MÜNCHEN ENTWICKLUNG EINER MESSMETHODE ZUR QUANTIFIZIERUNG DES SCHNALLENSCHLUSSES IN SKISCHUHEN - DGZFP

ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

MÜNCHEN
 Entwicklung einer
 Messmethode zur
 Quantifizierung des
 Schnallenschlusses in
 Skischuhen

 Robin Mautner

 Schule:
 Wener-Heisenberg Gymnasium
 Garching (bei München)

 Jugend forscht 2018

Werner-Heisenberg-Gymnasium Garching

 Forschungsarbeit
 im Rahmen des TUMKollegs 2016/18

 Entwicklung einer Messmethode zur Quantifizierung
 des Schnallenschlusses in Skischuhen

Verfasser: Robin Mautner

Kursleiter: StR Markus Harant

Lehrstuhl: Sportgeräte und Sportmaterialien

Betreuer: Michael Knye

Abgabetermin: 05.12.2017

Abgabe am: 05.12.2017

Punktzahl für die schriftliche Arbeit (einfach): ________

Punktzahl für die Präsentation (einfach): ________

Summe (schriftliche Arbeit x 3 + Präsentation x 1): ________

Endergebnis (Summe : 2): ________

________________________________
Unterschrift des Kursleiters

Erklärung zur Forschungsarbeit

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe
verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe.
Insbesondere versichere ich, dass ich alle wörtlichen und sinngemäßen Übernahmen
aus anderen Werken als solche kenntlich gemacht habe. Dies gilt auch für beigegebene
Zeichnungen, bildliche Darstellungen, Skizzen und dergleichen.

Garching, den _____________________ ______________________________
 Unterschrift

 2

Inhaltsverzeichnis

Erklärung zur Forschungsarbeit
Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 5
2. Definition 7
 2.1. Druck 7
 2.2. Allgemeine Druckmessmethoden 7
3. Prothese 8
4. Bisheriger Forschungsstand 10
 4.1. Flexible Messmatten 10
 4.2. Druckmesssohle 11
 4.3. Druckmessmatten 13
5. Anforderungen 14
6. Vorgehen und Handlungsschwerpunkte 16
7. Mögliche Problemstellungen 17
8. Ermittlung von Lösungsideen 18
 8.1. Schläuche mit druckempfindlichen Kappen einarbeiten 18
 8.2. Aufkleben von Farbfolien auf die Prothese 18
 8.3. Anbringen von FSR-Sensoren 20
 8.4. Druckmessmatten 21
9. Ermittlung von Eigenschaften 22
 9.1. Schläuche mit druckempfindlichen Kappen einarbeiten 22
 9.2. Aufkleben von Farbfolien 23
 9.3. Anbringen von FSR-Sensoren 23
 9.4. Druckmessmatten 25
10. Validierung 26
 10.1. Schläuche mit druckempfindlichen Kappen einarbeiten 26
 10.2. Aufkleben von Farbfolien 26
 10.3. Anbringen von FSR-Sensoren 28
 10.4. Druckmessmatten 28
11. Ziel erreichen 29
 11.1. Testen der FSR-Sensoren 29
 11.1.1. Wiederholbarkeit eines einzelnen Sensors 30
 11.1.2. Vergleich der Sensoren untereinander 31

 3

11.2. Sensorkennlinie 32
 11.3. Versuchsaufbau 34
 11.3.1. Positionierung der Sensoren auf der Prothese 33
 11.4. Schnallenstellung 36
 11.5. Wiederholbarkeit des finalen Setups 36
 11.5.1. Aufbau 36
 11.5.2. Messablauf 37
 11.5.3. Auswertung 38
 11.6. Einstellen der Skischuhe auf eine bestimmte Schuhverteilung 39
 11.6.1. Mittlere Schnallenstellung 39
 11.6.2. Feste Schnallenstellung 41
12. Diskussion 44

Abbildungsverzeichnis 47
Tabellenverzeichnis 48
Literaturverzeichnis 49
Anhang 52

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1. Einleitung

Skifahren zählt mit über 115 Millionen aktiven Sportlern zu den beliebtesten
Wintersportarten weltweit (Vanat 2014, S. 11,12). Trotz der stetig steigenden Anzahl an
Skiläufern ist das Verletzungsrisiko rückläufig. In der Abbildung 1 wird diese, im
Durchschnitt, konstante Abnahme an Verletzten im alpinen Skisport in Deutschland
verdeutlicht.

 Abbildung 1 Verletze im alpinen Skisport (Schulz 2016)

Das Verletzungsrisiko hat im Vergleich zum Ausgangspunkt im Jahr 1980 um 60%
abgenommen. Das entspricht hochgerechnet auf 4,2 Millionen Skifahrer/-innen in der
Skisaison 2015/16 41.000 bis 42.000 Verletzte (Schulz 2016). Ein Grund für diese starke
Abnahme an Verletzungen beim Skisport ist die ständige Verbesserung der Ausrüstung
und der Materialien (Hecht 2013, S. 1-3). Jonson et. al. stellt in den 1970er Jahren eine
Verringerung der Sprunggelenksverletzungen um 92% und der Tibiafrakturen
(Schienbeinfrakturen) um 80 % fest. Zur gleichen Zeit wurde der erste Plastikskischuh
entwickelt (Johnson et al. 1997). Im Kontrast dazu hat sich die Häufigkeit von
Knieverletzungen zwischen 1972 und 1997 um 228% erhöht. Ein entscheidender Grund
für diesen Verlauf ist die Entwicklung höherer und steiferer Skischuhe. Diese übertragen
die Kraft zum größten Teil nicht mehr auf die Ferse und das Schienbein, sondern auf
das Knie. Zudem besitzen die Skischuhe nicht mehr die Flexibilität von älteren Schuhen.
Diese hatten den Vorteil, dass sie bei hohen Belastungen dem Druck nachgegeben
haben. Somit traten weniger Knieverletzungen auf, jedoch wurden die unteren
Gliedmaßen umso mehr beansprucht. (Natri et al. 1999)

 5

Dies ist ein Beispiel dafür, dass die Steifigkeit von Skischuhen beim Skifahren, genauso
wie beim Skitouren gehen, eine große Rolle spielen. Diese beeinflussen unter anderem
den Komfort, die Übertragung der Kräfte zwischen Fuß und Ski sowie die Sicherheit
beziehungsweise das Verletzungsrisiko. Trotz der Wichtigkeit dieses Parameters gibt es
keine standardisierte und von allen Herstellern akzeptierte Messmethode, um das
Biegeverhalten, auch Flex-Index genannt, messen und quantifizieren zu können. Somit
sind die Angaben der Skischuhhersteller untereinander nur bedingt vergleichbar und
können sogar innerhalb dieser, bei unterschiedlichen Modellen, variieren.

Aus diesem Grund entwickelt die Professur für Sportgeräte und -materialien der TU
München einen neuen Prüfstand, der bisherige Einschränkungen überwinden und unter
anderem den Einfluss des Körpergewichts berücksichtigen soll. Des Weiteren werden
die Bodenreaktionskräfte sowie die Verschiebung des Körperschwerpunkts in der
Sagittalebene simuliert, um möglichst realitätsnahe Ergebnisse zu erlangen. (Knye et
al. 2016) Wie bei jedem Test muss die Validität, Objektivität sowie Reliabilität gegeben
sein. Damit diese Parameter eingehalten werden, müssen bei jeder Messung gleiche
Voraussetzungen herrschen. Konkret heißt das, dass die Prothese von jedem Schuh
gleich fest umschlossen sein muss, um stets den gleichen Druck auf den Skischuh
übertragen zu können. Laut den Erfahrungswerten guter Skifahrer sind Unterschiede
bei dem Flexionsverhalten und damit auch beim Fahrverhalten bereits bei der Änderung
der Schnallenstellung um lediglich eine Position erkennbar. Dazu kommen die
unterschiedlichen Formen und Materialien der Skischuhe, die die Prothese bereits bei
offenen Schnallen unterschiedlich fest umschließen. Ziel dieser Arbeit ist die
Entwicklung einer Messmethode zur Quantifizierung des Schnallenschlusses. Dazu soll
der Druck zwischen Prothese und Skischuh gemessen werden. Die Ergebnisse
ermöglichen, gleiche Voraussetzungen bei der Flex-Index Messung zu schaffen, sowie
den Einfluss der Schnallenstellung auf das Flexionsverhalten zu berücksichtigen.

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2. Definition

2.1. Druck

Der Druck bezeichnet eine Kraft, die auf eine bestimmte Fläche wirkt. Mathematisch
lässt sich der Druck als Quotient p aus der Kraft F und der Fläche A beschreiben.

 =
 
2.2. Allgemeine Druckmessmethoden

Bei den Druckmessgeräten muss zwischen mittelbaren und unmittelbaren
Messverfahren unterschieden werden. Erst genannte sind auf der einen Seite
mechanische Druckmessgeräte mit einem federelastischen Messglied, zum Beispiel
das Bourdonrohr. Auf der anderen Seite stehen elektronische Drucksensoren. Diese
nutzen verschieden Sensoreffekte, wie piezoresisitve, resistive, kapazitive und DMS-
Mikrosensorik, aus. Unmittelbare Druckmessgeräte sind Flüssigkeits-Druckmessgeräte,
bei denen durch das Verschieben einer Flüssigkeitssäule der Druck angezeigt wird.
Kolbenmanometer gehören auch zu den unmittelbaren Druckmessverfahren. Hier wird
der Druck durch einen Kolben angezeigt, der sich gegen eine Kraft, beispielsweise eine
Feder oder die Gewichtskraft des Kolbens, verschiebt. (Czichos 2015, S. 138)

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3. Prothese

Für die Entwicklung der Messmethode wird eine Unterschenkelprothese verwendet. Sie
wurde „für den Einsatz in der Entwicklung von Skischuh- und Skibindungssystemen in
der Industrie und andererseits für deren technischen Überprüfung (TÜV)“ entwickelt und
validiert (Knauer 2004, S. 6). In Abbildung 2 wird der Aufbau veranschaulicht.

 Abbildung 2 Zusammenbau der Messprothese (Knauer 2004, S. 55)

Die Prothese besteht aus drei Modulen, Fuß, Sprunggelenk und Unterschenkel. Die
Freiheitsgrade des Sprunggelenks entsprechen denen eines menschlichen
Sprunggelenks. Zudem ist es zur Messung der Gelenkposition mit Winkelsensoren
ausgestattet. Der Fuß besteht aus dem Rist, der auf der Grundplatte befestigt ist. Er
entspricht der männlichen Durchschnittsschuhgröße 42. Der Unterschenkel simuliert die
Knochenstruktur eines Menschen. Dieser besteht im Wesentlichen aus dem
Unterschenkelschaft (in der 3D-Simulation in Grün dargestellt), dem Tibia-Implantat (in
der 3D-Simulation in Rot dargestellt) sowie der Halteplatte mit Schnittstellen zum

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Tibiaknochen und Unterschenkelschaft. (Knauer 2004, S. 55-100) Nach einer
Überarbeitung der Prothese wurde der Fuß verbessert. Dabei wurde die Beweglichkeit
des Vorfußes und der Zehen hinzugefügt. Das zusätzliche Gelenk ist in der Abbildung
nicht dargestellt. Zur Simulation der Weichteile wird Silikon, mit dem
Mischungsverhältnis nach Institutsstandard der TUM, verwendet. Dadurch werden die
Weichteile möglichst realitätsnah simuliert. Die Verhältnisse sind 5 % Härter T21, 75 %
Elastosil M4511 und 20 % Öl Ak 35. Das Datenblatt vom Hersteller Wacker gibt ein
Mischungsverhältnis von 5 % Härter T21 und 95% Elastosil M4511 an (Wacker Chemie
AG). Das beigemischte Öl ist für die Anpassung der Härte des Silikons verantwortlich.

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4. Bisheriger Forschungsstand

4.1. Flexible Messmatten

Wie bereits oben erwähnt, wurde im Bereich der Druckmessung bei Skischuhen bis zum
jetzigen Stand erst wenig geforscht. Ein relevantes Forschungsprojekt wurde von P.
Schaff und W. Hauser durchgeführt. In der 1987 veröffentlichen wissenschaftlichen
Arbeit „Dynamische Druckverteilungsmessung mit flexiblen Meßmatten- ein innovatives
Meßverfahren in der Sportorthopädie und Traumatologie“ werden „die
Aussagemöglichkeiten mit einem neuen kapazitiven Meßverfahren zur
Druckverteilungsmessung auf gekrümmten Oberflächen“ aufgezeigt, sowie „die je nach
Anwendungsgebiet erzielbare Reproduzierbarkeit und Praktikabilität anhand von
Ergebnissen darzustellen“ (Schaff et al. 1987). Die verwendeten kapazitiven
Messsensoren bestehen aus sich kreuzenden, flächenförmigen Leitern. Diese
Leiterbahnen sind durch ein Dialektrum getrennt und bilden einen Kondensator. Durch
Druckänderung ändert sich der Abstand und damit die Kapazität. Der daraus
resultierende Spannungsunterschied kann gemessen werden. Das Dialektrum kann
durch unterschiedliche Auslegung, beispielsweise verschieden harte
 Gummimaterialien, dem benötigten
 Messbereich angepasst werden. Ein
 Vorteil der Verwendung von flexiblen
 Messmatten ist, dass sie für
 unterschiedliche Bereiche und auf
 unterschiedlichen Untergrundformen
 eingesetzt werden können. Die
 verwendete Prothese mit den
 Druckmesssensoren wird in Abbildung 3
 veranschaulicht. Ein von ihnen
 durchgeführter Test ist die Messung des
 Drucks, den ein Skischuh bei einer
 bestimmten Vorlage auf den Fuß ausübt.
 Der maximale Druck am menschlichen
 Schienbein sollte bei Männern 31 N/cm²
 und am Rist 10 N/cm² bei einer Vorlage

 Abbildung 3 Messprothese zur von 35° nicht überschreiten.
 Druckverteilungsmessung mit 8 Messpunkten
 (Schaff et al. 1987)

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Diese Drücke beschreiben die Schmerzgrenze und werden bereits als unangenehm
bezeichnet. Nichtsdestotrotz können auch niedrigere Werte anfangs unmerkliche
Verletzungen hervorrufen. Eine Beispielmessung bei 15°, 25° und 35° Vorlage ist in
Abbildung 4 verdeutlicht.

 Abbildung 4 Beispielmessung der Druckverteilung mit der Norm-
 Prothese (Schaff et al. 1987)

Die gemessenen Maximalwerte liegen bei 30N/cm², gemessen bei 35° Vorlage. (Schaff
et al. 1987)

4.2. Druckmesssohle

Um trotz der geringen Anzahl an Forschungsprojekten einen Überblick im Bereich der
Druckmessung zu schaffen, werden im Folgenden weitere Anwendungen der
Druckmessung aufgeführt. Druckmesssohlen und Kraftmessplatten, wie sie von
Nakazato et. al. getestet wurden, sind ein Beispiel dafür. Das Ziel der Forschung war
der Vergleich des Kraftangriffspunktes, gemessen mit der Kraftmessplatte und dem
Bereich des größten Drucks, gemessen mit der Druckmesssohle. Dafür wurden die
Messsysteme anhand der gemessenen Bodenreaktionskräfte verglichen, sowie die
Frage beantwortet ob die Differenz der Messergebnisse von dem Können des
Skifahrers, der Skitechnik oder der Piste abhängt.

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Die verwendete Druckmesssohle wurde von Novel (Pedar, Novel, München,
Deutschland) entwickelt und ist weit verbreitet. (Nakazato et al. 2011) In der Abbildung
5 wird diese veranschaulicht.

 Abbildung 5 Druckmesssohle Pedar-X von Novel (Universität Wien)

Die verwendete Druckmesssohle besteht aus 85 bis 99 kapazitiven Sensoren, die in der
insgesamt 1,9 mm dicken Schuhsohle verbaut sind. Bei Novel ist die Sohle in den
Schuhgrößen 22-49 EU erhältlich und wird für einen Druckbereich von 1,5 N/cm² bis
60N /cm² und 3,0 N/cm² bis 120 N/cm² angeboten. (Novel GmbH 2017) Nakazato et. al.
haben für ihre Messungen den geringeren Druckbereich verwendet. Jedoch wird
erwähnt, dass Drücke unter 2 N/cm² nicht gemessen werden können. Der externe Akku,
sowie die Datenspeicherung der Sohle, wiegen 1,0 kg. Bei der Messplatte sind es
insgesamt 4,0kg. Diese werden direkt an der Testperson befestigt. Die maximale
Aufnahmefrequenz beträgt bei beiden Messgeräten 100 Hz. Der größte Vorteil der
Kraftmessplatten, im Vergleich mit Druckmesssohlen, ist die Möglichkeit,
dreidimensionale Drücke messen zu können. Durch die Höhe von 36 mm und das
Gewicht der Platten von je 0,9kg, kommen die Forscher jedoch zum Ergebnis, dass
Druckmesssohlen für dynamische Messungen wie beim Skifahren besser geeignet sind.
(Nakazato et al. 2011). Dieses Messverfahren ist weit verbreitet. Für die
„Frauenspezifische Laufschuhkonzeption“ (Krauß 2006) wurden Druckmesssohlen
ebenso verwendet, wie für die Druckmessung beim Ski (Bruhin 2016) bzw. Snowboard
fahren (Lindenhofer et al.)

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4.3. Druckmessmatten

Eine weitere Anwendung von Druckmesssensoren wird von Kruse beschrieben. Das
Thema der Diplomarbeit ist die „Perzeptionsadäquate Parametrisierung von objektiven
Sitzdruckverteilungen beim Menschen“ (Kruse 2001, S. 1). Ein Teil der Arbeit besteht
darin, die Sitzdruckverteilung vom Menschen zu messen. Als Messmethoden werden
Einzelsensoren und Messfolien in Betracht gezogen. Erstere „bestehen aus
Kontaktflächen, etwa auf Mylarfolien aufgedampften Silberflächen, zwischen denen sich
bei kapazitiven Sensoren das Elastomer, bei resitiven Sensoren die druckempfindliche
Farbe befindet. Diese Einzelsensoren werden matrixförmig auf einem Träger, z.B. ein
Textiltuch befestigt und über Litzen miteinander verbunden.“ (Kruse 2001, S. 11)
Hersteller sind beispielsweise Novel für kapazitive und GeBioM für resistive Systeme.
In Abbildung 6 ist ein Set der Tactilus Druckmessmatte abgebildet. Zu sehen sind
verschiedene Ausführungen und Größen der Sensortechnik.

 Abbildung 6 Einzelsensor Messmatte Tactilus (Tiedemann % Betz GmbH & Co. KG)

Folienmessmatten bestehen aus einzelnen Sensoren, die zwischen zwei
Kunststofffolien liegen und mit Leiterbahnen verbunden sind. Vorteilhaft sind die höhere
Auflösung im Vergleich zu Einzelsensoren und die preisgünstige Herstellung. Im
Gegenzug können sie sich nicht so gut dem Untergrund anpassen. Hergestellt werden
Foliensysteme unter anderem von der Firma Tekscan (resitiv). Beide Messsysteme
werden durch einen analog / digital Wandler sowie speziell einwickelten Programmen
am Computer ausgewertet. (Kruse 2001, S. 11-13)

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5. Anforderungen

Durch den festgelegten Zeitrahmen erstreckt sich der Zeitraum für die praktische Arbeit
vom 27.04.2017 bis einschließlich 30.06.2017. In dieser Zeit soll ein Prototyp des
Messsystems angefertigt werden. Da dieses Projekt rein zu Forschungszwecken der
TU München durchgeführt wird und diese die Kosten ohne externe Finanzierung tragen
muss, sollten diese möglichst gering ausfallen und 500 € nicht überschreiten.

Eine der wichtigsten Eigenschaft der Messmethode ist deren Robustheit. Diese ist aus
mehrerlei Hinsicht notwendig. So wird die Prothese häufig in den Schuh hinein und
wieder herausgenommen. Dadurch wird sie stark beansprucht und ist einer großen
Reibung an der Prothesenoberfläche ausgesetzt. Zudem muss die Messtechnik
während der Messung im Schuh bleiben, da sich sonst der Druck des Schuhs auf die
Prothese, trotz identischer Schnallenstellung, beim Öffnen und erneuten Schließen
ändert. Das hat zur Folge, dass das Druckmesssystem einem hohen Druck standhalten
muss, der zwar nicht zu messen, jedoch ohne Veränderung der Messeigenschaften zu
überstehen, ist. Dieser Bereich erstreckt sich von 30 N/cm² bis maximal 50 N/cm².

Um eine möglichst realitätsnahe Messung des Flex-Indexes zu schaffen, müssen die
Umgebungstemperaturen bei der Messung berücksichtigt werden, da sich das Plastik
vom Skischuh bei Kälte verhärtet und in der Wärme an Verformbarkeit zulegt. Dadurch
verändert sich der Vorlagewiderstand und damit auch die Steifigkeit des Schuhes.
(Schaff et al. 1987) Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass die Messvorrichtung von
-20 °C bis 30 °C ohne Einschränkungen messen kann.

Die Druckmessvorrichtung darf keinen Einfluss auf die Druckverteilung haben und muss
lediglich für eine bestimmte Prothese entwickelt werden, bei der sie zum Einsatz kommt.

Eine einfache und schnelle Auswertung ist nicht nur von Vorteil, sondern auch
notwendig. So muss bei der Einstellung der Schnallen eine Echtzeitmessung und
Visualisierung der Druckänderung möglich sein, um die Prothese exakt in den Skischuh
einspannen zu können.

Darüber hinaus muss die Druckmessvorrichtung bei unterschiedlichen Schuhen
einsetzbar sein. Das ist nicht selbstverständlich, wie man vom Schuhkaufen kennt.
Häufig werden mehrere Schuhe anprobiert, um die optimale Passform für den Fuß zu
finden, die diesen gleichmäßig umschließt. Bei Skischuhen kann die Passform durch
Erwärmen noch besser an den menschlichen Fuß angepasst werden.

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Dadurch wird der Druck über eine größere Fläche auf den Fuß übertragen, so dass er
angenehmer zu tragen ist. Als unangenehm oder drückend werden Schuhe mit
ungleichmäßiger, punktueller Druckverteilung beschrieben. Da die Prothese nur eine
bestimmte Passform besitzt, aber in unterschiedlichen Skischuhmodellen zum Einsatz
kommen soll, muss die Messvorrichtung, sowohl bei punktueller Druckverteilung als
auch bei großflächigem Druck, diese messen und visualisieren können. Die
Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Druckverteilungen ist eine Voraussetzung, um
die gleiche Festigkeit der Prothese im Schuh, bei unterschiedlichen Modellen, mit
unterschiedlicher Druckverteilung, herstellen zu können.

Eine flexible Positionierung der Messpunkte ist von Vorteil, um diese individuell und
bestmöglich auf der Prothese anpassen zu können, sodass sie nicht verändert, bzw.
neu gegossen werden muss, was einen zusätzlichen Zeitaufwand und eine
Kostenerhöhung mit sich bringen würde.

Die Reliabilität, Validität sowie die Objektivität müssen bei der Entwicklung der
Messmethode berücksichtigt werden und bei den Test- bzw. Messverfahren stets
vorhanden sein. Die Genauigkeit und die Reliabilität werden im Druckbereich von
0 N/cm² bis 30 N/cm² vorausgesetzt (Schaff et al. 1987).

Um beim Entwicklungsprozess Prioritäten setzen und bei Zielkonflikten leichter eine
Entscheidung herbeiführen zu können, ist die Gewichtung der Anforderungen
erforderlich (Baumberger 2007, S. 95). Da das Ziel des gesamten Projekts darin
besteht, die Steifigkeit unterschiedlicher Schuhmodelle zu vergleichen, ist die
Einsetzbarkeit der Druckmessmethode in verschiedenen Schuhen grundlegend und
somit das wichtigste Kriterium. Der zur Verfügung stehende Zeitraum ist festgelegt und
muss somit eingehalten werden, genauso wie der finanzielle Part, der möglichst gering
ausfallen sollte. Nicht zuletzt spielt dabei auch die Robustheit des Messsystems eine
Rolle. Dadurch werden Kosten und Zeit gespart und ausführliche Messungen mit hoher
Beanspruchung des Messsystems ermöglicht.

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6. Vorgehen und Handlungsschwerpunkte

Das primäre Ziel der Forschungsarbeit ist das Finden und Validieren einer geeigneten
Messtechnik zur Druckmessung in Skischuhen. Zusätzlich soll ein Prototyp konstruiert
werden, der mithilfe einer Testreihe getestet und anschließend validiert wird. Aus diesem
Grund wird folgendermaßen vorgegangen.

 1. Auswahl einer geeigneten Messmethode.

 2. Konstruieren eines Prototyps.

 3. Validierung des Prototyps und Praxistest.

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7. Mögliche Problemstellungen

Wie bereits oben erwähnt ist eine Limitierung das zur Verfügung stehende Budget. Dies
beschränkt die Auswahlmöglichkeiten der Druckmesstechnik. Das heißt, dass eventuell
Einschränkungen in der Genauigkeit der Druckmessung in Kauf genommen werden
müssen, da durchschnittlich der Preis der Druckmesstechnik mit der Genauigkeit und
Exaktheit dieser steigt. Infolge dessen müssen Qualität und Quantität optimal vereint
werden, sodass ausreichend Messergebnisse zur Verfügung stehen, diese aber auch
zuverlässig in ihrer Genauigkeit und Richtigkeit sind. Die Eigenschaften der Prothese
dürfen selbstverständlich nicht beeinflusst werden, da sonst die Ergebnisse nicht mit
einem menschlichen Fuß vergleichbar sind. Das heißt die Verformbarkeit des Silikons,
die Beweglichkeit und die Größe der Prothese müssen gewahrt werden. Die
Druckverteilung sowie dessen Stärke im Skischuh darf die Messtechnik nicht
beeinträchtigen. Ein Beispiel wäre das sogenannte Phänomen des „Steinchens im
Schuh“, bei dem der Druck nur noch punktuell, über kleine Druckbereiche übertragen
wird.

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8. Ermittlung von Lösungsideen

8.1. Schläuche mit druckempfindlichen Kappen in das Silikon
 einarbeiten

Das Ziel dieser Lösungsidee ist das Messen des Drucks durch, mit einem Medium
gefüllte, in die Prothese eingearbeitete Plastikschläuche. Dafür werden mehrere flexible
Schläuche in das Silikon eingegossen. Ein Ende führt oben aus der Prothese hinaus,
das andere Ende endet am gewünschten Messpunkt und schließt mit der
Silikonoberfläche ab. Dieses Ende ist mit einer Kuppe versehen, die minimal aus dem
Silikon hervorsteht und den Schlauch luftdicht abdichtet. Das andere Ende ist jeweils an
ein Druckmanometer angeschlossen. Alternativ kann man auch einen Schlauch
senkrecht in die Mitte der Prothese einarbeiten und von diesem aus Schläuche
waagrecht an die Silikonoberfläche abzweigen lassen. Dann ist lediglich ein
Druckmessmanometer notwendig. Die Schläuche werden mit einem Medium gefüllt,
sodass die Kraft um das Silikon und die Kuppe pro Längeneinheit einzudrücken gleich
ist. Dies kann auch durch einen eingebauten Druckregler geschehen. Der Druck, der
auf die Prothese ausgeübt wird, wird durch den Druckunterschied des Mediums,
verursacht durch die flexiblen Kuppen am Ende der Schläuche, mithilfe der
Druckmessgeräte, gemessen. Um das Phänomen des „Steinchens im Schuh“ zu
vermeiden, kann ein Gewinde eingebaut werden, sodass der Schlauch aus dem Silikon
heraus-, bzw. wieder hereingefahren werden kann.

8.2. Aufkleben von Farbfolien auf die Prothese

Farbfolien bestehen aus einer ein- oder zweilagigen Filmfolie mit in Mikrokapseln
eingeschlossenem Färbematerial, welches mit einem Farbentwickler zu roten
Farbflächen auf dem Folienträger reagiert, wenn diese durch Druck aufplatzen. Die
Farbdichte ist abhängig vom anliegenden Druck. Zur Auswertung muss die gefärbte
Folie eingescannt und mit einer Software am Computer analysiert werden. Ein Anbieter
ist Fujifilm mit der Messfolie Prescale. (Fujifilm Corporataion 2010)

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Die Abbildung 7 zeigt Druckmessfolien mit unterschiedlichen Messbereichen.

 Abbildung 7 Druckmessfolien Fujifilm Prescale (Tiedemann & Betz GmbH & Co. KG)

Diese sind von 0,2 N/cm² bis 300 N/cm² erhältlich. Die druckempfindlicheren Folien bis
50 N/cm² bestehen aus Doppelbögen, also aus 2 Filmfolien, die bei der Messung
aufeinandergelegt werden müssen. Sie haben jeweils eine Dicke von 90 µm. Alle Folien
mit einem höheren Druckbereich sind einlagig und 110 µm dick. Die Genauigkeit ist mit
+/- 10% angegeben und die Auflösung beträgt bei allen Folien 0,1 mm. Bei der
Druckmessung ist es wichtig, die Umgebungstemperatur sowie die Luftfeuchtigkeit zu
beachten, da sie die Farbintensität der Folien beeinflussen. (Fujifilm Corporataion 2010)
Die Folien können beliebig zugeschnitten und somit an die Prothese angepasst werden.
Bei der Druckmessung werden die Folien, wie auf der nebenstehenden Abbildung 8 zu
sehen, mit Klebeband auf dem Fuß oder der Prothese befestigt. Der vom Innenschuh
auf die Druckmessfolie übertragene Druck löst die Farbentwicklung aus.

 Abbildung 8 Aufkleben der Precale
 Farbfolien auf die Versuchsperson

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8.3. Anbringen von FSR-Sensoren

„Force Sensing Resistors“ sind resistive Messelemente, die unter Druck ihren
elektrischen Widerstand ändern. FSR-Sensoren bestehen aus 2 Folien. Auf einer der
beiden Trägerfolien ist die schwarze FSR-Schicht (in Abbildung 9 Nr. 1), ein
halbleitendes Polymer, auf die Innenseite gedruckt. Auf der anderen Trägerfolie
befinden sich auf der Innenseite die Finger der Elektroden (in Abbildung 9 Nr. 3), welche
ineinander verschachtelt sind, sich jedoch nicht berühren. Zusammengehalten werden
die Folien durch eine doppelseitige Klebeschicht (in Abbildung 9 Nr. 2), mit welcher der
konstante Abstand der Trägerfolien sichergestellt wird. Durch Druck treten die
Elektroden in Kontakt mit der FSR–Schicht, die Widerstandsbrücken zwischen den
Kontaktfingern herstellt. Das heißt der anliegende Widerstand verändert sich in
Abhängigkeit von der auf die Sensoroberfläche ausgeübten Kraft. Die gemessenen
Daten werden am Computer mithilfe eines Analog-Digitalwandlers ausgelesen. Es gibt
zwei Möglichkeiten die Sensoren auf der Prothese anzubringen, entweder auf oder
unter dem Silikon. Um die Sensoren unter dem Silikon zu positionieren, müssen flache
Aussparungen bei der gewünschten Messposition gefertigt werden. Dadurch wird das
Verfälschen der Messergebnisse vorgebeugt und die Langlebigkeit der Sensoren
gewährleistet. (Conrad Electronic 2009)

 Abbildung 9 Querschnitt mit
 Aufbau der FSR-Sensoren 1.
 Trägerfolie mit FSR-Schicht 2.
 Klebeschicht 3. Trägerfolie mit
 Elektroden (Conrad Electronic
 2009)

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8.4. Druckmessmatten

Bei den Druckmessmatten werden Systeme aus Einzelsensoren in Betracht gezogen.
Dieses Messsystem ist bereits unter 4.1, bisheriger Forschungsstand, erläutert. Die
Abbildung 10 zeigt die Tactilus Stretch Druckmessfolie. Diese passt sich faltenfrei jeder
Oberfläche an und überträgt die Daten aller Messpunkte über einen Verstärker an einen
Computer, wo diese in Echtzeit ausgewertet werden. Die Mattengröße ist beliebig
variierbar und kann individuell gefertigt werden. (Tiedemann & Betz GmbH & Co. KG)
Die Positionierung auf der Prothese ist ähnlich wie bei den Farbfolien. Das Kabel wird
seitlich oben aus der Prothese herausgeführt.

 Abbildung 10 Tactilus Strech zum Messen auf unebenen Untergrund (Tiedemann % Betz GmbH & Co. KG)

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9. Ermittlung von Eigenschaften

9.1. Schläuche mit druckempfindlichen Kappen in das Silikon
 einarbeiten

Bei der punktuellen Druckmessung besteht die Gefahr des Auftretens des Phänomens
des „Steinchens im Schuh“. Das heißt, die Schläuche stehen minimal aus dem Silikon
heraus oder das umliegende Silikon absorbiert den Druck, sodass keine optimale
Messung erfolgen kann. Beide Probleme können durch das Einbauen eines Gewindes
behoben werden, wodurch der Schlauch flexibel eingestellt werden kann.

Bei dieser Art der Druckmessung muss das komplette Messsystem in das Silikon
eingearbeitet werden. Das hat zur Folge, dass das Skelett der Prothese angepasst
werden muss, um die Simulation der Weichteile weiterhin zu gewährleisten. Dies gilt
auch für die vom Spann kommenden Schläuche, die über das Sprunggelenk nach oben
geführt werden müssen.

Die verformbaren Kappen am Ende der Schläuche stellen ein weiteres Problem dar.
Sind sie mit Luft gefüllt, ist es erforderlich, dass diese luftdicht abgeschlossen, einem
hohen Druck standhalten und robust sind. Eine weitere Möglichkeit ist das Füllen der
Schläuche mit einer Flüssigkeit, sodass ein geringerer Eigendruck nötig ist. Die richtige
Spannung und Höhe der Kuppen ist entscheidend für die Druckmessung.

Bei der punktuellen Druckmessung muss die optimale Position der Druck- bzw.
Messpunkte von vornherein festgelegt werden. Beim Gießen der Prothese dürfen sich
daher die Schläuche nicht verschieben, da sonst die Druckverteilung nicht exakt
widergespiegelt wird.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Realisierung dieser Druckmessmethode
sehr zeitaufwendig ist, da es sich um eine Neukonstruktion handelt.

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9.2. Aufkleben von Farbfolien auf die Prothese

Die Verwendung von Farbfolien ist eine indirekte Druckmessmethode, da sie über die
Farbintensität der Folie auf den ausgeübten Druck schließt. Da lediglich der
Maximaldruck gemessen werden kann, sind viele statische Einzelmessungen
notwendig. Die Folge ist eine schwierige und aufwendige Auswertung, da die Folien
nach jeder Messung aus dem Schuh herausgenommen werden müssen, um sie
anschließend mit einem Scanner und einem speziellen Programm analysieren zu
können. Die vom Hersteller angegebene Abweichung beträgt +/- 10%. Farbfolien
können beliebig zugeschnitten werden, wobei man aufpassen muss, dass die
Farbentwicklung nicht versehentlich ausgelöst und damit die Folie unbrauchbar wird.
Die Verfärbung der Folien hängt nicht nur vom anliegenden Druck, sondern auch von
der Zeit, in der der Druck ausgeübt wird, ab. Die Luftfeuchtigkeit und die
Umgebungstemperatur müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Zusätzlich zu den
Anschaffungskosten kommen die hohen Unterhaltskosten. Diese ergeben sich aus der
einmaligen Verwendung der Folien, die nach jeder Messung ausgetauscht werden
müssen.

9.3. Anbringen von FSR-Sensoren

FSR-Sensoren werden von der Firma Interlinks Elektronics in unterschiedlichen Größen
und Formen angeboten. Einige davon sind in der Abbildung 11 dargestellt.

 Abbildung 11 Größen und Formen der FSR-Sensoren (Interling Elektronics. 2015)

Im Ruhezustand hat der FSR-Sensor einen Widerstand von ca. 1 MOhm. Bei steigender
Krafteinwirkung sinkt dieser bis zur Sättigung von 1 kOhm bei 100 N/cm². Der
Minimaldruck beträgt, abhängig vom Sensor 0,1 - 0,2 N/cm².
 23

Die Dicke liegt zwischen 200 µm und 750 µm. Im Vergleich mit anderen
Druckmessgeräten sind sie in der Anschaffung kostengünstig und mit geringem
Programmieraufwand in LabVIEW auswertbar. Durch die limitierte Größe der Sensoren
ist lediglich eine punktuelle Druckmessung möglich. Je größer der Sensor, desto größer
die Fläche, auf der der Druck gemessen wird. Jedoch gibt der Sensor nur den gesamten
Druck, der auf die Sensormessfläche ausgeübt wird, an. Bei großen Sensoren wird
somit die genaue Druckverteilung vernachlässigt. Der Sensor ist nicht für statische
Lasten geeignet. Nach einigen Stunden kann sich, durch das auftretende
„Kriechverhalten“, der Widerstandswert um bis zu 20 % verringert haben.

Der Hersteller gibt eine Lebensdauer von > 10 Mio. Schaltzyklen an. Die
Betriebstemperatur liegt zwischen – 40 °C und +80 °C. Bei 10 N, 23 °C und einer Sonde
von 1 cm² liegt die Wiederholbarkeit von Sensor zu Sensor bei +/-30 % und bei einem
einzigen Sensor bei +/-15% . Je höher der auf den Sensor ausgeübte Druck wird, desto
besser wird die Wiederholbarkeit. Der Sensor muss auf einer ebenen und glatten
Fläche, beispielsweise mit Klebeband, befestigt werden. Das Knicken des Sensors oder
das Montieren dieses auf einer gekrümmten Oberfläche kann zu einer Vorlast führen,
obwohl der Sensor unbelastet ist. In Abbildung 12 sieht man eine typische Kurve eines
Sensors bezüglich der Kraft, die auf diesen wirkt und dem daraus resultierenden
Widerstand. Diese variiert von Sensor zu Sensor. Im Einschaltbereich, hier von 0,1 N
bis 0,7 N, nimmt der Widerstand rasch ab. Deren obere Grenze markiert den Anfang
des dynamischen Messbereiches, welcher einer Exponentialkurve ähnelt. Bei hoher
Krafteinwirkung, in der Abbildung entsprechend über 100 N, liegt nun keine
Exponentialkurve mehr vor. Stattdessen nähert sich die Kennlinie der Sättigung.
(Conrad Elektronic 2009)

 Abbildung 12 Kraft- Widerstandskennlinie des FSR-Sensors 152 (Conrad Electronic 2009)

 24

9.4. Druckmessmatten

Durch das bereits in 4.3, bisheriger Forschungsstand, genannte schlechtere
Anpassungsvermögen der Folienmessmatten, werden diese von vornherein
ausgeschlossen und somit nur die Einzelmessmatte in Betracht gezogen. Mit dieser
Druckmessmethode sind großflächige Druckmessungen mit hoher Präzision möglich.
Das bedeutet, dass viele Messdaten erfasst werden, was zu einer zeitaufwendigen
Auswertung führt. Die Messdaten können in Echtzeit erfasst werden, jedoch sind solche
Systeme, unter anderem auch durch die spezielle Software, die zur Auswertung
notwendig ist, sehr teuer. (Tiedemann & Betz GmbH & Co. KG) Auf eine Kostenanfrage
bei CMV Hoher für das TecScan Messsystem wurde ein Kostenanschlag von 17 5 00€
genannt. Bei Tiedemann & Betz wurden Preise in Höhe von 15 000€ und 17 000€
mitgeteilt. Die elektronischen Druckmessmatten sind in unterschiedlichen Größen und
Auflösungen erhältlich. Die Dicke beträgt ca. 0,25 mm, der Druckbereich geht je nach
Ausführung von 0 N/cm² bis mindestens 110 N/cm². Die Auflösung beträgt 1 mm², je
nach Kundenwunsch sind auch feinere Auflösungen möglich. Gemessen wird mit bis zu
100 Hz. Die Genauigkeit ist mit +/- 10% und die Reproduzierbarkeit mit +/- 2%
angegeben. Die verwendete Sensortechnik ist piezoresistiv. Zusätzlich sind die
Messmatten auch 20 % oder 60 % dehnbar. (Tiedemann & Betz GmbH & Co. KG)

 25

10. Validierung

10.1. Schläuche mit druckempfindlichen Kappen in das Silikon
 einarbeiten

Diese Idee zur Druckmessung in Skischuhen ist sehr komplex und noch nicht auf dem
Markt. Die Realisierung ist eine Neuentwicklung und dadurch sehr zeitaufwendig. Das
vorhandene Skelett muss angepasst und die Prothese anschließend neu gegossen
werden. Da bis zu diesem Zeitpunkt zu dem Thema, Druckmessung in Skischuhen,
wenig geforscht wurde, müssen zu Beginn die Positionen der Messpunkte ermittelt
werden. Nachteilig ist, dass im Nachhinein keine Reparatur der Schläuche und
Veränderungen in der Positionierung möglich sind. Die Dichtheit stellt eine große
Herausforderung dar, genauso wie die Kappen am Ende der Schläuche, für die eine
Lösung gefunden werden muss. Bei den Kosten fallen die Druckmanometer, das
Material für die Kappen und die Schläuche, das erneute Gießen sowie die
Unterhaltskosten durch das Aufrechterhalten der Dichtheit ins Gewicht. Diese sind
jedoch nicht ausschlaggebend, sondern der, mit dieser Messmethode verbundene,
hohe Zeitaufwand.

10.2. Aufkleben von Farbfolien

Ein Test mit den Prescale Folien von Fujifilm haben ergeben, dass Farbfolien für die
Druckmessung nicht verwendet werden können. Auf Anfrage wurde ein Testpaket mit
unterschiedlichen Folien zugesendet. Der Versuch wurde mit LLLW (Druckbereich:
20 N/cm² – 60 N/cm²) und LLW (Druckbereich: 50 N/cm² – 250 N/cm²) Folien
durchgeführt. Fujifilm bietet noch eine 4LW Folie an miteinem Druckbereich von 5 N/cm²
bis 20 N/cm² an. Diese war im Testpaket nicht enthalten. Bei der Versuchsdurchführung
wurden einer männlichen Person zweilagige Folien mit einem Klebeband auf das
Schienbein und dem Rist befestigt. Anschließend zog er sich einen passenden Skistiefel
an. Die Versuchsperson hat die Schnallen zuerst leicht, dann wie beim Skifahren üblich
und zuletzt so fest wie möglich eingestellt. Zwischendurch wurde der Skischuh
ausgezogen und die Verfärbung analysiert.

 26

Nur bei festen Schnallenstellung haben sich die Folien verfärbt (siehe Abbildung 13).

 Abbildung 13 Verfärbung der Prescale
 Farbfolien nach dem Skischuhtest

Die Verfärbungen sind allerdings nicht brauchbar, da sie keine auswertbaren Ergebnisse
zulassen. Eine mögliche Erklärung ist, dass das weiche Material der Innenschuhe den
Druck nicht eindeutig auf die Folie übertragen kann. Die Positionierung und das
Zuschneiden der Folien stellen sich als schwierig heraus, da sich die Folien an den
Schnittkanten schnell verfärben. Dies könnte bei der Verwendung der feineren Folie
4LW zu einem Problem werden.

Farbfolien sind durch ihre hohen Unterhaltskosten eine sehr kostenintensive
Messmethode, da die Folien immer nur einmal verwendet werden können. Die Software
und damit auch der hochauflösende Scanner ist für die Auswertung und den Vergleich
der Messergebnisse nötig. Die Messmethode unterliegt vielen Einflussfaktoren und ist
nicht zuletzt durch die indirekte Druckmessung relativ ungenau. Da sich die
Druckverteilung beim Herausnehmen bzw. Hineingeben der Prothese ständig
verändert, ist eine Anpassung des Skischuhs auf eine bestimmte Druckverteilung mit
dieser Messmethode nicht möglich.

 27

10.3. Anbringen von FSR-Sensoren

FSR-Sensoren sind die voraussichtlich kostengünstigste Variante der Druckmessung in
Skischuhen. Der Stückpreis eines Sensors liegt bei 6-10 Euro.
Temperaturbeständigkeit, hohe Variabilität beim Druckbereich und der Positionierung
der Sensoren und die einfache sowie schnelle Echtzeitauswertung und Visualisierung
in Diagrammen mit LabVIEW zählen zu den Stärken der FSR–Sensoren. Nachteilig ist
die Limitierung auf eine punktuelle Druckmessung. Diese kann mit der Anzahl an
Sensoren zum Teil kompensiert werden. Durch die geringe Höhe sollten die Sensoren
keinen Einfluss auf die Druckverteilung haben. Bei der Wiederholbarkeit und der
Genauigkeit müssen jedoch Abstriche gemacht werden.

10.4. Druckmessmatte

Die hohe Auflösung ermöglicht eine genaue Bestimmung der Druckverteilung. Die
geringe Dicke und die Flexibilität der Matten sind weitere Pluspunkte. Der Druckbereich
ist optimal, genauso wie die angegebene Reproduzierbarkeit. Von den Daten
ausgehend, sind die Einzelsensormatten für die Druckmessung im Schuh sehr gut
geeignet. Das Ausschlusskriterium der Einzelsensormessmatten ist der Preis. Für die
Auswertung ist eine spezielle Soft- und Hardware erforderlich.

 28

11. Ziel erreichen

11.1. Testen der FSR-Sesoren

Für die Druckmessung werden, wegen der oben genannten Gründen, FSR-Sensoren
verwendet. Um festzustellen, ob diese Methode für die Verwendung zur Druckmessung
in Skischuhen geeignet ist, werden zwei unterschiedliche Tests durchgeführt. Zuerst
werden die Sensoren auf ihre Genauigkeit und Reproduzierbarkeit überprüft. Der zweite
Test zielt auf den Vergleich der Sensoren untereinander ab. Für diese beiden Tests
wurde ein eigenständiger Teststand aufgebaut.

Dieser besteht aus einem Stempel, der Druck auf den Sensor ausübt. Zur Auswertung
der Daten ist der Sensor an einen Computer angeschlossen und auf einer Waage
befestigt. Der Stempel ist an einen Gewindestab angebracht, sodass er in der Höhe
beliebig verstellbar ist. Die Kraft, die der Stempel auf den Sensor ausübt, kann mithilfe
der Waage ermittelt werden. So erhält man die Kraft und die dazugehörige
Widerstandsänderung. Um möglichst realitätsnahe Bedingungen wie im Skischuh zu
schaffen, werden Silikonzylinder mit einem Durchmesser von 4 cm und einer Dicke von
1 cm verwendet. Drei verschiedene Setups werden getestet.

Messablauf
 1. Einstellen des Stempels auf ein Gewicht, mittels Waage.
 2. Messen des Widerstands des Sensors.

Setups

 • Hart-Hart: Der Stempel drückt direkt auf den Sensor, der auf der Waage liegt.

 • Hart-Weich: Der Stempel drückt auf eine Aluminiumplatte. Diese überträgt die
 Kraft auf die komplette Fläche des Silikonzylinders. Der Sensor ist zwischen der
 Platte und der Mitte des Silikons befestigt.

 • Weich-Weich: Der FSR-Sensor ist zwischen zwei Silikonzylindern in der Mitte
 eingeklemmt. Der Stempel drückt von oben auf eine Platte, die die Kraft auf die
 komplette Fläche der oberen Silikonplatte überträgt.

Vortests zeigen, dass die Messung Hart-Hart auf kleinste Veränderungen sehr
empfindlich reagiert, nicht realitätsnah und somit zum Testen der FSR-Sensoren nicht
geeignet ist.

 29

Beim Setup Weich-Weich tritt das „Kriechverhalten“, vermutlich aufgrund des
Nachgebens der Silikonplättchen unter Einfluss des Drucks, besonders stark auf, womit
die Vergleichbarkeit der Messung schwierig ist. Die Hart-Weich-Messung eignet sich
aufgrund der Realitätsnähe und des geringer auftretenden „Kriechverhaltens“ am
besten. Sie wird für weitere Tests eingesetzt.

11.1.1. Wiederholbarkeit eines einzelnen Sensors
Um die Wiederholbarkeit der Sensoren zu testen, wird die Messung Hart-Weich mit
einem Sensor, bei gleichen Bedingungen, zweimal durchgeführt. Der Ablauf erfolgt, wie
oben beschrieben (siehe 11.1. Messablauf). Das Diagramm (siehe Abbildung 14)
veranschaulicht die Messergebnisse.

 1. Messung 2. Messung
 4

 3,5

 3
 2,218
 Spannung in V

 2,5

 2 1,244 2,186
 1,5

 1 1,111 1,4%
 0,5 12%
 0
 1500 3000 4500 6000 7500 9000 10500 12000 13500 15000
 Gewicht in g

 Abbildung 14 Messunterschied bei der Wiederholbarkeitsmessung eines Sensors

Wird der blaue Graph als Bezugspunkt betrachtet, so beträgt bei 2000 g die Abweichung
des orangenen Graphs 12 %. Bis 6000 g nimmt diese nahezu konstant bis auf 1,5 % ab
und bleibt bis 14000 g unter 2 %. Das Ergebnis stimmt mit der Angabe des Herstellers
überein, dass die Wiederholbarkeit mit dem anliegenden Druck steigt. Aus diesem
Grund sollten Messungen mit möglichst hohen Drücken durchgeführt werden, um eine
optimale Genauigkeit der Sensoren zu erhalten.

 30

11.1.2. Vergleich der Sensoren untereinander
Beim Vergleich der Sensoren untereinander wird die Messung Hart-Weich mit sieben
Sensoren durchgeführt. Der Ablauf erfolgt wie oben beschrieben (siehe 11.1.
Messablauf). Das ausgeübte Gewicht auf die Sensoren wird in Druck umgerechnet. Das
Diagramm (siehe Abbildung 15) veranschaulicht die große Abweichung der
resultierenden Spannung bei gleichem Druck bei unterschiedlichen Sensoren. Im
niedrigen Druckbereich ist festzustellen, dass die Graphen der Sensoren 2,3,5,6 und 7
sehr nah beieinanderliegen. Die Graphen von Sensor 4 und 1 sind dagegen stark nach
oben verschoben und als Ausreißer zu bezeichnen. Je höher der anliegende Druck wird,
desto weiter fächern sich die Graphen auf, wobei der Graph von Sensor 1 stets die
obere Grenze markiert. Der Graph mit der niedrigsten Spannung, im Verhältnis zum
Druck, dient jeweils als Bezugspunkt. Bei ca. 1,3 N/cm² beträgt die Abweichung
zwischen Sensor 2 und Sensor 1 496 %. Dies entspricht einem Spannungsunterschied
von 0,595 V. Im Bereich von 3,3 N/cm² beträgt die Abweichung zwischen Sensor 5 und
Sensor 1 23 % und bei ca. 11,1 N/cm² 11 % oder 0,242 V. Aufgrund dieser starken
Abweichung zwischen den Sensoren können diese nur verglichen werden, wenn jeder
Sensor eine eigene Umrechnungsformel hat. Mit dieser Kennlinie kann die Differenz
ausgeglichen werden.

 2,5
 11%
 2,25

 2

 1,75
 Sensor 7
 Spannung in V

 1,5
 Sensor 1
 23%
 1,25 Sensor 2
 Sensor 3
 1
 Sensor 4
 0,75 Sensor 5
 Sensor 6
 0,5

 0,25 496%

 0
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
 Druck in N/cm²

 Abbildung 15 Messunterschied Sensor - Sensor

 31

11.2. Sensor Kennlinie

Wie bereits oben erwähnt, ist eine Umrechnungsformel notwendig, wenn man die
Sensoren untereinander vergleichen möchte. Dafür muss man zuerst eine Trendlinie an
den Graphen des Sensors annähern, um diesen mit einer Formel beschreiben zu
können. Eine logarithmische Funktion hat sich als am besten geeignet herausgestellt,
da sie den Graphen der Sensoren am meisten ähnelt. Ein Beispielgraph ist im
Diagramm (siehe Abbildung 16) abgebildet.

 y = 1,0033ln(x) - 0,0588
 2,5

 2
 Spannung in V

 1,5

 1

 0,5

 0
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
 Druck in N/cm²

 Abbildung 16 Abweichung der Trendlinie vom Graph (Sensor 2)

Logarithmische: Funktion: = ∙ ln( ) + 

Umrechnungsformel:
 − 
 
 ∙ ∙ 9,81 ∙ 10−3 2
 = 
 12,32 2

 = [ 2 ]
 
 = [ ]

Wie im untenstehenden Diagramm zu sehen, beträgt die Abweichung der angenäherten
Funktion zum Graphen teilweise über 0,15 V. Zudem steigt der Graph der
logarithmischen Funktion bei höheren Drücken schneller an, als der Graph des Sensors.

 32

Das heißt, die Abweichung der beiden Funktionen wird bei steigendem Druck immer
großer. Das hat zur Folge, dass zusätzlich zur vorhandenen Ungenauigkeit der
Sensoren noch eine Abweichung hinzukommt. Dadurch werden die Ungenauigkeit und
somit die Wiederholbarkeit des Messsystems zu groß und die Messergebnisse so weit
verfälscht, dass diese unbrauchbar werden. Aus diesem Grund müssen die Sensoren
einzeln betrachtet werden und sind nicht miteinander vergleichbar. Außerdem werden
nachfolgend nicht die berechneten Drücke, sondern nur die gemessenen Spannungen
verglichen.

11.3. Versuchsaufbau

Das finale Produkt besteht aus acht FSR-Sensoren des Typs FSR400 kurz. Diese sind
jeweils, über einen sechs Ohm Widerstand, mit einem Multiplexer an ein USB-
Datenerfassungsgerät angeschlossen. Mit LabVIEW werden die Daten anschließend
visualisiert. Das Bild (siehe Abbildung 17) zeigt die Kabelverbindungen von den
Sensoren (15-poliger D-Sub-Stecker) zum 6-poligen DIN-Stecker, welches bei der USB-
Datenerfassungsbox endet.

 18 Kabelverbindungen zwischen den Sensoren und dem USB-Datenerfassungsgerät
 Abbildung 17

11.3.1. Positionierung der Sensoren auf der Prothese
Die ideale Position der Sensoren wird durch Testversuche herausgefunden. Das Ziel ist,
die Sensoren so zu platzieren, dass alle einen Druck messen und somit jedes
Messergebnis zur Projektion der Druckverteilung im Schuh beiträgt. Vier Skischuhe der
EU-Größe 42 dienen zur Justierung. Zwei Schuhe sind von Atomic, einer von Head und
einer von Salomon. Als Grundlage wird die Positionierung der Messpunkte bei den
Messungen von P. Schaff und W. Hauser verwendet.

 33

Die Abbildung 18 zeigt diese Messpunkte anhand eines Querschnitts von einem
Skischuh.

 Abbildung 18 Position der Messpunkte im
 Skischuh (Schaff et al. 1987)

Die Sensoren werden mit Klebeband auf der Prothese befestigt. Die von den Sensoren
weggehenden Kabeln verlaufen an der Seite der Prothese. (siehe Abbildung 19)

 Abbildung 19 Aufbau der Prothese
 mit montierter Messvorrichtung
 (Seitenansicht)

 34

Im Folgenden wird die genaue Positionierung der Sensoren erläutert. Die FSR-
Sensoren der Messmethode sind von 1 bis 7 durchnummeriert. Die Nummern
entsprechen den Bezeichnungen der Sensoren bei den bereits durchgeführten Tests.

In der Abbildung 20 ist das erste Setup der Sensoren zu sehen. Vier der insgesamt
sieben Sensoren sind auf dem Schienbein angebracht. Der oberste (Sensor 3) und der
unterste Messpunkt (Sensor 1) sitzen exakt auf der tastbaren Kante des Tibiaknochens.
Sensor 3 ist auf der Höhe des Kompressionsbandes vom Skischuh. Dazwischen sind
zwei Sensoren auf gleicher Höhe angebracht. Der Abstand von diesen beiden
Messpunkten beträgt 1,5 cm, mittig dazwischen liegt die Kante des Knochens. Medial
befindet sich Sensor 4, der laterale Sensor hat die Nummer 2. Auf dem Rist des Fußes
sind drei weitere Sensoren platziert. Sie sind in einer Reihe mit einem Abstand von ca.
1,5cm leicht unterhalb des Rists aufgeklebt. Auf dem vorderen Rist misst Sensor 5,
darüber Sensor 6 und kurz unterhalb der Silikonkante liegt Sensor 7.

 3
 5 3

 2 4
 1 2
 1
 4

 7 7
 6 6
 5

 Abbildung 20 Position der Abbildung 21 Position der
 Messpunkte auf der Prothese Messpunkte auf der Prothese
 (Setup 4) (Setup 1)

 35

Die Abbildung 21 zeigt Setup 4 mit der endgültigen Positionierung der Sensoren. Auf
dem Schienbein befindet sich im Vergleich zu Setup 1 ein Sensor mehr. Sensor 3 ist in
mediale Richtung verschoben. Auf gleicher Höhe ca. 3 cm in lateraler Richtung wurde
Sensor 5 platziert. Die unteren Sensoren sind einmal im Uhrzeigersinn rotiert. Zusätzlich
sind die Sensoren 1 bis 5 um ca. 1,5 cm nach unten verschoben. Auf dem Rist befinden
sich nunmehr Sensor 6 und 7. Beide wurden leicht in medialer Richtung auf den Rist
des Fußes gerückt.

11.4. Schnallenstellungen

Bei der Flex-Index Messung soll der Einfluss der Änderung der Schnallenstellung auf
das Flexionsverhalten bestimmt werden. Aus diesem Grund ist die Reproduzierbarkeit
der Messergebnisse bei unterschiedlichen Schnallenstellungen wichtig. Diese
unterscheiden sich in ihrer Festigkeit. Leicht geschlossen bedeutet, dass die Schnallen
komplett ohne Kraftaufwand in die Ösen eingehängt werden. Die mittlere
Schnallenstellung entspricht dem Schließen der Schnallen mit leichtem Kraftaufwand.
Ein leichter Abdruck der Schnallen auf der Hand ist erkennbar. Bei der festen
Schnallenstellung werden die Skischuhschnallen so fest wie möglich geschlossen. Ein
deutlicher Schnallenabdruck ist durch den hohen Kraftaufwand auf der Hand
festzustellen.

11.5. Wiederholbarkeit des finalen Setups

11.5.1. Aufbau
Im Folgenden wird die finale Ausführung der Messmethode auf ihre Wiederholbarkeit im
Skischuh getestet. Der verwendete Skischuh ist von der Marke Head. Durchgeführt
wurden jeweils fünf Messungen bei den Schnallenstellungen leicht, mittel und fest
geschlossen. Für jede Testbedingung wird die Schnallenstellung notiert, um in den
folgenden Messungen den gleichen Schnallenschluss zu garantieren. Eine Messung
beinhaltet sieben gemessene Spannungswerte der Sensoren zu einem bestimmten
Zeitpunkt. Neben der Schnallenstellung kann auch die Vorlast verändert werden. Diese
beträgt bei allen Messungen konstant 2,5 kg.

 36

Die Abbildung 22 zeigt den Teststand inklusiv Auswertung am Computer.

 Abbildung 22 Teststand für die Wiederholbarkeitsmessung der Messmethode

Ersteres besteht aus einem fest auf dem Tisch eingespannten Skischuh. Die Vorlast ist
über eine Umlenkrolle und einem Seil mit der Prothese im Schuh verbunden. Die
resultierende Kraft auf die Prothese greift horizontal am obersten Punkt der Tibia an und
erzeugt ein Drehmoment im Sprunggelenk. Die Auswertung der Daten erfolgt über den
Computer und wird zeitgleich auf dem Bildschirm in einem Diagramm veranschaulicht.

11.5.2. Messablauf
Der Messablauf verläuft folgendermaßen. Zuallererst wird der Schuh ausreichend
bewegt. Dafür wird die Vorlast auf 10 kg erhöht. Nachdem der Skischuh mit dem festen
Schnallenschluss mehrmals mit der Vorlast be- und entlastet wurde, erfolgt eine
Messung, die nicht aufgezeichnet wird. Vor jeder Messung wird die Prothese aus dem
Schuh entnommen und wieder hineingesteckt, die Schnallen und das
Kompressionsband geschlossen und die Prothese nach hinten in den Skischuh
gedrückt. Anschließend wird der Schuh dreimal mit 2,5 kg Vorlast belastet. Erst dann
kann die eigentliche Messung durchgeführt werden. Um die Abweichung berechnen zu
können, wird der Test fünfmal mit den gleichen Variablen und Einstellungen durchgeführt
und der Mittelwert der einzelnen Sensoren, sowie deren Standartabweichung
berechnet.

 37

11.5.3. Auswertung
Das Diagramm (siehe Abbildung 23) beschreibt die prozentuale Abweichung bei den
Schnallenstellungen leicht, mittel und fest.

 leicht mittel fest

 Abbildung 23 Prozentuale Abweichung der Sensoren bei den Schnallenstellungen leicht, mittel und fest

Der Boxplot verdeutlicht die Aussage, dass die Wiederholbarkeit und damit die
Genauigkeit der Sensoren mit zunehmendem Druck, ausgeübt durch die Festigkeit der
Schnallen, steiget. Obwohl das Quartil mit dem Maximum und dem Mittelwert der
Abweichung bei der Schnallenstellung mittel größer und höher ist, als bei leicht
geschlossenem Schuh, befindet sich der Median deutlich unter dem der lockeren
Schnallenstellung. Bei der festen Schnallenstellung ist der Median am niedrigsten und
das Quartil am kleinsten. Bei jeder Schnallenstellung ist ein Ausreißer vorhanden, der
sich von den anderen Messwerten deutlich abhebt. Die dafür verantwortlichen Sensoren
haben die Nummer 3 und 6. Bei der leichten Schnallenstellung ist Letzterer nicht erfasst,
da dieser bei allen Messungen keinen Druck gemessen hat. Sensor 3 beschreibt den
Ausreißer mit 78 % Abweichung. Durchschnittlich weichen die Sensoren 22 %, ohne
Sensor 3 11 % vom errechneten Mittelwert ab. Bei der mittleren Schnallenstellung
markiert Sensor 3 das Maximum mit 35 %, darunter folgt mit großem Abstand Sensor 2
mit 8 %. Der extreme Ausreißer ist Sensor 6 mit 123 % Abweichung. Dies ist auch der
Grund warum die durchschnittliche Abweichung bei 26 % und nicht bei den ohne Sensor
6 errechneten 10 % liegt. Die feste Schnallenstellung weist die niedrigste Abweichung
auf. Der Ausreißer fällt im Vergleich zu den beiden anderen mit 31 % relativ gering aus.
Der Mittelwert der prozentualen Abweichung beträgt mit Ausreißer 10 % und ohne
Ausreißer 6 %. Obwohl das Setup mehrmals angepasst wurde, um eine bestmögliche

 38