Schlüsselwörter:
In-Schuh Sohlenmesssystem - Karbon - Plantare Druckverteilung - Radsport - Schuheinlage
Keywords:
Carbon - Cycling - Foot orthoses - In-shoe measurement - Plantar Pressure Distribution
Einleitung
Im Radsport sind Überlastungsbeschwerden ein häufiges Problem. So wird je nach untersuchtem Kollektiv abhängig vom Leistungs- und Aktivitätsniveau der Radsportler über eine Verletzungsinzidenzrate von 21 bis 94% pro Trainingsjahr berichtet [
1
]–[
4
]. Neben Rückenbeschwerden ist insbesondere die Knieregion (Iliotibiales Bandsyndrom, vorderer Knieschmerz) betroffen, die bei professionellen Radsportlern am häufigsten mit Trainingsreduktion und Trainingsausfall assoziiert ist [
3
]. Da die einwirkenden Kräfte auf die untere Extremität im Vergleich zum Gehen und Laufen geringer eingestuft werden, wird vermutet dass möglichweise die repetitive Charakteristik der Belastung problematischer für die Beschwerdeentstehung einzuschätzen ist, als die Höhe der Belastung selbst [
5
]. Fußbezogene Beschwerden im Radsport sind Metatarsalgien, Achillessehnenbeschwerden und häufig durch Schuhe und deren Verschlussmechanismen hervorgerufene Taubheitsgefühle im Fußbereich [
6
], [
7
]. Die Entstehung von Überlastungsbeschwerden wird einer nicht optimalen Position auf dem Rad zugeschrieben [
8
], [
9
]. In Reviews werden zwar Maßnahmen zur Reduktion von überlastungsbedingten Beschwerden vorgeschlagen (Sitzposition optimieren [
9
], Schuh-Pedal-Interface optimieren [
8
], Fußposition ändern, um Bewegungsablauf zu optimieren [
10
]–[
12
]). Allerdings gibt es keine Studien, welche die Effektivität dieser Optimierungsstrategien zur Reduktion von Beschwerden oder deren Präventionspotenzial im Längsschnitt überprüfen [
13
]. Lediglich wenige Querschnittsuntersuchungen zu biomechanischen Effekten durch Radschuheinlagen sind bisher publiziert.
Eine aktuelle Studie analysierte Einflüsse verschiedener Fußbettungen (Varuskeile in Vor- oder Rückfuß) auf die Kinematik der unteren Extremität während der Pedalierbewegung auf dem Rad. Die Ergebnisse zeigten im interindividuellen Vergleich keine systematischen Effekte. Lediglich ein statistisch nicht signifikanter "Trend" hinsichtlich einer reduzierten Tibiainnenrotation durch Schuheinlagen konnte konstatiert werden. Intraindividuelle subjektspezifische Unterschiede zwischen den Einlagenkonditionen wurden jedoch verzeichnet und es wird deshalb ein individuelles Vorgehen in der Hilfsmittelversorgung von Radsportlern vorgeschlagen [
12
]. Eine erhöhte lokale Spitzendruckbelastung im Fuß wurde mit der Entstehung von Metatarsalgien und anderen fußbezogenen Beschwerden in Verbindung gebracht. Die Steifheit der Schuhsohle sowie die Konfiguration der Schuh/Pedal-Verbindung seien dabei beeinflussende Faktoren für die Druckbelastung des Fußes [
8
]. Jarboe & Quesada (2003) untersuchten deshalb die Effekte unterschiedlicher Schuhkonstruktionen (Karbonsohle vs. Kunststoffsohle) und konnten im Schuh mit der objektiv steiferen Sohle aus Karbon höhere Spitzendruckbelastungen im Vorfuß (+18%) im Vergleich zum Schuh mit Kunststoffsohle messen [
14
]. Gleichzeitig wird ein steifes Interface zwischen Fuß und Pedal (Schuh/Einlagenkombination, Orthese, Prothese, etc.) benötigt, um die entwickelte Kraft des Körpers möglichst ideal auf das Pedal übertragen zu können [
15
], [
16
].
Eine individualisierte Schuheinlagenversorgung sollte deshalb im Idealfall zusammen mit dem Schuh ein steifes Interface zwischen Fuß und Pedal bilden, gleichzeitig jedoch nicht zu einer erhöhten Druckbelastung direkt am Fuß führen. Dies sind spezifische Anforderungen an Material und Formgebung einer Radschuheinlage. Der Werkstoff Karbon wird in Schuhen für das normale Gehen zur Versteifung des Vorfußes eingesetzt [
17
]. Das sehr steife und dennoch leichte Material führt zu einer Gewichtsreduktion der Hilfsmittelversorgung [
18
]. Eine daraus gefertigtes Hilfsmittel ist dauerhaft einsetzbar und sehr widerstandsfähig, führt dabei jedoch zu Mehrkosten in der Herstellung [
19
], [
20
]. Bisher beschäftigten sich Studien hauptsächlich mit dem Einsatz von Karbon bei Orthesenversorgungen [
19
], [
21
]. Noch nicht geklärt ist jedoch, ob Karbon als Werkstoff auch bei Schuheinlagen im Radschuh eingesetzt werden kann. Ziel der Untersuchung war deshalb die Analyse der Spitzendruckbelastung unter dem Fuß bei der Anwendung einer Radschuheinlage aus Karbon im Vergleich zu einer herkömmlichen Standardeinlegesohle.
Material und Methoden
Probanden
In die Studie wurden 11 gesunde männliche Probanden eingeschlossen (29±9 Jahre, 1,77±0,04 m, 68±5 kg). Alle Probanden betreiben Triathlon als Wettkampfsportart und verfügen über einen wöchentlichen Radtrainingsumfang von 6,2 ±3,6 h. Dazu kommen 9,0 ±6,2 h Alternativtraining (Langstreckenlauf, Schwimmen, allgemeines Athletiktraining). Die mittlere Fußlänge betrug links 0,262±0,008 m und rechts 0,262±0,009 m. Dies entspricht Schuhgröße EU 43. Der Einschluss erfolgte freiwillig. Es wurde von allen Teilnehmern eine "Informed Consent Form" unterschrieben, die nach GCP-Richtlinien und Vorgaben der universitären Ethikkommission erstellt wurde. Ein internistischer und orthopädischer Check-up schloss Beschwerden und akute Infekte aus. Somit waren alle Probanden fähig das Testprotokoll zu absolvieren.
Protokoll
Die Probanden wurden auf einem Fahrradergometer (Lode Excalibur Sport, Lode B.V., Groningen, NL) mit einem ihrer Fußlänge entsprechenden Standardradschuh in Größe 43 (Sidi Genius 4, Sidi Sport Srl, Maser/Treviso, IT) mit Klickpedalfixierung getestet (System SPD, Pedal PDM324 mit Doppelfunktion, Shimano, Sakai, Osaka, JP). In randomisierter Reihenfolge trugen die Probanden entweder den Schuh mit der Standardeinlegesohle aus perforiertem thermoplastisch geformtem EVA (Abb. [
1
] Kontrollkondition CO) oder den Schuh mit einer Schuheinlegesohle aus Karbon (Kondition CA) (Technische Orthopädie Volkery, Unna, DE). Die Karbonsohle wurde im Prepreg-Verfahren aus 6 Lagen Karbonfaser (Easypreg, Exact Plastics, Bröckel, DE) mit 4 mulitdirektionalen Glasfaserzwischenlagen über einen Standardleisten geformt. Die Karbonlagen sind primär im Verlauf der Kraftübertragung angeordnet. Sie nehmen gestaffelt lagenweise in Richtung Vorfuß ab und richten sich zum lateralen Fußrand aus. Eine Schalenform in der Ferse, eine Längsgewölbeanhebung (30 mm) und eine leichte Außenranderhöhung im Vorfuß (3mm) bildeten Funktionselemente in der Karbonsohle. Ein Alcantara-Microfaserbezug (2mm) bildet die Kontaktfläche zum Fuß. Diese Experimentalkondition ist bezüglich der Sprengung an den Schuh angepasst und verfügt über die gleiche Materialstärke wie die Standardeinlegesohle (4mm) und führt damit nicht zu einer Veränderung des Schuhinnenvolumens.
Abb. 1 Verwendeter Radschuh SIDI Genius 4 (oben) und Karboneinlegesohle (CA) von oben und unten (links), sowie die Standardeinlegesohle (Kontrollbedingung CO) (rechts).
Der Fahrradergometer wurde zunächst bezüglich der Sitzposition von jedem Probanden individuell analog der Sitzposition auf dem Trainingsrad adjustiert. Danach erfolgte eine standardisierte Erwärmung (Leistung/Intensität: 80 Watt [W], Trittfrequenz 90 "rotations per minute" [rpm], Dauer 15 Min.). Anschließend absolvierten die Probanden je Schuhkondition 2 Tests bei 200 W (bei einer Trittfrequenz von 60 und 90 rpm und 2 Tests bei 300 W [ebenfalls bei 60 und 90 rpm] in jeweils randomisierter Abfolge. Abschließend erfolgte ein 3-minütiges Cool-down bei 50 W und 90 rpm. Während der Tests wurde bei konstanter Trittfrequenz jeweils für 25 s die plantare Druckverteilung im Schuh gemessen (pedar-X, Novel, München, DE). Das normalerweise zur Gang- und Laufanalyse verwendete In-Schuh-Sohlenmesssystem wurde aufgrund der zu erwartenden niedrigeren Spitzendruckbelastungen speziell kalibriert. Analog zu dem von Jarboe et al. 2003 vorgeschlagenen Procedere wurden mithilfe der Kalibrationseinheit des Herstellers (trublu, Novel, München, DE) die Messsohlen für einen Messbereich von 0–250 kPa kalibriert (vgl.: vorgeschlagener Kalibrationsbereich für die Ganganalyse: 0–600 kPa) [
14
], [
15
], [
22
].
Nach der Datenaufzeichnung mit der Herstellersoftware (pedar-x-expert, Version 11.3.12, Novel, München, DE) erfolgte ein ASCII-Export der Daten. Ein speziell konfiguriertes Datenblattmodul (Microsoft Excel, Redmond, US) erlaubte das Auslesen der Spitzendruckwerte pro Trittzyklus. Als Messgröße diente der gemittelte Spitzendruck aus 30 Trittzyklen. Dieser Mittelwert wurde pro Proband und Messkondition für den Gesamtfuß, den Rückfuß, den Mittelfuß, den Vorfuß (gesamter Vorfuß; lateraler Vorfuß, zentraler Vorfuß, medialer Vorfuß) und den Zehenbereich erfasst und in eine Statistikdatenbank überführt (JMP Version 5.0.1, Cary, US).
Die Ergebnisse werden deskriptiv (Mittelwert, Standardabweichung, Upper und Lower 95%-Konfidenzintervall) dargestellt. Mittels dreifaktoriellen ANOVAs (Kondition, Trittfrequenz, Leistung) mit Messwertwiederholung (=0,05) wurde der Einfluss der Einlagenbedingung auf die Spitzendruckbelastung im Gesamtfuß (Hauptfragestellung) und in verschiedenen Fußarealen (Rückfuß, Mittelfuß, Vorfuß, Zehenbereich) geprüft.
Ergebnisse
Zunächst wurde untersucht, ob möglicherweise Seitenunterschiede zwischen linker und rechter Extremität auftraten. Dies war nicht der Fall (p=0,36). Deshalb beinhaltet die folgende Ergebnisdarstellung die gemeinsame Betrachtung von Spitzendruckwerten beider Extremitäten.
Gesamtfuß
Für den Gesamtfuß ergaben sich im Mittel bei 200 W Spitzendruckwerte im Bereich von 70–75kPa. Bei 300W lagen die Spitzendruckwerte im Bereich von 85–110kPa (Abb. [
2
]). Die Spitzendruckbelastung war mit der Karbonsohle um 4,1% gegenüber der Standardeinlegesohle geringer. Die Analyse der Hauptfragestellung nach dem Einfluss der Karboneinlage auf den Spitzendruck im Gesamtfuß zeigte im Vergleich zur Standardeinlegesohle (Faktor Einlage) jedoch keinen statistisch signifikanten Unterschied (p=0,10, Tab. [
1
]). Innerhalb der dreifaktoriellen ANOVA ergaben sich signifikante Effekte für die beiden Faktoren Leistung und Trittfrequenz: Die Spitzendruckwerte bei 300 W lagen höher als bei 200W (p<0,001) und bei 60 rpm waren die Spitzendruckwerte ebenfalls höher als bei 90 rpm (p<0,001) (Abb. [
2
]).
Abb. 2 Spitzendruckbelastung [kPa] im Gesamtfuß pro Schuheinlagenkondition (CA = Karboneinlegesohle, CO = Kontrolleinlage) bei 60 und 90 rpm sowie bei 200 W und 300 W.
Tab. 1 Mittlere Spitzendruckbelastung [kPa] pro Fußareal und Schuheinlagenkondition (CA = Karboneinlegesohle, CO = Kontrolleinlage – Standard).
Rück-, Mittel-, Vorfuß und Zehenbereich
Bei deskriptiver Betrachtung der verschiedenen Fußareale wurden im Vorfuß mit mittleren Spitzendruckbelastungen im Bereich von 79 bis 85kPa die höchsten Spitzendruckwerte verzeichnet. Daneben ist der Zehenbereich als die am zweithöchsten belastete Region, mit Werten von circa 51 bis 59kPa bereits erheblich weniger Druckbelastung ausgesetzt. Dagegen ist der Mittelfußbereich mit 38–47kPa und der Rückfuß mit Werten von 26 bis 31kPa nur gering belastet (Tab. [
1
]).
Die differenzierte Analyse in den verschiedenen Fußbereichen zeigte im Gegensatz zur Analyse im Gesamtfuß jeweils statistisch signifikante Unterschiede für den Faktor Einlage (Tab. [
1
]). Im Rückfuß ergab sich eine Spitzendruckreduktion von 16,6% durch die Karboneinlage, (p<0,001). Im Mittelfuß sorgte die Experimentalkondition CA für eine Reduktion der Spitzendruckbelastung um 20 %. Der Spitzendruck in dem am höchsten belasteten Vorfußbereich war bei Einsatz der Karboneinlage um 5,9% reduziert (p=0,03). Dagegen erhöhte sich die Spitzendruckbelastung im Zehenbereich durch die Karboneinlage um 16,2% (p<0,001) (Tab. [
1
]).
Vorfuß differenziert
Bei differenzierter Betrachtung des Vorfuß zeigt sich unabhängig von der Einlagenkondition, der Trittfrequenz oder der Leistung eine nahezu gleich hohe Spitzendruckbelastung für den medialen und den zentralen Vorfuß. Demgegenüber ist der laterale Vorfuß erhöhter Druckbelastung ausgesetzt. Die Abb. [
3
] verdeutlicht dies in der Darstellung der Spitzendruckwerte pro Kondition und Trittfrequenz bei der getesteten Leistung von 300 W.
Abb. 3 Spitzendruckbelastung [kPa] in den Vorfußarealen medialer Vorfuß, zentraler Vorfuß, lateraler Vorfuß pro Schuheinlagenkondition (CA = Karboneinlegesohle, CO = Kontrolleinlage) bei 60 und 90 rpm und 300 W.
Der prozentuale Anstieg der Spitzendruckwerte von medial und zentral nach lateral beträgt bei der Karboneinlegesohle im Mittel 34% und bei der Kontrollkondition im Mittel 59%.
Diskussion
Die Untersuchung prüfte den Einfluss einer Schuheinlage aus Karbon auf die Spitzendruckbelastung des Fußes im Radschuh während des Pedalierens. Dies wurde im Vergleich zu einer herkömmlichen Standardeinlegesohle eines handelsüblichen Radschuhs getestet. Die Spitzendruckbelastung im Gesamtfuß war mit Karboneinlegesohle um 4% gegenüber der Standardeinlegesohle reduziert, ohne jedoch statistische Signifikanz aufzuweisen.
Die gemessenen Spitzendruckwerte liegen bei 300 W mit 95–110 kPa etwas unter den in der Literatur beschriebenen Vergleichswerten von Jarboe & Quesada (2003) [
14
]. Dort wurde eine Range von 103 bis 121 kPa gemessen. Allerdings wurde dort auch bei einer Leistung von 400 W geprüft. In dieser Untersuchung wurden auch keine Seitendifferenzen festgestellt [
14
]. Die Reduktion der Spitzendruckwerte bei gleichbleibender Leistung und höherer Trittfrequenz erscheint plausibel, da bei gleichbleibender belasteter Fläche unter dem Fuß die notwendige Kraft pro Trittzyklus sinkt. Ebenso ist der Anstieg der Spitzendruckbelastung bei gleichbleibender Trittfrequenz und Erhöhung der Leistung (von 200 W nach 300 W) folgerichtig, da pro Trittzyklus mehr Kraft auf das Pedal gebracht werden muss. Die vorliegenden Messungen spiegeln damit grundlegende physikalische Gesetzmäßigkeiten wider und bestätigen Befunde in der Literatur [
23
]. Es zeigte sich ebenfalls, dass im Vorfuß relevante Spitzendrücke entstehen und die anderen Fußregionen weit weniger belastet werden [
14
], [
15
], [
23
]. Die Daten der vorliegenden Untersuchung können somit als valide bewertet werden.
Bei Betrachtung der einzelnen Fußregionen zeigt sich im Rück-, Mittel-, und Vorfuß jeweils eine Reduktion der Belastung durch die Karboneinlegesohle im Vergleich zur normalen Standardeinlegesohle. Dies kann möglicherweise, zumindest in Rück- und Mittelfuß, an der dreidimensionalen Ausformung der Interventionseinlage liegen (Schalenform im Rückfuß, Längsgewölbeanhebung im Mittelfuß). Die Belastung wird dadurch auf eine größere Fläche verteilt, was die Spitzendruckbelastung sinken lässt. Eine Anformung der Schuheinlage an die individuelle Fußform kann diesen Effekt möglicherweise verstärken. Obwohl die Effekte durch die Karboneinlage zu einem statistisch signifikanten Unterschied führen, kann angemerkt werden, dass die Unterschiede im Bereich von < 20% sind und somit deren klinische Relevanz kritisch zu hinterfragen ist.
Die Karboneinlage sorgte bei differenzierter Betrachtung der Vorfußregionen für einen leichten Ausgleich der Druckverteilung zwischen medialem, zentralem und lateralem Vorfuß, wenngleich die gleiche Charakteristik mit höchster Belastung im lateralen Vorfuß wie mit der Standardsohle erhalten bleibt. Dies steht im Gegensatz zu den Ergebnissen von Sanderson et al. (2000). Dort wurden die höchsten Belastungen unter MFK I gemessen [
23
]. Im Sinne einer effektiven Übertragung der Kraft auf das Pedal ist mit Sicherheit die höchste Belastung im medialen Vorfuß anzustreben. Dabei muss der intrinsische Zusammenhang von Fuß(form), Schuh-(form) und Pedalkonfiguration beachtet werden [
23
]. Eine individualisierte Versorgung mit Abformung der Vorfußform unter Last kann das angestrebte Belastungsprofil erreichen [
15
].
Vergleicht man die gemessenen Spitzendruckwerte im Radschuh mit anderen Belastungsformen, so sind in absoluter Hinsicht die Spitzendruckwerte in beiden Schuhkonditionen als gering einzustufen. Die Werte sind vergleichbar mit Spitzendrücken wie sie bei Kleinkindern im Gang auftreten [24]. Bei Erwachsenen können im Gehen und Laufen bis zum mehr als 3-Fachen der Spitzendruckwerte im Schuh auftreten [
25
], [
26
]. Bei dynamischen Bewegungen (run, cut, sprint, kick) steigen die Druckwerte sogar bis zum 6-Fachen der Druckbelastung im Radschuh [
27
]. Es kann daher die Frage gestellt werden, ob die im Radschuh bei mittlerer Leistung gemessenen Werte trotz des repetitiven Charakters ursächlich für Beschwerden sind [
5
]. Dies ist im besten Fall durch prospektive Daten zu beantworten, die bisher nicht verfügbar sind.
Zu den Limitationen der Studie gehört sicher der moderate Workload-Bereich in dem gemessen wurde (200–300 W). Zumindest kurzfristig können sowohl im Mountainbikesport, im Straßenradsport und insbesondere im Bahnradsport weit höhere abgegebene Leistungen resultieren [
28
]–[
30
]. Gleiches gilt für die gemessenen Trittfrequenzen, die insbesondere in Sprintsituationen und auf der Radbahn weit über die gemessenen 90 rpm hinausgehen [
29
]. Die Aussagekraft der Ergebnisse für den Freizeitradsport bleibt dennoch erhalten. Eine weitere Limitation der Untersuchung ist die Intervention mit einer standardisierten Karboneinlagenkondition. Differenzierte Ergebnisse sind sicher durch die Untersuchung individualisierter Hilfsmittelversorgungen zu erwarten. Die Studie soll jedoch ein erster Schritt zur Abschätzung des Potenzials von Karbon als Werkstoff für Radschuheinlagen sein.
Schlussfolgerung
Karbon kann als Werkstoff für Radschuheinlagenversorgungen gut eingesetzt werden. Die plantare Fußsohle wird durch das steife Material nicht übermäßig belastet. Bei individueller Anpassung an die Fußform können möglicherweise Fußregionen bei Bedarf sogar entlastet werden.
Interessenkonflikt
Es besteht kein Interessenkonflikt
Heiner Baur1,2
Jan Hoffmann1
Anne Reichmuth1
Steffen Müller1
Frank Mayer1
1Hochschulambulanz der Universität Potsdam, Sportmedizin und Sportorthopädie, Universität Potsdam, Deutschland
2Berner Fachhochschule, Gesundheit, aF&E Physiotherapie, Bern, Schweiz
