Die Studie wurde vom Ethikausschuss des Forschungsinstituts der Ningbo-Universität genehmigt (Genehmigungsnummer: ty2022020). Alle Teilnehmer gaben schriftliche Zustimmung ab, nachdem sie über Zweck, Anforderungen und Verfahren des Experiments informiert wurden. Die verwendete Ausrüstung und Software sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Laborvorbereitung
Eine Footscan 2-m-Druckplatte (2,0 m × 0,40 m × 0,02 m, 16.384 Sensoren) wurde verwendet und bei 480 Hz abgemustert. Die Platte wurde bündig mit der umgebenden Startbahn eingebettet, wobei Schutzmatten verwendet wurden, um Stufenhöhen-Artefakte zu vermeiden. Das System wurde auf Null gestellt und gemäß den Anweisungen des Herstellers kalibriert, und die Seriennummer und die Kalibrierungsdatei der verbundenen Platte wurden vor dem Test überprüft.
Die Anfluggeschwindigkeit über die letzten 2 m vor dem Fußkontakt wurde mit doppelten Infrarot-Zeitgittern überwacht, die 2,0 m auseinander in einer Breitenhöhe von 80 cm standen und mit der Startbahn ausgerichtet waren. Tore wurden auf beiden Seiten der Startbahn angebracht, um das COD-Manöver nicht zu stören. Die Teilnehmer mussten einen Abstand von 3,5 m·s⁻¹ (±5 %) entlang des Anflugwegs halten, bevor sie die Druckplatte berührten. Obwohl die Zeitgitter die mittlere Geschwindigkeit über die letzten 2 m quantifizieren, näherten sich die Teilnehmer entlang der blauen Matten-Landebahn und führten ein 45°-Richtungsänderungsmanöver (COD) aus, sodass der Drehfuß der Anlage den aktiven Bereich der Druckplatte berührte. Um Fußplatzierungen zu minimieren, wurden keine visuellen Markierungen bereitgestellt und mehrere Übungsversuche erlaubt. Ein Versuch wurde als gültig angesehen, wenn der Pflanzenfuß vollen Kontakt im aktiven Bereich ohne offensichtliche Schrittanpassung erreichte; Studien mit Teilkontakt oder offensichtlicher Zielerfassung wurden wiederholt.
2. Teilnehmervorbereitung
Alle Teilnehmer gaben eine schriftliche informierte Einwilligung ab, nachdem sie eine klare Erklärung zu den Zielen und Verfahren der Studie erhalten hatten, mit der Möglichkeit, Fragen zu stellen. Um die Variabilität zwischen den Gliedmaßen zu minimieren, wurden nur rechtbein-dominante Individuen rekrutiert. Die Beindominanz wurde durch den bevorzugten Kicking-Leg-Test bestimmt (≥2 Bestätigungen über drei Studien); Alle Teilnehmer waren rechtbeinsdominant. Die endgültige Stichprobe umfasste fünfzehn gesunde erwachsene Chinesen (9 Männer, 6 Frauen; Alter: 22 Jahre; Gewicht: 65,52 kg; Größe: 170,3 cm), von denen alle in den letzten sechs Monaten keine Vorgeschichte von Untergliedmaßenverletzungen oder Fußdeformationen hatten. Das spezifische Inklusionskriterium wurde entwickelt, um die Störeffekte von Alter und Geschlecht zu verringern und so die Reproduzierbarkeit und statistische Validität der experimentellen Ergebnisse zu verbessern.
Die Teilnehmer wurden angewiesen, eng anliegende Sporthosen zu tragen und barfuß auf der Footscan-Platte mit beiden Füßen zusammengestellt zu stehen. Anthropometrische Daten wurden anschließend gesammelt und erfasst, darunter Größe, Gewicht, Fußlänge, Schuhgröße und Fußgewölbetyp. Die mediale Längsbogen-Höhe wurde anhand des Arch Height Index (AHI) berechnet, der als Verhältnis von Dorsumhöhe (gemessen bei 50 % der gesamten Fußlänge) zur Gesamtfußlänge berechnet wurde. AHI-Werte zwischen 0,310 und 0,356 wurden als Hinweis auf eine normale Bogenstruktur17 angesehen.
Vor Beginn der Hauptstudien wurden den Teilnehmern zunächst eine Demonstration der erforderlichen Bewegungsaufgaben gezeigt. Anschließend führte jeder Teilnehmer einen 10-minütigen langsamen Jogging als standardisiertes Aufwärmen durch, um eine ausreichende physiologische Bereitschaft für statische und dynamische Aufnahmen sicherzustellen.
3. Rechtfertigung der Stichprobengröße
Eine Sensitivitätsanalyse für einen zweiseitigen gepaarten T-Test (α=0,05, 1−β=0,80, n=15) zeigte, dass die Studie leistungsfähig war, innerhalb des Subjekts Effekte von etwa einem Cohen-Dz ≈ 0,74 für das primäre diskrete Ergebnis (FBI) zu erkennen.
4. Segmentierung und Abkürzungen der Plantarregion
Die Plantaroberfläche des Fußes wurde durch die Footscan-Software in 10 anatomische Bereiche unterteilt: Halllux (T1), kleinere Zehen als eine einzige Region (T2-T5), erste bis fünfte Mittelfußknochen (M1-M5), mediale Ferse (MH), laterale Ferse (LH) und Mittelfuß (MF). Für den Foot Balance Index (FBI) wurde die mediale Belastung als die summierten normalisierten Kräfte von M1, M2 und MF definiert, während die seitliche Belastung M3, M4, M5 und LH umfasste. Diese Klassifikation folgt den Standard-Footscan-Segmentierungsregeln, die auf Metatarsalköpfen, Kalkspaltung und Mittelfußgrenzen (30%–60% Fußlänge) basieren. Ein vollständiger Abkürzungsschlüssel ist in Abbildung 1A angegeben.
5. Statische Messung
- Haltung und Aufbau
Die Teilnehmer standen barfuß auf der bündig montierten Druckplatte in einer bequemen zweibeinigen Haltung, mit den Füßen etwa schulterbreit auseinander, den Knien ausgestreckt, aber nicht verriegelt, die Arme entspannt neben dem Körper und den Blick auf eine Wandmarkierung auf Augenhöhe ~3 m vor uns gerichtet. Die Füße waren mit der AP-Achse (anterior-posterior) der Platte ausgerichtet; Es wurden keine visuellen Ziele unter dem Fuß platziert, um Positionsfehler zu vermeiden.
- Stabilisierung und Aufzeichnung
Nach einer 3-5 Sekunden langen ruhigen Standstabilisierung wurde eine einzelne statische Aufnahme der Plantardruckverteilung aufgezeichnet. Pro Teilnehmer wurden zwei gültige Wiederholungen mit ≥30 s sitzender Ruhe zwischen den Studien gesammelt, um Haltungsdrift zu minimieren.
- Validitäts- und Wiederholungskriterien
Ein statischer Versuch galt als gültig, wenn (1) der vollständige Plantarkontakt beider Füße im aktiven Bereich sichtbar war, (2) während des Stabilisierungsfensters keine offensichtlichen Schwankungen oder Schrittanpassungen vorkamen und (3) es keine Überlappung oder Abschneidung der Fußabdrücke an den Plattenrändern gab. Studien, die diese Kriterien nicht erfüllten, wurden wiederholt.
- Abgeleitete Variablen (statisch)
Aus dem statischen Schnappschuss berechneten wir den regionalen Druck/die Kraft über die zehn anatomischen Regionen (Abkürzungsschlüssel in Abbildung 1A) und die für die Protokollqualitätskontrolle verwendeten deskriptiven Indizes (z. B. das seitliche Gesamtkraftverhältnis). Statische Daten wurden nur zur Dokumentation der Basisverteilung und der Qualität der Plattensegmentierung verwendet; alle Hypothesentests wurden in dynamischen COD-Studien durchgeführt.
6. Dynamische Messung
Die Teilnehmer führten barfuß 45° seitwärtige COD-Studien durch. Beim Rechts-Schnitt-Zustand landete der linke (drehende/pflanzende) Fuß vollständig auf der Druckplatte. Um eine gleichmäßige Fußplatzierung und vollständigen Plantarkontakt zu gewährleisten, wurde für jeden Teilnehmer während der Eingewöhnung ein individueller fester Startpunkt gesetzt, sodass der Ansatz eine Rechts- und Linksschrittfolge erzeugte, bei der der Linksabbiegungsschritt die Platte berührte. Vor den formellen Tests führten die Teilnehmer mehrere Eingewöhnungsläufe durch, um einen natürlichen, wiederholbaren Gang ohne sichtbare Ziele auf der Platte zu etablieren. Mindestens drei gültige Studien wurden pro Erkrankung registriert; Versuche mit unvollständigem Kontakt oder sichtbarer Zielerfassung wurden verworfen und wiederholt. Beim Zustand des Linksschnitts wurden Startmarke und Schrittfolge so gespiegelt, dass der Rechtsdrehfuß die Druckplatte unter identischen Kriterien berührte.
Die Laborstart- und Landebahn maß 10 m; Die Druckplatte war bündig versenkt und 6 m von der Startlinie entfernt, sodass ~6 m für den Anflug und ~2 m für die Nachkontaktverzögerung übrig blieben. Die Anfluggeschwindigkeit wurde mit zwei Einstrahl-Zeittoren (Strahlenhöhe 80 cm) überwacht, die entlang des Anflugwegs 2,0 m auseinander lagen, wobei das stromabwärts gelegene Tor am proximalen Rand des aktiven Bereichs der Druckplatte ausgerichtet war, wodurch die letzten 2 m vor dem Fußkontakt gemessen wurden. Ein Versuch wurde nur dann als gültig akzeptiert, wenn die gemessene Anfluggeschwindigkeit 3,5 m·s⁻¹ (±5 %) betrug.
Alle Studien wurden von geschulten Forschern genau beobachtet, um die Einhaltung des vorgegebenen Geschwindigkeitsbereichs und die ordnungsgemäße Ausführung der Aufgabe sicherzustellen. Kinetische Daten wurden automatisch vom Footscan-System erfasst und sicher für die spätere Analyse gespeichert. Das Fußschlagmuster wurde nicht ausdrücklich kontrolliert; Die Teilnehmer führten die Aufgabe nach ihren selbst gewählten Laufstilen aus.
7. Datenverarbeitung
Nach dem Experiment werden alle gesammelten Daten manuell mit der Footscan-Software verarbeitet.
Jede statische und dynamische Studie wurde sorgfältig untersucht, um fehlende Daten oder unterbrochene Fußkontaktmuster zu identifizieren und die Datenvalidität sicherzustellen. Die Identifikation von linken und rechten Füßen erfolgte auf Basis dynamischer Plantardruckbilder, die beim Fußkontakt aufgenommen wurden und eine visuelle Darstellung der Spitzendruckverteilung und der Lage des Druckmittelpunkts während der Standphase lieferten.
Die Plantaroberfläche wurde zunächst mithilfe der automatisierten Segmentierungsfunktion des Systems in zehn anatomische Bereiche unterteilt, die den Fuß in Vorderfuß-, Mittel- und Hinterfußzonen einteilte. Manuelle Anpassungen wurden dann bei Bedarf vorgenommen, um eine genaue regionale Abgrenzung sicherzustellen. Basierend auf der endgültigen Segmentierung wurden Druckwerte aus jeder Region extrahiert und zur Erstellung regionaler Druckzeitkurven für weitere Analysen verwendet.
Plantardruckdaten wurden separat für statische und dynamische Bedingungen exportiert. Die exportierten Parameter umfassten Fußwinkel, Fußachsen, Fußbalance und zonenspezifische Druckwerte (Abbildung 1), die aus den vordefinierten Fußregionen extrahiert wurden.
HINWEIS: Trotz strikter Einhaltung des experimentellen Protokolls waren die Daten einiger Teilnehmer aufgrund des Verschwindens markierter Flugbahnen in der Footscan-Software unvollständig.
8. Plantardruck und -kraft
Um die Verteilung der Plantarlasten während der Stellung zu untersuchen, wurden Zeitreihen von Plantarkraft- und Druckdaten aus zehn Plantarregionen extrahiert. Kraft-/Druck-Zeitkurven wurden zeitlich auf 101 Punkte normalisiert, um zeitliche Vergleichbarkeit über Versuche hinweg sicherzustellen. Um die Variabilität zwischen den Subjekten zu minimieren (z. B. aufgrund der Körpermasse), wurden regionale Kräfte auf die durchschnittliche vertikale Kraft über Stand (Zavg) normalisiert, definiert als,
(1)
Dabei ist Fz (t) die vertikale Bodenreaktionskraft im Rahmen t und N die Anzahl der Standbilder. Normalisierte Kräfte werden als dimensionslos (×1) angegeben. Im Gegensatz dazu wurden regionale Plantardrucke in physikalischen Einheiten (kPa) ohne Normalisierung analysiert, da sie bereits relativ zur Kontaktfläche angegeben sind. Dieses Normalisierungsschema für Kräfte folgt früherenStudien 18.
9. Fußbalance
Der Fußbalanceindex (FBI), der in Gleichung 2 gezeigt wird, bezieht sich auf die Fußpronation oder Fußsupination während der Standphase (Abbildung 1)19. Für die Berechnung des FBI verwendete Favg ist die durchschnittliche Kraft des gesamten Plantar19. Das FBI wurde berechnet als,
(2)
wobei Fmedial und Flateral die summierten Plantarkräfte aus den medialen (M1, M2, MH) bzw. lateralen (M3-M5, LH) Regionen darstellen. Positive FBI-Werte zeigen eine höhere mediale Belastung (Pronation) an, während negative Werte eine größere seitliche Belastung (Supination) anzeigen.
Beachten Sie, dass MF absichtlich aus der FBI-Gruppe ausgeschlossen wurde (medial = M1, M2, MH; lateral = M3-M5, LH), um arch-bezogene Variabilität zu vermeiden und den Fokus auf das Gleichgewicht von Vorfuß und Ferse zu legen.
10. Fußachsenwinkel
Der Fußachsenwinkel spiegelt den Grad der inneren und äußeren Rotation des Fußes während des Ganges wider. Der Winkel besteht aus einer verbundenen Linie zwischen der Mitte der Ferse und der Mitte der Lücke zwischen dem zweiten und dritten Mittelfußknochen. Die Bewegungsrichtung wird als Fußachsenwinkel19 definiert (Abbildung 1). Die Innen- und Außenrotation des Fußes in der horizontalen Ebene wurde durch negative bzw. positive Winkel dargestellt.
11. Statistische Analyse
Diskrete Ergebnismaße (z. B. Fußbalanceindex, Plantardruck in verschiedenen Fußregionen und Fußachsenwinkel) wurden mit SPSS v19.0 analysiert. Für jeden der 15 Teilnehmer wurden Daten vom dominanten und nicht-dominanten Fuß als gepaarte Stichproben behandelt. Daher wurden gepaarte t-Tests für normalverteilte Daten durchgeführt (wobei die Normalität anhand der Verteilung der Unterschiede innerhalb des Subjekts verifiziert wurde), während Wilcoxon-Signed-Rank-Tests für nichtparametrische Vergleiche angewendet wurden. Für jede Erkrankung wurden die Versuchskurven innerhalb des Probanden vor dem Vergleich zwischen den Gliedmaßen gemittelt; Diskrete Metriken verwendeten den Mittelwert gültiger Studien innerhalb des Probanden.
Für kontinuierliche Plantardruck-Zeitreihen wurden die Werte Zavg-normalisiert (siehe Datenverarbeitung) und zeitlich auf 101 Punkte mittels linearer Interpolation normalisiert. Anschließend wurde eindimensionale statistische parametrische Abbildung (SPM1d) mit gepaarten t-Tests verwendet, um Druckkurven über die gesamte Standphase zu vergleichen. Die Zufallsfeldtheorie (RFT) wurde eingesetzt, um feldweise Fehler zu kontrollieren und mehrere Vergleiche über die Zeithinweg zu korrigieren. Alle Zeitreihenanalysen wurden in MATLAB R2018a durchgeführt, und die Signifikanzschwelle wurde auf 0,05 gesetzt.
Zur Kontrolle von familienweisen Fehlern über mehrere diskrete Vergleiche hinweg wurden p-Werte für diskrete regionale/metrische Ergebnisse mit dem Holm-Bonferroni-Verfahren angepasst (α = 0,05). Sowohl unadjustierte als auch adjustierte Signifikanzinterpretationen werden, wo relevant, berichtet.