Biofeedback for the optimization of locomotion : design and validation of an embedded system for evaluating locomotion from plantar pressures
Biofeedback pour l'optimisation de la locomotion : conception et validation d'un système embarqué d'évaluation de la locomotion à partir des pressions plantaires
Résumé
With the project named " Dynalyser ", the MEDICAPTEURS Company (France, Balma) and the PRISSMH EA4561 laboratory (Paul Sabatier University, Toulouse III) have obtained a funding by the Midi-Pyrenees Regional Council (AO AGILE-IT 2012) to develop a new plantar pressure embedded biofeedback sys-tem. Consisting of a wireless communicating system with nine isolated sensors per foot, it aims to deliver infor-mation about plantar pressures in the conscious of a sound melody (3 sounds), by means of a smartphone. The system's aim is to reinforce or supplement the intrinsic (i.e., natural) plantar pressure feedback by informing in real time (detection of hyperpressure area or, on the contrary, absence of pressure) in order to improve the con-trol of walking in clinical or sporting activities. First, a study allowed to develop and validate a method to locate isolated sensors by means of a force platform. Results revealed high correlations between the force platform data (center of pressure and vertical ground reaction force (vGRF)) and the Dynalyser data (barycenter of pressure and vGRF), confirming the relevance and necessity of such method for an analysis as precise as motion analysis systems of certain biomechanical parameters of walking. Second, the development of the auditory biofeedback (BFB) system was realized. A study verifying the feasibility of a modulation of plantar support using BFB was conducting on a healthy population. Following the principle of a "C-major" return (FB_Gruss) validated for its intelligibility, the results revealed a difficulty for the participants to appropriate quickly the FB_Gruss during walking. These observations, highlight the difficulty of processing several information in a very short period of time (the foot-to-ground contact). On the other hand, a significant natural variability is observed under two areas (lateral and especially medial part of the forefoot). It is sometimes superior to the tolerance range set up to trigger sounds and disrupts the quantification of successful supports. The results obtained are promising because they also reveal the absence of deleterious effect of the BFB on the distribution of ipsi and contralateral plantar pres-sures. Third, a model of prediction of plantar pressure peaks as a function of the dimensionless spatio-temporal parameters (Froude number, Strouhal and Modela-w) was developed. The aim is to obtain an autonomous system capable of modulating a melody by comparing the peak pressure values obtained in real time with those of the reference model. The first results reveal a high prediction of the pressures under the three areas that serve the BFB (R² > 0.95). This model must be validated to be incorporated into the software in order to obtain a totally autonomous device allowing to inform in real time the distribution of the plantar pressures in a clinical or sports context.
Avec le projet nommé " Dynalyser ", la société MEDICAPTEURS (France, Balma) et le laboratoire PRISSMH EA4561 (Université Paul Sabatier, Toulouse III) ont obtenu un financement du Conseil Régional Midi-Pyrénées (AO AGILE-IT 2012) pour mettre au point un nouveau système embarqué de mesure des pressions plantaires. Composé d'un système communiquant sans fil avec 9 capteurs isolés par pied il permet, à partir d'un smartphone, de retourner sous la forme consciente d'une mélodie sonore (3 sons) les informations de pressions plantaires. L'objectif de ce système est d'informer en temps réel (détection de zones d'hyperpression ou au con-traire, d'une absence de pression) et de conforter ou suppléer les moyens de détection naturelle pour un contrôle de l'appui plantaire dans des activités cliniques ou sportives. Dans un premier temps, une étude a permis de développer et de valider une méthode de placement des capteurs isolés à partir de la résultante des forces enre-gistrées par chaque capteur comparée à la force externe mesurée par une plateforme de forces. Les résultats ont mis en évidence des corrélations élevées entre les données de la plateforme de forces (centre des pressions et force verticale de réaction (Fz)) et celles du Dynalyser (barycentre des pressions et Fz), confirmant la pertinence et la nécessité d'un tel placement pour une analyse de certains paramètres biomécanique de la marche aussi pré-cise que celle permise par des systèmes éprouvés d'analyse du mouvement. Dans un second temps, le dévelop-pement de la partie logicielle permettant un retour sonore a été réalisé. Une étude vérifiant la faisabilité d'une modulation de l'appui plantaire grâce au biofeedback (BFB) a été menée sur une population saine. Reprenant le principe d'un retour en " Do majeur " (FB_Gruss) validé pour son intelligibilité, les résultats révèlent une diffi-culté des participants à s'approprier rapidement le FB_Gruss lors de la marche. Ces observations mettent en évi-dence la difficulté à traiter plusieurs informations dans un laps de temps très bref (le contact pied-sol). Par ail-leurs, une variabilité naturelle importante est observée sous certaines zones (partie latérale et surtout médiale de l'avant-pied). Elle est quelque fois supérieure à la marge de tolérance mise en place pour déclencher les sons et perturbe la quantification des appuis réussis. Les résultats obtenus sont prometteurs car ils révèlent, de plus, l'absence d'effet délétère du BFB sur la répartition des pressions plantaires ipsi et controlatérale. Dans un troi-sième temps, un modèle de prédiction des pics de pressions plantaires en fonction des paramètres spatio-temporels adimensionnels (Nombre de Froude, de Strouhal et de Modela-w) a été développé. Le but est d'obtenir un système autonome, capable de moduler une mélodie en comparant les valeurs de pics de pressions obtenues en temps réel à celles du modèle de référence. Les premiers résultats révèlent une prédiction élevée des pressions sous les zones qui servent au BFB (R² > 0.95). Ce modèle devra être validé pour être incorporé au logiciel afin d'obtenir un dispositif totalement autonome permettant d'informer en temps réel de la distribution des pressions plantaires dans un contexte clinique ou sportif.
Origine : Version validée par le jury (STAR)