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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.

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.

In children, joint hypermobility (typified by structural instability of joints) manifests clinically as neuro-muscular and musculo-skeletal conditions and conditions associated with development and organization of control of posture and gait (Finkelstein, 1916; Jahss, 1919; Sobel, 1926; Larsson, Mudholkar, Baum and Srivastava, 1995; Murray and Woo, 2001; Hakim and Grahame, 2003; Adib, Davies, Grahame, Woo and Murray, 2005:). The process of control of the relative proportions of joint mobility and stability, whilst maintaining equilibrium in standing posture and gait, is dependent upon the complex interrelationship between skeletal, muscular and neurological function (Massion, 1998; Gurfinkel, Ivanenko, Levik and Babakova, 1995; Shumway-Cook and Woollacott, 1995). The efficiency of this relies upon the integrity of neuro-muscular and musculo-skeletal components (ligaments, muscles, nerves), and the Central Nervous System’s capacity to interpret, process and integrate sensory information from visual, vestibular and proprioceptive sources (Crotts, Thompson, Nahom, Ryan and Newton, 1996; Riemann, Guskiewicz and Shields, 1999; Schmitz and Arnold, 1998) and development and incorporation of this into a representational scheme (postural reference frame) of body orientation with respect to internal and external environments (Gurfinkel et al., 1995; Roll and Roll, 1988). Sensory information from the base of support (feet) makes significant contribution to the development of reference frameworks (Kavounoudias, Roll and Roll, 1998). Problems with the structure and/ or function of any one, or combination of these components or systems, may result in partial loss of equilibrium and, therefore ineffectiveness or significant reduction in the capacity to interact with the environment, which may result in disability and/ or injury (Crotts et al., 1996; Rozzi, Lephart, Sterner and Kuligowski, 1999b). Whilst literature focusing upon clinical associations between joint hypermobility and conditions requiring therapeutic intervention has been abundant (Crego and Ford, 1952; Powell and Cantab, 1983; Dockery, in Jay, 1999; Grahame, 1971; Childs, 1986; Barton, Bird, Lindsay, Newton and Wright, 1995a; Rozzi, et al., 1999b; Kerr, Macmillan, Uttley and Luqmani, 2000; Grahame, 2001), there has been a deficit in controlled studies in which the neuro-muscular and musculo-skeletal characteristics of children with joint hypermobility have been quantified and considered within the context of organization of postural control in standing balance and gait. This was the aim of this project, undertaken as three studies. The major study (Study One) compared the fundamental neuro-muscular and musculo-skeletal characteristics of 15 children with joint hypermobility, and 15 age (8 and 9 years), gender, height and weight matched non-hypermobile controls. Significant differences were identified between previously undiagnosed hypermobile (n=15) and non-hypermobile children (n=15) in passive joint ranges of motion of the lower limbs and lumbar spine, muscle tone of the lower leg and foot, barefoot CoP displacement and in parameters of barefoot gait. Clinically relevant differences were also noted in barefoot single leg balance time. There were no differences between groups in isometric muscle strength in ankle dorsiflexion, knee flexion or extension. The second comparative study investigated foot morphology in non-weight bearing and weight bearing load conditions of the same children with and without joint hypermobility using three dimensional images (plaster casts) of their feet. The preliminary phase of this study evaluated the casting technique against direct measures of foot length, forefoot width, RCSP and forefoot to rearfoot angle. Results indicated accurate representation of elementary foot morphology within the plaster images. The comparative study examined the between and within group differences in measures of foot length and width, and in measures above the support surface (heel inclination angle, forefoot to rearfoot angle, normalized arch height, height of the widest point of the heel) in the two load conditions. Results of measures from plaster images identified that hypermobile children have different barefoot weight bearing foot morphology above the support surface than non-hypermobile children, despite no differences in measures of foot length or width. Based upon the differences in components of control of posture and gait in the hypermobile group, identified in Study One and Study Two, the final study (Study Three), using the same subjects, tested the immediate effect of specifically designed custom-made foot orthoses upon balance and gait of hypermobile children. The design of the orthoses was evaluated against the direct measures and the measures from plaster images of the feet. This ascertained the differences in morphology of the modified casts used to mould the orthoses and the original image of the foot. The orthoses were fitted into standardized running shoes. The effect of the shoe alone was tested upon the non-hypermobile children as the non-therapeutic equivalent condition. Immediate improvement in balance was noted in single leg stance and CoP displacement in the hypermobile group together with significant immediate improvement in the percentage of gait phases and in the percentage of the gait cycle at which maximum plantar flexion of the ankle occurred in gait. The neuro-muscular and musculo-skeletal characteristics of children with joint hypermobility are different from those of non-hypermobile children. The Beighton, Solomon and Soskolne (1973) screening criteria successfully classified joint hypermobility in children. As a result of this study joint hypermobility has been identified as a variable which must be controlled in studies of foot morphology and function in children. The outcomes of this study provide a basis upon which to further explore the association between joint hypermobility and neuro-muscular and musculo-skeletal conditions, and, have relevance for the physical education of children with joint hypermobility, for footwear and orthotic design processes, and, in particular, for clinical identification and treatment of children with joint hypermobility.