux-Patienten),
- das Kraft-Zeit-Integral in be stimmten anatomischen Bereichen.
Reproduzierbarkeit bei der Pedographie
In der Pedographie muss man die Reproduzierbarkeit jeweils aus technischer Sicht sowie aus medizi nisch-biomechanischer Sicht unter scheiden. Die technische Reproduzierbarkeit muss einwandfrei sein, damit Schwankungen oder Änderungen aus anatomischer oder physiologischer Sicht nicht überdeckt werden. Unbedingte Voraussetzungen für eine hohe Reproduzierbatkeit aus technischer Sicht sind die individuelle Kalibrierung jedes einzelnen Drucksensors sowie die Stabilität und Dauerhaftigkeit der Kalibrierung über lange Zeit. Darüber hinaus spielen die Abmessungen des einzelnen Sensors und der Druckmessbereich eine große Rolle.
Sehr kleine Sensoren mit einer Kantenlänge von fünf mal fünf mm erlauben das Auffinden sehr kleiner
DruckstelIen, die beispielsweise
beim Diabetischen Fuß einen Ulkus
auslösen können. Der Druckmessbereich muss alle vorkommenden
Drücke erfassen; die sehr kleinen
unter dem Mittelfuß und die extrem hohen, die unter der knöchernen Struktur auftreten können. Ein
typischer Druckbereich ist von 1 bis
130 N pro Quadratzentimeter.
Außerdem muss die Geschwindigkeit der Messung schnell genug
sein, um schnelle Änderungen, wie
sie zum Beispiel beim Auftreten der
Ferse vorkommen, erfassen zu können. Die typische Video-Bildfre
quenz von 25 Bildern pro Sekunde
reicht nur für das normale Gehen.
Besser ist eine Abtastrate von 50
oder 100 Bildern pro Sekunde.
Für die medizinische beziehungsweise biomechanische Reproduzier
barkeit sind die Durchführung der
Messung, die Mittelung der Mes
sungen, aber auch das Vermögen
des Patienten, reproduzierbar zu
gehen, entscheidend.
Für statistische Analysen ist eine
hohe Reproduzierbarkeit zwar wichtig, aber in Abhängigkeit vom Krankheitsbild nicht in allen Fällen gegeben. Eine schlechte biomechanisehe Reproduzierbarkeit kann auch ein Hinweis auf ein bestimmtes
Krankheitsbild sein.
Medizinproduktegesetz
Pedographie-Systeme, die in Kliniken eingesetzt werden, unterliegen der Medizinprodukt-Verordnung. Nach dem in der EU gültigen Medizinproduktegesetz handelt es sich bei den Pedographie-Systemen um Medizinprodukte der Klasse I mit Messfunktion (Im). Die Genauigkeit der Messfunktion muss dabei durch eine sogenannte “Benannte Stelle”, zum Beispiel einen TÜV oder eine LGA (Landesgewerbeanstalt), überprüft werden, beziehungsweise der Hersteller muss ein zertifiziertes und von einer benannten Stelle überwachtes ISO-System ha ben. Sowohl die Konformitätsbescheinigung des Herstellers als auch das Gerät selbst müssen neben dem CEKennzeichen die vierstellige Nummer der Benannten Stelle deutlich sichtbar tragen, die die Genauigkeit der Messfunktion bestätigt. Auch muss vom Hersteller angegeben werden, in welchem Intervall die Genauigkeit der Messfunktion, das heißt die Kalibration, über prüft werden muss.