Repeatability and spatial distribution characteristics of a Bluetooth enabled 16 channel plantar pressure insole as a single subject instrument characterization study

Das Gehen ist ein Rhythmus, über den wir selten nachdenken, und doch ist es ein komplexes Gespräch zwischen unseren Füßen und dem Boden. Jeder Schritt beinhaltet eine präzise Gewichtsverlagerung, ein Übergang von der Ferse zum Vorfuß, während der Körper das Gleichgewicht hält und sich vorwärts bewegt. Für Ärzte, Physiotherapeuten und Sportwissenschaftler ist das Verständnis dieses Gesprächs von entscheidender Bedeutung. Sie müssen genau wissen, wie viel Druck ein Fuß auf den Boden ausübt, wo dieser Druck auftrifft und wie lange er dort verweilt. Diese Informationen helfen ihnen, Verletzungen zu diagnostizieren, bessere Schuhe zu entwerfen und die Genesung zu verfolgen. Traditionell erforderte die Messung hierfür massive, teure Maschinen, die im Boden eines Labors festgeschraubt waren und die Person an einen einzigen Ort banden. Doch die Welt der Bewegung findet überall statt, nicht nur in einem Labor. Dies hat zur Entwicklung tragbarer Einlegesohlen geführt, die mit winzigen Sensoren ausgestattet sind und dazu bestimmt sind, in einem Schuh getragen zu werden, um dieselben Daten zu erfassen, während eine Person sich frei bewegt.

Das Versprechen dieser tragbaren Werkzeuge ist groß, aber ihre Zuverlässigkeit ist die entscheidende Frage. Wenn ein Gerät bei jedem identischen Schritt eine andere Messung liefert, kann man ihm nicht vertrauen. Bevor diese Werkzeuge eingesetzt werden können, um Entscheidungen über die Gesundheit eines Patienten zu treffen, müssen Forscher beweisen, dass das Gerät selbst konsistent ist. Eine neue Studie der Jiangsu University of Technology setzte sich genau dazu zum Ziel. Die Forscher wollten sehen, ob eine bestimmte Art von Bluetooth-fähigen Einlegesohlen, die mit einem Gitter aus sechzehn Sensoren ausgestattet ist, dieselben Messwerte liefern konnte, wenn eine Person immer wieder denselben Pfad ging. Sie suchten nicht nach einer neuen Art zu gehen, sondern nach einem Beweis dafür, dass das Werkzeug selbst beständig genug ist, um nützlich zu sein.

Um die Antwort zu finden, meldete sich ein einzelner gesunder Erwachsener freiwillig, um ein Paar dieser speziellen Einlegesohlen in Standard-Canvas-Schuhen zu tragen. Die Einlegesohlen enthielten eine Matrix aus sechzehn winzigen Drucksensoren, die in vier Reihen und vier Spalten angeordnet waren und den gesamten Fußboden vom Zehenbereich bis zur Ferse abdeckten. Die Sensoren waren so empfindlich, dass sie die leiseste Berührung registrieren konnten, indem sie das durch den Druck erzeugte elektrische Signal aufzeichneten. Der Teilnehmer ging elfmal hintereinander in einem angenehmen, selbst gewählten Tempo auf einem zehn Meter langen Pfad hin und her, mit kurzen Pausen dazwischen, um sicherzustellen, dass er nicht ermüdete. Das Ziel war einfach: Wenn die Einlegesohle zuverlässig war, sollte das während des ersten Ganges aufgezeichnete Druckmuster fast identisch mit dem Muster des elften Ganges sein.

Die Ergebnisse zeichneten ein klares Bild davon, wo die Einlegesohle gut funktionierte und wo sie Schwierigkeiten hatte. Die Forscher fanden heraus, dass die Sensoren in der Mitte des Fußes, unter den Hauptbelastungsbereichen wie dem Ballen und der Ferse, bemerkenswert konsistent waren. Wenn die Person auftrat, zeichneten diese zentralen Sensoren jedes Mal nahezu den gleichen Spitzendruck und die gleiche Kontaktdauer auf. Tatsächlich war das Gerät für die wichtigsten Messungen, wie etwa das Verhältnis der Kontaktzeit des Fußes mit dem Boden zur Gesamtdauer des Schrittes, hoch reproduzierbar. Die Daten zeigten, dass man diesen zentralen Sensoren vertrauen konnte, um jedes Mal dieselbe Geschichte über den Gang einer Person zu erzählen.

Die Geschichte änderte sich jedoch an den Rändern des Fußes. Die Sensoren in der Nähe der Zehen und an den Außenseiten des Fußes waren wesentlich weniger zuverlässig. Am linken Fuß registrierten zwei Sensoren an der äußersten Spitze der Zehen während des gesamten Experiments überhaupt keinen Druck, während zwei benachbarte Sensoren völlig inkonsistente Werte lieferten. Dies geschah, weil der Fuß ein bewegliches Ziel ist; selbst eine winzige Verschiebung in der Art und Weise, wie die Person den Fuß platzierte, konnte dazu führen, dass die Zehen leicht neben dem Sensor lagen, wodurch das Gerät den Kontakt ganz verpasste oder ein schwankendes Signal aufzeichnete. Die Studie zeigte, dass während das Zentrum der Einlegesohle robust ist, die Ränder gegenüber den kleinsten Änderungen der Fußplatzierung empfindlich sind. Das bedeutet, dass für dieses spezifische Gerät die Daten der zentralen Sensoren vertrauenswürdig sind, die Daten der äußeren Ränder jedoch mit Vorsicht zu behandeln sind.

Die Forscher untersuchten auch, wie sich verschiedene Arten von Messungen verhielten. Sie fanden heraus, dass die Berechnung des gesamten „Druck-Zeit-Wertes“, der kombiniert, wie stark der Fuß drückte und wie lange er unten blieb, die inkonsistenteste Messung war. Da dieser Wert das Produkt zweier verschiedener Variablen ist, führt jeder kleine Fehler bei der Messung der Kraft oder der Zeit, die miteinander multipliziert werden, zu einem größeren Fehler. Dies deutet darauf hin, dass das Gerät zwar exzellent darin ist, das Timing eines Schrittes oder den Druck zwischen der linken und rechten Seite dessenelben Fußes zu vergleichen, aber weniger geeignet für präzise Berechnungen der akkumulierten Gesamtkraft ist, insbesondere wenn die Sensoren an den Außenkanten verwendet werden.

Letztendlich bietet diese Studie einen notwendigen Realitätscheck für die Technologie. Sie bestätigt, dass diese tragbaren, kabellosen Einlegesohlen in der Lage sind, wiederholbare, hochwertige Daten zu liefern, aber nur, wenn der Nutzer ihre Grenzen kennt. Das Gerät funktioniert am besten, wenn der Fokus auf den zentralen Teilen des Fußes liegt und wenn es zum Vergleich des Timings und des relativen Drucks der Schritte statt der absoluten Kraftwerte verwendet wird. Die Ergebnisse legen nahe, dass zukünftige Versionen dieser Technologie für den Einsatz in Kliniken und im Sport möglicherweise mehr Sensoren an den Außenkanten des Fußes benötigen oder bessere Wege brauchen, um sicherzustellen, dass die Einlegesohle perfekt am Fuß ausgerichtet bleibt. Für den Moment bietet die Studie eine klare Landkarte darüber, wo die Technologie steht: ein zuverlässiges Werkzeug für die Mitte des Fußes, das auf eine Verfeinerung wartet, um die vollständige Geschichte des gesamten Schrittes einzufangen.