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Intelligent Footwear for Prevention of Lower Extremity Amputations in Diabetic Patients

English title Intelligent Footwear for Prevention of Lower Extremity Amputations in Diabetic Patients
Applicant Perriard Yves
Number 181020
Funding scheme Bridge - Discovery
Research institution Laboratoire d'actionneurs intégrés EPFL - STI - IMT - LAI
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Other disciplines of Engineering Sciences
Start/End 01.07.2019 - 30.06.2023
Approved amount 1'245'942.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Other disciplines of Engineering Sciences
Rehabilitation

Keywords (6)

Amputation; Footwear; Diabetic; Magneto-rheological; Valve; Pressure control

Lay Summary (French)

Lead
Le but de ce projet est de donner aux patients diabétiques souffrant d'ulcère grave une solution therapeutique par une chaussure adaptable et soulageant la pression sous la blessure.
Lay summary
Malgré les techniques sophistiquées mises au point au cours des vingt dernières années, le diabète reste l’une des premières causes d’amputation non traumatique des membres inférieurs dans le monde. Ceci est principalement dû à la combinaison d'une neuropathie périphérique, qui détermine la perte de sensation de douleur dans les membres inférieurs, et d'une pression plantaire élevée, toutes deux récurrentes chez les patients diabétiques. La réduction du PP (plantar pressure) est le facteur le plus important pour éviter les ulcères plantaires et les amputations des membres inférieurs.
Notre objectif est de combler le manque de chaussures efficaces et confortables offrant une vie normale aux personnes diabétiques dont la fonction principale serait à la fois de prévenir les ulcères du pied et d’accélérer la guérison des plaies. L'application cible impose des contraintes sévères concernant les exigences système liées à la magnitude du PP et à la dynamique de la marche chez les patients diabétiques. En outre, la nécessité de maintenir le système de déchargement portable nécessite à la fois un haut niveau de miniaturisation et une consommation d'énergie réduite. Dans un scénario aussi difficile, un concept de semelle intelligente a été proposé, reposant sur un matériau magnéto-rhéologique (MR).
La stratégie de déchargement proposée basée sur les modules MR repose sur la discrétisation de la semelle dans différentes zones de contrôle sous lesquelles le PP peut être mesuré et, si nécessaire, réduit en le redistribuant aux régions environnantes. Un tout petit limiteur de pression basé sur l'IRM a été conçu et validé au cours de sessions expérimentales, confortant ainsi notre choix dans cette technologie particulière. Le travail restant consiste à développer l’électronique de commande et la gestion de l’alimentation des modules MR susmentionnés, puis à intégrer des composants électromécaniques et électroniques pour obtenir un produit final, prêt à être testé dans des conditions réelles.
Cette nouvelle approche offrira un système inestimable aux spécialistes du pied diabétique, permettant une réduction conséquente des amputations des membres inférieurs, environ un million actuellement. La validation du système innovant sera suivie de la création d’une start-up peu après le projet Bridge pour valider le produit par des tests cliniques et pour lancer la commercialisation le plus tôt possible, c’est-à-dire en 2025, conformément à notre calendrier ambitieux mais réaliste.
Direct link to Lay Summary Last update: 08.01.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Design optimization of Miniature Magnetorheological Valves with Self-Sensing Capabilities Used for a Wearable Medical Application
Ntella Sofia Lydia, Duong Minh-Trung, Civet Yoan, Pataky Zoltan, Pemard Yves (2020), Design optimization of Miniature Magnetorheological Valves with Self-Sensing Capabilities Used for a Wearable Medical Application, in 2020 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Boston, MA, USAIEEE/ASME (AIM) International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, IEEE Explore.
Optimization of Magnetorheological Valves with Constraints of Volume, Pressure Drop and Power Consumption
Ntella Sofia, Trung Duong, Pooneh Mohaghegh, Yoan Civet, Zoltan Pataky, Yves Perriard, Optimization of Magnetorheological Valves with Constraints of Volume, Pressure Drop and Power Consumption, in International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), IEEE Explore.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
University Hospitals of Geneva Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
23rd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS2020-Hamamatsu) Talk given at a conference Optimization of Magnetorheological Valves with Constraints of Volume, Pressure Drop and Power Consumption 24.11.2020 Hamamatsu, Japan Perriard Yves; Ntella Sofia Lydia; Pataky Zoltan; Duong Minh Trung;
2020 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM2020) Talk given at a conference Design optimization of Miniature Magnetorheological Valves with Self-Sensing Capabilities Used for a Wearable Medical Application 06.07.2020 Boston, United States of America Duong Minh Trung; Perriard Yves; Ntella Sofia Lydia; Pataky Zoltan;
BRIDGE Discovery Networking Event Poster Intelligent Footwear for Lower Extremity Amputation Prevention in Diabetic Patients 20.02.2020 Eventforum Bern, Fabrikstrasse 12, Bern, Switzerland Duong Minh Trung; Ntella Sofia Lydia; Perriard Yves; Pataky Zoltan;


Abstract

Despite the several sophisticated techniques developed in the last twenty years, diabetes remains one of the first causes of non-traumatic lower limb amputation worldwide. This is mainly due to the combination of peripheral neuropathy, which determines the loss of pain sensation in the lower extremities, and high plantar pressure (PP), both recurrent among diabetic patients. Reducing the PP is the most important factor to avoid plantar ulcers and consequent lower limb amputations.We aim to fill the lack of efficient and comfortable footwear offering normal life to diabetic people whose main function would be to both prevent foot ulcers and accelerate wound healing. The target application imposes severe constraints concerning the system requirements related to PP magnitude and walking dynamics in diabetic patients. Furthermore, the need to maintain the offloading system portable requires both high level of miniaturization and reduced power consumption. Within a so challenging scenario, a concept of smart insole has been proposed relying on magneto-rheological (MR) material. MR fluids are a particular group of smart materials whose rheological properties (mainly the fluid internal yield stress which in turn determines the apparent viscosity of the fluid itself) can be controlled by an external magnetic field. With increasing levels of exciting field, higher values of viscosity can be obtained, with the consequent possibility to control the material transition from the liquid to the semi-solid state. MR-based systems offer as main advantages high sustainable loads, high dynamic ranges of operation, low complexity, high reliability and low power consumption.The proposed offloading strategy based on MR modules relies on the discretisation of the foot sole in different control areas under which the PP can be measured and, if required, reduced by redistributing it to the surrounding regions. A tiny MR-based pressure limiter has been conceived and validated through experimental sessions, comforting our choice in this particular technology. The remaining work is the development of the control electronics and power management of the aforementioned MR modules, followed by the integration of both electromechanical and electronic parts to obtain a final product, ready to be tested in real conditions.The novel approach will offer an invaluable system to diabetic foot specialists allowing a consequent reduction of lower extremity amputations, circa one million currently. The innovative system validation will be followed by the establishment of a start-up soon after the Bridge project to validate the product through clinical tests and start commercialization as soon as possible, i.e. in 2025 according to our ambitious but realistic schedule.
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