Development of an Optical Fiber-­Based Insole for Gait Parameters Detection in Rehabilitation Processes in the Population with Lower Limb Disabilities

Abstract

Introduction: As several diseases are reflected in the human foot as plantar pressures, divers gait assessment technologies have been developed. Some of them include force plataforms, IMUs (inertial measurement units) and instrumented insoles. Instrumented insoles have advantages over the other mentioned technologies, for instance, they do not limit the gait assessment to few steps and, they do not require a repetitive process of calibration. Different sensors have been used to develop these instrumented insoles, some examples are capacitive sensors, FSR, piezoresistive sensors and optical sensors. In literature optical sensors have been identified as an attractive option on account of their mechanical properties and the electromagnetic noise immunity. Taking into account the state of the art in this work, an instrumented insole based on polymeric optical fiber sensors is developed and characterized. \\

\textbf{Objective:} The objective of the present work is to develop an instrumented insole, with a POF sensor and, an acquisition and transmission module for gait assessment. \\

\textbf{Methodology:} To develop the instrumented insole the project was divided in three main components which are the insole, the sensor and the acquisition and transmission module. The sensor was made with a Polymeric optical fiber and the operation principle of the sensor was developed based on a multiplexing technique. The described components were assembled and a characterization protocol was implemented. This protocol contemplated intervals of time to measure the sensor response to different loads and time intervals for the sensor recovery. \\

\textbf{Results:} In this section the characterization protocol outcomes were showed. The response to loads of the four sensitive zones were no-homogeneous among them. The majority of the sensitive zones presented s linear behavior with some exception. On the other hand, some of the sensitive zones presented $R^2$ values lower than $0.8$ and others reached $R^2$ values higher than $0.9$ in their linear trend. \\

\textbf{Discussion:} Several factors affected the optical fiber sensors response whereby they have to be consider, otherwise, this factors would affect the developed measuring system, resulting in non-repeatability and in linear response to load decreasing as could be observed in the characterization outcomes. \\

\textbf{Conclusions:} An instrumented insole and its acquisition and transmission modules were developed using the microcontroller of the FRDM KL25Z board; additionally an optical fiber coupling board was use to integrate the light sources and the optical fiber for the sensor to work correctly. The operation principle of the instrumented insole is based on a multiplexing technique.

Introducción: Dado que varias enfermedades se reflejan en el pie humano como presiones plantares, se han desarrollado diversas tecnologías de evaluación de la marcha. Algunas de ellas son las plataformas de fuerza, las IMU (unidades de medición inercial) y las plantillas instrumentadas. Las plantillas instrumentadas tienen ventajas sobre las otras tecnologías mencionadas, por ejemplo, no limitan la evaluación de la marcha a unos pocos pasos y no requieren un proceso repetitivo de calibración. Se han utilizado diferentes sensores para desarrollar estas plantillas instrumentadas, algunos ejemplos son los sensores capacitivos, FSR, sensores piezoresistivos y sensores ópticos. En la literatura, los sensores ópticos han sido identificados como una opción atractiva debido a sus propiedades mecánicas y a la inmunidad al ruido electromagnético. Teniendo en cuenta el estado del arte en este trabajo se desarrolla y caracteriza una plantilla instrumentada basada en sensores de fibra óptica polimérica. |textbf{Objetivo:} El objetivo del presente trabajo es desarrollar una plantilla instrumentada, con un sensor de POF y, un módulo de adquisición y transmisión para la evaluación de la marcha. \\ Metodología:} Para el desarrollo de la plantilla instrumentada el proyecto se dividió en tres componentes principales que son la plantilla, el sensor y el módulo de adquisición y transmisión. El sensor se realizó con una fibra óptica polimérica y el principio de funcionamiento del sensor se desarrolló en base a una técnica de multiplexación. Se ensamblaron los componentes descritos y se implementó un protocolo de caracterización. Este protocolo contempló intervalos de tiempo para medir la respuesta del sensor a diferentes cargas e intervalos de tiempo para la recuperación del sensor. \N - Textobf{Resultados:} En esta sección se mostraron los resultados del protocolo de caracterización. La respuesta a las cargas de las cuatro zonas sensibles no fue homogénea entre ellas. La mayoría de las zonas sensibles presentaron un comportamiento lineal con alguna excepción. Por otro lado, algunas de las zonas sensibles presentaron valores de $R^2$ inferiores a 0,8$ y otras alcanzaron valores de $R^2$ superiores a 0,9$ en su tendencia lineal. |textbf{Discusión:} Varios factores afectaron a la respuesta de los sensores de fibra óptica por lo que hay que tenerlos en cuenta, de lo contrario, estos factores afectarían al sistema de medición desarrollado, dando lugar a la no repetibilidad y a la disminución de la respuesta lineal a la carga como se pudo observar en los resultados de la caracterización. \\ Conclusiones:} Se desarrolló una plantilla instrumentada y sus módulos de adquisición y transmisión utilizando el microcontrolador de la placa FRDM KL25Z; adicionalmente se utilizó una placa de acoplamiento de fibra óptica para integrar las fuentes de luz y la fibra óptica para el correcto funcionamiento del sensor. El principio de funcionamiento de la plantilla instrumentada se basa en una técnica de multiplexación.