Druckverteilungsmessungen am menschlichen Unterschenkel in Skischuhen

Zusammenfassung:

Die Kenntnis der Druckverteilung in Schuhen ist von großem Interesse bei orthopädischen und biomechanischen Untersuchungen. Speziell im Sport hängen Sicherheit, Komfort und sportartspezifische Eignung des Schuhs stark von dieser Meßgröße ab. Daher erlaubt die Messung der Druckverteilung detaillierte Aussagen über diese Faktoren.

Durch Entwicklung eines neuen Meßsystems mit verschiedenen flexiblen Matten und einer entsprechenden Auswertelektronik wurden solche Aussagen möglich. Die ersten Ergebnisse mit dieser Methode wurden im alpinen Skisport gewonnen.

Bei acht unterschiedlichen Skischuhen der Größe 38 bzw. 42 wurde an 14 verschiedenen Versuchspersonen die Druckverteilung im Schuh mittels einer 8 Meßpunktematte (2 cm²/Punkt Meßfläche), die zwischen Schaft und Unterschenkel befestigt war, bestimmt. Außerdem wurden zusätzliche Messungen an 3 unterschiedlichen Modellen mit einer 3 × 72 Meßpunktematte (1 cm²/Punkt) durchgeführt. Die Bestimmung der senkrecht wirkenden Kraft am Fersenelement (F_AV) und EMG-Messungen des musculus gastrognemius halfen bei der Interpretation der Ergebnisse.

Es ergaben sich deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Schuhen sowohl in der Lokalisation als auch in den Absolutwerten des Drucks. Konventionell geschnallte Schuhe zeigten ein Druckmaximum meist im unteren Teil des Schaftes und über dem Rist, wohingegen bei Hintereinstiegsmodellen mehr ein Druckanstieg zur Schaftoberkante hin zu beobachten war. Die Kraft am Fersenelement - wichtig für die Bindungsauslösung - variierte stark zwischen den verschiedenen Schuhen bei gleicher Vorlage. Ein Vergleich der Druckverteilung zwischen rechtem und linkem Schuh zeigte praktisch keinen Unterschied, ebenso ergaben sich sehr ähnliche Werte für verschiedene Versuchspersonen im selben Schuh. Die Druckwerte im Schuh waren stark temperaturabhängig. Bei gleicher Vorlage bewirkte eine Abkühlung des Schuhs um 21 Grad auf den Gefrierpunkt einen Anstieg des meßbaren Drucks auf das Doppelte. Speziell bei Modellen die den Schaftwiderstand durch Plastikverformung erreichen, war dies der Fall. Unterschiedliche Schuhgrößen zeigten oftmals eine gleich hohe Druckbelastung des Unterschenkels. Eine Anpassung des Schaftwiderstandes an die verschiedenen Zielgruppen findet offensichtlich nicht statt.

Ungünstige Modelle mit einer schlechten Druckverteilung können durch Messungen an wenigen Versuchspersonen erkannt werden, da die Reproduzierbarkeit des Meßsystems sehr hoch und die interindividuelle Variabilität sehr klein ist. Eine 8 Punktemeßmatte erwies sich als ausreichend für eine standardmäßige Testung von Skischuhen.

Aus dieser Arbeit konnten konkrete Anforderungen und Hinweise für künftige Schuhkonstruktionen abgeleitet werden sowie die Basis für eine neue IAS-Richtlinie zur Skischuhprüfung geschaffen werden.

Abstract

Pressure distribution inside shoes is of great importance for orthopaedic and biomechanical inquiries. Especially in sports, safety and comfort depend essentially on this quantity, which also determines whether a shoe is well suited for a certain discipline. Therefore, the measurement of pressure distribution allows detailed and objective statements about these factors.

Using a set of newly developed thin and highly flexible measuring mats and the corresponding electronic equipment, such statements have become possible. First results with this method were obtained in alpine skiing.

8 different types of ski boots (sizes 5 and 8) worn by 14 subjects were tested on different foreward leans and temperatures using 7-point measuring mats (2 cm²/point) fixed between the boot shaft and the front of the lower leg of each leg. Additional measurements on three different types of boots using a 3 × 24-point mat (1 cm²/point) for the lower leg, as well as measurements underneath the foot with a 14-point (2 cm²/point) and a 80-point (1 cm²/point) mat were performed. A complementary determination of the force at the heel element of a ski binding and a registration of muscular activity (EMG) helped in the interpretation of the results. Some field research using telemetry completed our study.

Considerable variations between different boots were found in value and location of pressure maxima. Traditional boots show high pressure values over the instep at foreward leans of 35° and a rise of pressure underneath the forefoot while fixing the buckles, whereas minimal pressure over the instep, no compression of the forefoot and a pressure maximum near the upper end of the shaft are observed in rear entry boots. The force at the heel - important for binding release - varies widely between different boots at the same foreward lean. There was no asymmetry between the pressure distributions of right and left. The pressure distributions for different subjects measured in the same boot were very similar. The temperature dependence of pressures is strongly influenced by the construction principle of the boot: If shaft stiffness is caused by deformation of plastics, boots become much stiffer at the freezing point than they are at room temperature.

Well-suited ski boots should cause low pressure over the instep and show a relatively low maximum in the upper part of the shaft, in order to allow a good transmission of torque, which is necessary for a safe binding release and easy skiing without fatigue. The shaft stiffness must not depend strongly on temperature.

Poor models with an unsatisfactory pressure distribution can be recognised if measurements with few subjects are performed, since reproducibility is high and interindividual variation is low. An 8-point (1.2 cm × 1.7 cm/point) measuring mat proved to be sufficient for standard testing of ski boots (IAS Guideline 150).