Kombination von Gangbildanalyse und Finite-Elemente-Modellierung zur Optimierung von Druckentlastungs-Einlagen für Fersenulzera

Warum der Schutz der Ferse wichtig ist

Für Menschen mit Diabetes kann eine kleine Wunde an der Ferse zu einer schwer heilenden Verletzung werden, die im schlimmsten Fall eine Amputation nach sich ziehen kann. Diese Fersenwunden, sogenannte kalkaneale Ulzera, entstehen häufig durch hohen Druck unter der Ferse bei jedem Stehen oder Gehen. Diese Studie betrachtet eine auf den ersten Blick einfache Maßnahme – wie wir im Inneren einer Schuheinlage Raum unter der Ferse ausschneiden – und zeigt, dass Form und Größe dieses Hohlraums einen großen Unterschied machen können, wenn es darum geht, empfindliche Haut zu schützen und ein Wiederauftreten von Wunden zu verhindern.

Jeder Schritt als Schadensquelle

Beim Gehen ist die Ferse der erste Teil des Fußes, der den Boden berührt, und trägt dabei kurzzeitig mehr als die Hälfte des Körpergewichts. Bei Menschen mit Diabetes kann Nervenschädigung das Schmerzempfinden dämpfen, sodass gefährlich hohe Drücke unbemerkt bleiben. Durch wiederholte Belastung können kleine Blutgefäße geschädigt, das Gewebe von Sauerstoff abgeschnitten und die Haut zerstört werden, sodass schmerzhafte, schwer heilende und für Gesundheitssysteme kostspielige Ulzera entstehen. Druckentlastung – eine Strategie, die Druck von Risikostellen wegverteilt – ist bereits ein Grundpfeiler der diabetischen Fußversorgung. Dennoch gibt es erstaunlich wenige belastbare Daten dazu, welche Ausschnittformen unter der Ferse tatsächlich am besten wirken.

Untersuchung unterschiedlicher Hohlraumformen

Die Forschenden konzentrierten sich auf drei einfache Geometrien für einen Hohlraum unter einer simulierten Fersenwunde: Zylinder, Kugel und Kegel. Jede Form wurde in drei Größen getestet: 50 % kleiner als eine häufig verwendete klinische Größe, die gängige Größe selbst und 50 % größer. Alle Einlagen bestanden aus dem gleichen dämpfenden Schaumstoff und wurden präzise aus CAD-Daten gefräst, sodass nur Form und Größe des Hohlraums variierten. Ein gesunder Freiwilliger ging barfuß und anschließend mit jeder Einlage über eine druckmessende Plattform, sodass das Team messen konnte, wie jede Konstruktion den Druck unter den Füßen während natürlichen Gehens umverteilte.

Kombination von realem Gang und Computermodellen

Die Messung der Druckverteilung an der Hautoberfläche erzählt nur die halbe Geschichte. Eine Einlage, die den Hautdruck an der Ferse stark reduziert, kann im Inneren trotzdem gefährliche Spannungen entwickeln, die zu Rissen, Verformungen oder Verlust der Stützfunktion über die Zeit führen. Um dem zu begegnen, kombinierten die Autorinnen und Autoren ihre Gangmessungen mit detaillierten Computersimulationen, der sogenannten Finite-Elemente-Analyse. Mithilfe realer Materialtests des Schaums zur Parametrisierung ihres Modells berechneten sie, wie jede Hohlraumform und -größe Spannungen und Verformungen im Inneren der Einlage während zweier kritischer Momente des Gehens veränderte: dem Moment des Fersenauftritts und der Phase, in der die Ferse vollständig belastet ist.

Was die Ferse schützte — und was die Einlage belastete

Die Gangtests zeigten, dass alle drei Hohlraumformen den Spitzendruck im Vergleich zum Barfußgehen senkten, jedoch nicht im gleichen Maße. Der konische Hohlraum erzielte den größten Rückgang und senkte die Spitzendrücke an der Ferse um etwa ein Drittel an beiden Füßen. Der kugelförmige Hohlraum schnitt fast ebenso gut ab, während der zylindrische Hohlraum eine kleinere, aber konsistente Reduktion brachte. Die Computermodelle offenbarten jedoch einen Zielkonflikt: Größere konische und kugelförmige Hohlräume erzeugten tendenziell hohe, fokussierte Spannungen im Schaum, was die Lebensdauer der Einlage verkürzen oder die Leistung verschlechtern könnte. Zylindrische Hohlräume, insbesondere mit größeren Durchmessern, verteilten die Spannungen gleichmäßiger und hielten innere Kräfte niedriger und vorhersehbarer, obwohl sie den Spitzendruck an der Haut nicht so stark verringerten.

Ein praktikabler Ausgleich für Patienten

In der Gesamtschau deuten die Ergebnisse darauf hin, dass es keine einzelne „perfekte“ Hohlraumform gibt; vielmehr bietet jede Form ein anderes Gleichgewicht zwischen unmittelbarem Schutz und langfristiger Haltbarkeit. Konische Hohlräume könnten am besten geeignet sein, wenn kurzfristig maximale Druckentlastung für ein schweres oder hartnäckiges Fersenulcus nötig ist, erfordern aber möglicherweise engmaschigere Kontrolle und häufigeren Austausch. Kugelförmige Hohlräume bilden einen Kompromiss mit starker Entlastung und günstigeren inneren Spannungsverhältnissen, was sie für längerfristigen Einsatz vielversprechend macht. Zylindrische Hohlräume liefern das robusteste und vorhersehbarste Verhalten, was für den breiteren klinischen Einsatz oder für Patientinnen und Patienten mit größeren Risikogebieten wertvoll sein könnte. Obwohl diese Machbarkeitsstudie nur einen gesunden Freiwilligen einbezogen hat, demonstriert sie einen leistungsfähigen Ansatz – die Kombination realer Gehdaten mit Computermodellierung – um intelligentere, patientenspezifische Einlagen zu entwerfen, die verletzliche Fersen besser schützen.

Zitation: Karatoprak, A.P., Aydin, L. Combining gait analysis and finite element modeling to optimize offloading insoles for calcaneal ulcers. Sci Rep 16, 6383 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35750-9

Schlüsselwörter: diabetische Fußulzera, Fersendruck, Druckentlastungs-Einlagen, Gangbildanalyse, Finite-Elemente-Modellierung