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 Druckverteilungs
messung 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 er
möglicht die Analyse der pedogra
phischen Messdaten die Diagnose 
von Fußdeformationen und Fehl
funktionen. Die Pedographie wird 
in der Orthopädie, Diabetologie, 
Biomechanik und im Sport ange
wendet. Der vorliegende Artikel 
beschreibt unter anderem, wie eine 
Pedographie durchgeführt wird 
und welche Parameter dabei ent
scheidend sind.

Pedographie

Ein stehender oder sich bewe
gender menschlicher Körper er
zeugt Bodenreaktionskräfte unter 
den Füßen, verursacht durch die 
Schwerkraft und die Beschleuni
gung 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 Körperhal
tung und der Fußstruktur des Pati
enten ab. Während des Gehens 
oder Laufens werden die Boden
reaktionskräfte aufgrund der Be
schleunigung oder Verlangsamung 
der Körpermasse größer. In der Be
wegung treten dann sowohl vertika
le als auch horizontale Bodenreak
tionskräfte 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 Druckverteilungsmes
sung während des Gehens oder 
Laufens durchgeführt, so nennt 
man das Pedographie. Die Kraft
oder Druckverteilung in der dyna
mischen Belastung liefert Informa
tionen über die Struktur und die 
Funktion des Fußes. Die Analyse der pedographi
sehen Messdaten ermöglicht die 
Diagnose von Fuß deformationen 
und Fehlfunktionen.

Die Pedographie wurde ursprüng
lich im Jahr 1984 von der Münch
ner Firma Novel im Rahmen eines 
BMFT-Projektes entwickelt und 
kommt heute in Kliniken und For
schungszentren 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 entschei
dend beeinflussen. Bei Messungen 
im Stehen sieht man die Verteilung 
des Körpergewichtes auf den linken 
und rechten Fuß und die Vertei
lung auf Vorund Rückfuß.
Bei der halbstatischen Messung 
spricht man von Posturographie. 
Hier steht man mit beiden Beinen 
auf der Messplattform, die kontinu
ierlich die Gewichtsoder Druck
verteilung aufzeichnet. Dabei wer
den die Schwankungen des Körper
schwerpunktes als Projektion auf 
die Druckverteilung erfasst. Postu
rographiesysteme kommen im We
sentlichen bei neurologischen Fra
gestellungen zur Anwendung.

Die Pedographie kann entweder 
mithilfe einer Druckmessplattform 
durchgeführt werden, über die der 
Patient barfuß geht, oder mit Sen
sorsohlen, die in die Schuhe des 
Patienten gebettet werden und ihm 
volle Bewegungsfreiheit erlauben. 
Dabei ist zu beachten, dass nur die 
Pedographie auf der Druckmess
plattform eine unverfälschte Dia
gnose des Fußes zulässt.

Bei der Messung in Schuhen sind 
die Daten immer ein Ergebnis aus 
Fuß, Einlagenform und Schuhfunk
tion 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 rich
tige 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 einge
lassene Plattform. Das wiederholt 
man dreibis fünfmal, um die natür
lichen Schwankungen des mensch
lichen Ganges zu erfassen. Das Pe
dographiesystem analysiert die wie
derholten Messungen und mittelt 
mithilfe mathematischer Algoryth
men die Ergebnisse.
Der Patient soll dabei so natür
lich 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 garan
tiert die Plattform zu treffen, son
dern frei gehen und den Startpunkt 
leicht variieren, wenn er die Platt
form nicht optimal trifft.

Gute Pedographiesysteme erken
nen automatisch Fehltritte und ver
werfen falsche Messungen. Es soll
ten immer beide Füße gemessen 
werden, damit man immer einen 
intra-individuellen Links-rechts-Ver
gleich hat.

Funktionelle Diagnostik 
des Fußes mithilfe der 
pedographischen 
Datenanalyse

Zur pedographischen Analyse 
wird der dynamische Fußabdruck 
mithilfe mathematischer Verfah
ren geometrisch in verschiedene 
anatomische Bereiche und Orien
tierungspunkte aufgeteilt. Für diese 
Bereiche werden zuerst die mecha
nischen Grundgrößen Kraft, Ort 
und Zeit berechnet und dann die für die Pedographie aussagekräfti
gen 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 Kontroll
gruppe sind dadurch möglich.
Die Software erstellt auf Grund
lage dieser Vergleiche umfassende, 
pedographische Reports, die nicht 
nur den Informationsaustausch 
zwischen Fußspezialisten erleich
tern, sondern vor allem eine ge
naue Dokumentation der Behand
lung und Versorgung ermöglichen .
Die wichtigsten Parameter für 
Pedographie sind:

  • die dynamische Gesamtkraft un
ter dem Fuß (Bodenreaktions
kraft vertikal),
  • der lokale Spitzendruck,
  • das Druck-Zeit-Integral an hoch belasteten Stellen (insbesondere 
beim Diabetischen Fuß),
  • der zeitliche Verlauf der Fußbe
lastung,
  • 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 Berei
chen.

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 Reprodu
zierbarkeit muss einwandfrei sein, 
damit Schwankungen oder Ände
rungen aus anatomischer oder phy
siologischer Sicht nicht überdeckt 
werden. Unbedingte Voraussetzun
gen für eine hohe Reproduzierbar
keit aus technischer Sicht sind die 
individuelle Kalibrierung jedes ein
zelnen Drucksensors sowie die Sta
bilität und Dauerhaftigkeit der Kali
brierung über lange Zeit. Darüber 
hinaus spielen die Abmessungen 
des einzelnen Sensors und der 
Druckmessbereich eine große Rolle.

Sehr kleine Sensoren mit einer Kan
tenlänge von fünf mal fünf mm er
lauben das Auffinden sehr kleiner 
DruckstelIen, die beispielsweise 
beim Diabetischen Fuß einen Ulkus 
auslösen können. Der Druckmess
bereich muss alle vorkommenden 
Drücke erfassen; die sehr kleinen 
unter dem Mittelfuß und die ex
trem hohen, die unter der knöcher
nen Struktur auftreten können. Ein 
typischer Druckbereich ist von 1 bis 
130 N pro Quadratzentimeter.
Außerdem muss die Geschwin
digkeit 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 beziehungs
weise 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 wich
tig, aber in Abhängigkeit vom Krank
heitsbild nicht in allen Fällen gege
ben. Eine schlechte biomechani
sehe Reproduzierbarkeit kann auch ein Hinweis auf ein bestimmtes 
Krankheitsbild sein.

Medizinproduktegesetz

Pedographie-Systeme, die in Kli
niken eingesetzt werden, unterlie
gen der Medizinprodukt-Verord
nung. Nach dem in der EU gültigen 
Medizinproduktegesetz handelt es 
sich bei den Pedographie-Systemen 
um Medizinprodukte der Klasse I 
mit Messfunktion (Im). Die Genau
igkeit der Messfunktion muss dabei 
durch eine sogenannte “Benannte 
Stelle”, zum Beispiel einen TÜV 
oder eine LGA (Landesgewerbean
stalt), überprüft werden, beziehungs
weise der Hersteller muss ein zertifi
ziertes und von einer benannten 
Stelle überwachtes ISO-System ha
ben. Sowohl die Konformitätsbe
scheinigung des Herstellers als auch 
das Gerät selbst müssen neben dem 
CEKennzeichen die vierstellige 
Nummer der Benannten Stelle deut
lich sichtbar tragen, die die Genau
igkeit der Messfunktion bestätigt. 
Auch muss vom Hersteller angege
ben werden, in welchem Intervall 
die Genauigkeit der Messfunktion, 
das heißt die Kalibration, über
prüft werden muss.