Сравнительный анализ 3D-сканирования стопы с традиционными методами исследования

Сравнительный анализ 3D-сканирования стопы с традиционными методами исследования

Yu-Chi Lee, Gloria Lin and Mao-Jiun J Wang

Резюме

Информация о пространственных характеристиках стопы важна для разработки дизайна обуви, а также для клинического применения. Данные о пространственных характеристиках стопы, собранные с использованием различных методов, отражают недостатки в плане точности. В данной работе сообщается о сравнительном анализе между точным и тщательным методом 3D сканирования стопы с традиционным методом применения цифрового штангенциркуля, отпечатка стопы с использованием чернил или цифровых устройств.

Методы. Существует шесть показателей пространственных характеристик стопы, например, длина стопы, длина продольно-срединного свода стопы, длина продольно-бокового свода стопы, ширина в диагональной плоскости, ширина в горизонтальной плоскости и ширина пятки. Данные показатели получены путем обследования стопы у 130 мужчин и женщин с использованием четырёх методов. Проведён двусторонний дисперсионный анализ с целью выявить какой эффект на измерение пространственных параметров оказывают пол и метод исследования. В дополнении ко всему, для оценки точности и достоверности исследования использовались средние абсолютные значения и внутренние коэффициенты корреляции. Результаты также сравнили с 20685 критериями ИЗО (международный комитет по стандартизации - пер.).

Результаты. Установлено (р <0,05), что пол и метод исследования влияют на измерение шести пространственных параметров стопы в значительной степени. (p-значение вероятности-пер.) Метод 3D сканирования, со средней абсолютной разницей между 0,73-1,50 мм, показал наивысшую точность результатов среди прочих четырёх методов. С применением метода 3D сканирования выявлено повышение точности результатов, чем при других методах исследования (абсолютная разница составляет 0,6-4,3 мм), но за исключением результатов измерения длины продольно-срединного свода стопы и ширины стопы в горизонтальной плоскости. Внутренние коэффициенты корреляции всех шести пространственных показателей стопы с помощью четырёх методов исследования находятся в диапазоне 0,61 - 0,98.

Выводы. В целом, 3D сканирование стопы рекомендуется проводить для сбора антропометрических данных стопы, поскольку подобный метод демонстрирует относительно более высокую точность, правильность и эксплуатационную надежность. Согласно выводам о том, что, сравнивая антропометрические данные с другими различными данными, важно учитывать различия, которые предполагают разные методы исследования стопы.

Основная информация

 

Измерение пространственных характеристик стопы важно для разработки дизайна обуви, оценки соответствия и клинического применения [1-3]. При наличии обуви, которая не соответствует индивидуальным характеристикам стопы, возрастает риск возникновения проблем с опорно-двигательным аппаратом, боль в ногах и деформация стопы [4]. Разработка дизайна обуви с учётом параметров размера и формы стопы способствует подбору подходящей обуви [1,2,5,6]. Применялись различные методы для сбора информации о характеристике стопы: размер, форма и подошвенный контур.

Самые распространенные подходы включают в себя: применение цифрового штангенциркуля, 3D сканирование и анализ отпечатка стопы.

Отпечаток стопы и цифровой штангенциркуль признаны традиционными способами, используемыми для характеристики пространственных характеристик стопы. Однако, результаты, полученные с применением цифрового штангенциркуля, как правильно, ложны [7,8]. Использование различных методов исследования приводит к несогласованным показателям полученных результатов [7]. Решающее значение имеет подготовка лаборантов, которые смогут правильно разместить датчики на соответствующих анатомических точках [8]. Применение чернил для получения отпечатка стопы может сократить время, отведённое на обследование. Данные, полученные путём анализа отпечатка стопы, могут быть использованы по-разному, например, для подсчёта индекса арки стопы. Однако, существуют ограничения, связанные с получением пространственных характеристик стопы при наличии отпечатка, из-за которых невозможно измерить вертикальные характеристики стопы, такие как: высота ладьевидной кости. В дополнении ко всему, от качества отпечатка зависит точность и правильность пространственных измерений стопы.

 

Метод 3D сканирования разработан с использованием передовых оптоэлектронных технологий для сбора антропометрических данных [9,10]. Согласно методу 3D сканирования можно получить данные о поверхности и объёме человеческого тела, а также рассмотреть его в поперечном разрезе. Преимущества применения 3D сканирования заключаются в возможности исследовать сразу большое количество участников за считаные минуты, а в точности и правильности результатов данных нельзя усомниться [11]. Единственный недостаток - высокая первоначальная стоимость. Изображения, полученные при 3D сканировании, можно использовать для получения цифровых отпечатков стопы. Согласно предыдущим исследованиям, для сбора данных о пространственных характеристиках стопы тоже надежным способом является сбор цифровых отпечатков [12].

Проведён целый ряд научных опытов для сравнения разных методов исследования стопы с применением всевозможных агрегатов. Например, исследователь, Витана [13], провела сравнительный анализ методов исследования стопы, задействовав штангенциркуль, 3D сканирование и некоторые современные подходы. Оказалось, что в 8 из 18 полученных результатах пространственных характеристик есть некоторые различия в зависимости от применённого метода. Другой исследователь, Молл [14], собрал данные результатов исследования пространственных характеристик стопы, используя штангенциркуль и оптические устройства, обнаружил, что результаты оказались абсолютно идентичными, а период обследования уменьшился. Исследователь Чжао [15], предложил собрать данные обхвата 6 сторон стопы, применяя современные методы, для более точной разработки дизайна обуви. Результаты показали, что есть некоторые различия (менее 5 мм) по сравнению с измерением обхвата 6 сторон вручную. Де Митсу [16] удалось реализовать научную работу, в которой оценивается достоверность 3D сканирования, с применением аппаратов рентгеновского излучения, а также ручных замеров. В ходе работы выяснилось, что метод 3D сканирования доказал достоверность результатов при сканировании стоп здоровых участников исследования. В отличии от клинических методов, метод 3D сканирования является достоверным и точным [18]. Его можно применить для выявления деформации стопы до начала её полной диверсии [17].  Нолднер и Эдгар [19] в процессе описания морфологии, сравнили три типа исследования: 2D сканирование стопы, 3D сканирование стопы и ручные замеры. Им удалось обнаружить, что 3D сканирование - это самый передовой метод.

Похоже, что, применяя различные методы на практике для сбора данных о пространственных характеристиках стопы, можно прийти к противоречивым результатам. Однако так и не выявлен самый приемлемый метод исследования стопы. В данном исследовании проводится сравнение четырёх наиболее распространенных методов исследования стопы: применение цифрового штангенциркуля, 3D сканирование, получение цифровых отпечатков стопы и традиционные методы исследования.

 

 Методы

Участники

Для проведения данного исследования были задействованы сто тридцать участников: 65 мужчин и 65 женщин. Средний возраст мужчин составил 21,25 ± 2,15, от 18 до 28 лет. Соответственно, средний рост составил 174,92 ± 5,82 см, а вес - 68,45 ± 7,57 кг. Средний возраст женщин составил 21,98 ± 2,94, от 18 до 30 лет. Соответственно, средний показатель роста -  162,09 ± 4,30 см, а вес - 52.32 ± 5.89 кг. Все участники оказались либо студентами, либо лицами, недавно окончившими учебное заведение. Все из них здоровы. В качестве активной руки задействована правая. Ни у одного из участников не было обнаружено нарушений опорно-двигательного аппарата. У всех отсутствовали неприятные ощущения в области поясницы, лодыжек или стоп при использовании медицинского оборудования.  В виду временных ограничений проводилось обследование только доминирующей стопы. Для определения доминирующей стопы, как наиболее часто используемой, провели примитивный эксперимент: нужно было ударить ногой мяч [20-22].  Правая нога оказалась доминирующей у всех участников. Все обследования по измерению характеристик стопы проводились утром с целью минимизировать деформацию объёма. Протокол исследования был одобрен комитетом по этике Национального университета Цин Хуа (справочный номер 10306HE023).

 

Пространственные характеристики стопы.

Шесть пространственных характеристик стопы, включая длину стопы, длину продольно-срединного свода стопы, длину продольно-бокового свода стопы, ширину стопы в горизонтальной плоскости и ширину пятки, были измерены с применением четырёх методов (например, использование цифрового штангенциркуля, 3D сканирование, цифровые отпечатки стопы и отпечатки стопы с применением чернил). Пояснения пространственных характеристик стопы представлены в таблице 1. Выбранные шесть пространственных характеристик важны для разработки дизайна обуви и стелек.

Перед началом анализа лаборант прикрепляет 2 метки на нужные позиции правой поверхности стопы участника. Метки представлены в виде 4,2 мм наклеек синего цвета. Две позиции для установки меток находятся в плюсневой большеберцовой и плюсневой малоберцовой точках. Плюсневая большеберцовая точка определяется как самая срединная точка в начале первой плюсневой кости стопы. Плюсневая малоберцовая точка - боковая точка в начале пятой плюсневой кости.  Эти же самые две анатомические точки были использованы для цифрового измерения посредством штангенциркуля и 3D сканирования. Самая крайняя точка пятки определена в качестве конечной точки. Каждый пространственный параметр стопы был изучен в соответствии четырём методам исследования. Например, ширина пятки определена в качестве ширины в позиции 16% от длины стопы по прямой линии от конечной точки до пальцев ноги. Прямоугольная система координат представляет собой готовую систему. Началом является конечная точка пятки стопы, проецированная на систему координат.  Ось абсциссы соответствует оси стопы - линия, которая проходит от конечной точки пятки до кончика второго пальца стопы.  Середина стопы обозначается дополнительным вектором оси ординат, а вертикальное положение - дополнительная ось аппликат. Подобная система координат применяется при 3D сканировании, использовании цифрового штангенциркуля, создании чернильных или цифровых следов стопы. Основная цель применения системы координат - не допустить искажения параметров в результате эффекта выравнивания на плоскости.

Таблица 1. Определение пространственных характеристик стопы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Четыре различных метода исследования стопы.

Четыре метода исследования стопы, рассматриваемые в данной статье, продемонстрированы на рисунке 1. Квалифицированный лаборант проводит замеры стопы с применением цифрового штангенциркуля («Mitutoyo Corporation», Токио, Япония), измеряя пространственные характеристики, основанные на двух конкретных анатомических способах. Для измерения применялся штангенциркуль с подвижными частями. Диапазон измерения начинался от 0,5 мм до 500 мм, а его стабильное положение оказалось в 0,01 мм. Для сбора данных о пространственных характеристиках стопы применялся метод 3D сканирования, а именно система сканирования № IFU-S-01 «INFOOT USB», ООО «I-Ware Laboratory Co.», Япония.  Для полного конструирования стопы 3D сканер оснащён 8 камерами с ПЗС матрицей и 4 лазерными проекторами. Данные поперечного разреза стопы были получены с помощью 1,0 мм интервалов, проведённых по всей поверхности стопы, включая подошву. Разрешение сканера стопы было в пределах 0,1 мм. Анатомические координаты были измерены с помощью двух меток, приклеенных к поверхности стопы.

Собраны 6 пространственных характеристик после автоматического распознавания меток сканером «INFOOT».

 

figure1

The four measurement methods: digital caliper (a), 3D foot scanner (b), Harris mat (c) and digital footprint image (d).

 

Коврик Харриса (комплект импринтера для стопы, ACCS-00167, ООО «Acor Orthopaedic», США) применяется для получения чернильных отпечатков стопы. Модель стопы в 3D формате получена посредством работы 3D сканера. Сканер считывает информацию с контура подошвенной поверхности как с цифрового следа стопы. Для получения цифрового отпечатка стопы также использовали 3D сканер на основе треугольных сеток [23]. С целью устранить шумовые помехи отпечатка применялся 1,5 мм контур над поверхностью стопы. Все цифровые отпечатки изображения следа ноги сохранялись на ПК. Двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования «AutoCAD» была использована для сбора данных шести пространственных характеристик, начиная от цифрового отпечатка стопы до расстояний от точки до точки. Перед использованием программное обеспечение было откалибровано до необходимых размеров изображения. Линии цифрового изображения стопы спроецированы сразу же на изображение, чтобы получить определенную модель, соответствующую пространственным характеристикам. Лаборант может приближать цифровую картинку для определения самой крайней точки стопы (например, плюсневой большеберцовой и плюсневой малоберцовой). Такой этап необходим в виду сбора данных о размере ширины стопы. Для проведения дальнейшего обследования стопы определены шесть крайних точек: кончик самого длинного пальца стопы (первый или второй), плюсневая большеберцовая точка, плюсневая малоберцовая точка, срединная точка лодыжки, боковая точка лодыжки, а также крайняя точка пятки. Все точки были найдены на цифровом отпечатке стопы.

Процедура сбора данных.

Доминирующая нога каждого участника подверглась анализу, согласно трём методам исследования. После сканирования стопы было получено цифровое изображение следа отпечатка стопы. Последовательность методов для измерения пространственных характеристик стопы выбрана случайным образом каждому участнику. Все три метода исследования проводились в один день. Две метки оставались до тех пор, пока не был закончен анализ всех пространственных характеристик, включая повторные измерения с применением различных методов. В целях обеспечения точности и последовательности сбора данных только один компетентный лаборант занимался установкой меток, а также проведением ручных замеров стопы.

Каждый участник встаёт на отмеченную область на полу в вертикальном положении, выравнивая стопу по конечной точке пятки горизонтальной линии, а 2 пальца располагает согласно вертикальной направляющей линии в 2D системе координат. Перед началом анализа участников просили поставить ноги на ширину плеч, чтобы нагрузка тела равномерно распределялась на обе ноги. Затем, после успешного измерения пространственных характеристик, участникам предложили сделать небольшой перерыв. Та же процедура последовала в следующих измерениях.

 

Перед сканированием каждого участника попросили вымыть правую ногу и насухо вытереть её полотенцем. Подобная процедура позволяет избежать неточностей из-за прилипших частиц к поверхности стопы. Затем, участников попросили встать на стеклянную поверхность и поместить правую ногу в сканер, при этом осанка должна быть ровной и нельзя было шевелить ногами. После успешного сканирования правую ногу вытаскивали из сканера. Далее, лаборант протирал стеклянную поверхность, чтобы очистить её от частиц пыли и отпечатка стопы, оставленного предыдущим испытуемым. Процедура повторилась для второго сканирования. Подобные действия применялись для устранения неточностей при сканировании и обеспечения качества изображения. Сканирование стопы с повторным измерением заняло около 1 минуты. Лаборант проверил все сканированные снимки стоп и при необходимости удалил все шумы со снимков. Какие-либо очевидные ошибки в расположении меток были сразу же исправлены.

Участников попросили встать на коврик Харриса для получения чернильного отпечатка стопы. При этом, вес тела был равномерно распределен на обе ноги. Таким образом, отпечаток правой стопы оказался на бумажной поверхности. Затем, испытуемый убирал ногу с коврика Харриса. Лаборант поместил новый лист бумаги на коврик для следующего замера. Качество печати чернильного отпечатка пальцев и внешнего контура стопы оказалось удовлетворительным для сбора точных данных. Каждый участник исследования проходил такую процедуру два раза. Чернильный контур отпечатка стопы был нарисован на бумаге. Лаборант определил плюсневую большеберцовую и плюсневую малоберцовую точки, а также провёл замеры шести пространственных характеристик по чернильному отпечатку стопы.

 

Анализ данных.

Независимые переменные - это пол (мужской или женский), а также метод измерения (штангенциркуль, 3D сканирование, цифровой или чернильный отпечаток стопы). Зависимые переменные - это шесть пространственных характеристик стопы. Проведён двусторонний дисперсионный анализ с целью выявить какой эффект на измерение пространственных параметров оказывают пол и метод исследования. Многоранговый критерий Дункана применён для последующего сравнения значимых показателей. Для сравнения рассчитаны внутренние коэффициенты корреляции четырех методов исследования. Все статические анализы были выполнены с использованием компьютерной программы статической обработки данных «SPSS». Уровень значимости был установлен на показателе α = 0.05.

Средняя абсолютная разница между повторяющимися измерениями для четырёх методов исследования определена как точная мера (повторяемость) проводимого исследования. Средняя абсолютная разница обычна используется для оценки точности и метода измерения [7,9,24]. Наименьший показатель средней абсолютной разницы указывает на высокую точность исследования. Согласно критериям ИЗО в количестве 20685 [25] гарантируются допустимая разница в качестве показателя точности полученных данных [23,24,26]. В соответствии с 20685 критериями ИЗО, установленный уровень точности 2 мм, считается стандартным требованием при проведении исследования стопы. Точность определяется как степень, в которой измеряемое значение приблизительно соответствует истинному значению. Измерение стопы с помощью цифрового штангенциркуля представляет собой истинное значение в силу своего относительно высокого разрешения (0.01 мм).

Результаты двустороннего дисперсионного анализа.

Выявлено, что оба фактора (поли и метод исследования) оказывают значительное влияние на размеры шести показателей пространственных характеристик стопы. В выбранных методах исследования не выявлено существенного эффекта взаимодействия.

figure2

Размеры стопы мужчин в значительной степени превышают размеры стопы женщин независимо от метода исследования. Различие между полами составило около 24,4 мм (от 21,2 до 23,2 мм) длины стопы, 16,1 мм (от 15,1 до 17,6 мм) длина продольно-срединного свода стопы, 14,1 мм (от 12,1 до 15,6 мм) длина продольно-бокового свода стопы, 9,4 мм (от 8,1 до 10,7 мм), ширина стопы в диагональной плоскости, 8,9 мм (от 8,1 до 10,4 мм), ширина стопы в горизонтальной плоскости и 4,4 мм (от 3,6 мм до 5,7 мм) ширина пятки согласно четырём различным методам исследования (как показано на рисунке 2).

В таблице 3 представлены результаты многорангового теста критериев Дункана для шести пространственных характеристик стопы независимо от пола.

Dimension Foot length (mm) Ball of foot length (mm) Outside ball of foot length (mm) Foot breadth diagonal (mm) Foot breadth horizontal (mm) Heel breadth (mm)
  Mean (SD) Duncan’s MRT Mean (SD) Duncan’s MRT Mean (SD) Duncan’s MRT Mean (SD) Duncan’s MRT Mean (SD) Duncan’s MRT Mean (SD) Duncan’s MRT
3D scanning 249.3 (15.7) A 181.6 (11.6) A 164.1 (10.64) A 99.0 (7.3) A 97.1 (7.0) A 63.2 (4.5) A
Digital caliper 247.7 (15.7) A 177.7 (12.7) B 157.0 (10.8) B 94.7 (7.2) B 85.2 (7.4) B 62.6 (4.0) A
Digital footprint 233.0 (14.8) B 170.6 (10.9) C 153.4 (9.9) C 87.8 (6.4) C 86.0 (6.3) B 50.1 (3.8) B
Ink footprint 234.1 (14.6) B 172.0 (10.6) C 147.7 (9.3) D 88.6 (6.5) C 85.1 (6.2) B 47.7 (3.9) C
p-value p < 0.001 p < 0.001 p < 0.001 p < 0.001 p < 0.001 p < 0.001

Значительные различия были обнаружены в выбранных показателях четырёх методов измерения стопы. Шесть пространственных характеристик стопы, взятые после 3D сканирования, оказались наиболее значимыми, чем остальные. Не найдены существенные различия в результатах между цифровыми и чернильными отпечатками стопы, за исключением длины продольно-бокового свода стопы и ширины пятки. Пространственные характеристики, определённые с помощью методов цифрового и чернильного отпечатка стопы, показали наименьшие значения измерений в пяти из шести пространственных характеристиках, чем те данные, полученные с помощью 3D сканирования и с применением цифрового штангенциркуля.

Для оценки точности все значения средней абсолютной разницы четырёх методов исследования оказались менее 3 мм (рисунок 4). Метод 3D сканирования показал наиболее высокую точность, чем остальные три метода в четырёх из шести пространственных характеристиках стопы (длина продольно-срединного свода стопы, длина продольно-бокового свода стопы, ширина стопы в диагональной плоскости и ширина стопы в горизонтальной плоскости). Результаты исследования, полученные с применением цифрового штангенциркуля, наиболее точны в двух характеристиках: длина стопы и ширина пятки, чем в остальных шести характеристиках. Результаты исследования, полученные с применением цифрового штангенциркуля, наименее точны в показателях длины продольно-срединного свода стопы и длины продольно-бокового свода стопы. Метод чернильного отпечатка стопы является самым худшим методом в плане точности, за исключением показателей длины продольно-срединного свода стопы и длины продольно-бокового свода стопы.

Результаты оценки точности приведены в таблице 5. Средняя абсолютная разница результатов после 3D сканирования оказалась менее 11,9 мм относительно всех пространственных характеристик стопы. У метода 3D сканирования выявлен самый наименьший показатель средней абсолютной разницы, чем у других методов, за исключением длины продольно-бокового свода стопы и ширины стопы в горизонтальной плоскости. Сравнивая полученные результаты исследования с 20685 критериями ИЗО, средняя абсолютная разница длины стопы и ширины пятки при 3D сканировании соответствовала максимально допустимой разнице. Точность измерения цифрового и чернильного следа ноги оказалась неудовлетворительной, за исключением ширины стопы в горизонтальной плоскости. Посредством метода 3D сканирования получены результаты следующих пространственных характеристик: длина продольно-срединного свода, длина продольно-бокового свода, ширина стопы в диагональной плоскости, ширина стопы в горизонтальной плоскости. Характеристики оказались недостаточно точными для их внесения в антропометрическую базу данных.

Внутренние коэффициенты корреляции всех шести характеристик стопы с применением цифрового штангенциркуля показали диапазон от 0,74 до 0,98 (таблица 6). Самый высокий процент неточности результата выявлен при измерении длины продольно-срединного свода стопы. Внутренний коэффициент корреляции метода сканирования и метода с получением цифровых отпечатков оказался в диапазоне от 0,95 до 0,98 и 0,98. Внутренний коэффициент корреляции при измерении чернильного следа оказался в диапазоне от 0,59 до 0,91. Однако, самый неточный результат выявлен при измерении ширины стопы в диагональной плоскости.

Таблица 2. Результаты двустороннего дисперсионного анализа.

 ***Значительная разница (p <0,001); ЗР: нет значительной разницы; с.с.: степень свободы.

Так происходит, потому что 3D сканер быстрее определяет самую крайнюю точку в верху плюсневых костей, чем метод ручного измерения таких характеристик стопы как: длина продольно-срединного свода, длина продольно-бокового свода, а также ширина в горизонтальной и диагональной плоскостях (как показано в таблице 3). При использовании цифрового штангенциркуля лаборант нащупывает место выступа плюсневой кости, которое может и не быть крайней точкой, от которой необходимо начинать измерение. С другой стороны, при использовании цифрового штангенциркуля лаборант может положить мягкую салфетку на поверхность стопы и сжать её, таким образом, найти необходимую точку. Следует подчеркнуть важность стандартизации и необходимость предварительного обучения для проведения подобной процедуры.

Точность 3D сканирования подвергалась сомнению из-за ограничения в техническом плане и знаний о точном расположении идентификационного ориентира, чем метод с применением цифрового штангенциркуля. Пространственные характеристики, собранные путём использования цифрового и чернильного следа меньше, чем данные, полученные с помощью 3D сканирования и цифрового штангенциркуля. Связано это с тем, что распределение давления по краю подошвенной поверхности оказалось ниже и, как следствие, внешний контур стопы меньше, чем в реальности. Более того, контур отпечатка стопы был нарисован на бумаге.

В процессе рисования отпечатка стопы не учитывается выпуклость мягких тканей, что приводит к недостаточной оценке размеров стопы.

Согласно полученным результатам, у 3D сканирования более высокий показатель точности измерений из все четырёх методов, потому что не применяются ручные замеры. Хотя, метод исследования с применением цифрового штангенциркуля показал лучшие точные результаты в характеристиках длины стопы и ширины пятки. Такой вывод связан с тем фактом, что длина стопы и ширина пятки - пространственные характеристики, которые легко можно измерить с помощью штангенциркуля. Шумовые эффекты, присутствующие на сканированном, цифровом и чернильном отпечатке стопы, могут повлиять на полученные результаты между двумя повторяющимися исследованиями, особенно в области пальцев ног, которую сложнее реконструировать. Вышеперечисленные обобщения могут быть причиной получения разных результатов. С другой стороны, у метода с применением цифрового штангенциркуля более точные результаты средней абсолютной разницы значений в характеристиках длины продольно-срединного свода стопы и длины продольно-бокового свода стопы. Характеристики длин продольно-срединного и продольно-бокового свода стопы представляют собой прямые линии от конца пятки до плюсневой большеберцовой и плюсневой малоберцовой точек. Поскольку, цифровой штангенциркуль не может одновременно соединить точки: от конца пятки до плюсневой большеберцовой и от конца пятки до плюсневой малоберцовой, то на практике конечная точка пятки была расширена до линии. Бесспорно, подобное измерение влияет на последовательность повторяемых измерений.

 

Dimension MADa(mm) Maximum allowable error in ANSUR [[27]] (mm)
3D foot scanning Digital caliper Digital footprint Ink footprint
Foot length 1.50 1.41 1.53 1.60 3.00
Ball of foot length 1.36 2.40 1.46 1.80 6.00
Outside ball of foot length 1.34 2.01 1.41 1.90  
Foot breadth diagonal 0.73 1.42 0.77 2.65  
Foot breadth horizontal 0.79 1.66 0.83 1.75 2.00
Heel breadth 0.91 0.80 0.86 1.20 2.00
  1. aMAD between the repeated measurements.

 

 

Более того, на чернильном отпечатке стопы показана минимальная точность результатов в четырех пространственных характеристиках из шести. Связано это с тем, что в силу равномерного распределения давления по поверхности стопы страдает качество получаемого чернильного отпечатка стопы, которое приводит к плохой согласованности повторяемых измерений стопы. Проведя исследование средней абсолютной разницы антропометрического анализа состава армии США (ANSUR) были сделаны выводы о максимально допустимой погрешности измерений [9,24,27]. Если значение средней абсолютной разницы оказалось меньше, чем максимально допустимая погрешность ANSUR, то точность измерений приемлема. Сопоставляя значения средней абсолютной разницы в текущем исследовании с максимально допустимой погрешностью ANSUR, выходит, что все четыре способа измерения стопы соответствуют критериям, которые предполагают их точность в измерении шести пространственных характеристик стопы. Согласно показателям, приведённым в таблице 5, только две характеристики отпечатка стопы соответствуют 20685 критериям ИЗО, но только лишь в горизонтальном положении ширины стопы. При 3D сканировании стопы, две из шести пространственных характеристик соответствуют 20685 критериям ИЗО. Выходит, что 3D сканирование выдаёт недостаточно точные результаты относительно длины продольно-срединного свода стопы, длины продольно-бокового свода стопы, ширины стопы в диагональной плоскости и ширины стопы в горизонтальной плоскости. Тельфер [28] провёл исследование шести широко применяемых методов, включая 3D сканирование полного охвата формы стопы и сообщил, что ни один из методов не соответствует всем стандартизированным критериям. Метод 3D сканирования показал наилучшую эффективность, чем другие методы измерения отпечатков стопы. Стоить заметить, что надлежащая подготовка и обучение лаборанта влияет на полученные результаты при измерении стопы с помощью цифрового штангенциркуля. Таким образом, обучение лаборанта играет важную роль.

Согласно показателям внутренних коэффициентов корреляции, выявлено, что результаты, полученные с применением цифрового штангенциркуля, показывают наихудшую точность в измерении длины продольно-срединного свода стопы. Такие выводы соответствуют тексту доклада Молла [14]. Головка первой плюсневой кости представляет собой огромную кость круглой формы. Её сложно найти и определить на ней центральную позицию. Следовательно, стоит усомниться в точности измерения длины продольно-срединного свода стопы при использовании цифрового штангенциркуля. Внутренние коэффициенты корреляции сканирования стопы определены в диапазоне от 0,93 до 0,98. Такие показатели совпадают с показателями, приведёнными в докладе Де Митса [16], в котором внутренние коэффициенты корреляции, измеренные с помощью системы сканирования «INFOOT» варьируются от 0,94 до 0,99 при измерении длины и ширины.

Метод 3D сканирования показывает высокую точность и правильность сбора антропометрических данных стопы. Преимущества использования метода 3D сканирования для сбора данных о характеристиках стопы заключается в малых временных затратах на процедуру и более высокой эффективности измерения большого количества образцов. Данные могут быть повторно использованы для различного использования в более позднее время [11]. Метод 3D сканирования стопы позволяет получать объёмную картинку, данные о поверхности стопы, а также предоставляет информацию о размере и форме стопы.

Dimensions ICCs
3D scanning Digital caliper Digital footprint Ink footprint
Foot length 0.98 0.98 0.97 0.91
Ball of foot length 0.95 0.74 0.97 0.68
Outside ball of foot length 0.95 0.89 0.94 0.98
Foot breadth diagonal 0.95 0.89 0.98 0.59
Foot breadth horizontal 0.96 0.84 0.98 0.93
Heel breadth 0.96 0.87 0.94 0.78

 

Dimensions MADa(mm) ISO 20685 [[25]](mm)
  3D scanning Digital footprint Ink footprint  
Foot length 1.6 14.7 13.6 2.00
Ball of foot length 3.9 7.1 5.7 2.00
Outside ball of foot length 7.1 3.6 9.3 2.00
Foot breadth diagonal 4.3 6.9 6.1 2.00
Foot breadth horizontal 11.9 0.8 0.1 2.00
Heel breadth 0.6 12.5 14.9 2.00

Однако, недостаток 3D сканирования - высокая стоимость аппаратуры и её настройка, по сравнению с другими методами. Размеры системы 3D сканирования («INFOOT») составляют: 685 (длина)×400 (ширина)×310 (высота) мм. Таким образом, мобильность системы несколько ограничена. Важно заметить, что при использовании метода 3D сканирования для сбора данных о пространственных характеристиках стопы, следует проверять и устранять шумовые эффекты, возникающие на 3D изображении, с целью улучшения точности результатов, особенно в характеристиках размера длины стопы и ширины пятки.

Dimensions ICCs
3D scanning Digital caliper Digital footprint Ink footprint
Foot length 0.98 0.98 0.97 0.91
Ball of foot length 0.95 0.74 0.97 0.68
Outside ball of foot length 0.95 0.89 0.94 0.98
Foot breadth diagonal 0.95 0.89 0.98 0.59
Foot breadth horizontal 0.96 0.84 0.98 0.93
Heel breadth 0.96 0.87 0.94 0.78

Во избежание любых ошибок, которые может допустить человек, требуется проводить соответствующую подготовку лаборанта. Задача лаборанта - верно установить метки в нужных местах и провести измерение. Поскольку при проведении данного исследования был задействован один лаборант, прошедший соответствующую подготовку, невозможно оценить взаимную достоверность всех четырех методов. (взаимная достоверность - свойство, характеризующее двух или более специалистов, выполняющих измерение одним и тем же методом, получать одинаковые результаты-пер.).  Для проведения данного исследования применялась 3D система сканирования «INFOOT».

На протяжении всего процесса исследования стопы на ногах у участников оставались две метки. Нужно учитывать различия между разными системами 3D сканирования стопы, при использовании результатов данного исследования.

Выводы.

В данном исследовании проводилось изучение точности и достоверности результатов пространственных характеристик стопы. Основываясь на полученных данных о точности и достоверности, применённый метод 3D сканирования оказался наиболее приемлемым, чем методы с использованием цифрового штангенциркуля, цифрового и чернильного отпечатка стопы. На основании полученных результатов, в проведённом исследовании выражается поддержка в пользу метода 3D сканирования для сбора антропометрических данных стопы. Более того, использование разных методов для измерения пространственных характеристик стопы может стать причиной непоследовательных результатов. Важно учитывать различия каждого метода при сравнении полученных данных.

 

figure3

Measuring foot breadth horizontal dimension by using (a) scanning image and (b) digital caliper.

Competing interests

The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contributions

YCL was involved in the study design, data collection, statistical analysis and drafted the manuscript. GL participated in data collection and performed statistical analysis. MJW led this study and helped to finalize the manuscript. All authors read and approved the final manuscript.

Acknowledgements

The authors would like to express our great appreciation to the financial support by the National Science Council under the grant No. NSC- 98-2221-E- 007-054-MY3.

Received: 26 March 2014 Accepted: 12 October 2014

 

References

1.      Witana CP, Feng J, Goonetilleke RS: Dimensional differences for evaluating the quality of footwear fit. Ergonomics 2004, 47(12):1301–1317.

2.      Wang CS: An analysis and evaluation of fitness for shoe lasts and human feet. Comput Ind 2010, 61(6):532–540.

3.      Hawes MR, Sovak D: Quantitative morphology of the human foot in a North American population. Ergonomics 1994, 37(7):1213–1226.

4.      Menz HB, Morris ME: Footwear characteristics and foot problems in older people. Gerontology 2005, 51(5):346–351.

5.      Frey C: Foot health and shoewear for women. Clin Orthop Relat Res 2000,

372:32–44.

6.      Au EY, Goonetilleke RS: A qualitative study on the comfort and fit of ladies’ dress shoes. Appl Ergon 2007, 38(6):687–696.

7.      Kouchi M, Mochimaru M, Tsuzuki K, Yokoi T: Interobserver errors in anthropometry. J Hum Ergol 1999, 28(1–2):15–24.

8.      Kouchi M, Mochimaru M: Errors in landmarking and the evaluation of the accuracy of traditional and 3D anthropometry. Appl Ergon 2011, 42(3):518–527.

9.      Robinette KM, Daanen HAM: Precision of the CAESAR scan-extracted measurements. Appl Ergon 2006, 37(3):259–265.

10.    Liu S, Chi Y, Sanchez S, Stricker D: Foot scanning and deformation estimation using time-of-flight cameras. Footwear Sci 2011, 3(1):98–99.

11.    Telfer S, Woodburn J: The use of 3D surface scanning for the measurement and assessment of the human foot. J Foot Ankle Res 2010, 3:19–27.

12.    Papuga MO, Burke JR: The reliability of the associate platinum digital foot scanner in measuring previously developed footprint characteristics: a technical note. J Manipulative Physiol Ther 2011, 34(2):114–118.

13.    Witana CP, Xiong S, Zhao J, Goonetilleke RS: Foot measurements from three-dimensional scans: a comparison and evaluation of different methods. Int J Ind Ergon 2006, 36(9):789–807.

14.    Mall NA, Hardaker WM, Nunley JA, Queen RM: The reliability and reproducibility of foot type measurements using a mirrored foot photo box and digital photography compared to caliper measurements.

J Biomech 2007, 40(5):1171–1176.

15.    Zhao J, Xiong S, Bu Y, Goonetilleke RS: Computerized girth determination for custom footwear manufacture. Comput Ind Eng 2008, 54(3):359–373.

16.    De Mits S, Coorevits P, De Clercq D, Elewaut D, Woodburn J, Roosen P: Reliability and validity of the Infoot 3D foot digitizer for normal healthy adults. Footwear Sci 2010, 2(2):65–75.

17.    De Mits S, Mielants H, De Clercq D, Woodburn J, Roosen P, Elewaut D: Quantitative assessment of foot structure in rheumatoid arthritis by a foot digitizer allows detection of deformities, even in the absence of erosions. Arthritis Care Res 2012, 64(11):1641–1648.

18.    De Mits S, Coorevits P, De Clercq D, Elewaut D, Woodburn J, Roosen P: Reliability and validity of the INFOOT three-dimensional foot digitizer for patients with rheumatoid arthritis. J Am Podiatr Med Assoc 2011, 101(3):198–207.

19.    Noldner LK, Edgar HJH: 3D representation and analysis of enthesis morphology. Am J Phys Anthropol 2013, 152(3):417–424.

20.    Gabbard C, Hart S: A question of foot dominance. J Gen Psychol 1996, 123(4):289–296.

Bandholm T, Boysn L, Haugaard S, Zebis MK, Bencke J: Foot medial longitudinal-arch deformation during quiet standing and gait in subjects with medial tibial stress syndrome. J Foot Ankle Surg 2008, 47(2):89–95.

22.    Kanchan T, Krishan K, ShyamSundar S, Aparna KR, Jaiswal S: Analysis of footprint and its parts for stature estimation in Indian population. Foot (Edinb) 2012, 22(3):175–180.

23.    Yu CY, Tu HH: Foot surface area database and estimation formula.

Appl Ergon 2009, 40(4):767–774.

24.    Lu JM, Wang MJJ: The evaluation of scan-derived anthropometric measurements. IEEE Trans Instrum Meas 2010, 59(8):2048–2054.

25.    3D Scanning Methodologies for Internationally Compatible Anthropometric Databases, ISO 20685. 2005.

26.    Tu HH: Foot volume estimation formula in healthy adults. Int J Ind Ergon

2014, 44(1):92–98.

27.    Gordon CC, Bradtmiller B, Clauser CE, Churchill T, McConville JT, Tebbetts I, Walker RA: 1987-1988 Anthropometric Survey of U.S. Army Personnel: Methods and Summary Statistics, Technical Report NATICK/TR-89-004. Natick, MA: U.S. Army Natick Research, Development and Engineering Center; 1989.

28.    Telfer S, Gibson KS, Hennessy K, Steultjens MP, Woodburn J: Computer-aided design of customized foot orthoses: reproducibility and effect of method used to obtain foot shape. Arch Phys Med Rehabil 2012, 93(5):863–870.