Development of instrumented insoles for biometric parameters monitoring

Resumen

The study of the plantar pressure distribution is becoming a very important tool to obtain information about any type of foot or gait disorders in many fields such as medicine, rehabilitation and sport. This work describes the design and development of an instrumented in- soles named ECnsole to measure not only the plantar pressure distribution, but also many others variables related to gait such as time support, centre of pressure, position of the foot in swing phase, etc. Four different version of the ECnsole are presented. Version 1.0 consist of two datalogger devices that sample and send the data to a MiWiTM receiver at a personal computer (PC) (or store it into μSD memory card) connected two a pair of insoles which contains four pressure sensors located at big toe, 1st and 5th metatarsal heads, and heel, and one analogue accelerometer placed in the arch of the foot. In the next version the two datalogger were joint into just one placed at the waist in order to reduce both complexity in communications and costs, this version was enumerated as 1.2. In ECnsole version 1.5 the analogue accelerometer was replaced by a digital inertial measurement unit (IMU), integrated by a 3D gyroscope, 3D accelerometer, and 3D magnetometer, placed in the arch of the foot. The location of the datalogger unit was also the waist. In the last prototype described, the whole electronic system is embedded inside the insole. μSD memory card socket is removed and MiWiTM is replaced by a Bluetooth transceiver. Moreover, a pair of additional pressure sensors are added to the 3rd metatarsal and to the midfoot area. An android application have been designed also to plot the data obtained by the instrumented insoles. The prototypes have been validated both for the pressure sensors and for the IMU. To validate the pressure sensors a commercial in-shoe system F-Scan was used together with ECnsole. In case of the IMU, an algorithm to obtain the foot orientation during the swing phase have been used, comparing the resulting euler’s angles with the angles meas ured using an infrared video camera system, obtaining very good agreement in both cases. A couple of experiments related to sports science and physical education have been carried out. At first, the instrumented insoles has been validated as a heigh measurement tool in vertical jump. 66 participants performed 3 different jump tests (squat jump, countermovement jump and Abalakov jump) twice with flight times determined using an instrumented insole composed of 4 pressure sensors (PreECnsole) and an accelerometer sensor (AccECnsole), a laser platform (Sport Jump System Pro), and a high-speed motion capture system (HSC); the latter 2 systems are considered as reference methods. One-way analysis of variance (ANOVA), simple linear regression, and the Bland-Altman method were used to assess validity. Regardless of the jump test performed, the ECnsole system showed a systematic bias close to 0 and a low random error (average random error: ± 2.8 cm; ± 3.1 cm PreECnsole and AccECnsole vs. HSC system respectively and ± 2.3 cm; ± 2.9 cm PreECnsole and AccECnsole vs. SJS system respectively). The associations between PreECnsole and AccECnsole with the HSC were very high (R2 = 0.967 and 0.958 respectively). Furthermore, the associations between PreECnsole and AccECnsole with the SJS were very high (R2 = 0.978 and 0.966 respectively) as well. Therefore, the ECnsole system can be considered an alternative method for measuring jump height during vertical jump performance. On the other hand, ECnsole has been also used to monitor the influence of the fatigue in gymnast. A set of 12 volunteers performed 5 different jump test (squat jump, countermovement jump, Abalakov jump, drop jump, and repeat jump) in three series. Once they finish first series (PreTest), they perform an specific training protocol consisting in 12 series of 6 forward tucked somersault, with 10 seconds between somersaults and 2 minutes between series. Once the training is done, they carried out the second series (PostTest). After that, they rested for 15 minutes and perform the last serie (ReTest). Several parameters have been recorded using the ECnsole like flight time, pressure at jumping and landing, and accelerometer value in Z-axis also at jumping and landing. The results obtained shows that there are significant changes in the pressure at jumping in countermovement jump, Abalakov jump, and repeat jump, while in drop jump there are compelling changes in flight time and pressure at landing. Related to medical applications, a couple of experiment were also done. An study to a group of 62 pregnant in their regular check-up weeks (12th , 20th , and 32nd of pregnancy) to evaluate if there is any relationship between plantar pressure distribution and back pain have been carried out. On the one hand, a clinical study has been carried out, concluding that younger women and those who consumed hormonal contraceptives suffer more lumbar pain at the beginning of the pregnancy while those who were mother before suffered more in last weeks of gestation. The shoulder pain seems to be related to the sleeping hours in the two last check-ups. Finally, the inguinal pain correlated with those women who have high BMI, those whose work required a high physical load, and those who also consumed hormonal contraceptives. According to the plantar pressure distribution study. A Repeated Measures ANOVA test has been carried out to determine the variation and its influence on the centre of pressure in the Y-Axis, concluding that the centre of pressure of both feet displace towards the forefoot as continuing the pregnancy. Also an ANOVA test has been carried out to evaluate the differences between a painful group and a non painful, obtaining only significant differences in the pressure on the big toe of the right foot in week 32nd . The final experiment in which the insoles have been used was done in Klinikum Großhadern. The objective of this study was to correlate the data from shank-mounted gyroscopes and three reference systems,namely accelerometers,pressure-sensitive soles and a motion capture system in a group of 14 young healthy men. It has been possible to confirmed that the heel strike corresponds to a trough in the gyroscope curve, as several previous reports have stated. However, the toe-off moment clearly did not coincide with another trough of the gyroscope trace,as had been assumed in the past. The heel-off moment was reliably at 51% of the step cycle, irrespective of gait velocity, in our data. These findings are crucial for gait recording systems which aim to assess the temporal as well as spatial descriptors of human gait. El estudio de la distribución de la presión plantar está convirtiéndose en una herramienta muy importante para obtener información acerca de cualquier tipo de desorden en la marcha o en el pie en muchos campos tales como la medicina, rehabilitación o el deporte. Este trabajo describe el diseño y desarrollo de una plantilla instrumentada denominada ECnsole para medir no sólo la distribución de la presión plantar, si no también muchas otras variables relacionadas con la marcha tales como el tiempo de apoyo, el centro de presiones, la posición del pie durante la fase de vuelo, etc. Se han presentado cuatro versiones diferentes de ECnsole. La versión 1.0 consiste en dos dispositivos que adquieren y envían la información a un receptor MiWiTM en un ordenador personal (o la almacenan en una tarjeta de memoria μSD) conectados a un par de plantillas que contienen cuatro sensores de presión colocados en el dedo gordo, primer y quinta cabeza metatarsiana, y el talón, y un acelerómetro analógico situado en el arco del pie. En la siguiente versión, las dos unidades se fusionan en una única colocada en la cadera para reducir tanto complejidad en las comunicaciones como costes, está versión se enumeró como 1.2. En la version 1.5 el acelerómetro analógico se sustituye por una unidad de medida inercial (IMU) digital, integrada por un giroscopio 3D, un acelerómetro 3D y un magnetómetro también 3D, colocada en el arco del pie. Este dispositivo también se colocaba en la cadera. En el ultimo prototipo descrito, toda el sistema electrónico se embebió dentro de la planti- lla. El lector de tarjetas μSD se eliminó y el transceptor MiWiTM se sustituyó por uno Bluetooth. Además, se colocaron un par de sensores de presión adicionales, situados en el tercer metatarso y en la zona media del pie. Una aplicación android ha sido diseñada para representar los datos obtenidos por las plantillas instrumentadas. Los prototipos han sido validados tanto para los sensores de presión como para la IMU. Para validar los sensores de presión se utilizó el sistema de medida de presión comercial F-Scan junto con las plantillas ECnsole. En el caso de la IMU, se utilizo un algoritmo para obtener la posición del pie durante la fase de vuelo, comparando los ángulos de euler resultantes con los ángulos medidos por el sistema de video camera, obteniendo en ambos casos muy buena correlación. Se han llevado a cabo un par de experimentos relacionados con las ciencias del deporte y la educación física. En primer lugar, las plantillas instrumentadas se han validado como herramienta para medir altura en salto vertical. 66 participantes realizaron tres diferentes tipos de salto vertical (squat jump, countermovement jump y Abalakov jump) dis veces determinando el tiempo de vuelo usando tanto los sensores de presión (PreECnsole) como el acelerómetro (AccECnsole), una plataforma láser (Sport Jump System Pro), y un sistema de captura del movimiento de alta velocidad (HSC); se consideran los dos últimos sistemas como sistemas de referencia. Análisis de la varianza (ANOVA), regresión lineal simple, y el método de Bland-Altman se utilizaron para asegurar la validez. A pesar del tipo de salto realizado, las plantillas ECnsole mostraron un error sistemático cercano a cero y un bajo error aleatorio (error aleatorio medio: ± 2.8 cm; ± 3.1 cm PreECnsole y AccECnsole vs. HSC respectivamente y ± 2.3 cm; ± 2.9 cm PreECnsole y AccECnsole vs. SJS respectivamente). La asociación entre PreECnsole y AccEnsole con HSC fueron muy altas (R2 = 0.967 y 0.958 respectivamente). Además, la asociación entre PreECnsole y AccEnsole con SJS fueron también muy altas (R2 = 0.978 y 0.966 respectively). Por lo tanto, el sistema ECnsole puede ser considerado como método alternativo para medir la altura del salto durante el desarrollo del salto vertical. Por otro lado, ECnsole ha sido utilizado para monitorizar la influencia de la fatiga en gimnastas. Un grupo de 12 voluntarios llevaron a cabo 5 tipos diferentes de saltos (squat jump, countermovement jump, Abalakov jump, drop jump y repeat jump) en tres series. Una vez que terminaron la primera serie (PreTest), ellos realizaron un protocolo de entrenamiento especifico que consistió en 12 series de 6 volteretas mortales hacia adelante, con diez segundos entre voltereta y dos minutos entre serie. Una vez se realizó el entrenamiento, ellos repitieron el test (PostTest). Después de esto, descansaron durante 15 minutos y volvieron a repetir una vez más el entrenamiento (ReTest). Varios parámetros han sido grabados utilizando ECnsole como por ejemplo el tiempo de vuelo, la presión en el momento del salto y la recepción, la aceleración en en el eje Z en el momento del salto y la recepción. Los resultados obtenidos muestran que hay cambios significativos en la presión en el despegue en countermovement jump, Abalakov jump, y repeat jump, mientras que en drop jump existen también cambios importantes en el tiempo de vuelo y en la presión al caer. Relacionado con las aplicaciones medicas se realizaron un par de experi- mentos. Un estudio a un grupo de 62 embarazadas en sus semanas habituales de revisión (semanas 12, 20 y 32 de embarazo) para evaluar si existe una relación en la distribución de la presión y el dolor de espalda a lo largo del embarazo. Por un lado, se llevó a cabo un estudio clínico, concluyendo que las mujeres jóvenes y aquellas que consumieron anticonceptivos sufría más dolor lumbar al principio del embarazo mientras que aquellas que había sido madres anteriormente tenían mayor dolor en las semanas finales de embarazo. El dolor de hombros parece estar relacionado a las horas de sueño en las dos últimas revisiones. Finalmente, el dolor pélvico relacionó con aquellas mujeres que tenían un alto indice de masa corporal, aquellas cuyos trabajos requerían una alta carga física, o aquellas que habían tomado anticonceptivos. Se llevó a cabo un test ANOVA de medidas repetidas para determinar la variación y su influencia en el eje Y del centro de presiones, concluyendo que el centro de presiones se desplazaba en ambos pies hacia la zona posterior del pie a medida que continuaba el embarazo. También se realizó un test ANOVA para evaluar las diferencias entre un grupo de dolor y otro sin dolor, obteniendo diferencias significativas en la presión del dedo gordo del pie derecho en la semana 32 de embarazo. El último experimento realizado con las plantillas instrumentadas se llevó a cabo en el hospital Klinikum Großhadern de Munich Alemania). El objetivo de este estudio era correlacionar los datos de un giroscopio colocado en la pierna con tres sistemas de referencia: un acelerómetro, unas plantillas sensibles a la presión y un sistema de captura del movimiento a un grupo de 14 hombres jóvenes. Fue posible confirmar que el inicio de apoyo (Heel strike) corresponde a un mínimo en la curva del giroscopio, como varios informes habían declarado previamente. Sin embargo, el instante de fin de apoyo no coincidió con otro mínimo de la curva del giroscopio, como había sido asumido en el pasado. El inicio de apoyo tenia una fiabilidad del 51 % del ciclo del paso, independientemente de la velocidad, en nuestros datos. Estos descubrimientos son cruciales para los sistemas de grabación de la marcha los cuales tienen como objetivo evaluar los descriptores tanto temporales como espaciales de la marcha humana.