CHAPITRE 3 : MISE EN ŒUVRE D’UN OUTIL DE SUIVI AMBULATOIRE DESTINÉ AUX PERSONNES
6. Exploration et conception d’un récupérateur d’énergie
6.4. Mise en œuvre de la semelle V3
6.4.1. Conception du module TAG V3 et intégration dans une semelle
Une troisième version de TAG a été réalisée en y ajoutant un système d’alimentation hybride composé d’une pile bouton, du récupérateur d’énergie et d’un circuit comportant deux interrupteurs inversés. Dans cette configuration, le TAG V3 (Figure 79) est alimenté, soit par le récupérateur d’énergie lorsqu’il produit suffisamment d’énergie, soit par la pile bouton. Le PCB a été réalisé en semi-souple pour que le système accepte un rayon de courbure car sa surface est plus importante
134 que précédemment. Les dimensions du module électronique sont de 50*28*2,4mm. La semelle V3 réalisée avec ce dispositif peut être placée dans des chaussures de sport (Figure 80).
Figure 79. Schéma bloc TAG V3
Figure 80. Semelle V3
6.4.2. Caractérisation du système d’alimentation
Pour caractériser le système de récupération d’énergie, nous avons réalisé des essais sur tapis de marche entre 0,5 m/s et 1,75 m/s. Le but est de vérifier qu’il est possible d’alimenter le système de manière autonome. Les essais ont été réalisés avec une semelle V3 ouverte sur la tranche et connectée à un système TAG utilisé en tant que système d’acquisition sans fil. De cette manière, on observe la répartition des temps d’alimentation entre la pile bouton et le récupérateur d’énergie. La Figure 81 présente le pourcentage du temps d’alimentation par le récupérateur d’énergie (mesuré sur une minute). A noter qu’il faut environ trois foulées pour alimenter le système avec le récupérateur. Ce temps d’amorce n’est pas comptabilisé sur la Figure 81.
135 Figure 81. Temps d’alimentation de la semelle V3 en fonction de la vitesse de marche
Entre 0,5 m/s et 1 m/s, le temps d’alimentation est compris entre 55 et 98 %. Au-dessus de 1 m/s, le récupérateur d’énergie peut fournir 100 % des besoins en puissance de la semelle lors des périodes d’activité. Ce test nous permet de valider le système d’alimentation hybride intégrable dans l’épaisseur d’une semelle compatible avec des chaussures de sport. Ces essais montrent qu’il est possible d’alimenter un système électronique de manière autonome dans une semelle, lors des périodes d’activité. Des mesures ponctuelles peuvent être réalisées de manière autonome pour d’autres applications cliniques ou sportives.
7. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons proposé et réalisé un outil de suivi ambulatoire destiné aux personnes fragiles. Cet outil est une semelle instrumentée qui mesure plusieurs paramètres de marche au quotidien sur une durée minimum de 3 mois : le nombre de foulées, la distance parcourue, et la vitesse de marche moyenne. Une mesure de variation de poids a également été envisagée pour compléter la mesure de poids réalisée par une balance connectée. Pour répondre aux spécifications du projet FOOT-TEST, trois prototypes ont été réalisés et ont permis de travailler sur les verrous technologiques de manière progressive.
Le premier verrou que nous avons dû traiter était lié à l’intégration de l’électronique dans une semelle. Le système ne doit pas gêner l’utilisateur et il doit être robuste afin d’effectuer des mesures en continu sur 3 mois. Les premiers essais d’intégration réalisés dans l’atelier du podologue, ont permis de définir les contraintes de conception et d’intégration de l’électronique dans une semelle standard : le système doit être placé sous la voûte plantaire et son encombrement maximum doit être de 50*30*2 mm. Suite à la conception des différentes versions de semelles, aucun problème d’inconfort ni de matériel n’a été constaté. Ces premiers essais sont concluants et valident la faisabilité technique d’une semelle instrumentée.
Le second verrou concerne la mesure des paramètres de marche, en particulier la vitesse de marche moyenne avec une précision supérieure à 95 % tout en conservant une autonomie de plus de 3 mois.
136 Pour résoudre ce verrou, une méthode analytique de mesure de la longueur de la foulée a été mise au point à l’aide d’un accéléromètre 3 axes faible consommation. La longueur de la foulée est mesurée par combinaison linéaire entre la cadence, la variance de l’accélération et la moyenne de l’accélération. Cette méthode nécessite de calibrer la semelle sur la marche réelle de l’utilisateur. Un système d’étalonnage a donc été conçu pour réaliser cette tâche de manière automatique, afin que le personnel médical puisse utiliser ce système facilement lors d’une consultation hospitalière. Les premiers essais réalisés en ambulatoire avec trois volontaires montrent que la précision est supérieure à 95 %.
Une semelle V2 a été conçue pour augmenter l’autonomie du système en respectant l’encombrement maximum. Dans cette version, la taille de la pile a pu être augmentée et un système de pesée a été ajouté. Le système de pesée nous a permis d’abaisser la consommation globale du système en le réveillant avec un seuil de pression (capteur passif) plutôt qu’avec un seuil d’accélération (capteur actif). En augmentant la capacité de la pile et en diminuant la consommation, on peut espérer atteindre une autonomie comprise entre 7 mois et 13 mois en fonction de l’utilisation du système. Au niveau de la mesure de la variation de poids, les premiers essais montrent que le système de pesée est capable de mesurer une augmentation de poids à partir d'un capteur placé au niveau du talon. Une étape d’apprentissage est prévue pour associer les signaux de sortie du système de pesée à la vitesse et à la longueur de la foulée. Ces travaux sont en cours et se poursuivent dans le cadre du projet RESPECT.
Le troisième verrou technologique concerne l’autonomie énergétique totale de la semelle à l’aide d’un récupérateur d’énergie. Dans un premier temps, le récupérateur a été conçu à l’aide d’un générateur MFC et d’un circuit intégré assurant le transfert d’énergie pour le stockage dans des condensateurs. Au regard de la puissance moyenne produite, il est possible d’alimenter le système lors d’une vitesse de marche supérieure à 1 m/s. Ainsi, un système d’alimentation hybride composé d’un récupérateur d’énergie et d’une pile a été conçu pour vérifier qu’il est possible d’alimenter la semelle de manière autonome lors des périodes d’activité. Ce test nous permet de valider le système d’alimentation hybride intégrable dans l’épaisseur d’une semelle. Cette option ne sera cependant pas retenue pour fabriquer la version industrielle car elle ne permet pas de rendre la semelle complètement autonome. De plus, le prix du générateur MFC est élevé (>100 euros).
En résumé, les prototypes FOOT-TEST développés permettent de valider la faisabilité technique d’une semelle instrumentée permettant de mesurer les paramètres dynamiques de marche de manière automatique et continue sur une période de plus de 3 mois. Ces travaux se poursuivent dans le cadre du projet RESPECT. La première année de ce projet en cours est dédiée à la réalisation d'une version finale du prototype, proche d’un système industriel. Les années 2 et 3 permettront de valider le prototype final et les algorithmes mis en œuvre sur une cohorte de 50 patients suivis pendant 3 mois.
Dans le chapitre suivant, nous présentons les pré-évaluations en conditions d’usages des systèmes mis en œuvre dans cette thèse, soit sur plusieurs volontaires dans le cadre du projet FOOT-TEST, soit sur plusieurs patients dans le cadre du projet HOMECARE.
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