Der menschliche Gang und damit auch das Abrollverhalten und die Belastungssituation des Fußes wird von einer Vielzahl an extrinsischen und intrinsischen Faktoren beeinflusst. In dieser Arbeit soll der Einfluss des Körpergewichtes, im Speziellen der übermäßigen Körpermasse unter der Krankheit Adipositas sowie der Einfluss der plantaren, kutanen Sensorik auf den menschlichen Gang betrachtet werden. Die starken Auswirkungen von Übergewicht und Adipositas auf das muskuloskelettale System lassen sich vor allem an der hohen Prävalenz von Schmerzen an den unteren Extremitäten festmachen. Besonders häufig treten neben Schmerzen an Hüfte und Knie auch Beschwerden im Bereich des Fußes auf. Die Betrachtung kinetischer Auswirkungen von Übergewicht und Adipositas auf den Bewegungsapparat rückt daher zunehmend in den Fokus der bewegungswissenschaftlichen Forschung. Die aktuelle Studienlage lässt derzeit jedoch keine eindeutigen Schlussfolgerungen zu, in welcher Weise sich Adipositas mit steigendem Schweregrad auf das Gangmuster auswirkt. Besonders im Bereich des Fußes fehlen belastungsrelevante Informationen mit denen das Abrollverhalten des Fußes bestimmt und mögliche Fehlbelastungen erkannt werden können. Zur Behandlung von schweren Graden der Adiposits werden adipositaschirurgische Maßnahmen eingesetzt. Dadurch ist es möglich in kürzester Zeit einen starken Gewichtsverlust hervorzurufen. Unklar ist, ob sich das Gangbild nach einem entsprechenden Gewichtsverlust wieder normalisieren kann und Adaptationsvorgänge nach einem längeren Zeitraum nachweisbar sind. In zwei Studien soll daher das plantare Belastungsmuster unter Adipositas evaluiert werden. In Studie I wird dazu eine Kategorisierung nach dem Schweregrad der Adipositas vorgenommen und das plantare Belastungsmuster der jeweiligen Gruppen gegenüber dem einer normalgewichtigen Gruppe gestellt. Ein besonderes Augenmerk soll hier auf Belastungen im Fersen- und im Mittelfußbereich gelegt werden, da hier Schmerzen am häufigsten auftreten. Der Kenntnisgewinn aus dieser Studie soll vor allem zur theoretischen Herleitung der Entstehungsmuster von Schmerzen im Bereich des Fußes dienen, aber auch typische Gangmuster der einzelnen Adipositas Grade festhalten. In Studie II erfolgt die Betrachtung der plantaren Belastung nach einem adipositaschirurgischen Eingriff. Ziel dieser Studie ist es, Anpassungsprozesse nach einem massiven Gewichtsverlust im Gangverhalten zu bewerten und Faktoren, welche wesentlich zur Veränderung des Gangbildes beitragen, auszumachen. Die Ergebnisse können weiterhin Hinweise auf eine mögliche Notwendigkeit einer bewegungstherapeutischen Begleitung nach einem adipositaschirurgischen Eingriff liefern. Studie III beschäftigt sich mit den Auswirkungen einer Desensibilisierung der plantaren kutanen Sensorik auf das plantare Abrollmuster beim Gehen. Die kutanen Mechanorezeptoren sind wesentlich an der posturalen Kontrolle beim Stehen und bei dynamischen Bewegungsvorgängen beteiligt. Beeinträchtigungen in der Funktionsweise der plantaren kutanen Mechanorezeptoren bspw. in Folge einer diabetischen Polyneuropathie können zu Gangpathologien, einer erhöhten Sturzgefahr oder auch der Entstehung von Druckulzerationen führen. Die Stärke der Beteiligung der plantaren Sensorik am plantaren Belastungmuster ist jedoch nicht ausreichend erschlossen und soll daher in Studie III betrachtet werden.

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.

The raw data related to the second study of this thesis (Chapter 3) is available online in the section of supporting information at https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0232677. These files present the following data: S1 File. The pattern of foot orthosis depression/reformation for healthy subjects during walking with sport versus regular foot orthosis. S2 File. Raw data for the training session of sport foot orthosis. This Excel file consists three sheets in which the position of triad markers, the orientation of triad markers and the position of markers on plantar surface of foot orthosis are provided respectively. S3 File. Raw data for walking with sport foot orthosis. This Excel file consists two sheets in which the position of triad markers and the orientation of triad markers are provided respectively for subject 1. S4 File. The results of each participant during walking with sport foot orthosis. This .mat file includes “DispEachPoint” and “DispEachPointMean” which shows the displacement of each predicted marker on foot orthosis plantar surface during stance phase of walking relative to its corresponding position in static non weight-bearing for each trial and the average of trials respectively. In addition, “loc_stance” and “loc_meanstance” show the location of each predicted marker during stance phase of walking. “peaks” and “peaksMean” represent the minimum (depression) and maximum (reformation) value of displacement during walking S5 File. The results of each participant during walking with regular foot orthosis. This .mat file includes “DispEachPoint” and “DispEachPointMean” which shows the displacement of each predicted marker on foot orthosis plantar surface during stance phase of walking relative to its corresponding position in static non weight-bearing for each trial and the average of trials respectively. In addition, “loc_stance” and “loc_meanstance” show the location of each predicted marker during stance phase of walking. “peaks” and “peaksMean” represent the minimum (depression) and maximum (reformation) value of displacement during walking / Les orthèses plantaires (OP) sont des dispositifs médicaux fréquemment utilisés pour réduire les douleurs et blessures de surutilisation, notamment chez les personnes ayant les pieds plats. Le port d'OP permettrait de corriger les altérations biomécaniques attribuées à la déformation du pied plat, que sont la perte de l’arche longitudinale médiale et la pronation excessive du pied. Cependant, le manque de compréhension de la fonction des OP entraine une grande variabilité des OP prescrites en milieu clinique. L'objectif de cette thèse est d'approfondir les connaissances sur l’effet des OP sur la biomécanique, de quantifier les déformations des OP à la marche et de mettre en relation ces déformations avec la biomécanique du pied. La première étude a évalué la manière dont les différentes conceptions d'OP imposent des modifications dans le mouvement et le chargement appliqué sur le pied. Cet objectif a été atteint grâce à une revue systématique traitant des effets des OP sur la cinématique et la cinétique du membre inférieur pendant la marche chez des personnes ayant des pieds normaux. Les critères d'inclusion ont réduit les études à celles qui ont fait état des résultats pour les géométries les plus fréquentes des OP, à savoir les biseaux, les supports d’arche et les stabilisateurs de talon. La revue a mis en évidence que les orthèses avec un biseau médial peuvent réduire le moment d'éversion de la cheville. Aucune évidence significative n'a été trouvée dans notre méta-analyse sur l'efficacité des orthèses incluant des supports d’arche ou des stabilisateurs de talon. Les différents procédés et matériaux utilisés dans la conception des OP ainsi que les caractéristiques des pieds des participants pourraient expliquer la variabilité retrouvée au regard des effets des OP sur la biomécanique. La deuxième étude a apporté des informations précieuses et inédites sur le comportement dynamique des OP à la marche. La cinématique du contour des OP a été utilisée pour prédire la déformation de leur surface plantaire pendant la marche chez 13 individus ayant des pieds normaux en utilisant un réseau de neurones artificiels. Une erreur moyenne inférieure à 0,6 mm a été obtenue pour nos prédictions. En plus de la précision des prédictions, le modèle a été capable de différencier le patron de déformations pour deux OP de rigidités différentes et entre les participants inclus dans l’étude. Enfin, dans une troisième étude, nous avons identifié la relation entre la déformation des OP personnalisées et la biomécanique du pied à la marche chez 17 personnes avec des pieds plats. L'utilisation de modèles linéaires mixtes a permis d’exprimer les variations de la déformation des OP dans différentes régions en fonction des variables cinématiques du pied et de pressions plantaires. Cette étude a montré que l'interaction pied-OP varie selon les différentes régions de l’OP et les différentes phases du cycle de marche. Ainsi, des lignes directrices préliminaires ont été fournies afin de standardiser et optimiser la conception des OP. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse justifient l'importance d’'intégrer des caractéristiques dynamiques du pied de chaque individu dans la conception d'OP personnalisées. Des études futures pourraient étendre les modèles de prédiction de l'interaction pied-OP en incluant d'autres paramètres biomécaniques tels que les moments articulaires, les activations musculaires et la morphologie du pied. De tels modèles pourraient être utilisés pour développer des fonctions coût pour l'optimisation de la conception des OP par une approche itérative utilisant la simulation par les éléments finis. / Foot orthoses (FOs) are frequently used medical devices to manage overuse injuries and pain in flatfoot individuals. Wearing FOs can result in improving the biomechanical alterations attributed to flatfoot deformity such as the loss of medial longitudinal arch and excessive foot pronation. However, a lack of a clear understanding of the function of FOs contributes to the highly variable FOs prescribed in clinical practice. The objective of this thesis was to deepen the knowledge about the biomechanical outcomes of FOs and to formulate the dynamic behaviour of FOs as a function of foot biomechanics during gait. The primary study investigated how different designs of FOs impose alterations in foot motion and loading. This objective was achieved through a systematic review of all literature reporting the kinematics and kinetics of the lower body during walking with FOs in healthy individuals. The inclusion criteria narrowed the studies to the ones which reported the outcomes for common designs of FOs, namely posting, arch support, and heel support. The review identified some evidence that FOs with medial posting can decrease ankle eversion moment. No significant evidence was found in our meta-analysis for the efficiency of arch supported and heel supported FOs. The findings of this study revealed that differences in FO design and material as well as foot characteristics of participants could explain the variations in biomechanical outcomes of FOs. The second study provided valuable information on the dynamic behaviour of customized FOs. The kinematics of FO contour was used to predict the deformation of FO plantar surface in 13 healthy individuals during walking using an artificial intelligence approach. An average error below 0.6 mm was achieved for our predictions. In addition to the prediction accuracy, the model was capable to differentiate between different rigidities of FOs and between included participants in terms of range and pattern of deformation. Finally, the third study identified the relationship between the deformation of customized FOs and foot biomechanics in 17 flatfoot individuals during walking. The use of linear mixed models made it possible to identify the variables of foot kinematics and region-dependent plantar pressure that could explain the variations in FO deformation. This study showed that the foot-FO interaction changes over different regions of FO and different phases of gait cycle. In addition, some preliminary guidelines were provided to standardize and optimize the design of FOs. Overall, the results of this thesis justify the importance of incorporating the dynamic characteristics of each individual’s foot into the design of customized FOs. Future studies can extend the predictive models for foot-FO interactions by including other determinants of foot biomechanics such as joint moments, muscle activation, and foot morphology. Based on such extended models, the cost functions could be devised for optimizing the designs of customized 3D printed FOs through an iterative approach using finite element modeling.