Development of a wearable device for real-time gait correction

Gait Analysis is the quantitative study of the motion of the human body during the gait. The attractive feature of gait analysis regards the possibility to study and to quantify the effects on the human motor functions caused by pathologies and lesions relative to the neuromuscular control system and to the musculoskeletal system Nowadays, the gold standard for the functional evaluation of the human gait is the gait analysis laboratory. With the development of wearable technologies, the applications of portable devices for gait analysis applications have become more and more popular. In these years, many authors have proposed valuable devices for wearable gait analysis applications achieving optimum results. The advantage of these solutions is that they can provide real-time sensory feedbacks to the patients thanks to the possibility of embedding small actuators, such as buzzers or vibrating motors. Therefore, the wearable devices can also perform re-training of the patients in order to normalize abnormal walking patterns. In-toeing is a condition in which the foot points internally during the gait instead of being parallel to the walking direction. The three main causes that determines this particular disease are: femoral anteversion, metatarsus adductus, and internal tibial torsion. This condition is very popular in children and it tends to vanish with the growth of the child. However, if it is not properly assessed, in-toeing can persist also in the adult stage. The main existing solutions can be either non-surgical (gate plates, orthodic devices, …) or surgical (tibial osteotomy) and their effectiveness is still debated in the literature. The aim of the project is to develop a wearable device in order to provide a different alternative solution. Many authors demonstrated that the Foot Progression Angle influences plantar pressure distribution. In-toeing causes a shift of the load toward the lateral part of the foot while out-toeing, on the other end, causes higher medial pressures. The idea at the base of the development of the device is to measure the relative difference of the plantar pressure between the different areas of the foot with force sensing resistors. These signals are collected and process by a microcontroller that, according to the input information, controls the activation of a haptic feedback unit. The device communicates wirelessly with external units where its information are collected and visualized in a dedicated application. Experimental tests of the device have been performed in order to respectively dimension the parameters of the firmware, to test the hypothesis regarding the shifts of the load distribution in the different walking conditions (in-toeing, normal, and out-toeing) and to assess the accuracy of the real-time identification and of the feedback actuation. The experimental outcomes showed the good functioning of the device and the good accuracy in identifying the mentioned walking patterns. The proposed device can potentially constitute a valuable future solution in the correction of in- and out-toeing. The design and the development of the device started at the University of Illinois at Chicago where the idea of the project was created. The remaining activities and the experimental test have been performed with the cooperation of TBM Lab at Politecnico di Milano.

L’analisi del cammino è lo studio quantitative del moto del corpo umano durante il cammino. Questo tipo di analisi permette di studiare e valutare l’effetto di particolari patologie, relative al sistema muscolo-scheletrico o al sistema di controllo neuro-muscolare, sulle funzioni motorie. Il laboratorio del cammino rappresenta il “Gold standard” per la valutazione funzionale. Lo sviluppo di sistemi portatili e miniaturizzati ha permesso di estendere questo tipo di analisi anche al di fuori delle mura del laboratorio. Molti autori in letteratura hanno sviluppato dispositivi indossabili ottenendo ottima accuratezza dei risultati. Il principale vantaggio di questo tipo di dispositivi consiste nella possibilità di arricchire le loro funzionalità integrando nel proprio hardware attuatori che forniscono al paziente stimoli sensoriali. In particolari, i più usati sono i feedback acustici e quelli tattili. Ciò permette dunque la possibilità di impiegare questi dispositivi per condizionare e normalizzare il cammino dei pazienti in tempo reale. L’ “In-toeing” è una condizione in cui il piede durante il cammino punta verso l’interno invece di essere parallelo alla direzione di avanzamento. È una patologia molto diffusa nei bambini e di solito tende a scomparire durante la crescita. Tuttavia è possibile che questa condizione abbia ripercussione anche durante l’età adulta se non viene affrontata e monitorata correttamente. Le soluzioni esistenti prevedono l’uso di dispositivi ortopedici per modificare il cammino del paziente oppure, in casi estremi, si fa ricorso a interventi chirurgici. Essendoci un acceso dibattito sugli effettivi risultati di questi metodi, lo scopo del progetto è quello di proporre una soluzione alternativa basata su un differente approccio. L’angolo di progressione del piede influenza la distribuzione del carico sul piede durante il cammino. In particolare, angoli negativi sono associati con un maggior carico laterale mentre angolo positivi causano pressioni più elevate nelle zone mediali del piede. La idea alla base della progettazione del dispositivo è quella di misurare la pressione in punti discreti della pianta del piede durante il cammino con sensori di forza resistivi. Questi input sono campionati e processati da un microcontrollore che regola l’attivazione dei sistemi di feedback haptici per segnalare eventuali anomalie del cammino. L’informazione viene trasmessa dal dispositivo ad apparecchi esterni dove viene raccolta, memorizzata, e visualizzata in un’applicazione dedicata. Il dispositivo è stato impiegato in prove sperimentali in cui il fimrware e il suo funzionamento sono stati testati ed analizzati. Le prove, oltre a confermare le ipotesi di partenza, mostrano i buoni risultati del dispositivo nell’identificazione dei pattern considerati. Le attività di sviluppo e la progettazione del dispositivo sono state avviate presso la “University of Illinois at Chicago” dove è nata l’idea del progetto. La conclusione del lavoro e le prove sperimentali sono state effettuate in collaborazione con il TBM Lab del Politecnico Di Milano.