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Biomechanische Optimierung von Gesundheits und Sportschuhen (BiOS)

Die Zahl der Diabetiker betrug im Jahr 2000 weltweit etwa 150 Millionen, diese Zahl wird sich bis 2025 voraussichtlich auf 300 Millionen verdoppeln. Derzeit gibt es allein in Deutschland etwa 10 Millionen Diabetiker, nach Schätzungen wird diese Zahl bis 2010 drastisch ansteigen. Eine hauptsächliche Begleit- und Folgeerkrankung des Typ-2 Diabetes stellt das Diabetische Fußsyndrom (DFS) dar, unter welchem derzeit etwa jeder fünfte Patient leidet. In der Folge müssen bei rund 40% der Betroffenen Zehen- oder Fuß-Amputationen pro Jahr durchgeführt werden, wobei wiederum 50% der Amputierten innerhalb von 2 bis 5 Jahren sterben. In Deutschland werden bereits 20% aller Ausgaben der gesetzlichen Krankenversicherungen für die Behandlung des Diabetes und seiner Begleit- und Folgeerkrankungen ausgegeben. Diese beliefen sich 2005 auf rund 25 Milliarden Euro und werden bis 2010 auf ca. 40 Milliarden steigen, wovon allein im Rahmen der stationären Aufenthalte bei Amputationen pro Jahr 2 Milliarden Euro anfallen.

Fußläsionen bei Menschen mit Diabetes sind in bis zu 50% der Fälle durch nicht geeignetes Schuhwerk verursacht. Die Versorgung mit Spezialschuhwerk ist bei sogenannten Hochrisiko-Patienten mit ausgeprägter Neuropathie und/oder Angiopathie auch dann notwendig, wenn bisher noch keine Fußläsion aufgetreten ist. Derzeit besteht aber bei Weitem noch kein Konsens über Aufbau und Beschaffenheit für Diabetikerschuhe. Das derzeit angebotene Spezial-Schuhwerk erfüllt die gewünschten Anforderungen noch nicht zufriedenstellend und trägt häufig sogar zur Verschlimmerung bei.

Heutzutage wird auch von niemandem mehr in Frage gestellt, dass nicht nur für Gesunde, sondern gerade auch für Diabetiker Sporttreiben wie Joggen, Walken etc. nicht nur eine optimale Präventivmaßnahme darstellt, sondern gerade auch zur Verbesserung des Krankheitsbildes deutlich beitragen kann. Allerdings sind die Laufsportarten mit einem nicht unerheblichen Verletzungsrisiko in besonderem Maße für Diabetiker am Stütz- und Bewegungsapparat verbunden. So kann beispielsweise bei dem durch Neuropathie bedingten CHARCOT-Fuß das Fußskelett durch monotone Belastungszustände (etwa Joggen) völlig zusammenbrechen. Dementsprechend sind für diese Risikogruppe besondere Laufschuhe zu entwickeln.

Als Hauptkriterium für die Entwicklung von Diabetiker-, Gesundheits- bzw. Laufschuhen dienen derzeit immer noch vor allem die statische und dynamische Gang- und Laufanalyse in Verbindung mit der plantaren Druckmessung, welche Auskunft über die jeweilige Fußsohlendruckverteilung gibt. Diese Verfahren beschränken sich jedoch auf Messungen von (Kontakt-)Druckspannungen bzw. -kräften in Form von Auflagedruckmessungen mittels Sensormatten oder Druckmeßplatten lediglich zwischen Schuh und Fußsohle, erfassen aber in keiner Weise die innerhalb der (möglicherweise wesentlich gefährdeteren) Weichgeweberegionen des menschlichen Bewegungsapparates (wie insbesondere in Fuß und Bein) tatsächlich auftretenden Spannungen und zwar Druck-, Zug- und Scherspannungen!.

Das Ziel des geplanten Vorhabens besteht deshalb in einem völlig neuen Ansatz, in welchem relevante Weichgewebeanteile im unteren Stütz- und Bewegungsapparat eine zentrale Stellung sowohl in der Ursachenklärung als auch der Prävention einnehmen sollen. Mit Hilfe eines neu entwickelten, auf bildgebenden Methoden (MRT) und CAD-Technologien (3D-Rekonstruktion) sowie der inversen Finite Elemente Methode (iFEM)) basierenden Verfahrens sollen mittels realitätsnaher Computersimulationen die interagierenden mechanischen Spannungen beim Abrollvorgang zwischen Fuß und Schuh bzw. Fuß/Schuh und Unterlage in tieferen Gewebeschichten bis hin zum Knochen dreidimensional dargestellt und verfolgt werden. Die mittels MRT erstellten in vivo-Datensätze menschlicher Körperregionen (Fuß und ggf. Unterschenkel) sollen am Rechner mit Datensätzen des jeweiligen Schuhsystems in Kontakt gebracht und nicht nur die Druck- und Zugspannungen, sondern auch die vermutlich viel gefährlicheren Scherspannungen in den gefährdeten Fettgewebe-Muskel-Verbünden sowie beispielsweise in der Achillessehne berechnet und simuliert werden. Eine Kopplung dieses Verfahrens mit der Methode der Mehrkörpersysteme (MKS) ermöglicht dann im Rahmen einer finalen Simulation mittels des komplexen FEM-MKS-Tools eine adäquate Analyse der auf Basis des Zusammenspiels mehrerer beteiligter Körperregionen (etwa Fuß bis Oberschenkel) entstehenden Abrolldynamik.

Mit Hilfe dieses komplexen Berechnungs- und Simulationstools sollen zunächst ausgehend von Spezialschuhwerk für Diabetiker die Einflüsse der Struktur- und Materialeigenschaften von Einlege- und Zwischensohlen sowie der Schuhform auf das Abrollverhalten und insbesondere auch die mechanischen Interaktionen zwischen Fuß, Einlege- und Zwischensohlen unter Berücksichtigung der inneren Spannungs- und Verformungsfelder sämtlicher beteiligter anatomischen Strukturen aufgedeckt werden. Finale Berechnungen und Simulationen des Gesamtsystems Fuß/Schuh bzw. Fuß/Schuh/Unterlage sollen schließlich Kriterien für eine biomechanische bzw. sportmedizinische Optimierung von Einlegesohlenmaterialien und -geometrien, Dämpfungsstrukturen sowie optimale Platzierungen von funktionellen Zwischensohlenelementen (wie etwa Pronationsstützen, Torsionselementen, Flexkerben etc.) für optimale Laufschuhe vor dem Hintergrund reduzierter (Sport-)Verletzungen und einer maximalen Prävention ermöglichen.

Die Ergebnisse sollen dann auf Sportschuhe für andere gesundheitsgefährdete Personengruppen, etwa solche mit Adipositas sowie auch für Gesunde übertragen werden.