Целью проекта является разработка программно-аппаратного комплекса диагностики опорно-двигательного аппарата человека типа стельки на основе пьезоэлектрической пленки ПВДФ. Данный комплекс позволяет регистрировать распределение давления стопы испытуемого на опорную поверхность во время ходьбы, бега и других нагружающих стопу активностей и далее анализировать паттерны походки и диагностировать нарушения опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека на основе полученных данных.

Предлагаемое решение отличается от известных аналогов тем, что в качестве чувствительного элемента используется гибкая пьезоэлектрическая пленка ПВДФ, которая в отличие от пьезокерамических чувствительных элементов устойчива к ударным нагрузкам, обладает свойствами гибкости, долговечности, а также экологичная, в отличие от содержащей свинец пьезокерамики ЦТС.

Использование методов литографии позволит формировать контактную матрицу с плотным расположением элементов малых размеров, количество которых ограничивается вычислительными возможностями аппаратного комплекса, тем самым повысит разрешающую способность сенсора.

Агрессивная среда – пот одновременно с ударными нагрузками, изгибами и трением не позволяют применять пьезокерамику в качестве чувствительных элементов. Пленка ПВДФ заметно устойчивее пьезокерамики в рассматриваемом случае.

Комплекс включает в себя ПО для визуализации карт давления и последующего анализа паттернов походки, отклонения в параметрах которой могут указывать на патологии в ОДА.

Области применения:

Фитнес:

• Анализ техники выполнения упражнений на группы мышц ног;
• Анализ активности на тренировке;
• Анализ техники бега;
• Телефитнес (удалённый контроль тренером выполнения упражнений);
• Точный подсчёт шагов;
• Диагностика правильности подбора обуви;
• Косвенный контроль тонуса мышечных групп ног и спинного отдела;
• Контроль усталости;
• Диагностирование отклонений в ОДА;

Профессиональный спорт:

• Контроль развития болезней колен и суставов, характерных для пубертатного возраста;
  
• Контроль риска получения травмы;
  
• Измерения развиваемых усилий при толчке ногой;
• Контроль техники выполнения элементов;
• Точный подсчёт совершённой работы на тренировке;
• Косвенный контроль тонуса мышечных групп ног и спинного отдела;

• Мониторинг прогресса восстановления ОДА и коррекция методик;
• Косвенный контроль тонуса мышечных групп ног и спинного отдела;
• Прогнозирование осложнений в других группах мышц ног после реабилитации;
• Превентивная диагностика отклонений ОДА в детском возрасте;

Группы риска (диабет, ожирение и т.д):

• Контроль активности;
• Диагностика правильности подбора обуви;
• Предупреждение перегрузок, способных приводить к образованию язв;

Оценка взаимодействия роботов с окружающей средой:

• Мониторинг баланса робота при движении;
• Мониторинг параметров поверхности, по которой передвигается робот;
• Ускорение обучения робота ходьбе;
• Обратная тактильная связь;

Техническое Задание

Требования к сенсорной стельке:

• Чувствительным элементом разрабатываемой стельки является пьезоэлектрическая плёнка ПВДФ, вырезанная в форме стельки под определённый размер обуви (от 33 до 45).
• На обе стороны плёнки ПВДФ наносится матрица из 10 сенсорных площадок.
• От каждой площадки идут по одной сигнальной дорожке, которые в свою очередь выводят сигналы на специальный якорь.
• К якорю присоединяется шлейф FFC, призванный обеспечивать надёжное электрическое соединение стельки с измерительной электроникой.

Требования к измерительной электронике:

• Микроконтроллер: Arduino Nano.
• Схема регистрации сигналов: усилитель заряда (собственной разработки и сборки). Требуются высокоомные входы. Необходимо добиться миниатюрности корпуса, в котором будет размещаться вспомогательная электроника. Вся электроника должна размещаться в корпусе, который крепится на шнурках или заднике обуви или на её воротнике со внешней стороны стопы.
• Синхронизация: Важна точная временная привязка данных со всех каналов.
• Память: Встроенная для регистрации сеансов ходьбы.
• Передача данных: Интерфейс для выгрузки данных на ПК (USB, Bluetooth Low Energy для удобства).
• Питание: Компактный аккумулятор (Li-Po) с схемой управления зарядом.
• Необходимо предусмотреть возможность работы стельки в гибридном режиме: цикл зарядки аккумулятора от пьзоэлектрического эффекта при ходьбе человека и цикл записи паттерна походки.

Требования к ПО:

• Фильтрация: Удаление высокочастотного шума (фильтр низких частот).
• Сегментация шага: Алгоритмы для автоматического определения начала и конца каждого шагового цикла.
• Извлечение признаков: Расчет медицинских параметров:
• Кривая центра давления (Center of Pressure, CoP).
• Время контакта для каждой зоны.
• Пиковое давление в каждой зоне.
• Симметрия между левой и правой стопой.
• Коэффициент вариации для оценки стабильности походки.
• Нейросетевой анализ параметров походки и предварительная диагностика отклонений, при обнаружении которых пользователь может быть направлен к ортопеду.

Клинические испытания:

• Сравнение данных системы с золотым стандартом (стационарная платформа для анализа походки) на малой группе здоровых добровольцев для валидации методики.

• Набор пациентов с конкретными диагнозами (плоскостопие, диабет) и формирование контрольной группы.

В проекте принимают участие:

Басов Богдан Алексеевич – тим лид;

Рахматуллин Амир Романович – электроника;

Зиннатуллин Артур Расимович – инженер-технолог, разработка технологии поляризации пленки ПВДФ;

Баранова Маргарита Андреевна – маркетинг, СММ;

Тангатарова София Валерьевна – связь с экспертами в области медицины, испытания;

Кан Николай Вячеславович – расчёты и компьютерное моделирование систем;

Киркин Владимир Сергеевич – расчёты и компьютерное моделирование систем;

Моисеев Константин Михайлович – научный консультант.

На страницу проекта