Détails sur la conception et l’évaluation du dispositif d’enregistrement des forces

4.4.1 Critères et contraintes de conception

Plusieurs critères et contraintes spécifiques ont dicté la conception du dispositif. La pression mesurée pouvait dépasser 26 kPa (200 mmHg). Le physiothérapeute devait conserver le ressenti de la résistance du tronc sous ses mains pour générer la correction appropriée chez le patient. Le dos du patient devait rester dégagé, car la correction est attestée visuellement par le thérapeute qui ajustait l'intensité et l'orientation de la force au besoin. Les gestes des bras et le positionnement du physiothérapeute ne devaient pas être gênés ou restreints par le dispositif. Le design devait cacher et protéger les composantes électroniques. Finalement, il fallait tenir compte des propriétés de la surface de contact de part et d'autre de l’éventuel capteur (d'un côté l'intérieur de la main du thérapeute et de l'autre le tronc du patient qui était semi-rigide et circulaire).

4.4.2 Description des composantes du capteur

Le dispositif a repris le système développé par Leonardo Ruiz (Gonzalez Silva, 2015) basé sur le microcontrôleur Arduino Nano, dont la conception du programme du microcontrôleur et le design des plaques de circuits imprimés ont été conservés. Le choix des résistances et l’assemblage des composantes électroniques sur le circuit imprimé des capteurs ont été adaptés à ce projet. Le microcontrôleur était alimenté par câble USB branché à un ordinateur portable. Le programme logiciel se composait de deux parties distinctes: le programme Arduino qui contrôlait les opérations électroniques et une interface Matlab qui contrôlait la durée d'acquisition, l'affichage et l'enregistrement des données mesurées par les capteurs.

Un total de huit capteurs pouvait être utilisé simultanément avec ce dispositif, mais six ont suffi pour cette étude (Figure 4.6). Le modèle de capteur retenu était un FlexiForceTM _{A301 (Tekscan,}

Boston, MA, États-Unis), un capteur de force piézorésistif pouvant mesurer une force normale à sa surface jusqu'à 111 N. Le choix des résistances sur le circuit imprimé a permis de raffiner la plage de valeurs du capteur selon les besoins. Pour cette application, des résistances de 3 MΩ ont été soudées pour obtenir une plage de force allant de 1 N à environ 9 N après la calibration (voir section suivante). Le capteur mesurait 25.4 mm de longueur, 14 mm de largeur, 0.203 mm d'épaisseur et la zone de détection avait un diamètre de 9.53 mm (Tekscan, 2015). Le filage retenu était monobrin à 0.4 mm de diamètre assurant un maximum de mobilité au physiothérapeute.

Les capteurs ont été cousus à même un gant de jardinage en tissu trempé dans un plastique (Figure 4.6). Les zones d'appui principales sous les mains gauche et droite ont été identifiées, soit les surfaces où la présence de capteurs était essentielle. Sur la main gauche, deux capteurs ont été positionnés sur l'articulation métacarpo-phalangienne de l'index et sur la phalange proximale. Sur la main droite, trois capteurs sur l'index ont été positionnés sur l'articulation métacarpo- phalangienne et les phalanges proximale et médiane, et un capteur sur la phalange distale du pouce. Pour assurer un appui perpendiculaire à la surface du capteur, de fines pastilles circulaires ont été imprimées (Makerbot, Replicator 2, États-Unis) en plastique acide polyactique (PLA) pour recouvrir la zone de détection.

Un boîtier rectangulaire muni de supports internes, d’orifices sur les parois et d’un couvercle a servi à immobiliser, protéger, sécuriser et camoufler les composantes électroniques sensibles. Le

design du boîtier a été élaboré par conception assistée par ordinateur (CAO, logiciel Catia V5R21, Dassault Systèmes, France) et fabriqué par impression 3D en plastique PLA (Makerbot, Replicator 2, États-Unis).

Figure 4.6: Dispositif complet d'enregistrement des forces, et zoom sur les gants gauche et droit. (© S.D. Étudiante, 2017)

4.4.3 Méthodologie et résultats de calibration

La conversion de la mesure obtenue par les capteurs en une valeur de force passait par leur calibration. Le capteur fournissait un pointage allant de 250 à 1030 unités selon l'intensité de la force appliquée. Pour la calibration, une machine permettant de contrôler l'intensité et la durée de la force de compression a été utilisée (Amini, 2011). Elle comprenait une pièce mobile latéralement et une pièce fixe munie d'un capteur de force (Figure 4.7). La lecture du capteur A301 était influencée par le type de surface de part et d'autre de celui-ci. C'est pourquoi les conditions de calibration se sont approchées le plus possible des conditions expérimentales, c’est- à-dire du contexte et de l’environnement dans lequel les capteurs seraient utilisés. Après plusieurs configurations testées, il a été établi que la calibration s'effectuerait avec un morceau de couenne de porc choisi pour s'apparenter à la rigidité de la surface du tronc. Étant donné l'espace restreint de la cellule de compression, le capteur avec la pastille a été cousu sur l'annulaire gauche du gant suivi du morceau de couenne, comme à la Figure 4.7.

Figure 4.7: Conditions de calibration des capteurs (© S.D. Étudiante, 2017)

Le protocole de calibration a consisté à appliquer quatre paliers de force croissante pour une durée de 60 secondes chacun (voir Annexe C). En reliant la force au pointage obtenu, une droite de calibration a été générée pour chaque capteur (Figure 4.8). La sensibilité des capteurs suite à la calibration était de 5 % de la valeur mesurée. L'équation de ces droites a permis de traduire le pointage obtenu pendant la correction manuelle expérimentale en valeur de force (N).

Figure 4.8: Droites de calibration des six capteurs utilisés pour l’étude clinique: pointage en fonction de la force de compression appliquée

y = 88,278x + 129,55 R² = 0,9824 y = 84,088x + 115,68 R² = 0,9889 y = 113,22x + 109,54 R² = 0,9972 y = 89,915x + 138,16 R² = 0,9883 y = 105,96x + 113,39 R² = 0,9857 y = 93,35x + 41,315 R² = 0,98 0 200 400 600 800 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Po in ta ge Force (N)

Lors de l'étude clinique, comme la surface de contact des mains était plus étendue que l'aire restreinte des capteurs, une force équivalente (Fmodèle) a été calculée pour conserver le même ratio

de pression mesurée. C'est cette force équivalente qui a été implémentée dans la modélisation. Une aire d’application de la main a été estimée pour chacun des trois capteurs de l’index de la main droite (Figure 4.9).

La surface de la main qui exerce un contact et une force sur le tronc a été subdivisée en 3 aires

selon les 3 capteurs de mesure principaux :

Ac = aire capteur

A1, 2, 3 = aire rectangle de la région du capteur Fc1, 2, 3 = force mesurée par le capteur

A1: rectangle 25 x 20 = 500 mm2 A2: rectangle 20 x 15 = 300 mm2 A3: rectangle 40 x 15 = 600 mm2