The human foot has been accepted over the years as an important source of afferent input, used not only in the recognition of the surrounding environment (e.g. hard and soft surfaces), but also in the fine regulation of common daily-live movements (e.g. gait and balance control). The performance of these movements is usually accompanied by fluctuations in foot skin temperature as well as reciprocal blood flow changes at the foot area. Moreover, both variables are likely to be affected by footwear usage. Although these three factors are constantly present during the performance of daily live movements, only little and partially controversial information regarding the effects of foot skin temperature, blood flow at the foot area and footwear on foot sensitivity can be found in the literature. Therefore, the goal of the thesis was to investigate the effects of foot skin temperature, blood flow at the foot area and footwear on plantar foot vibration sensitivity of healthy young subjects. Three single studies were performed in order to investigate each variable separately. The first study investigated the influence of foot sole skin temperature on plantar foot sensitivity of 40 healthy subjects. Vibration thresholds were measured at 200Hz at a initial baseline temperature and after cooling/warming the foot skin 5-6 °C. The second study investigated the influence of short-time lower leg ischemia on plantar foot vibration sensitivity of 39 young adults. Lower leg ischemia was evoked with a pneumatic tourniquet, placed about 10cm above the popliteus cavity. Vibration thresholds were measured at 200 Hz in three different cuff pressure conditions: baseline (0 mmHg), low (50 mmHg) and high (150 mmHg). Finally, the influence of footwear on foot sensitivity was investigated in the third study, using specific Formula 1 shoes. Twenty-five male subjects participated in the study. Plantar foot vibration thresholds were measured at 30 and 200 Hz in five different foot/shoe conditions (barefoot and four shoe conditions). In all studies, vibration thresholds were measured at three anatomical locations of the plantar foot: heel, first metatarsal head (MET I) and hallux. The main results of the three studies show that the analysed variables significantly influence plantar foot vibration sensitivity. Data from the first study show that 5-6 °C alterations in foot skin temperature significantly influence the foot sensitivity of healthy young adults, whereby skin cooling results in reduced foot sensitivity, whereas skin warming improves plantar foot vibration sensitivity. The results of the second study indicate that short-time lower leg ischemia; especially regarding the high cuff pressure condition (150 mmhg), significantly reduces plantar foot sensitivity. Data from the third study show that the footwear effects on foot sensitivity are frequency-dependent. While barefoot sensitivity is better than shod sensitivity at 30Hz, shod sensitivity is better than barefoot sensitivity when measured at 200Hz. In conclusion, foot sole skin temperature, blood flow at the foot area and footwear significantly influence the plantar foot vibration sensitivity of healthy young adults. The alterations in foot sensitivity caused by these variables have important consequences for future clinical as well as movement-related research. Future clinical applications of quantitative sensory testing should consider the influence of these three factors during the assessment of sensory data, in order to standardize the measurement procedures as well as to enhance the quality of the collected data. Regarding the movement-related research, further studies should try to identify the importance of foot sensitivity for the performance of different types of movements (including sport-related activities). Additionally, the combined effects of movement-related changes in foot skin temperature and blood flow should be analysed and integrated in the development process of functional footwear, which is able to fulffill the foot sensitivity requirements of different movements. / Die Rolle des menschlichen Fußes als wichtiger „Mediator“ sensorischer Reize wird zunehmen in der Literatur akzeptiert. Die vom Fuß aufgenommenen afferenten Informationen werden im Zentralen Nervensystem integriert und weitergeleitet, um die Regulation typischer Bewegungsmuster (z.B. Gang und Gleichgewichtskontrolle) mitzusteuern. Während der Durchführung derartiger Bewegungen werden oftmals Änderungen der Hauttemperatur oder auch des Blutflusses im Fußbereich provoziert. Diese werden wiederum durch das Tragen von Schuhen beeinflusst. Obwohl Hauttemperatur, Blutfluss im Fußbereich und Schuhwerk wichtige Faktoren bei der Bewegungsdurchführung darstellen, können nur wenige und teilweise konträre Informationen über den Einfluss dieser Faktoren auf die Fußsensibilität in der Literatur gefunden werden. Somit hat diese Dissertation zum Ziel, den Einfluss der Temperatur der Fußsohle, des Blutflusses am Fußbereich sowie des Schuhwerkes auf die Vibrationssensibilität des plantaren Fußes gesunder Probanden zu untersuchen. Um den Einfluss der einzelnen Parameter auf die Fußsensibilität untersuchen zu können, wurden drei Studien durchgeführt. Die erste Studie hatte zum Ziel, den Einfluss der Temperatur der Fußsohle auf die Vibrationssensibilität von 40 Probanden zu untersuchen. Dabei wurden die Vibrationsschwellen, - mit einer Frequenz von 200 Hz -, bei einer Ausgangsmessung sowie nach einer 5-6 °C Abkühlung/Erwärmung der Haut der Fußsohle gemessen. In der zweiten Studie wurde der Einfluss einer Kurzzeitischämie des Unterschenkels auf die plantare Fußsensibilität von 39 Probanden getestet. Die Ischämie im Unterschenkel wurde mit Hilfe eines im Bereich der fossa popliteal platzierten pneumatischen Tourniquets hervorgerufen. Die plantaren Vibrationsschwellen wurden mit einer Frequenz von 200Hz in drei verschiedenen Druckbedingungen ermittelt: Ausgang (0 mmHg), niedrig (50 mmHg) und hoch (150 mmHg). Schließlich beschäftigt sich die dritte Studie mit dem Einfluss vom Schuhwerk auf die Fußsensibilität. Fünfundzwanzig Probanden haben an der Studie teilgenommen. Die Vibrationsschwellen wurden mit Frequenzen von 30 und 200 Hz bei fünf verschiedenen Bedingungen gemessen (eine Barfuss- und vier Schuhbedingungen). In allen Studien wurden die Vibrationsschwellen im plantaren Fußbereich unter der Ferse, dem Metatarsalkopf I sowie unter dem Hallux ermittelt. Die Ergebnisse der drei Studien zeigen, dass die analysierten Parameter einen signifikanten Einfluss auf die plantare Vibrationssensibilität der Probanden haben. Die erste Studie zeigt, dass eine 5-6° C - Schwankung der Hauttemperatur der Fußsohle die Fußsensibilität signifikant beeinflusst, wobei die Erwärmung der Haut eine Zunahme der Fußsensibilität verursacht und die Abkühlung eine Abnahme der Fußsensibilität hervorruft. Die Ergebnisse der zweiten Studie demonstrieren, dass die im Unterschenkel hervorgerufene Ischämie eine Verschlechterung der Fußsensibilität verursacht, insbesondere bei den Messungen der Hochdruckbedingung (150 mmHG). Die Daten der dritten Studie weisen darauf hin, dass der Einfluss vom Schuhwerk auf die Vibrationssensibilität des plantaren Fußes frequenzabhängig ist. Bei einer Vibrationsfrequenz von 30Hz ist die Sensibilität barfuss besser als die mit Schuhen gemessene Vibrationssensibilität. Hingegen ist bei einer Frequenz von 200 Hz die mit Schuhen gemessenen Sensibilität besser als die Sensibilität barfuss. Anhand der Ergebnisse der drei Studien konnte festgestellt werden, dass die Temperatur der Fußsohle, Blutfluss im Fußbereich und Schuhwerk einen signifikanten Einfluss auf die plantare Vibrationssensibilität gesunder Probanden haben. Daraus folgen wichtige Hinweise für zukünftige klinische- sowie bewegungsorientierte Forschung. Der Einfluss der drei analysierten Parameter sollte künftig bei der Beurteilung sensorischer Daten mit einbezogen werden. Dies würde zum einem eine Standardisierung der Messverfahren gewährleisten, zum anderen die Qualität der im klinischen Bereich gemessenen Daten erhöhen. Im Rahmen bewegungsorientierter Forschung soll die Wichtigkeit der Fußsensibilität bei der Durchführung unterschiedlicher Bewegungsformen, auch sportlicher Bewegung, näher untersucht werden. Weiterhin sollte eine gemeinsame Analyse der bewegungsbezogenen Änderungen der Hauttemperatur bzw. des Blutflusses im Fußbereich in künftiger Forschung angestrebt werden. Folglich können diese Änderungen in die Entwicklung funktionellen Schuhwerkes eingesetzt werden, um den Anforderungen der Fußsensibilität bei unterschiedlichen Bewegungsformen möglichst gerecht zu werden.

Background: The foot has to fulfil important and complex functions which are, in most regions of the world, supported by shoes. The interface of feet and footwear has often been considered with respect to comfort and function but also to negative effects of shoes. One main contribution to the improvement of footwear fit is provided by matching the shape of the shoe to the shape of the foot. However, current approaches for implementation only include static information. There is still a lack of dynamic information about foot morphology and deformation. Recent advancements in scanner technology allow capturing the foot during natural walking. These advancements and the development of a dynamic foot scanner system (DynaScan4D) are preconditions for this thesis. The research question is: How does foot morphology differ between static and dynamic situations? This question is further specified toward three hypotheses by findings and deficits of the current state of research. The examination of the three hypotheses and their contribution to the research question are topic of this thesis. Furthermore, the findings are combined with comprehensive knowledge of the literature to formulate recommendations for last and footwear construction. Methods: The three hypotheses (H1, H2, H3) are evaluated within three research articles. The first research article aims to identify the differences in dynamic foot morphology according to age, gender, and body mass (H1). The plantar dynamic foot morphology of 129 adults is recorded and analysed by two statistical methods: (1) comparison of matched groups and (2) multiple linear regression analysis. The second and third research article is dealing with differences between static and dynamic foot morphology in developing feet (H2) and their inter-individual differences (H3). For this reason, a large sample of 2554 children, aged between 6 and 16 years, is analysed. Foot measures, corresponding to last measures, are used to identify the differences between static and dynamic foot morphology (H2) by Student's t-test for paired samples. The influences of gender, age, and body mass (H3) are analysed within the whole sample by multiple linear regression analysis and within matched groups by Student's t-test for independent samples. Results: There are differences in dynamic foot morphology according to age, gender, and body mass in adults which confirm H1. In general, the differences are rather small. Furthermore, the differences must be considered in a more differentiated way, as they are not consistent regarding all plantar foot measures. H2 is confirmed as there are statistically signiffcant differences between static and dynamic foot morphology in developing feet. Theses differences are found for all foot measures. However, the magnitude of these differences varies depending on each foot measure. Relevant differences, in particular the forefoot width and midfoot girth measures as well as the angles of the forefoot, must be considered for footwear construction. Influences of gender, age, and body mass are found for the dynamic foot morphology and the differences between static and dynamic foot morphology of developing feet. Thus, H3 is verified. However, these findings are small, especially considering the high variance within each foot measure. The variables gender, age, and body mass cannot appropriately explain the variance of the differences between static and dynamic foot morphology. Thus, the customization of footwear to dynamic foot morphology can be conducted without individual adjustments to gender, age, or body mass. Conclusion: This thesis presents different aspects to answer the question of differences between static and dynamic foot morphology. The findings of this thesis are critically discussed and recommendations for improvements of dynamic fit of footwear are formulated, taking into account the current state of research as well as practical aspects. The findings of the thesis contribute to the field of fundamental research, i.e. to broaden the knowledge about three-dimensional characteristics of dynamic foot morphology. Furthermore, this thesis can help to improve the fit of footwear and thus contributes to applied research in the field of footwear science. / Hintergrund: Der Fuß erfüllt wichtige und komplexe Funktionen, die in den meisten Regionen der Welt, durch Schuhe unterstützt werden. Die Berührungspunkte zwischen Schuhen und Füßen wurden im Hinblick auf komfortable und funktionelle Schuhe, aber auch hinsichtlich negativer Effekte von Schuhen, häufig betrachtet. Ein wesentlicher Beitrag zur Verbesserung der Passform von Schuhen liefert die Annäherung der Schuhform an die Fußform. Jedoch beschränken sich bisherige Umsetzungsansätze auf statische Informationen. Bislang fehlen umfangreiche dynamische Informationen zur Fußgestalt und Verformung. Erst aktuelle Fortschritte der Scanner-Technologie ermöglichen es, den Fuß während des natürlichen Gehens zu erfassen. Diese Fortschritte und die Entwicklung eines dynamischen Fuß-Scanner-Systems (DynaScan4D), stellen die Grundlage für diese Dissertation dar. Die Forschungsfrage ist: Wie unterscheidet sich die statische Fußgestalt von der dynamischen? Mit der Aufarbeitung von Ergebnissen und Defiziten aktueller Forschungsarbeiten wird diese Frage durch die Formulierung von drei Hypothesen weiter spezifiziert. Diese drei Hypothesen, sowie deren Beitrag zur Forschungsfrage, sind Thema dieser Dissertation. Darüber hinaus wird umfassendes Wissen aus der Literatur verwendet um Empfehlungen für die Konstruktion von Schuhen zu geben. Methoden: Die drei Hypothesen (H1, H2, H3) werden in drei wissenschaftlichen Veröffentlichungen untersucht. Die erste Veröffentlichung zielt darauf ab, die Unterschiede zwischen der dynamischen Fußgestalt in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und Körpermasse zu ermitteln (H1). Die plantare dynamische Fußgestalt von 129 Erwachsenen wird hierzu erfasst und durch zwei statistische Verfahren analysiert: (1) Vergleich von gepaarten Probandengruppen und (2) multiple lineare Regressionsanalyse. Die zweite und dritte Hypothese befassen sich mit den Unterschieden der statischen und dynamischen Fußgestalt bei heranreifenden Füßen (H2) und deren inter-individuellen Unterschieden (H3). Aus diesem Grund wird eine große Stichprobe mit 2554 Kindern im Alter zwischen 6 und 16 Jahren untersucht. Fußmaße, die den Maßen im Leistenbau entsprechen, werden verwendet um die Unterschiede zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt (H2) durch einen gepaarten Student's t-Test zu identifizieren. Der Einfluss des Geschlechtes, des Alters und der Körpermasse (H3) werden in der gesamten Stichprobe durch eine multiple lineare Regressionsanalyse und innerhalb gepaarter Probandengruppen durch Student's t-Test für unabhängige Stichproben untersucht. Ergebnisse: Es gibt Unterschiede in der dynamischen Fußgestalt von Erwachsenen, beeinflusst durch Alter, Geschlecht und Körpermasse, welche die Verifizierung von H1 erlauben. Im Allgemeinen sind diese Unterschiede jedoch gering. Die ermittelten Unterschiede müssen differenziert betrachtet werden, da sie nicht konsistent in Bezug auf die gesamte plantare Fußgestalt auftreten. H2 kann verifiziert werden, da es zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt von heranreifenden Kindern statistisch signifikante Unterschiede gibt. Diese Unterschiede wurden bei allen Fußmaßen gefunden, wobei das Außmaß dieser Unterschiede in Abhängigkeit vom jeweiligen Fußmaß variiert. Relevante Unterschiede, insbesondere Breitenmaße und Winkelmaße des Vorfußes sowie Umfangsmaße des Mittelfußes, müssen bei der Konstruktion von Schuhen berücksichtigt werden. Es zeigen sich Einflüsse von Geschlecht, Alter und Körpermasse auf die dynamische Fußgestalt sowie auf die Differenzen zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt. Somit ist H3 verifiziert. Jedoch sind diese Einflüsse gering, besonders wenn die Varianz innerhalb der Fußmaße betrachtet wird. Die Variablen Alter, Geschlecht und Körpermasse können die Varianz der Differenzen zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt nicht angemessen erklären. Damit kann die Anpassung an die dynamische Fußgestalt ohne eine Individualisierung hinsichtlich Alter, Geschlecht oder Körpermasse vollzogen werden. Schlussfolgerungen: Die vorliegende Dissertation stellt unterschiedliche Aspekte zur Beantwortung der Frage, welche Unterschiede zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt bestehen, vor. Die Ergebnisse der Arbeit werden kritisch diskutiert und es werden, unter Berücksichtigung des aktuellen Forschungsstandes sowie praktischer Aspekte, Empfehlungen zur Optimierung der dynamischen Passform von Schuhen gegeben. Die Ergebnisse der Dissertation liefern einen Beitrag zur Grundlagenforschung, insbesondere durch die Erweiterung des Wissensstands der dreidimensionalen Eigenschaften der dynamischen Fußgestalt. Darüber hinaus kann diese Arbeit helfen die dynamische Passform von Schuhen zu verbessern und trägt damit zur angewandten Schuhforschung bei.

The central integration of sensory information provided by various afferent receptors is required to control human movement. Although the function of individual afferent receptors is known, the complexity and interactivity of afferent information remains unclear, especially in scenarios which involve the reduction of information provided by one or more afferent receptors. Reduced plantar sensitivity is commonly associated with postural instability, which occurs in ageing, peripheral neuropathies, and other neurological disorders like Parkinson's disease. Although there has been a great advance in understanding afferent inputs during recent years, the role of afferent information in controlling movement is still unclear. Therefore, the aim of the present thesis is to investigate the effects of reduced plantar sensitivity on quasi-static and dynamic balance control, as well as muscle reflexes. The current thesis is comprised of five experiments. Two experiments were designed as preliminary investigations, while the remaining three experiments addressed the main questions of this thesis. The first experiment investigated a basic question about subjective foot sensitivity (vibration perception) measured in two different body positions: standing and sitting. Results of Experiment I showed no differences of vibration perception between both measured conditions. Therefore, comparing data from plantar sensitivity vibration tests performed during sitting and during standing (e.g. balance) is feasible. In Experiment II, the role of afferent information from plantar mechanoreceptors on quasi-static balance was investigated using two different cooling procedures: a permanently cooling thermal platform and conventional ice pads. COP total excursions, plantar temperatures, and scores of a Visual Analogue Scale (VAS) regarding subjective pain were analyzed. Experiment II demonstrated that constant and controllable cooling via the thermal platform is the superior approach with respect to subjective pain (VAS) and to reach and maintain the desired temperature throughout the trials. Furthermore, only cooling via the thermal platform induced postural instability, revealed by increased COP values. This instability was expected due to reduced plantar input, indicating no compensation by other sensory systems. Experiment III focused on the inter- and intraday- reliability of dynamic balance responses using the Posturomed device. Generally good relative and absolute reliability were found for COP excursions. This outcome was fundamental to proceed with dynamic balance measurements using the same setup. Subsequently, effects of reduced plantar cutaneous inputs via cooling on anticipatory and compensatory balance responses (unexpected perturbations) were explored in Experiment IV. COP and EMG data were used to analyze anticipatory and compensatory balance responses. No differences in COP or EMG parameters were found for the anticipatory responses after hyper-thermia, while decreased values for compensatory balance responses were observed in response to cooling. This was interpreted as a kind of overcompensatory behavior of the central nervous system (CNS) due to more cautious behavior induced after plantar cooling. Finally, the question regarding the interaction between afferent receptors arose in Experiment V, in which the effects of reduced plantar temperatures on the Achilles tendon stretch reflex and plantar flexion were examined. Short latency responses and maximal force of plantar flexion were analyzed. Cooling resulted in decreased amplitudes of short latencies, as well as in delays in time to maximal force of plantar flexion. These findings suggest that plantar inputs participate complementarily in the Achilles stretch reflex. Collectively, the current thesis contributes to understanding how plantar receptors are involved in movement control; not only do they seem to work as independent contributors, but they also appear to interact with other afferent receptors. Furthermore, an important outcome is that the reduced plantar inputs seem to induce different alterations in the organization of CNS inputs and outputs, according to different balance tasks: quasi-static responses, anticipatory responses, and compensatory responses. For the future, the use of other methods like microneurography and electroencephalography could be helpful to gain even more understanding of afferent interactions during the control of movements. Similar protocols may also be implemented in other populations, such as elderly people or patients suffering from neurological disorders, who exhibit continued decline or degeneration of sensory receptors. / Die zentrale Integration von sensorischen Informationen, die aus verschiedenen afferenten Rezeptoren zur Verfügung gestellt werden, ist erforderlich, um die menschliche Bewegung zu steuern. Obwohl die Funktion der einzelnen afferenten Rezeptoren bekannt ist, bleibt die Komplexität und Interaktivität von afferenten Information unklar, insbesondere in Szenarien, in denen die Verminderung von Informationen aus einem oder mehreren afferenten Rezeptoren eintritt. Reduzierte plantare Sensibilität wird häufig im Zusammenhang mit Haltungsinstabilität verbunden. Dies tritt häufig während des Alterns ein, bei peripheren Neuropathien und anderen neurologischen Erkrankungen, wie etwa bei der Parkinson-Krankheit. Obwohl es in den vergangen Jahren große Entwicklungen was das Verständnis afferenter Inputs gab, ist die Rolle afferenter Information bei der Bewegungskontrolle immer noch unklar. Daher ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, den Einfluss der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität auf das quasi-statische und dynamische Gleichgewicht, sowie auf den Reflex der Achillessehne, zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation ist dazu aus fünf Untersuchungen aufgebaut. Zwei Untersuchungen werden als Voruntersuchungen präsentiert, während die übrigen drei Untersuchungen auf die Kernfragen dieser Doktorarbeit gerichtet sind. Die erste Untersuchung beschäftigt sich mit der grundlegenden Fragestellung bzgl. der subjektiven Fußsensibilität (Vibrationswahrnehmung), die in zwei verschiedenen Körperpositionen gemessen wurde: Im Stehen und im Sitzen. Ergebnisse aus Untersuchung I zeigten keine Unterschiede der Vibrationswahrnehmung zwischen den beiden Körperpositionen. Daher ist es möglich, Vergleiche zwischen Daten aus plantaren Vibrationswahrnehmungstests während des Sitzens und des Stehens (z.B. bei Gleichgewichtstests) durchzuführen. In Untersuchung II wurde die Rolle afferenter Informationen plantarer Mechanorezeptoren auf das quasi-statische Gleichgewicht mittels zwei unterschiedlicher Abkühlverfahren untersucht: eine permanente Abkühlung durch eine thermische Plattform und konventionelle Eis-Pads. Es wurden der COP Gesamtweg, plantar Temperaturen und eine visuelle Analogskala (VAS) in Bezug auf subjektive Schmerzen analysiert. Untersuchung II hat gezeigt, dass eine konstante und steuerbare Abkühlung über die thermische Plattform der überlegene Ansatz in Bezug auf subjektiven Schmerz (VAS) und bzgl. des Erreichens und Erhaltens einer gewünschten Temperatur innerhalb der Messungen ist. Weiterhin wurde nur durch die Abkühlung mittels thermischer Plattform eine posturale Instabilität induziert, evident durch erhöhte COP Gesamtwege. Diese Instabilität wurde aufgrund der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität erwartet, was auf eine fehlende Kompensation durch andere Sinnessysteme hinzuweisen scheint. In Untersuchung III lag der Fokus auf der inter- und intra-Tag-Reliabilität dynamischer Gleichgewichtsantworten mittels des Posturomed-Trainingsgerätes. Im Allgemeinen wurden eine gute relative und absolute Reliabilität der COP Gesamtwege ermittelt. Dieses Ergebnis war von grundlegender Bedeutung, um die Nutzung des gleichen Setups für die folgenden dynamischen Gleichgewichtsmessungen (Untersuchung IV) zu ermöglichen. Anschließend wurden die Effekte einer Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität mittels Abkühlung auf antizipatorische und kompensatorische Antworten des dynamischen Gleichgewichts (anhand unerwarteter Störungen des Gleichgewichts) in Untersuchung IV erforscht. COP und EMG Daten wurden verwendet, um die antizipatorischen und kompensatorischen Antworten des Gleichgewichts zu analysieren. Nach der Abkühlung wurden bzgl. antizipatorischer Antworten keine Unterschiede in den COP und EMG Parametern gefunden. Im Hinblick auf kompensatorische Antworten zeigten sich reduzierte COP und EMG als Reaktion auf die Abkühlung. Dies wurde wie folgt interpretiert: aufgrund eines vorsichtigen Verhaltens, ausgelöst durch die verminderten sensorischen Inputs infolge der Abkühlung, kam es zu einer Art „Überkompensierungsverhalten“ des zentralen Nervensystems (ZNS). Schließlich stellte sich die Frage der Interaktion afferenter Rezeptoren in Untersuchung V, in welcher die Effekte reduzierter plantarer Temperaturen auf den Achillessehnen-Dehnungsreflex und die Plantarflexion untersucht wurden. Kurze Latenz Antworten (short latency responses) und die maximale Kraft der Plantarflexion wurden dabei analysiert. Die Abkühlung führte zu einer verminderten Amplitude der short latency responses sowie zu Verzögerungen der Zeit bis zur maximalen Kraft der Plantarflexion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass plantare Inputs in komplementärer Weise am Achillessehnen-Dehnungsreflex beteiligt sind. Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass die vorliegende Arbeit zum Verständnis beiträgt, wie plantare Rezeptoren an der Bewegungssteuerung beteiligt sind. Es scheint, dass diese nicht nur in unabhängiger Form zur Bewegungssteuerung beitragen, sondern dabei auch mit anderen afferenten Rezeptoren interagieren. Darüber hinaus ist ein wichtiges Resultat, dass die reduzierten plantaren Inputs scheinbar verschiedene Änderungen in der Organisation von Ein- und Ausgängen im ZNS induzieren. Dies erfolgt anhand unterschiedlicher Anforderungen an das Gleichgewicht: quasi-statische Antworten, antizipatorische Antworten und kompensatorischen Antworten. Für die Zukunft könnte die Implementierung anderer Methoden, wie Mikroneurographie und Elektroenzephalographie, hilfreich sein, um noch mehr Verständnis bezüglich afferenter Interaktionen während der Kontrolle von Bewegungen erlangen zu können. Ähnliche Protokolle könnten auch in anderen Populationen durchgeführt werden, wie ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die einen kontinuierlichen Rückgang oder Degenerationen sensorischer Rezeptoren zeigen.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erfassung kindlicher Fußformtypen anhand ihrer morphologischen Struktur. Vor dem Hintergrund der beträchtlichen Variabilität kindlicher Füße liegt das Erkenntnisinteresse insbesondere in der Erarbeitung eines Typisierungsansatzes, mit dem die kindliche Fußvielfalt in einem geordneten und vereinfachenden System gefasst werden kann. Ziel ist es, daraus ableitend, Informationen über die Entwicklung der kindlichen Fußform sowie über Verhältnisse des Fußwachstums bereitzustellen (klinisch-orthopädisch orientierte Typologie). Neben dem Alter der Kinder, werden das Geschlecht und der Body Mass Index (BMI) als weitere Einflussfaktoren mitberücksichtigt. Im Weiteren wird dieser Typisierungsansatz im Hinblick auf eine für den Schuhbau umsetzbare Typologie modifiziert (schuhspezifischen Typologie). Zur Konstruktion der Typen dienen clusteranalytische Verfahren. Als Resultat der differenzierten – klinisch-orthopädisch orientierten – Typenbildung können fünf verschiedene Fußtypen identifiziert werden: flacher, schlanker, kräftiger, kurzer und langer Fußtyp. Hinsichtlich des Vorkommens der fünf Typen zeigen sich signifikante Zusammenhänge bezüglich des Alters, Geschlechts und BMI. Im Rahmen der schuhspezifischen Typologie können drei Typen, auf der Grundlage von fünf für den Schuhbau relevanten Merkmalen (Ballenlänge, -winkel, -breite, Spannhöhe und Fersenbreite) generiert werden. Die Betrachtung der drei Typen über alle Schuhgrößen zeigt – analog zur Altersverteilung der differenzierten Typologie – eine größenabhängige Verteilung im Sinne eines Proportionswandels der kindlichen Fußdimensionen. Um den alters- bzw. schuhgrößenspezifischen Proportionen der kindlichen Fußform gerecht zu werden, wird eine stratifizierte Analyse in drei Schuhgrößenblöcken angeschlossen. Im Ergebnis führt dies zu einer drei (Schuhgrößenblöcke) x drei (Typen)-Clusterlösung. Durch diese neun verschiedenen Typen wird die große Variabilität der Fußmaße auf der einen Seite sowie das Wachstum des Kinderfußes – im Sinne des Proportionswandels – auf der anderen Seite, als Grundlage für ein neues Kinderschuh-System berücksichtigt. Dadurch hebt sich das neue System deutlich von bisherigen Konzepten ab, indem die Gestaltunterschiede des Fußes im Sinne eines (mehrdimensionalen) Typisierungsmodells umfassender erfasst werden können. / The object of the present study is to distinguish foot shape types in children based on their morphology. Because of the great amount of variability of children’s feet, a new approach of typifying has been developed to capture the variability of the feet in a structured and simplified model. The aim of this is to gain information about the development of children’s foot shape and the change in proportions throughout childhood (clinical-orthopaedic oriented typology). In addition to the age of the children, gender and Body Mass Index (BMI) are considered. Subsequently, this approach is modified to a typology which is practical for shoe construction (shoe specific typology). Foot types are generated using cluster analysis techniques. As a result of the clinical-orthopaedic oriented typology, five different foot types could be identified: flat, slender, robust, short and long. There are statistically significant differences in the prevalence of the five foot types regarding age, gender and BMI of the children. In the context of the shoe specific typology, three foot types could be identified which are based on five relevant foot measures used in shoe construction (ball-of-foot length, angle, and width, dorsal arch height, heel width). Foot dimensions change their proportions throughout the course of the different shoe sizes as children's feet grow - analogous to the age-related changes of the clinical-orthopaedic oriented typology. Therefore, a stratified analysis for each of the three different foot size sectors will be done to allow for the age and size related change of proportions. Based on the results of this analysis, a three (shoe size sectors) by three (types) cluster solution was generated. These nine foot types are the basis for a new approach for constructing children’s shoes, which allows for the great variability of the foot measures on the one hand, as well as the change of proportions throughout childhood on the other. Thus, this new approach contrasts with previous approaches by gathering the differences in foot shape in terms of a (multidimensional) typing model in a comprehensive way.

The human foot has been accepted over the years as an important source of afferent input, used not only in the recognition of the surrounding environment (e.g. hard and soft surfaces), but also in the fine regulation of common daily-live movements (e.g. gait and balance control). The performance of these movements is usually accompanied by fluctuations in foot skin temperature as well as reciprocal blood flow changes at the foot area. Moreover, both variables are likely to be affected by footwear usage. Although these three factors are constantly present during the performance of daily live movements, only little and partially controversial information regarding the effects of foot skin temperature, blood flow at the foot area and footwear on foot sensitivity can be found in the literature. Therefore, the goal of the thesis was to investigate the effects of foot skin temperature, blood flow at the foot area and footwear on plantar foot vibration sensitivity of healthy young subjects. Three single studies were performed in order to investigate each variable separately. The first study investigated the influence of foot sole skin temperature on plantar foot sensitivity of 40 healthy subjects. Vibration thresholds were measured at 200Hz at a initial baseline temperature and after cooling/warming the foot skin 5-6 °C. The second study investigated the influence of short-time lower leg ischemia on plantar foot vibration sensitivity of 39 young adults. Lower leg ischemia was evoked with a pneumatic tourniquet, placed about 10cm above the popliteus cavity. Vibration thresholds were measured at 200 Hz in three different cuff pressure conditions: baseline (0 mmHg), low (50 mmHg) and high (150 mmHg). Finally, the influence of footwear on foot sensitivity was investigated in the third study, using specific Formula 1 shoes. Twenty-five male subjects participated in the study. Plantar foot vibration thresholds were measured at 30 and 200 Hz in five different foot/shoe conditions (barefoot and four shoe conditions). In all studies, vibration thresholds were measured at three anatomical locations of the plantar foot: heel, first metatarsal head (MET I) and hallux. The main results of the three studies show that the analysed variables significantly influence plantar foot vibration sensitivity. Data from the first study show that 5-6 °C alterations in foot skin temperature significantly influence the foot sensitivity of healthy young adults, whereby skin cooling results in reduced foot sensitivity, whereas skin warming improves plantar foot vibration sensitivity. The results of the second study indicate that short-time lower leg ischemia; especially regarding the high cuff pressure condition (150 mmhg), significantly reduces plantar foot sensitivity. Data from the third study show that the footwear effects on foot sensitivity are frequency-dependent. While barefoot sensitivity is better than shod sensitivity at 30Hz, shod sensitivity is better than barefoot sensitivity when measured at 200Hz. In conclusion, foot sole skin temperature, blood flow at the foot area and footwear significantly influence the plantar foot vibration sensitivity of healthy young adults. The alterations in foot sensitivity caused by these variables have important consequences for future clinical as well as movement-related research. Future clinical applications of quantitative sensory testing should consider the influence of these three factors during the assessment of sensory data, in order to standardize the measurement procedures as well as to enhance the quality of the collected data. Regarding the movement-related research, further studies should try to identify the importance of foot sensitivity for the performance of different types of movements (including sport-related activities). Additionally, the combined effects of movement-related changes in foot skin temperature and blood flow should be analysed and integrated in the development process of functional footwear, which is able to fulffill the foot sensitivity requirements of different movements. / Die Rolle des menschlichen Fußes als wichtiger „Mediator“ sensorischer Reize wird zunehmen in der Literatur akzeptiert. Die vom Fuß aufgenommenen afferenten Informationen werden im Zentralen Nervensystem integriert und weitergeleitet, um die Regulation typischer Bewegungsmuster (z.B. Gang und Gleichgewichtskontrolle) mitzusteuern. Während der Durchführung derartiger Bewegungen werden oftmals Änderungen der Hauttemperatur oder auch des Blutflusses im Fußbereich provoziert. Diese werden wiederum durch das Tragen von Schuhen beeinflusst. Obwohl Hauttemperatur, Blutfluss im Fußbereich und Schuhwerk wichtige Faktoren bei der Bewegungsdurchführung darstellen, können nur wenige und teilweise konträre Informationen über den Einfluss dieser Faktoren auf die Fußsensibilität in der Literatur gefunden werden. Somit hat diese Dissertation zum Ziel, den Einfluss der Temperatur der Fußsohle, des Blutflusses am Fußbereich sowie des Schuhwerkes auf die Vibrationssensibilität des plantaren Fußes gesunder Probanden zu untersuchen. Um den Einfluss der einzelnen Parameter auf die Fußsensibilität untersuchen zu können, wurden drei Studien durchgeführt. Die erste Studie hatte zum Ziel, den Einfluss der Temperatur der Fußsohle auf die Vibrationssensibilität von 40 Probanden zu untersuchen. Dabei wurden die Vibrationsschwellen, - mit einer Frequenz von 200 Hz -, bei einer Ausgangsmessung sowie nach einer 5-6 °C Abkühlung/Erwärmung der Haut der Fußsohle gemessen. In der zweiten Studie wurde der Einfluss einer Kurzzeitischämie des Unterschenkels auf die plantare Fußsensibilität von 39 Probanden getestet. Die Ischämie im Unterschenkel wurde mit Hilfe eines im Bereich der fossa popliteal platzierten pneumatischen Tourniquets hervorgerufen. Die plantaren Vibrationsschwellen wurden mit einer Frequenz von 200Hz in drei verschiedenen Druckbedingungen ermittelt: Ausgang (0 mmHg), niedrig (50 mmHg) und hoch (150 mmHg). Schließlich beschäftigt sich die dritte Studie mit dem Einfluss vom Schuhwerk auf die Fußsensibilität. Fünfundzwanzig Probanden haben an der Studie teilgenommen. Die Vibrationsschwellen wurden mit Frequenzen von 30 und 200 Hz bei fünf verschiedenen Bedingungen gemessen (eine Barfuss- und vier Schuhbedingungen). In allen Studien wurden die Vibrationsschwellen im plantaren Fußbereich unter der Ferse, dem Metatarsalkopf I sowie unter dem Hallux ermittelt. Die Ergebnisse der drei Studien zeigen, dass die analysierten Parameter einen signifikanten Einfluss auf die plantare Vibrationssensibilität der Probanden haben. Die erste Studie zeigt, dass eine 5-6° C - Schwankung der Hauttemperatur der Fußsohle die Fußsensibilität signifikant beeinflusst, wobei die Erwärmung der Haut eine Zunahme der Fußsensibilität verursacht und die Abkühlung eine Abnahme der Fußsensibilität hervorruft. Die Ergebnisse der zweiten Studie demonstrieren, dass die im Unterschenkel hervorgerufene Ischämie eine Verschlechterung der Fußsensibilität verursacht, insbesondere bei den Messungen der Hochdruckbedingung (150 mmHG). Die Daten der dritten Studie weisen darauf hin, dass der Einfluss vom Schuhwerk auf die Vibrationssensibilität des plantaren Fußes frequenzabhängig ist. Bei einer Vibrationsfrequenz von 30Hz ist die Sensibilität barfuss besser als die mit Schuhen gemessene Vibrationssensibilität. Hingegen ist bei einer Frequenz von 200 Hz die mit Schuhen gemessenen Sensibilität besser als die Sensibilität barfuss. Anhand der Ergebnisse der drei Studien konnte festgestellt werden, dass die Temperatur der Fußsohle, Blutfluss im Fußbereich und Schuhwerk einen signifikanten Einfluss auf die plantare Vibrationssensibilität gesunder Probanden haben. Daraus folgen wichtige Hinweise für zukünftige klinische- sowie bewegungsorientierte Forschung. Der Einfluss der drei analysierten Parameter sollte künftig bei der Beurteilung sensorischer Daten mit einbezogen werden. Dies würde zum einem eine Standardisierung der Messverfahren gewährleisten, zum anderen die Qualität der im klinischen Bereich gemessenen Daten erhöhen. Im Rahmen bewegungsorientierter Forschung soll die Wichtigkeit der Fußsensibilität bei der Durchführung unterschiedlicher Bewegungsformen, auch sportlicher Bewegung, näher untersucht werden. Weiterhin sollte eine gemeinsame Analyse der bewegungsbezogenen Änderungen der Hauttemperatur bzw. des Blutflusses im Fußbereich in künftiger Forschung angestrebt werden. Folglich können diese Änderungen in die Entwicklung funktionellen Schuhwerkes eingesetzt werden, um den Anforderungen der Fußsensibilität bei unterschiedlichen Bewegungsformen möglichst gerecht zu werden.

The central integration of sensory information provided by various afferent receptors is required to control human movement. Although the function of individual afferent receptors is known, the complexity and interactivity of afferent information remains unclear, especially in scenarios which involve the reduction of information provided by one or more afferent receptors. Reduced plantar sensitivity is commonly associated with postural instability, which occurs in ageing, peripheral neuropathies, and other neurological disorders like Parkinson's disease. Although there has been a great advance in understanding afferent inputs during recent years, the role of afferent information in controlling movement is still unclear. Therefore, the aim of the present thesis is to investigate the effects of reduced plantar sensitivity on quasi-static and dynamic balance control, as well as muscle reflexes. The current thesis is comprised of five experiments. Two experiments were designed as preliminary investigations, while the remaining three experiments addressed the main questions of this thesis. The first experiment investigated a basic question about subjective foot sensitivity (vibration perception) measured in two different body positions: standing and sitting. Results of Experiment I showed no differences of vibration perception between both measured conditions. Therefore, comparing data from plantar sensitivity vibration tests performed during sitting and during standing (e.g. balance) is feasible. In Experiment II, the role of afferent information from plantar mechanoreceptors on quasi-static balance was investigated using two different cooling procedures: a permanently cooling thermal platform and conventional ice pads. COP total excursions, plantar temperatures, and scores of a Visual Analogue Scale (VAS) regarding subjective pain were analyzed. Experiment II demonstrated that constant and controllable cooling via the thermal platform is the superior approach with respect to subjective pain (VAS) and to reach and maintain the desired temperature throughout the trials. Furthermore, only cooling via the thermal platform induced postural instability, revealed by increased COP values. This instability was expected due to reduced plantar input, indicating no compensation by other sensory systems. Experiment III focused on the inter- and intraday- reliability of dynamic balance responses using the Posturomed device. Generally good relative and absolute reliability were found for COP excursions. This outcome was fundamental to proceed with dynamic balance measurements using the same setup. Subsequently, effects of reduced plantar cutaneous inputs via cooling on anticipatory and compensatory balance responses (unexpected perturbations) were explored in Experiment IV. COP and EMG data were used to analyze anticipatory and compensatory balance responses. No differences in COP or EMG parameters were found for the anticipatory responses after hyper-thermia, while decreased values for compensatory balance responses were observed in response to cooling. This was interpreted as a kind of overcompensatory behavior of the central nervous system (CNS) due to more cautious behavior induced after plantar cooling. Finally, the question regarding the interaction between afferent receptors arose in Experiment V, in which the effects of reduced plantar temperatures on the Achilles tendon stretch reflex and plantar flexion were examined. Short latency responses and maximal force of plantar flexion were analyzed. Cooling resulted in decreased amplitudes of short latencies, as well as in delays in time to maximal force of plantar flexion. These findings suggest that plantar inputs participate complementarily in the Achilles stretch reflex. Collectively, the current thesis contributes to understanding how plantar receptors are involved in movement control; not only do they seem to work as independent contributors, but they also appear to interact with other afferent receptors. Furthermore, an important outcome is that the reduced plantar inputs seem to induce different alterations in the organization of CNS inputs and outputs, according to different balance tasks: quasi-static responses, anticipatory responses, and compensatory responses. For the future, the use of other methods like microneurography and electroencephalography could be helpful to gain even more understanding of afferent interactions during the control of movements. Similar protocols may also be implemented in other populations, such as elderly people or patients suffering from neurological disorders, who exhibit continued decline or degeneration of sensory receptors. / Die zentrale Integration von sensorischen Informationen, die aus verschiedenen afferenten Rezeptoren zur Verfügung gestellt werden, ist erforderlich, um die menschliche Bewegung zu steuern. Obwohl die Funktion der einzelnen afferenten Rezeptoren bekannt ist, bleibt die Komplexität und Interaktivität von afferenten Information unklar, insbesondere in Szenarien, in denen die Verminderung von Informationen aus einem oder mehreren afferenten Rezeptoren eintritt. Reduzierte plantare Sensibilität wird häufig im Zusammenhang mit Haltungsinstabilität verbunden. Dies tritt häufig während des Alterns ein, bei peripheren Neuropathien und anderen neurologischen Erkrankungen, wie etwa bei der Parkinson-Krankheit. Obwohl es in den vergangen Jahren große Entwicklungen was das Verständnis afferenter Inputs gab, ist die Rolle afferenter Information bei der Bewegungskontrolle immer noch unklar. Daher ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, den Einfluss der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität auf das quasi-statische und dynamische Gleichgewicht, sowie auf den Reflex der Achillessehne, zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation ist dazu aus fünf Untersuchungen aufgebaut. Zwei Untersuchungen werden als Voruntersuchungen präsentiert, während die übrigen drei Untersuchungen auf die Kernfragen dieser Doktorarbeit gerichtet sind. Die erste Untersuchung beschäftigt sich mit der grundlegenden Fragestellung bzgl. der subjektiven Fußsensibilität (Vibrationswahrnehmung), die in zwei verschiedenen Körperpositionen gemessen wurde: Im Stehen und im Sitzen. Ergebnisse aus Untersuchung I zeigten keine Unterschiede der Vibrationswahrnehmung zwischen den beiden Körperpositionen. Daher ist es möglich, Vergleiche zwischen Daten aus plantaren Vibrationswahrnehmungstests während des Sitzens und des Stehens (z.B. bei Gleichgewichtstests) durchzuführen. In Untersuchung II wurde die Rolle afferenter Informationen plantarer Mechanorezeptoren auf das quasi-statische Gleichgewicht mittels zwei unterschiedlicher Abkühlverfahren untersucht: eine permanente Abkühlung durch eine thermische Plattform und konventionelle Eis-Pads. Es wurden der COP Gesamtweg, plantar Temperaturen und eine visuelle Analogskala (VAS) in Bezug auf subjektive Schmerzen analysiert. Untersuchung II hat gezeigt, dass eine konstante und steuerbare Abkühlung über die thermische Plattform der überlegene Ansatz in Bezug auf subjektiven Schmerz (VAS) und bzgl. des Erreichens und Erhaltens einer gewünschten Temperatur innerhalb der Messungen ist. Weiterhin wurde nur durch die Abkühlung mittels thermischer Plattform eine posturale Instabilität induziert, evident durch erhöhte COP Gesamtwege. Diese Instabilität wurde aufgrund der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität erwartet, was auf eine fehlende Kompensation durch andere Sinnessysteme hinzuweisen scheint. In Untersuchung III lag der Fokus auf der inter- und intra-Tag-Reliabilität dynamischer Gleichgewichtsantworten mittels des Posturomed-Trainingsgerätes. Im Allgemeinen wurden eine gute relative und absolute Reliabilität der COP Gesamtwege ermittelt. Dieses Ergebnis war von grundlegender Bedeutung, um die Nutzung des gleichen Setups für die folgenden dynamischen Gleichgewichtsmessungen (Untersuchung IV) zu ermöglichen. Anschließend wurden die Effekte einer Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität mittels Abkühlung auf antizipatorische und kompensatorische Antworten des dynamischen Gleichgewichts (anhand unerwarteter Störungen des Gleichgewichts) in Untersuchung IV erforscht. COP und EMG Daten wurden verwendet, um die antizipatorischen und kompensatorischen Antworten des Gleichgewichts zu analysieren. Nach der Abkühlung wurden bzgl. antizipatorischer Antworten keine Unterschiede in den COP und EMG Parametern gefunden. Im Hinblick auf kompensatorische Antworten zeigten sich reduzierte COP und EMG als Reaktion auf die Abkühlung. Dies wurde wie folgt interpretiert: aufgrund eines vorsichtigen Verhaltens, ausgelöst durch die verminderten sensorischen Inputs infolge der Abkühlung, kam es zu einer Art „Überkompensierungsverhalten“ des zentralen Nervensystems (ZNS). Schließlich stellte sich die Frage der Interaktion afferenter Rezeptoren in Untersuchung V, in welcher die Effekte reduzierter plantarer Temperaturen auf den Achillessehnen-Dehnungsreflex und die Plantarflexion untersucht wurden. Kurze Latenz Antworten (short latency responses) und die maximale Kraft der Plantarflexion wurden dabei analysiert. Die Abkühlung führte zu einer verminderten Amplitude der short latency responses sowie zu Verzögerungen der Zeit bis zur maximalen Kraft der Plantarflexion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass plantare Inputs in komplementärer Weise am Achillessehnen-Dehnungsreflex beteiligt sind. Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass die vorliegende Arbeit zum Verständnis beiträgt, wie plantare Rezeptoren an der Bewegungssteuerung beteiligt sind. Es scheint, dass diese nicht nur in unabhängiger Form zur Bewegungssteuerung beitragen, sondern dabei auch mit anderen afferenten Rezeptoren interagieren. Darüber hinaus ist ein wichtiges Resultat, dass die reduzierten plantaren Inputs scheinbar verschiedene Änderungen in der Organisation von Ein- und Ausgängen im ZNS induzieren. Dies erfolgt anhand unterschiedlicher Anforderungen an das Gleichgewicht: quasi-statische Antworten, antizipatorische Antworten und kompensatorischen Antworten. Für die Zukunft könnte die Implementierung anderer Methoden, wie Mikroneurographie und Elektroenzephalographie, hilfreich sein, um noch mehr Verständnis bezüglich afferenter Interaktionen während der Kontrolle von Bewegungen erlangen zu können. Ähnliche Protokolle könnten auch in anderen Populationen durchgeführt werden, wie ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die einen kontinuierlichen Rückgang oder Degenerationen sensorischer Rezeptoren zeigen.

The work presented in this paper aims at developing a hydraulic actuation system for an ankle exoskeleton that is able to deliver a peak power of 250 W, with a maximum torque of 90 N.m and maximum speed of 320 deg/s. After justifying the choice of a servo hydraulic actuator (SHA) over an electro hydrostatic actuator (EHA) for the targeted application, some test results of a first functional prototype are presented. The closed-loop unloaded displacement frequency response of the prototype shows a bandwidth ranging from 5 Hz to 8 Hz for displacement amplitudes between +/-5mm and +/- 20mm, thus demonstrating adequate dynamic performance for normal walking speed. Then, a detailed design is proposed as a combination of commercially available components (in particular a miniature servo valve and a membrane accumulator) and a custom aluminium manifold that incorporates the hydraulic cylinder. The actuator design achieves a total weight of 1.0 kg worn at the ankle.

Background: The foot has to fulfil important and complex functions which are, in most regions of the world, supported by shoes. The interface of feet and footwear has often been considered with respect to comfort and function but also to negative effects of shoes. One main contribution to the improvement of footwear fit is provided by matching the shape of the shoe to the shape of the foot. However, current approaches for implementation only include static information. There is still a lack of dynamic information about foot morphology and deformation. Recent advancements in scanner technology allow capturing the foot during natural walking. These advancements and the development of a dynamic foot scanner system (DynaScan4D) are preconditions for this thesis. The research question is: How does foot morphology differ between static and dynamic situations? This question is further specified toward three hypotheses by findings and deficits of the current state of research. The examination of the three hypotheses and their contribution to the research question are topic of this thesis. Furthermore, the findings are combined with comprehensive knowledge of the literature to formulate recommendations for last and footwear construction. Methods: The three hypotheses (H1, H2, H3) are evaluated within three research articles. The first research article aims to identify the differences in dynamic foot morphology according to age, gender, and body mass (H1). The plantar dynamic foot morphology of 129 adults is recorded and analysed by two statistical methods: (1) comparison of matched groups and (2) multiple linear regression analysis. The second and third research article is dealing with differences between static and dynamic foot morphology in developing feet (H2) and their inter-individual differences (H3). For this reason, a large sample of 2554 children, aged between 6 and 16 years, is analysed. Foot measures, corresponding to last measures, are used to identify the differences between static and dynamic foot morphology (H2) by Student's t-test for paired samples. The influences of gender, age, and body mass (H3) are analysed within the whole sample by multiple linear regression analysis and within matched groups by Student's t-test for independent samples. Results: There are differences in dynamic foot morphology according to age, gender, and body mass in adults which confirm H1. In general, the differences are rather small. Furthermore, the differences must be considered in a more differentiated way, as they are not consistent regarding all plantar foot measures. H2 is confirmed as there are statistically signiffcant differences between static and dynamic foot morphology in developing feet. Theses differences are found for all foot measures. However, the magnitude of these differences varies depending on each foot measure. Relevant differences, in particular the forefoot width and midfoot girth measures as well as the angles of the forefoot, must be considered for footwear construction. Influences of gender, age, and body mass are found for the dynamic foot morphology and the differences between static and dynamic foot morphology of developing feet. Thus, H3 is verified. However, these findings are small, especially considering the high variance within each foot measure. The variables gender, age, and body mass cannot appropriately explain the variance of the differences between static and dynamic foot morphology. Thus, the customization of footwear to dynamic foot morphology can be conducted without individual adjustments to gender, age, or body mass. Conclusion: This thesis presents different aspects to answer the question of differences between static and dynamic foot morphology. The findings of this thesis are critically discussed and recommendations for improvements of dynamic fit of footwear are formulated, taking into account the current state of research as well as practical aspects. The findings of the thesis contribute to the field of fundamental research, i.e. to broaden the knowledge about three-dimensional characteristics of dynamic foot morphology. Furthermore, this thesis can help to improve the fit of footwear and thus contributes to applied research in the field of footwear science. / Hintergrund: Der Fuß erfüllt wichtige und komplexe Funktionen, die in den meisten Regionen der Welt, durch Schuhe unterstützt werden. Die Berührungspunkte zwischen Schuhen und Füßen wurden im Hinblick auf komfortable und funktionelle Schuhe, aber auch hinsichtlich negativer Effekte von Schuhen, häufig betrachtet. Ein wesentlicher Beitrag zur Verbesserung der Passform von Schuhen liefert die Annäherung der Schuhform an die Fußform. Jedoch beschränken sich bisherige Umsetzungsansätze auf statische Informationen. Bislang fehlen umfangreiche dynamische Informationen zur Fußgestalt und Verformung. Erst aktuelle Fortschritte der Scanner-Technologie ermöglichen es, den Fuß während des natürlichen Gehens zu erfassen. Diese Fortschritte und die Entwicklung eines dynamischen Fuß-Scanner-Systems (DynaScan4D), stellen die Grundlage für diese Dissertation dar. Die Forschungsfrage ist: Wie unterscheidet sich die statische Fußgestalt von der dynamischen? Mit der Aufarbeitung von Ergebnissen und Defiziten aktueller Forschungsarbeiten wird diese Frage durch die Formulierung von drei Hypothesen weiter spezifiziert. Diese drei Hypothesen, sowie deren Beitrag zur Forschungsfrage, sind Thema dieser Dissertation. Darüber hinaus wird umfassendes Wissen aus der Literatur verwendet um Empfehlungen für die Konstruktion von Schuhen zu geben. Methoden: Die drei Hypothesen (H1, H2, H3) werden in drei wissenschaftlichen Veröffentlichungen untersucht. Die erste Veröffentlichung zielt darauf ab, die Unterschiede zwischen der dynamischen Fußgestalt in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und Körpermasse zu ermitteln (H1). Die plantare dynamische Fußgestalt von 129 Erwachsenen wird hierzu erfasst und durch zwei statistische Verfahren analysiert: (1) Vergleich von gepaarten Probandengruppen und (2) multiple lineare Regressionsanalyse. Die zweite und dritte Hypothese befassen sich mit den Unterschieden der statischen und dynamischen Fußgestalt bei heranreifenden Füßen (H2) und deren inter-individuellen Unterschieden (H3). Aus diesem Grund wird eine große Stichprobe mit 2554 Kindern im Alter zwischen 6 und 16 Jahren untersucht. Fußmaße, die den Maßen im Leistenbau entsprechen, werden verwendet um die Unterschiede zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt (H2) durch einen gepaarten Student's t-Test zu identifizieren. Der Einfluss des Geschlechtes, des Alters und der Körpermasse (H3) werden in der gesamten Stichprobe durch eine multiple lineare Regressionsanalyse und innerhalb gepaarter Probandengruppen durch Student's t-Test für unabhängige Stichproben untersucht. Ergebnisse: Es gibt Unterschiede in der dynamischen Fußgestalt von Erwachsenen, beeinflusst durch Alter, Geschlecht und Körpermasse, welche die Verifizierung von H1 erlauben. Im Allgemeinen sind diese Unterschiede jedoch gering. Die ermittelten Unterschiede müssen differenziert betrachtet werden, da sie nicht konsistent in Bezug auf die gesamte plantare Fußgestalt auftreten. H2 kann verifiziert werden, da es zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt von heranreifenden Kindern statistisch signifikante Unterschiede gibt. Diese Unterschiede wurden bei allen Fußmaßen gefunden, wobei das Außmaß dieser Unterschiede in Abhängigkeit vom jeweiligen Fußmaß variiert. Relevante Unterschiede, insbesondere Breitenmaße und Winkelmaße des Vorfußes sowie Umfangsmaße des Mittelfußes, müssen bei der Konstruktion von Schuhen berücksichtigt werden. Es zeigen sich Einflüsse von Geschlecht, Alter und Körpermasse auf die dynamische Fußgestalt sowie auf die Differenzen zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt. Somit ist H3 verifiziert. Jedoch sind diese Einflüsse gering, besonders wenn die Varianz innerhalb der Fußmaße betrachtet wird. Die Variablen Alter, Geschlecht und Körpermasse können die Varianz der Differenzen zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt nicht angemessen erklären. Damit kann die Anpassung an die dynamische Fußgestalt ohne eine Individualisierung hinsichtlich Alter, Geschlecht oder Körpermasse vollzogen werden. Schlussfolgerungen: Die vorliegende Dissertation stellt unterschiedliche Aspekte zur Beantwortung der Frage, welche Unterschiede zwischen der statischen und der dynamischen Fußgestalt bestehen, vor. Die Ergebnisse der Arbeit werden kritisch diskutiert und es werden, unter Berücksichtigung des aktuellen Forschungsstandes sowie praktischer Aspekte, Empfehlungen zur Optimierung der dynamischen Passform von Schuhen gegeben. Die Ergebnisse der Dissertation liefern einen Beitrag zur Grundlagenforschung, insbesondere durch die Erweiterung des Wissensstands der dreidimensionalen Eigenschaften der dynamischen Fußgestalt. Darüber hinaus kann diese Arbeit helfen die dynamische Passform von Schuhen zu verbessern und trägt damit zur angewandten Schuhforschung bei.

Fragestellung: Die Studie soll die Frage klären, ob sich mit der elektronischen plantaren Fußdruckmessung (elektronische plantare Pedobarographie) bei Probanden mit Rheumatoider Arthritis Veränderungen der Druckverteilung an der Fußsohle nachweisen lassen. Obwohl sich Geräte zur elektronischen Fußdruckmessung seit einigen Jahren auf dem Markt befinden, gehört ihr Einsatz bei weitem noch nicht zum Standard bei der Optimierung und Kontrolle der Therapie von Fußerkrankungen. Methode: In dieser Studie werden die statischen und dynamischen Druckverteilungsmuster einer Gruppe von dreiunddreißig Rheumatikern erfasst. Diesen wird eine Vergleichgsgruppe Fußgesunder mit einunddreißig Probanden gegenübergestellt. Die Messung des Plantardruckes erfolgte mit dem elektronischen Parotec(R) – System. Ergebnisse: Die Ergebnisse der statischen Messungen zeigen eine deutliche Tendenz der Rheumatiker zur Ausbildung eines Pes planovalgus. Über eine Quotientenbildung aus zu Sensorgruppen zusammengefasstem Druckarealen können als Spreiz-, Senkfuß- und Valgusindex die entsprechenden pathologischen Veränderungen quantifiziert werden. In der dynamischen Belastung zeigt sich im Längsgewölbebereich eine Annäherung der Plantardrücke beider Gruppen. In der Referenzgruppe treten sogar vereinzelt höhere Mittelwerte auf, als bei den Rheumatikern. Dies wird hauptsächlich durch eine räumliche und zeitliche Modifikation der Gangkinematik durch den Rheumatiker erzielt: ein langsameres Gehen; eine kleinere Schrittlänge; die relative Vergrößerung der plantaren Druckverteilungsfläche durch relativ verkürzte monopedale bzw. verlängerte bipedale Belastung ; eine Modifikation der Abrollbewegung des Rheumatikers mit Reduktion der Belastung in drucksensiblen peripheren, insbesondere distalen Bereichen, vor allem im Bereich des Metatarsalköpfchen I. Folgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass es deutliche Plantardruckunterschiede in beiden Gruppen gibt, mit Tendenz zur aequibaren Plantardruckverteilung des Rheumatikers im Sinne eines Pes planovalgus. Die funktionelle Auswirkung struktureller Veränderungen des rheumatischen Fußes lassen sich mit dem von uns verwendeten Meßsystem quantifizieren. Durch die Quantifizierbarkeit der pathologischen Veränderungen eignet sich dieses Messverfahren zur Optimierung und Kontrolle der operativen und konservativen Therapie nicht nur von rheumatischen Veränderungen des Fußes. / Question: The study shall clarify the question, whether changes of the pressure distribution at the sole of the foot can be verified by means of electronic plantar foot measurement (electronic plantar pedobarography) in probands suffering from rheumatoid arthritis. Although there are devices of electronic foot measurement on the market, the use is not standard yet in view of the optimisation and check of pedopathy therapies. Method: This study includes the static and dynamic pressure distribution patterns of a group of thirty-three rheumatics. A comparing group of thirty-one probands with healthy feet is compared with it. The measuring of the plantar pressure took place by means of the electronic Parotec(R) system. Results: The results of the static measuring turn out a clear tendency of the rheumatics to the formation of pes planovalgus. The appropriate pathologic changes can be quantified as splayfoot, flatfoot, and valgus index by means of a quotient formation of pressure areas combined in sensor groups. In the event of dynamic load, a convergence of the plantar pressures of both groups is noticed in the area of the longitudinal arch of the foot. The reference group even shows isolated higher mean average values compared with the rheumatics. This is mainly obtained by means of a spatial and temporal modification of the rheumatic’s gait kinematics: slower walking; shorter length of stride; relative increase of the plantar pressure distribution area by means of relatively shortened monopedal, resp. lengthened bipedale load; a modification of the rheumatic’s heel-toe walking motion with reduction of the load in peripheral and distal areas in particular that are sensible to pressure, especially within the area of the metatarsal head I. Conclusion: The results turn out that there are clear differences regarding the plantar pressure of both groups with a tendency to aequibar plantar pressure distribution of the rheumatic within the sense of pes planovalgus. The functional effect of structural changes of the rheumatic foot can be quantified by means of our used measuring system. This measurement method also is suitable for the optimisation and check of operative and conservative therapies other than rheumatic changes of the foot because pathologic changes are quantifiable.