Nos projets en cours

Gestion électronique de la phase oscillante d’un genou d’orthèse cruro-pédieuse

2020 - Avec la collaboration de Marchese Alexandre. (ingénieur industriel, IG Gramme)


Début 2020, Alexandre Marchese s’est joint à l’effectif de Tecfit pour faire avancer d’un pas de plus nos recherches sur les orthèses  cruro-pédieuses commandées électroniquement. Dans le cadre de la réalisation de son projet de fin d’étude d’ingénieur industriel à l’institut Gramme, il s’est concentré sur les premières étapes du développement d’une technologie électronique embarquée.


Nos appareils cruro-pédieux sont placés à des patients qui souffrent de différentes pathologies neuromusculaires.

(Impactant entre autre le verrouillage du genou que ce soit systématiquement ou par dérobades inopinées)


L’impossibilité de verrouillage fiable du genou impacte tant la marche, qu’une série d’action simple de la vie quotidienne  (s’asseoir, monter descendre les escaliers,…).


De manière générale, le but de ce type d’orthèse est de stabiliser le patient lorsqu’il se tient debout en raidissant la jambe de celui-ci. Ce qui lui permet de marcher jambe raidie. Avec une orthèse cruro-pédieuse de base, le patient pourra se déplacer en boitant.


Motivé par l’espoir d’offrir une marche plus naturelle aux patients qui pourraient en avoir la possibilité, nous nous concentrons sur le développement d’une technologie efficace qui permettrait un contrôle et une gestion intelligente du genou de ces orthèse.


À titre d’exemple, les quadriceps sont principalement sollicités lors de la pose du pied au sol pour soutenir le patient en station debout (phase d’appui). Dès lors, il s’agirait de bloquer la flexion du genou dès que le pied touche le sol. Si le patient a l’usage de ses fléchisseurs de hanche, il pourra ensuite élever sa jambe et son pied et dès que celui-ci aura quitté le sol (phase oscillante), la flexion du genou sera possible pour lui permettre d’avancer sans fauchage.


 


Image de l’orthèse conçue dans le cadre du stage (Photo personnelle)


              Actuellement, des orthèses d’assistance à la marche sont disponibles sur le marché mais elles se sont révélées perfectibles car peu sécurisantes pour l’utilisateur dans certaines situations courantes. Or, un patient doit avoir une confiance aveugle en son appareil car celui-ci lui permet de vivre plus confortablement et ce quotidiennement. L’appareil ne peut pas connaître de faille sans quoi il peut survenir des situations de danger comme un trébuchement ou une chute du patient. Après un accident comme celui-ci, il est rare qu’une personne continue à utiliser l’orthèse.

L’intervention d’Alexandre consistait donc à concevoir une orthèse cruro-pédieuse de marche plus précise et plus sécurisante que celles déjà créées.

              Afin de tendre vers une orthèse efficace, une étude préalable du cycle de marche est necessaire. La convention scientifique pour analyser un schéma de marche consiste à examiner les mouvements d’un individu entre deux appuis sur le sol d’un même pied. Entre ces deux appuis, un cycle de marche s’est écoulé. Un cycle comprend deux phases distinctes : la phase d’appui et la phase oscillante. La première désigne la période durant laquelle le pied touche le sol et la deuxième la période pendant que le pied est en lévitation. En d’autres termes et dans le cadre du travail, il est question de détecter ces deux phases et de capter les moments précis durant lesquels s’opère la transition entre l’appui et l’oscillation. On pourra alors commander le blocage du genou uniquement quand cela est nécessaire (durant la phase d’appui) pour sécuriser le patient tout en lui permettant de se déplacer plus naturellement.




 








Cycle de marche (Zhou Joanne, frontiers in Neuroscience, 2017)

 

              Cette étude a été menée au moyen de capteurs composés d’un accéléromètre et d’un gyroscope. L’évaluation de l’influence de la position des capteurs fut une première étape. Après différents tests, nous sommes parvenus à la conclusion que, pour une étude approfondie, le placement des capteurs est intéressant lorsqu’on les dispose respectivement au-dessus et en dessous du genou ainsi qu’au niveau de la cheville. Nous avons donc positionné ces centrales inertielles sur une orthèse cruro-pédieuse simple afin de réaliser différentes expérimentations. Nous avons donc examiné les accélérations des capteurs selon trois directions et identifié les moments de changement de phase.









Accélération selon X du capteur supérieur (Source : données des capteurs, fichier personnel)

              Sur l’image précédente, la phase d’appui et la phase oscillante sont respectivement notées 1 et 2. Identifier ces moments de transition n’a pas été chose simple car le signal en lui-même est soumis à des chocs et à des vibrations qui induisent de mauvaises informations quant aux mouvements de l’utilisateur. En bleu, on observe les données du signal brut et en orange le signal filtré. Ce lissage de la courbe est réalisé dans le software du programme qui nous permet de récolter les valeurs des accéléromètres. Brièvement, un microcontrôleur donne des instructions aux capteurs et séquence le transfert d’information pour collecter les données. En plus de cela, un algorithme mathématique appelé « lissage exponentiel simple » permet de construire un signal plus propre et plus fidèle à la réalité du mouvement. 

















Schéma de l’installation électronique placée sur l’orthèse cruro-pédieuse (Source : image personnelle)



              L’analyse minutieuse des différentes données graphiques des accélérations ( particulièrement des moments charnières entre deux phases) fut d’une importance capitale. Après l’examen de 10 graphiques (3 capteurs en 3 dimensions ainsi que l’angle du genou), des similitudes ont pu être repérées à chaque passage de la phase d’appui à la phase oscillante. Il s’en est suivi l’implémentation des conditions du déblocage du genou dans le software de sorte à ce qu’on puisse commander cette action au moment opportun.










Mise en évidence du seuil de déblocage du verrou et des similitudes lors du passage de la phase d’appui à la phase oscillante, accélération X du capteur supérieur (Source : données des capteurs, fichier personnel)

              De la même manière, nous avons observé le comportement des capteurs précisément lors de la pose du pied au sol traduisant la transition de la phase oscillante vers la phase d’appui. Par conséquent, il est primordial d’agir sur le genou en interdisant la flexion de celui-ci dès cette transition repérée. Etant conscient des variations des schémas de marche de chaque inter-individu, des seuils de déclenchement du verrouillage ont été établis dans le software du programme présent dans le microcontrôleur.











Mise en évidence du seuil de blocage du verrou et des similitudes lors du passage de la phase oscillante à la phase d’appui, accélération X du capteur supérieur (Source : données des capteurs, fichier personnel)

             


Néanmoins,  la détection des phases n’est pas suffisante pour assurer la conception d’une orthèse utilisable. En effet, outre cet aspect, le patient doit pouvoir être sécurisé par son attelle à tout moment et dans n’importe quelle situation. Pour ce faire, tout événement dangereux pour le patient doit être géré par l’attelle. Les trébuchements, effondrements des jambes, déséquilibres doivent impérativement induire un blocage du genou pour prévenir des éventuels accidents. Par conséquent, plusieurs tests imitant des chutes et trébuchements ont été effectués et analysés. Suite à cela, les graphiques des accélérations des capteurs durant ces tests ont de nouveau été examinés afin d’établir d’autres conditions de verrouillage du genou.

Cette tâche bien que partiellement entamée constitue l’étape suivante de nos recherches Le but de cette opération est de reconnaître le comportement des capteurs juste avant qu’un accident ne survienne pour que l’orthèse agisse en prévention à ceux-ci.

À ce jour, bon nombre d’expérimentations sont encore à réaliser pour parvenir à l’élaboration d’un appareil optimal. Cependant, la détection des phases du cycle de marche est précise en comparaison aux technologies existantes sur le marché. De plus, l’appareil est également très réactif à l’effondrement des jambes et aux déséquilibres et pourra donc agir en prévention des chutes. Les prochaines étapes de conception sont le placement d’un verrou électromécanique commandable par le microcontrôleur. Enfin, les patients seront les plus à même de juger de la qualité de l’orthèse et leur aide sera précieuse pour réaliser d’autres améliorations afin qu’elle soit opérationnelle en conditions réelles.


A suivre ....