Can plantar pressure predict foot motion?

In zijn voortbewegen onderscheidt de mens zich van andere zoogdieren door het gebruik van slechts twee benen. De meest voorkomende vormen van voortbewegen van de mens zijn wandelen, lopen, en sprinten. Het menselijk voortbewegingssyteem is onderhevig aan blessures en afwijkingen die het patroon verstoren van zijn natuurlijke vorm naar een onnatuurlijk, pijnlijk of ine±cient patroon. Hierdoor belemmeren ze de mens in zijn voortbewegen en functioneren. Een verstoring van het voortbewegingssysteem heeft een grote invloed op het indi- vidu, in het bijzonder het beperken van zijn mobiliteit, als mede op de maatschappij, in de vorm van ziektekosten en vermindering van arbeidsproductiviteit. Het moge duidelijk zijn dat er een uitgebreide medische en wetenschappelijke gemeenschap ac- tief is op het gebied van de ganganalyse. Eerst genoemde is het aanspreekpunt voor individuen met letsels of afwijkingen en poogt met een behandelingsplan de verstorin- gen van het systeem op te lossen. Laatst genoemde gemeenschap poogt een beter zicht te krijgen op de gang van de mens door het uitvoeren van onderzoek en exper- imenten. De opgedane kennis wordt op zijn beurt terug gekoppeld naar de medische gemeenschap. Bij het menselijk voortbewegen is de voet de verbinding tussen de omgeving en de zich voortbewegende mens. De voet bestaat uit tenminste 26 botjes en uit een veelvoud aan ligamenten, pezen en spieren. Samen vormen ze ¶e¶en functionele struc- tuur die een aantal functies vervult tijdens de voortbeweging. Bij ¶e¶en voetafwikkeling onderscheiden we vier fases: hielcontact, voorvoet vorming, stand, en propulsie. Tij- dens de eerste fase maakt de voet het eerste contact met de grond en absorbeert het zachte weefsel rond de hiel een deel van de schokgolf die door het contact ontstaat. Deze absorptie is vereist omdat hoger gelegen organen, zoals bijvoorbeeld de hersenen, slecht bestand zijn tegen schokgolven. Tijdens de voetafwikkeling is de kinematica van de voet gericht op een e±cient gebruik van de beweging van de rest van het lichaam. De voet gedraagt zich als een stabiele basis tijdens het middelste gedeelte van voet- grond contact, stand. In de propulsie fase verandert de taak van de voet van een stabiliserend systeem naar een voortstuwingssyteem. Het onderzoek naar het mechanisch gedrag van de voet is een belangrijk onderdeel van de ganganalyse, dat echter pas de laatste decennia de voet als een drie-dimensional segment is gaan beschouwen. Daarv¶o¶or bestond de meetapparatuur die kwantitatieve metingen mogelijk maakte niet. In het onderzoek dat geleid heeft tot dit proefschrift is gebruik gemaakt van een meetopstelling waarin drie typen metingen zijn uitgevoerd: plantaire drukverdelingen, krachten en drie-dimensionale bewegingen van de voet. De doelstelling van het onderzoek is het ontwerpen van een mechanische voetmodel dat de voetbeweging simuleert. Input van het model is data van plantaire drukmetingen uitgevoerd met een drukplaat. Het ontwerp richt zich vooral op de structuren van de voet die het meest bijdragen aan de beweging tijdens voet-grond contact, zoals het hielcomplex, de metatarsale hoofden, en de grote teen. Het onderzoek is gebaseerd op een breed opgezet experiment waaraan 126 in- dividuen hun medewerking hebben verleend. In dit experiment uitgevoerd in het biomechanisch laboratorium van de Vrije Universiteit Brussel is gebruik gemaakt van een bewegingsanalysesysteem, een krachten platform en een drukplaat. Deze meetap- paraten zijn op elkaar afgestemd zowel in tijd als ruimte. Voor zover bekent, is er in het verleden slechts ¶e¶en experiment uitgevoerd en gerapporteerd waarin deze meetap- paraten op elkaar werden afgestemd. Validatie van tijd- en ruimteafstemming komen in ons onderzoek ruim aan bod. Er werd aangetoond dat de afstemming binnen de meetnauwkeurigheid valt van het minst nauwkeurige apparaat. Het bewegingsanalysesysteem heeft 3D-posities bepaald van markers die bevestigd werden op de voet. In totaal is gebruik gemaakt van 12 markers per voet: 4 op de hiel, 3 op de grote teen, en 5 op de metatarsalen. Door deze marker set-up ontstaat een vier segmenten voetmodel. Het krachten platform en de drukplaat leggen grootte en plaats van de drukverdeling tijdens voetafrol vast. Onze populatie van 126 individuen bestond uit 78 mannen en 48 vrouwen met een leeftijdsvariatie van 10jaar tot 72jaar en een gewichtsvariatie van 32kg tot 116.5kg. De leeftijdsgroep tussen 15 en 25 jaar domineerde de populatie. Een belangrijk re- sultaat van het onderzoek is de database waarin de resultaten van de metingen op een gestructureerde wijze zijn weergegeven. Deze database wordt samen met het proefschrift beschikbaar gesteld. Achtereenvolgens is deze database geanalyseerd met betrekking tot de hielbeweging tijdens hielcontact, de bewegingen van de metatarsale hoofden, en de bewegingen in het eerste metatarsofalangaal gewricht. De hiel voert aan het begin van contact tussen voet en grond een rolbeweging uit die stopt ergens tijdens volledig voet contact. Het hielcomplex werd gemodelleerd als een star lichaam met een convexe vorm. De gemeten plantaire drukverdeling onder de hiel beschrijft in het model het contact tussen het rollende stare lichaam en de grond. De rollende beweging van het starre lichaam wordt eenduidig vastgelegd door de hoeksnelheid van het starre lichaam en het contactpad. Voor validatie werd als star lichaam een bol gebruikt. Een bol met een vaste straal van 7cm leidde tot acceptabele resultaten, waarbij het model 75% van de gemeten hielbewegingen verklaart tijdens de initiÄele contact fase. Voor de metatarsale hoofden blijkt beweging in zijwaartse en voor-achterwaartse richting te bestaan. Deze bewegingen zijn klein met betrekking tot de totale voetbe- wegingen. De gebruikte drukplaat kan deze bewegingen van de metatarsale hoofden niet waarnemen omdat de grote van de bewegingen binnen de sensor grootte liggen. In het model is dus aangenomen dat de grootte van de beweging van de metatarsale hoofden verwaarloosbaar is tijdens het grootste deel van contact. Met behulp van de plantaire drukverdeling kan een kromme bepaald worden, de metatarsale boog, waarop de hoofden zich blijvend bevinden. Validatie van de bepaling van de metatarsale boog op basis van drukverdelingen vond plaats met behulp van dezelfde boog maar bepaald op grond van het bewegingsanalysesysteem. Het voorvoetmodel maakt dus gebruik van het concept metatarsale boog. De bewegingsbepalende component van dit model is een gekromde cilinder waarbij de contactkromme met de grond gelijk is aan de metatarsale boog. Rollen rond deze cilinder beschrijft de propulsie fase van voet- contact. Deze beweging kan echter niet rechtstreeks uit de drukverdeling onder de metatarsale hoofden worden afgeleid. Het proefschrift beschrijft enige suggesties hoe deze rolbeweging indirect uit deze drukverdeling zou kunnen worden afgeleid. Een suggestie is deze beweging te bepalen van uit de beweging van het eerste metatarsofalangaal gewricht. In het onderzoek is de relatie tussen 92 druk gerela- teerde variabelen en 30 variabelen van de beweging van het eerste metatarsofalangaal gewricht nagegaan. Met correlaties en regressievergelijkingen is aangetoond dat de °exie/extensie beweging in het gewricht druk gerelateerd is. Het onderzoek dat we met dit proefschrift afsluiten concentreert zich op de vraag of met plantaire drukverdeling het bewegingsverloop van de voet kan worden voorspeld. We menen een bevestigend antwoord te hebben gevonden op de vraag die als titel van dit proefschrift fungeert.