Développement d’un processus de conception 3D de semelles et de chaussures orthopédiques pour des morphologies de pieds atypiques

Development of orthopedic insoles and shoes 3D design process for atypical foot morphologies

• Auteur / Autrice : Maneesh Kumar Mishra
• Direction : Pascal Bruniaux, Christine Campagne, Guillaume Tartare
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Génie Informatique, Traitement du Signal et des Images
• Date : Soutenance le 02/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Personnalisation de masse

Ergonomie

Mesure

Morphologie (biologie)

Pied

Classification automatique

Modélisation tridimensionnelle

Conception assistée par ordinateur

Design

Semelles orthopédiques

Mots clés libres

Classification non supervisée

Descripteur de forme 2D

Résumé

Les besoins dans le secteur des semelles orthopédiques sont de plus en plus importants. Le but médical de ces prothèses plantaires est souvent de corriger la posture ou le déséquilibre biomécanique qui tend à causer de la douleur dans diverses zones du corps en fonction de la pathologie du patient. Les besoins en matière de personnalisation des chaussures orthopédiques augmentent également. Cela est dû à la progression des personnes de plus en plus obèses ou ayant des problèmes de diabète, voire d'autres maladies. Mais, le coût de ses produits peut varier de un à deux voire plus en fonction de la qualité du produit qui nécessite de l'adapter par un processus manuel à la morphologie du pied. Quel que soit le produit thérapeutique envisagé, le modèle économique n'est plus adapté aux besoins des patients et aux impératifs budgétaires de la sécurité sociale. Un nouveau processus de création est nécessaire et doit intégrer des outils numériques pour réduire ces coûts de fabrication, tout en améliorant la qualité des produits. Notre étude a été de faire le point sur les moyens de mesure utilisés et d'analyser la profession de podologue en mettant en évidence les aspects médicaux et économiques permettant de détecter la barrière technologique. La mise en œuvre du nouveau processus de conception de ces produits thérapeutiques pour les pieds a nécessité d'acquérir les connaissances morphologiques, anthropométriques et biomécanique du pied. Afin de caractériser dimensionnellement et morphologiquement le pied, un processus de détection de points anthropométriques et de création de courbes morphologiques a été mise en place. A ce stade de l'étude, il nous a été possible d'analyser une population d'individus mâle et femelle afin d'extraire les morphologies les plus représentatives d'une population cible. C'est à partir de méthodes de classification non supervisé que nous avons classé la population et détecté les centroïdes. Les techniques qui ont ensuite été utilisées pour détecter les points anthropométriques du pied ont été intégrées dans le processus de création de semelles customisées. En combinant cette technique qui extrait le contour englobant l'empreinte du pied, une méthode qui utilise ce contour pour créer la forme 2D de la semelle et la forme 3D de la ‘forme’ standard, nous avons créé la forme 3D de la semelle ajustée au pied et à la ‘forme’. Ce processus a montré le besoin de créer la ‘forme’ customisée de la personne. Après une analyse technique détaillée de la ‘forme’, nous avons mis en place un processus de création 3D de la ‘forme’ customisée. Ce processus prend directement en compte la forme du pied du patient sur laquelle nous détectons les points anthropométriques et créons les contours morphologiques de celui-ci. Ces contours servent d’appui à un espace d’aisance 3D sur lequel est accroché un réseau de courbes définissant le modèle filaire de la surface de la ‘forme’. Cette aisance spatiale est paramétrable afin de définir un confort spécifique au patient ou de contrôler ses besoins thérapeutiques. Ces deux processus à vocation customisation peuvent être connectés l'un à l'autre pour améliorer le confort au porté des chaussures pour un patient ou pour l'ensemble de la population en l'appliquant sur chaque centroïde de la classification.

The needs in the sector of orthopedic insoles are becoming more important. The medical purpose of these plantar prostheses is often to correct the posture or biomechanical imbalance that tends to cause pain in various areas of the body depending on the pathology of the patient. The need for personalization of orthopedic shoes is also increasing. This is due to the progression of people who are increasingly obese or have problems with diabetes or other diseases. But, the cost of its products can vary from one to two or more depending on the quality of the product that requires adaptation by a manual process to the morpology of the foot. Whatever the therapeutic product envisaged, the economic model is no longer adapted to the needs of patients and the budgetary imperatives of social security. A new creative process is needed and must incorporate digital tools to reduce these manufacturing costs, while improving the quality of products. Our study was to take stock of the means of measurement used and analyze the profession of podiatrist by highlighting the medical and economic aspects to detect the technological barrier. The implementation of the new design process for these therapeutic foot products required the acquisition of morphological, anthropometric and biomechanical knowledge of the foot. In order to characterize the foot dimenally and morphologically, a process of detection of anthropometric points and creation of morphological curves has been implemented. At this stage of the study, we were able to analyze a population of male and female individuals to extract the most representative morphologies of a target population. It was from unsupervised classification methods that we classified the population and detected centroids. The techniques that were then used to detect the anthropometric points of the foot were incorporated into the process of creating customized insoles. By combining this technique that extracts the outline encompassing the footprint, a method that uses this outline to create the 2D shape of the insole and the 3D shape of the standard shoe-last, we have created the 3D shape of the insole adjusted to foot and the standard shoe-last. This process showed the need to create the custom shoe-last of the person. After a detailed technical analysis of the shoe-last, we set up a customized shoe-last 3D creation process. This process directly takes into account the shape of the patient's foot on which we detect the anthropometric points and create the morphological contours of it. These contours serve to support a 3D space of ease on which is hung a network of curves defining the wire model of the surface of the shoe-last. This spatial ease is parametrizable in order to define a specific comfort to the patient or control his therapeutic needs. These two customization processes can be connected to each other to improve the wearing comfort of shoes for a patient or for the entire population by applying it to each centroid of the classification.