Methoden der Vermessung und Auswertung von Fußprofilen zur optimalen Erstellung und Anpassung von Fußbekleidung

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  3

2  Grundlagen der Füße und Fußbekleidungen  5

2.1  Anatomie und Physiologie des Fußes  6

2.2  Fußdeformationen  9

2.2.1  Normalfuß  9

2.2.2  Spreizfuß  9

2.2.3  Knick-Senkfuß  10

2.2.4  Senkfuß  10

2.2.5  Plattfuß  10

2.2.6  Hohlfuß  11

2.3  Dokumentierbarkeit der Untersuchung des Fußes  12

2.4  Fußmessung  14

2.4.1  Eindimensionale Fußmessung  14

2.4.2  Zweidimensionale Fußmessung  14

2.4.3  Dreidimensionale Fußmessung  15

2.5  Der Aufbau der Fußbekleidung  16

2.6  Die richtige Fußbekleidung  18

2.7  Schuhgrößen  19

2.7.1  Das metrische Längenmaß  19

2.7.2  Das französische Längenmaß (deutsche Größen)  20

2.7.3  Das englische Längenmaß  20

2.7.4  Das amerikanische Längenmaß  20

2.7.5  Umrechnung der Kennzeichnungssysteme  20

2.7.6  Schuhweite  21

1

  I n h a l t s v e r z e i c h n i s  

3  Methoden der Vermessung  22

3.1  Überblick  22

3.2  Mechanische Koordinatenmeßsysteme  24

3.3  Messung mit der Laserlinie  25

3.4  Messung mit dem codierten Lichtansatz  26

3.5  Flachbettscanner  27

4  Segmentierung und Merkmalsextraktion  29

4.1  Überblick  29

4.2  Bildanalyse  32

4.3  Bildsegmentierung  33

4.4  Das Verfahren von Otsu  35

4.5  Anwendung der Segmentierung  37

4.6  Merkmalsextraktion  39

4.7  Polares Abstandsmaß  41

4.8  Hauptachsen durch orthogonale Regression  42

4.9  Splinekurven  44

5  Durchführung der Fußtyperkennung und Vermessung  46

5.1  Überblick  46

5.2  Ablauf der Fußtyperkennung  48

5.3  Vermessung von Fußprofilen  51

5.4  Vermessung von Fußbekleidung  56

5.5  Anpassung des Fußes in eine Fußbekleidung  58

6  Implementation  60

6.1  Überblick  60

6.2  Verwaltung der Fußbekleidungen und Füße  61

6.3  Hauptprogramm  65

7  Praxisorientierte Anwendungen  68

7.1  Interaktives Vermessungs- und Anpassungssystem  68

7.2  Automatisches Vermessungs- und Anpassungssystem  71

8  Zusammenfassung und Ausblick  73

  Literaturverzeichnis  75

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Kapitel 1

Einleitung

Faszinierend ist das Gebilde unserer Füße und Beine. Unsere Füße sind die ro- bustesten, aber oft mißhandelten und vernachlässigsten Körperteile, die jeden von uns jährlich um rund 2 Millionen Schritte vorwärts bringen. Glaubt man den medizinischen Statistiken, so haben 70 von 100 Menschen ständig oder zeitweise Fußbeschwerden [Tho90].

Es ist eigentlich unverständlich, daß Menschen sich im Zuge der Schuhmode ihre Füße verdrücken, verbilden, ja zu Millionen regelrecht verkrüppeln. Es ist so, als ob beispielsweise Vögel ihre Flügel mutwillig beschädigen würden. Auch unsere Städte mit ihren Asphalt- und Betonwegen und unsere Häuser mit ihren starren Fußböden sind für unsere Füße nicht geeignet. Durch den ständi- gen Aufprall auf harten Boden vergrößert sich unsere Fußfläche, um dadurch den Druck unseres Körpergewichts sowie den Gegendruck des Bodens besser verteilen zu können.

Um so hoffnungsvoller sind die Zeichen der letzten Jahre, welche eine Trend- wende im Verhalten der Menschen erkennen lassen. Sie haben erkannt, daß ge- sunde Füße und Beine die Basis für Mobilität und Wohlbefinden sind. Natur- und funktionsgerechte Fußbekleidung ist dadurch in den letzten Jahren immer mehr gefragt. Jedoch trifft der Konsument auf der Suche nach einem idealen Schuh auf eine unüberblickbare Auswahl an Modellen und immer agressivere Werbung. Die mehrfach negativen Erfahrungen der Konsumenten mit einem aus den gängigen Sortimenten ausgewählten Artikel hat gerade unter den vor- sichtigen und gesundheitsbewußten Konsumenten dazu geführt, daß jeder neue Schuh zunehmend kritisch betrachtet wird.

Um den Konsumenten und das Verkaufspersonal bei der Entscheidung der op- timalen Fußbekleidung objektiv zu unterstützen, wurde das FootPrint System von mir mitentwickelt und programmiert. Dabei wird der Fußumriß auf einem Digitalisiertablett aufgezeichnet und anhand weiterer Kriterien die passenden Schuhe aus einer Datenbank mit gängigen Schuhmodellen ausgewählt.

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Das System FootPrint wird bundesweit in mehreren Intersport-Filialen erfolg- reich eingesetzt. Nach meinem bisherigen Kenntnisstand befinden sich keine vergleichbaren Systeme im Umlauf.

Gegenstand dieser Diplomarbeit ist die Weiterentwicklung des bestehenden Systems, um die Möglichkeit der automatischen Vermessung der Füße und Be- stimmung des Fußtyps. Der Einsatz eines Flachbettscanner ermöglicht ein Bild in digitaler Form von der Fußunterseite. Durch Segmentierung der Bilddaten und weiterer Verfahren der Bildverarbeitung werden der Fußumriß und der Fußtyp bestimmt. Die Resultate aus der Fußumriß- und der Fußtypanalyse flie- ßen in die Minimierung der Probleme bei der Schuhauswahl.

Die Arbeit gliedert sich nun wie folgt: Kapitel 2 beinhaltet neben einer Einfüh- rung in die Anatomie und Physiologie des Fußes ein Überblick über die Fußde- formationen und Fußvermessung. Außerdem wird der Aufbau einer Fußbe- kleidung erklärt und die internationalen Kennzeichnungssysteme vorgestellt. Kapitel 3 gibt einen Überblick über die verschiedenen Methoden der Vermes- sung. In Kapitel 4 werden die verwendeten Verfahren der Bildverarbeitung vorgestellt. Kapitel 5 behandelt die Fußtyperkennung, Vermessung und Anpas- sung von Füßen in Fußbekleidungen auf Basis der in Kapitel 4 erzielten Resul- tate. Einige Aspekte der Implementierung werden in Kapitel 6 beschrieben. In Kapitel 7 werden praxisorientierte Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt. Ab- schließend werden die Ergebnisse der verwendeten Verfahren in einer Zusam- menfassung beschrieben.

Kapitel 2

Grundlagen der Füße und Fußbekleidungen

Obwohl die Füße ein scheinbar unbedeutender Teil unseres Körpers sind, kön- nen sie, wenn sie gesund sind, Basis für Mobilität und Wohlbefinden sein. Die Füße sind Schwerarbeiter, tragen unser Körpergewicht, sind Fortbewegungs- mittel auf Stein, Asphalt und Beton und werden Opfer der Schuhmode [Ar89].

Um paßgerechte Schuhe herzustellen, die den Durchschnittsmaßen des norma- len menschlichen Fußes entsprechen, erfordert die Gestaltung und Konstrukti- on solcher Schuhe Verständnis über den Aufbau und Funktionen des menschli- chen Fußes. Gleiches gilt auch für einen Schuhverkäufer, soweit er seine Kun- den einwandfrei bedienen und sachverständig beraten möchte.

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2.1 Anatomie und Physiologie des Fußes

Durch ein abgestimmtes Zusammenspiel starrer Skelettelemente, straffer Band- verbindungen und aktiver Muskelzüge können die hohen Forderungen von stabilem Halt, elastischer Anpassung und kraftvoller Bewegungsfunktion er- füllt werden.

Das Fußskelett besteht aus 26 Knochen zuzüglich zwei Sesambeinchen und gliedert sich in die Fußwurzel, den Mittelfuß und den Vorfuß. Der hintere Teil des Fußskeletts, die Fußwurzel, setzt sich zusammen aus dem Sprungbein, dem Fersenbein, dem Kahnbein, dem Würfelbein und den drei Keilbeinen. Der Mit- telfuß setzt sich aus den fünf Mittelfußknochen zusammen, die von innen nach außen numeriert sind. Die große Zehe mit zwei und die übrigen vier Zehen mit drei Gliedern bilden den Vorfuß. Diese sind alle miteinander gelenkig verbun- den, wodurch sich der Fuß den Unebenheiten des Bodens gut anpassen kann. Das Knochengerüst des Fußes wird durch Kapseln und Bänder, Sehnen und Muskeln und einer kräftigen Bindegewebsplatte unter der Fußsohle zusam- mengehalten.

Eine Hauptfunktion unseres Bewegungsapparates besteht darin, den aufrecht stehenden Körper gegen die Schwerkraft im Gleichgewicht zu halten. Dabei liegt das Lot aus dem Körperschwerpunkt bei stabilem Gleichgewicht innerhalb der Standfläche.

Für eine Körperlastaufnahme am Boden ergeben sich Fersen-, Großzehenballen- und Kleinzehenballenbereich als drei besondere Kontaktbereiche an jedem Fuß. Auf diesen drei Hauptbelastungspunkten, dem Fersenbein sowie den Mittel-

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fußköpfchen des ersten und des fünften Strahles am Fuß, stehen das mediale und das laterale Längsgewölbe und das vordere Quergewölbe.

Mittels dieser erstaunlichen Konstruktion kann der gesunde Fuß nicht wackeln und gewährleistet somit einen elastischen Auftritt. Bei einer Verschiebung der drei Hauptbelastungspunkte wird der statische Aufbau von Fuß, Bein, Hüfte und Wirbelsäule negativ beeinflußt.

Jedoch wird durch Absatzhöhen der Schuhe die Lastaufnahme im stabilen Rückfußbereich verringert und im Ballenbereich vermehrt. Eine Vielzahl der orthopädischen Probleme ist deshalb statischer Natur und tritt vor allem bei Muskelschwächen, Deformitäten, Fehlstellungen und Koordinationsstörungen auf.

Die mediale Längswölbung ist der Schlüssel zur Statik des Fußes und bildet bei einem normalen Fuß einen leicht geschwungenen Bogen. Bei Absinken der me- dialen Längswölbung entsteht der Senk-Plattfuß, bei Überhöhung entsteht der Hohlfuß und bei Abflachen der Querwölbung entsteht der Spreizfuß.

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Die Fußsohle kann genau an diesen drei Hauptbelastungspunkten Druck ertra- gen, außerhalb verursacht es Schmerzen, Druckstellen und Schwielen.

Die zur Verfügung stehende Belastungsfläche, an der Sohle eines gesunden, funktionstüchtigen Fußes, wird beim Manne mit etwa 120 cm 2 , bei der Frau mit etwa 90 cm 2 und beim Kind zu Beginn des Laufalters mit etwa 25 cm 2 angege- ben. Bei der Köperlastaufnahme werden die Fußteile nicht gleichmäßig bean- sprucht und verteilen sich zu 33% auf die Ferse, zu 15% auf den Fußrand, zu 40% auf den Ballenbereich, zu 5% auf die Großzehe und 7% auf die restlichen Zehen verteilt [Mar65]. Infolgedessen wird zwischen dem Tragteil (Fersen- und Sprungbein), dem Stützteil (Mittelfußknochen) und einem verbindenden Feder- teil (Kahnbein, Würfelbein und die drei Keilbeine) unterschieden.

In der Annahme, die Belastungsebene eines kranken Fußes auf die eines gesun- den Fußes überzuführen, erlangen diese Verhältnisse bei vielen Belastungsde- formitäten und bei technischer Versorgung größte Bedeutung [Mün83].

Während der Abrollbewegungung beim Gehen wird die Fußsohle nicht ganz- flächig belastet. Der Fuß berührt zuerst mit der Ferse den Boden, rollt über den Außenrand der Fußsohle bis zum Kleinzehenballen und von dort über den Großzehenballen ab. Durch den Vorfuß, überwiegend mit der Großzehe, wird das Körpergewicht vom Boden abgestoßen. Das Körpergewicht wird beim Ge-

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hen abwechselnd von einem Fuß auf den anderen übertragen.

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2.2 Fußdeformationen

Bei jedem Menschen sind die Füße in der Länge, Breite und Form sehr unter- schiedlich, jedoch überwiegend gesund. Zusätzlich zu den vielfältigen, markan- ten Fußtypen existieren deformierte Füße. Das sind angeborene oder krankhafte Verformungen des Fußskeletts, die durch ein Nachlassen der Haltekräfte der Bänder und Muskeln entstanden sind. Häufig wird es durch die Last des Kör- pergewichtes und den Druck kleiner oder ungeeigneter Schuhe, die eine de- formierende Kraft auf den Fuß ausüben, hervorgerufen. Normalerweise kann der Fuß diesen Kräften widerstehen, jedoch bei ständigem Übergewicht oder Modeschuhen, gibt der Fuß mit der Zeit nach.

2.2.1 Normalfuß

Der Fuß weist eine doppelte Gewölbekonstruktion auf. Im Bereich der Mittel- fußköpfchen befindet sich das Quergewölbe, zwischen den Mittelfußköpfchen und dem Fersenbein das Längsgewölbe, das innen höher ausgebildet ist als am äußeren Fußrand. Die Hauptbelastungspunkte des Fußes sind die Köpfchen des

1. und 5. Mittelfußknochens sowie das Fersenbein. Außerdem ist ein Fuß so

lange als normal anzusehen, als er seine Aufgabe ohne Beschwerden erfüllt.

2.2.2 Spreizfuß

Der Spreizfuß in Kombination mit dem Senkfuß ist die häufigste, schmerzhafte Deformation des Fußes. Das Quergewölbe ist abgeflacht, die Mittelfußköpchen des 2., 3. und 4. Strahls werden unphysiologisch stark belastet; es bilden sich Schwielen.

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2.2.3 Knick-Senkfuß

Bei der Kombination der 2 Deformitäten sind das Längs- und das Quergewölbe abgeflacht. Zwischen Unterschenkel und Ferse existiert eine konkave Krüm- mung zur Körperachse hin, daher tritt der Innenknöchel stärker hervor.

2.2.4 Senkfuß

Das innere Fußlängsgewölbe ist durch Überlastung abgeflacht und das Gefüge der Fußwurzelknochen verändert. Sehr häufig ist der Senkfuß mit dem Knick- fuß kombiniert. Zusätzlich wird oft Spreizfuß beobachtet. Durch die Trittspur ist nur eine verringerte Gewölbezone zu erkennen. Durch die Veränderungen des Fußgerüstes ist der Fuß im ganzen breiter, länger und flacher geworden.

2.2.5 Plattfuß

Wenn bei einem belasteten Fuß das Fußgewölbe ganz abflacht, so wird es Platt- fuß genannt. Die Fußsohle liegt ganz auf und ist das Endstadium eines Senkfu- ßes. Durch den Plattfuß wird der Gang des Menschen unelastisch, schwerfällig und führt zur schnellen Ermüdung der Füße.

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2.2.6 Hohlfuß

Das Fußlängsgewölbe ist verstärkt. Durch den hohen Rist ist die Versorgung mit herkömmlichen Schuhwerk erschwert. Zusätzlich findet man häufig eine Steilstellung der Mittelfußknochen mit Varus-Stellung der Ferse (konvexe Krümmung zur Körperachse hin) und Krallenzehen (Überstreckung in den Grundgelenken, Beugung in den Mittel- und Endgelenken).

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2.3 Dokumentierbarkeit der Untersuchung des Fußes

Wegen unseres limitierten Formerfassungsvermögens können globale Formva- rianten nur als Gesamteindruck wiedergegeben werden. Deshalb müssen die anfallenden Detailbefunde in geeigneter Form dokumentiert werden.

Durch das Röntgenbild können viele Formabweichungen als ebene Projektion dargestellt werden. Jedoch ist man nur bei bekannter Aufnahmegeometrie in der Lage, Messungen vorzunehmen, um daraus bedingt Auskunft über Form- und Funktionsstörungen eines Fußes zu geben. Auch durch die Fotografie, die nur einen Gesamteindruck vermittelt, werden die aus einer klinischen Untersu- chung ergebenen Aspekte häufig nicht erkennbar.

Derartige Messungen können die klinische Untersuchung nicht ersetzen, aber ergänzen und erleichtern. Durch die klinische Untersuchung kann Auskunft über die Form und Beweglichkeit des belasteten und unbelasteten Fußes unter gleichzeitiger Befragung des Patienten über den Einfluß auf die Leistungsbilanz erhalten werden [HoUh90].

Die einfachste und somit auch die älteste Darstellung der Fußsohle ist der Fuß- abdruck. Durch das Farbabdruckverfahren wird vom belasteten Fuß ein gutes Bild der Trittspur auf Papier wiedergegeben. Die Fußsohlenabdrücke, auch Po- dogramme genannt, geben einen guten Aufschluß über die Form und Belastung des Fußes und sind objektive Dokumente. Objektiv wird über die Trittspur die Längen- und Breitenmaße des unkorrigierten Fußes vermittelt. Die einfache zweidimensionale Fußdarstellung ist in ihrem Genauigkeitswert begrenzt. Bei Bedarf müssen wesentliche Skelettpunkte (Fersenbein, Knöchelspitzen, Navi- culare, Mittelfußköpfchen) und ein angenähertes Höhenprofil in das Maßblatt ergänzt werden.

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Wegen dieser Einschränkungen wird das Farbabdruck-Maßverfahren in der Praxis häufig bei unkompliziert versorgbaren, leichten Fußinsuffizienzen für Einlagenindikation und Fertigung angewendet.

Wertvolle Informationen erhält man aus dem Schwielenbild der Fußsohle und in den Tragspuren der Schuhe. Diese verbergen ein Spiegelbild der Fußbean- spruchung im zeitlichen Längsschnitt. Bei einer Untersuchung erhält man je- doch nur das aktuelle Momentbild der Lastverteilung.

Für Zwecke, die über das praktisch-therapeutische nicht hinausgehen, genügt in der Regel die Inspektion der Fußsohle, wodurch an den Druckschwielen und der Belastungsverteilung eine Fehlbelastung leicht zu erkennen ist [Deb88].

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2.4 Fußmessung

Die Füße werden im belasteten oder unbelasteten Zustand gemessen. Jedoch ist ein objektives Messen mit üblichen Meßverfahren nicht möglich, da am Fuß eindeutig bestimmte Festpunkte fehlen. Hinzu kommt, daß sich der Fuß unter Belastung und während der Funktion unterschiedlich verhält.

Die Fußmessung ist für die Gewährleistung der Paßfähigkeit eines Schuhes we- sentlich. Im Idealfall sollte das Schuhwerk der Form und Funktion des Fußes zugeschnitten sein, ohne seine natürlichen Abrollbewegungen zu beeinträchti- gen. Der Leisten ist bekanntlich für die Schuhherstellung unentbehrlich und ist eine dem durchschnittlichen Fuß nachgebildete Form, über den der Schuh fuß- gerecht geformt wird. Bei der Entwicklung eines Leistens wird die Form über- wiegend von den Fußumfangsmaßen und von der Fußlänge bestimmt [Tho90].

2.4.1 Eindimensionale Fußmessung

Bei diesem einfachen Meßverfahren wird die Fußlänge anhand einer auf die Auftrittsebene projizierte maximale Längenausdehnung des Fußes von der Fer- se bis zur zweiten Zehe ermittelt. Dieses wird überwiegend für die schnelle Anpassung von Schuhwerk angewandt.

2.4.2 Zweidimensionale Fußmessung

Ziel dieser Fußmessung ist der Grundriß vom Fuß. Hierbei wird der auf einem Papierbogen aufliegende Fuß mit einem senkrecht gehaltenen Bleistift umfah- ren um so die Fußumrißzeichnung zu erhalten. Damit sind die Längen- und Breitenverhältnisse festgelegt. Die Fußumrißzeichnung, kombiniert mit der Trittspur, wird in der Praxis häufig angewandt. Dadurch wird ein plastisches Bild von der Fußsohle gewonnen, welches Vorstellungen von den Druckver- hältnissen vermittelt. Aus der Trittspurkopie kann man wichtige Hinweise auf den Zustand des Fußes ablesen.