FR3041523A1 - Procede et dispositif de mesure du centre des pressions des pieds d'un homme debout, rapporte a l'image de leur empreinte - Google Patents

Abstract

Dispositif de mesure du centre des pressions des pieds d'une personne debout rapporté à l'image de leur empreinte constitué d'un bâti (6) supportant une plateforme de force (PF) avec plaque de dessus transparente éclairée en lumière diffuse par des LEDs (9), d'un miroir (3) qui renvoie l'image de l'empreinte des appuis podaux vers une caméra (7). L'ensemble du dispositif est capable de renseigner sur la position et les excursions du centre des pressions exercées par les pieds d'un sujet debout sur le dispositif selon l'invention avec grande précision et de fournir une empreinte des pieds permettant ainsi de repérer la position des pieds et leur contour. Ledit contour sert à construire un référentiel lié par exemple au centre du polygone de sustentation des pieds afin de rapporter toutes les mesures audit référentiel. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à l'évaluation des troubles de la posture.

Description

La présente invention concerne un procédé et dispositif ayant pour but de mesurer avec précision la projection au sol du Centre des Pressions (CdP) exercées par les pieds d’un homme debout, ledit CdP des pieds étant rapporté à l’image réel de leur empreinte, de visualiser et de représenter les excursions dudit CdP superposées à l’image réelle des appuis plantaires.

Le secteur technique de l’invention est le domaine, mais pas uniquement, de la réalisation de matériel d’évaluation et de rééducation des sujets atteints de troubles de la posture et de la marche ainsi que de matériel de validation des semelles orthopédiques et de prothèses des jambes (hanches, genoux etc..) .

Le procédé et dispositif de la présente invention est utilisable dans toute application, où une détermination du centre des pressions, d’une empreinte de pressions, ou les deux, sont recherchées.

Cependant, pour simplifier la présentation de l’art antérieur, on citera ci-après essentiellement les références aux applications de posturologie et de podologie.

En 1985, l’Association Française de Posturologie (A.F.P) édite des normes pour la fabrication d’une plate-forme de posturologie.

Pour l’étude plus approfondie de ces normes on pourra se référer utilement à la publication assez complète sur le sujet, dans les huit leçons de posturologie éditées par l’A.F.P.

Le principe de détermination du centre des forces de la plate-forme aux normes A.F.P, repose sur la mesure de trois forces de réaction du support de haute raideur sur lequel le sujet se tient debout.

Les dites forces, selon les normes A.F.P, sont mesurées par des capteurs de force disposés de façon très précise pour former les trois sommets d’un triangle équilatéral de 400 mm de côté.

Selon ce mode de détermination du centre de pressions (CdP) exercées par un sujet debout sur ce type de plate-forme, on calcule les coordonnées dudit centre par une formule qui prend en considération l’intensité de chacune des trois forces ainsi que le lieu géométrique de leur point d’application.

Les coordonnées de ce CdP sont rapportées à un repère orthonormé x O y dont l’origine O est situé au barycentre du triangle équilatéral. Mais il est aisé par simple calcul de transformation de repère de rapporter le CdP à un référentiel x’ O’ y’ attaché aux pieds du sujet. Pour ce faire, il faut connaître avec précision l’emplacement des pieds sur la plate-forme et surtout pouvoir dessiner leur contour afin de déterminer le polygone de sustentation délimité par les bords externes des appuis plantaires. L’A.F.P. préconise de disposer les pieds du sujet sur la plate-forme en s’aidant de marques ou de cale-pieds amovibles selon une disposition convenue telle que les pieds forment par exemple un angle d’ouverture de 30 degrés. Connaissant la position de la cale par rapport au référentiel de la plate-forme ainsi que la pointure du sujet, le programme d’analyse est capable de calculer et de dessiner à l’écran de l’ordinateur le polygone de sustentation selon un patron théorique DEFGHI, planche 1, figure 1 et rapporter les mesures dans un référentiel lié aux pieds X’ O’ Y’ : O’ étant le centre dudit polygone . Dans ce cas précis, la transformation de repère se réduit à une translation selon l’axe Y. La figure 2 illustre une telle reconstruction de la trace du centre des pressions projeté sur une image théorique virtuelle des pieds au cours d’un enregistrement de 50 secondes. Les excursions dudit centre des pressions forment une sorte de trajectoire enchevêtrée qui fait penser à un spaghetti. Ladite trajectoire est communément appelée « Statokinésigramme (SKG) ». Cette procédure implique d’une part que les bords externes des pieds ainsi calés soient réellement les bords d’appuis au sol et que d’autre part la pointure indiquée par le sujet soit précise, ce qui n’est pas toujours le cas. Pour mieux appréhender la problématique des plateformes de ce type, on se référera utilement à la demande de brevet : « Plate-Forme de Mesure de la position du Centre de Gravité chez un Sujet Debout (avril 1999 N° 9301840) par M Ouaknine »

Pour mieux faire comprendre l’objet de l’invention, il est opportun de préciser que selon la littérature, les excursions du centre de pressions chez un sujet normal, sont inférieures à 10 millimètres autour de son placement moyen. Pour une erreur de mesure à moins de 1% - erreur communément tolérée dans ce domaine-, la précision et la résolution du dispositif de mesure dudit centre de pressions devra être inférieure au dixième de millimètre. Certaines plates-formes du commerce sont d’ailleurs capables de mesurer le centre de pression avec une meilleure précision. L’utilisation de la plate-forme aux normes de l’AFP est alors incontournable dès qu’il s’agit de déterminer avec une grande précision le centre des forces exercées par une personne debout. Cependant, l’utilisation de ce type de plate-forme à support de haute raideur et reposant sur au moins trois pesons ne permet pas de répondre à un certain nombre de problèmes relatifs à la stratégie posturale du sujet et à la détermination précise du référentiel qui devrait se rapporter à un repère anatomique du sujet comme par exemple, le barycentre du contour réel des appuis externes des pieds qui détermine le polygone de sustentation de l’homme debout.

Une des solutions envisagée est l’usage de podomètres électroniques qui sont des surfaces piezzo sensibles composées d’une matrice de cellules indépendantes. Chacune des cellules fournie à son emplacement connu, la force à laquelle elle est soumise. La distribution spatiale des forces forme une sorte d’empreinte dynamique des appuis des pieds en fausses couleurs dont il est aisé d’exhiber un centre de pressions qui évolue à l’intérieur de ladite empreinte. Cependant, compte tenu de l’état actuel de la technique ce type de surface a une résolution spatiale de plusieurs millimètres, une fonction signal-force fortement non linéaire, une grande hystérésis, une faible bande passante et une mauvaise reproductibilité de sorte que les mesures ne pourront fournir qu’une information qualitative sur par exemple le contour des pieds.

Une autre solution proposée par la demande de brevet : « Association d’un Podomètre Electronique et d’une Plate-forme de Posture pour l’Evaluation Précise des Appuis Podaux (demande de brevet d’invention octobre 2000 No : 0013076) par M. Ouaknine, P. Arranz, J. Litwak » est un procédé de mesure qui associe en les superposant, une plate-forme de forces telle qu’elle est préconisée par exemple par l’AFP, et une surface piezzo-sensible préférentiellement matricielle du type FSR, TEKSCAN ou de tout autre type de surface dure à l’écrasement. En effet, la connaissance précise du centre des pressions des pieds projeté sur l’image de son empreinte construite à partir de la distribution des forces d’appuis est d’un grand intérêt pour l’étude des stratégies posturales.

Un autre des intérêts les plus évidents d’une telle association est de s’affranchir des cale-pieds et de la pointure du sujet puisque l’empreinte des pieds qui est fournie par la surface sensible peut servir à reconstruire plus ou moins correctement le polygone de sustentation et à permettre une transformation de repère sans ambiguïté dans le référentiel des pieds du sujet. Cette disposition permet toujours de rapporter les mesures effectuées par la plate-forme dans le référentiel lié aux pieds quelque soient leur emplacements, alors que l’utilisation de la plate-forme seule contraint l’expérimentateur à positionner le sujet de façon immuable, précise et déterminée.

Cependant, bien que cette solution soit viable et commercialisée, elle présente un certain nombre d’inconvénients : - L’empreinte est une image virtuelle puisqu’elle est construite à partir de la distribution matricielle des forces converties en fausses couleurs selon leur intensité - L’image obtenue n’est représentative que des surfaces plantaires d’appui. La forme réelle du pied ainsi que les reliefs ne peuvent être restitués - L’interposition d’une surface plastique, avec de possibles petits reliefs, entre la plateforme et les pieds du sujet risque de fausser la proprioception plantaire - Mise en œuvre et logiciel de traitement très complexes - Coût très élevé.

Une solution aux problèmes posés ci-dessus est un procédé de mesure selon l’invention qui met en œuvre une plateforme de force capable de mesurer très précisément le centre des pressions au sol des pieds du sujet et ses excursions en fonction du temps et de fournir une image photographique de leurs appuis prise par le dessous de la plaque transparente d’appui, sous la sole plantaire. Une des solutions serait de poser au sol sous ladite plaque transparente un appareil photo. Cette solution bien que fonctionnelle selon l’invention présente quelques inconvénients : i) même avec l’usage d’un grand angle, la distance du sol à la plaque transparente serait trop importante eu égard au risque de chute des patients, ii) ce moyen implique l’usage d’un ordinateur ne serait-ce que pour visualiser et vérifier le bon positionnement des pieds. S’agissant de visualiser l’empreinte des pieds au sol, les cliniciens disposent d’un appareil pratique et peu coûteux communément appelé « Podoscope » dont le principe est illustré schématiquement figure 3. Il est constitué d’une plaque transparente de haute rigidité (1) sur laquelle se posent les pieds (2) du sujet avec la possibilité de visualiser les appuis plantaires (4) grâce à un miroir plan (3) incliné qui renvoie l’image vers l’observateur (Obs). Généralement, ce type d’appareil, dont une des réalisations plausibles est illustrée (figure 4), est doté d’un module (5) générant une lumière rasante de type néon par exemple, qui diffuse dans l’épaisseur de la plaque transparente (1) dans une couleur tirant vers le bleu ou le vert accentuant ainsi la pâleur des surfaces d’appuis qui sont moins vascularisées. L’ensemble des éléments constitutifs (1 ; 3 ; 5) est maintenu en position fonctionnelle à l’aide du bâti (6).

Afin de pouvoir rapporter très exactement les excursions du centre des pressions à l’image réelle de la sole plantaire selon l’invention, ledit podoscope est agencé (figure 5). Pour recueillir dans l’ordinateur l’image numérisée de l’empreinte des pieds, Il s’aide pour ce faire d’un appareil photo préférentiellement de type caméra numérique (7) placé de telle sorte qu’il embrasse tout le champ de vision du miroir (3) qui réfléchit le plan d’appui des pieds. Le dit podoscope ainsi agencé, est aussi doté d’au moins 3 capteurs de forces (8) coplanaires capables de mesurer au moins 3 forces de réaction au sol du dispositif agencé selon l’invention. Dès lors que l’on dispose simultanément d’une image de la sole plantaire et d’un Centre des pressions, il est possible de construire par logiciel l’image de l’empreinte de la sole plantaire sur laquelle se superpose à l’échelle réelle, le CdP et ses excursions. La figure 6 montre le tracé du statokinésigramme, superposé à l’empreinte des pieds d’un sujet debout sur le dispositif selon l’invention. Les capteurs de forces devront en quelque sorte mesurer la contrainte de compression à laquelle est soumise chaque jambe du dispositif. Ladite contrainte de compression peut-être mesurée à n’importe quelle position en hauteur de la jambe entre la plaque (1) et le sol. Préférentiellement, les pieds du dispositif sont aussi des capteurs de force. Un tel dispositif doté des fonctions de mesure précise du centre des pressions au sol, de visualisation et d’acquisition de l’image de la sole plantaire, sera dénommé le dispositif selon l’invention.

La figure 5 illustre un mode de réalisation selon l’invention de type monobloc. Les éléments constitutifs sont mécaniquement indissociables. Dans ce mode de réalisation, les capteurs de forces (8) font aussi fonction de pieds dotés préférentiellement de vérins réglables pour assurer l’horizontalité du dispositif selon l’invention. On se référera utilement à la demande de brevet « Capteur Dynamométrique pour la réalisation de plateformes de Posture et de Pesée (demande de brevet Fev 2002 N° 0202218) par M. Ouaknine & al.

Dans un autre mode de réalisation particulièrement avantageux, le dispositif selon l’invention figure 8, se compose de deux ensembles mécaniques modulables et superposables : une plateforme de forces (PF, figure 7) et un dispositif de renvoi d’image (RI) doté de sa caméra. Les principaux avantages d’un tel mode de réalisation, sont : - Les modules peuvent faire l’objet d’options commerciales. - Encombrement réduit pour les envois et les déplacements. - Pour certaines pathologies de type vertige, seule l’usage de la plateforme (PF) est requise. Poser ladite plateforme parfaitement fonctionnelle directement au sol rend son usage plus simple et sans risque de chute pour le patient, étant donné sa faible hauteur.

Par ailleurs, il est démontré que l’erreur de mesure de la composante verticale des forces est proportionnelle à la distance d entre la sole plantaire et le plan des capteurs. Dès lors que la réalisation préférentielle (figure 8) exhibe une distance d bien plus petite que celle de la réalisation monobloc (figure 5), elle est donc plus précise.

De par sa fonction première, la plateforme (PF) possède les mêmes caractéristiques métrologiques qu’une plateforme de force dédiée à la posturologie, mais elle intègre d’autres fonctions qui appellent des modifications structurelles et technologiques suivants : C’est une plateforme monoplaque (1) supportée par au moins 3 capteurs de force (8) Lesdits capteurs (8) sont aussi des pieds ou des vérins de sorte que la réaction au sol de chaque pied est traduite en signal électrique proportionnel à la force qu’il supporte La plaque (1) qui supporte les pieds du sujet, est en matériau transparent de haute raideur qui peut-être du verre ou avantageusement une matière plastique de type polycarbonate par exemple

La plaque (1) est aussi un conduit de lumière. Elle est illuminée par la tranche et diffuse une lumière dans tout son volume par le principe de conduction lumineuse des matériaux transparents.

Les sources lumineuses sont préférentiellement des Diodes Electroluminescentes (DEL) ou LED bien connus de l’homme de l’art. Il faut en disposer d’un nombre suffisant pour obtenir une diffusion uniforme de la lumière au sein de la plaque (1) par exemple tous les 10 centimètres. Le choix de la couleur de ces diodes est crucial pour mettre en évidence les surfaces cutanées exsangues. Généralement c’est la couleur bleu qui est retenue. Selon l’invention, on pourra avantageusement laisser le choix de la couleur à l’expérimentateur. Pour cela, l’usage de diodes Rouge-Vert-Bleu (RVB) ou RGB en anglais, s’impose. Ces diodes RVB sont contrôlées électriquement en couleur et en intensité.

Selon un des modes de réalisation préférentielle de l’invention, figure 8 la hauteur h entre le plan des appuis plantaires du sujet et le sol est à prendre en compte s’agissant des risques de chute chez les patients notamment vertigineux. En principe, pour éviter les déformations photographiques de perspective, le miroir de renvoi d’image 3 est incliné à 45°. Dans ce cas, la hauteur h est au moins égale à la longueur des pieds qui fait en moyenne plus de 25 cm. Cependant, des algorithmes de correction d’images, permettent de corriger les erreurs de perspective. Selon un agencement préférentiel de l’invention figure 8, le miroir est incliné avec un angle entre le miroir et le plan plantaire de moins de 45°, ce qui réduit la hauteur h d’autant, mais implique une correction algorithmique de perspective bien connue de l’homme de l’art.

Selon un autre mode de réalisation du procédé et dispositif de mesure du statokinésigramme (figure 6) rapporté à l’image de la sole plantaire, le miroir 3 est un petit miroir convexe qui rétrécit le champ de l’image de sorte que l’on peut placer une caméra à une faible distance du miroir pour embrasser l’espace plantaire. Ce type de miroir se réfère à une surface convexe, il peut par exemple s’agir d’un miroir ovoïde ou sphérique ou hémisphérique puisque dans notre application nous n’avons besoin que d’un champ à 180° et non 360°. Ledit miroir, préférentiellement hémisphérique est placé au centre de la plaque 1 et en dessous. Ce type d’anamorphose sphérique est de nature à élargir le champ de vision avec un angle de plus de 180°, de réduire considérablement la distance entre la sole plantaire et ledit miroir et donc de réduire aussi la hauteur h du dispositif. Dans cette réalisation, la caméra est nécessairement placée au centre de la plaque transparente 1, entre les pieds du sujet à une faible hauteur par rapport audit miroir hémisphérique, d’autant plus faible que le rayon de la sphère est petit. Ce type d’anamorphose est redressé par des algorithmes de transformation d’images bien connus de l’homme de l’art.

Selon un autre mode de réalisation d’acquisition de l’image plantaire du dispositif selon l’invention, la prise de vue se fait directement par une matrice de photodiodes disposées sur une mince feuille de plastique de la dimension de la plaque 1. C’est une nouvelle technologie de fabrication de photodétecteurs organiques imprimables de grande surface mise au point notamment par la start-up grenobloise ISORG. Cette mince surface plastique 10 se colle directement sous la plaque 1 (vue de côté figure 9). Ladite surface est capable de reproduire une image électronique sans aucune optique photo de la sole plantaire qui est illuminée par les diodes 9. Ce mode de réalisation selon l’invention est particulièrement avantageux, puisque la surface 10 remplace fonctionnellement tout le dispositif de renvoi d’image (RI) doté de sa caméra qui comprend : le bâti 6, le miroir 3 et la caméra 7. Ce mode est de nature à prévenir les risques de chute car la hauteur h du dispositif selon l’invention se réduit à la hauteur d de la plateforme (PF).

Les dessins annexés illustrent l’invention : - La figure 1 illustre une méthode de construction théorique d’un référentiel cartésien dans lequel sont rapportées les mesures du centre des pressions des pieds compte tenu de leur pointure et de leur ouverture. Le zéro électrique de la plateforme à 3 capteurs ne coïncide pas avec le centre du polygone de sustentation qui jalonne les appuis externes des pieds. - La figure 2 est une représentation théorique de l’empreinte des pieds sur laquelle se superpose le tracé des excursions du centre des pressions pour une durée d’acquisition de 50secondes. - La figure 3 illustre schématiquement le principe du podoscope utilisé essentiellement par les podologues. - La figure 4 représente une des réalisations du podoscope à la base de laquelle se réfère une des réalisations selon l’invention. - La figure 5 représente une des réalisations monobloc selon l’invention. - La figure 6 illustre un des objectifs de l’invention : rapporter les excursions du centre des pressions des pieds à l’image réelle de leur empreinte. - La figure 7 représente dans un mode préféré de réalisation selon l’invention, la partie détachable (PF) qui est une plateforme de force compacte et transparente dotée du module d’éclairage 5 - La figure 8 est une réalisation préférée composée de la plateforme (PF), superposée au dispositif de renvoi d’image et doté de la caméra 7 - La figure 9 représente une autre réalisation selon l’objet de l’invention particulièrement compacte en ce que la prise d’empreinte s’effectue à la manière d’une radiographie, la plaque photographique est ici une surface plastique imprimée de cellules de photodetecteurs organiques. Ladite surface est directement collée sur la face tournée vers le bas de la plaque transparente (1). - La figure 10 est un synoptique d’une des interfaces électronique selon l’invention. La gestion des ressources du procédé et dispositif selon l’invention est assurée par une interface électronique embarquée. Un exemple de synoptique pour la réalisation d’une interface électronique pour traiter les signaux issus de la plate-forme de forces (PF) et du renvoi d’image (RI) selon une des réalisations de la figure 8, est montré figure 10. Il s’agit de deux interfaces : l’interfaçage 11 du module PF et 16 du module RI. Pour une plateforme à 4 capteurs, les signaux de force issus de jauges de contrainte 12 sont amplifiés par l’amplificateur à 4 voies 13. Les signaux amplifiés sont ensuite numérisés par un convertisseur analogique/digital 14 dont la sortie est reliée au microcontrôleur 17 chargé du contrôle des modules. Le contrôle de la couleur et de l’intensité des diodes 9, représentées par une seule diode par clarté, est assurée par le module de contrôle 17 via une interface de puissance 15. La caméra 7 est préférentiellement une Webcam qui possède sa propre interface et qui se raccorde directement sur une prise USB du PC 18.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1-Dispositif ayant pour but de mesurer avec précision la projection au sol du Centre des Pressions (CdP) exercées par les pieds d’un homme debout, ledit CdP étant rapporté à l’image réelle de 1’ empreinte des appuis desdits pieds, de visualiser et de représenter le tracé des excursions en fonction du temps dudit CdP superposé à l’image réelle de ladite empreinte caractérisé en ce qu’il comprend : - Un bâti rigide posé au sol ; - Une plaque rigide (1) supportée par ledit bâti pour permettre à une personne de se tenir debout ; - au moins trois capteurs de force disposés sur ledit bâti entre la plaque (1) et le sol ; et - des moyens optiques de visualisation et d’acquisition de l’image de l’empreinte des appuis des pieds.
2. 2- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la plaque (1) est transparente 3- Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le bâti (6) supporte un miroir plan de renvoi (3) disposé dessous la plaque (1) et formant un angle d’inclinaison quelconque
3. 4- Dispositif selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend une caméra (7) positionnée par un moyen mécanique en regard du miroir (3) de telle sorte à ce que toute l’image de la sole plantaire réfléchie par ledit miroir (3) soit captée par l’objectif de ladite caméra (7)
4. 5- Dispositif selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que les capteurs de force (8) sont aussi des capteurs-pieds qui supportent le bâti (6)
5. 6- Dispositif selon Tune des revendications précédentes caractérisé en ce que les capteurs de force (8) qui sont aussi des pieds et/ou des vérins, s’interposent entre le bâti (6) et la plaque (1) à laquelle ils sont solidaires de sorte que la plaque (1) est aussi une plateforme de force détachable ( PF) qui repose sur le bâti (6).
6. 7- Dispositif selon Tune quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend au moins un module (5) générateur de lumière fixé par un moyen mécanique sur un des bords de la plaque (1) de sorte à ce que le flux lumineux soit dirigé sur la tranche permettant ainsi une diffusion uniforme dans la masse de la plaque transparente (1)
7. 8- Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que le module (5) intègre des diodes électroluminescentes (9) Rouge-Vert-Bleu RVB de sorte à pouvoir contrôler à la fois la couleur et l’intensité de la lumière diffusant dans la plaque transparente (1)
8. 9- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le miroir (3) est convexe, de sorte à réduire les dimensions de l’image renvoyée vers la caméra permettant de réduire la distance entre la caméra 7 et ledit miroir convexe.
9. 10- Dispositif ayant pour but de mesurer avec précision la projection au sol du Centre des Pressions (CdP) exercées par les pieds d’un homme debout, ledit CdP est rapporté à l’image réelle de Γ empreinte des appuis desdits pieds, de visualiser et de représenter le tracé des excursions en fonction du temps dudit CdP superposé à l’image réelle de ladite empreinte caractérisé en ce qu’il comprend - une plaque rigide(l ) permettant à une personne de se tenir debout - des diodes électroluminescentes (9) aptes à illuminer la sole plantaire - au moins trois capteurs de force disposés sous la plaque, - une matrice de photodiodes organiques imprimées sur une mince feuille de plastique de la dimension de la plaque (1), ladite feuille (10) collée sous la plaque 1 étant capable de reproduire une image électronique de la sole plantaire qui est illuminée par les diodes 9.