Capture et Modélisation du Pied Chaussé en Mouvement – CaMoPi

Le projet proposé vise à combiner la capture de mouvement en profondeur et en surface en utilisant une plate-forme hybride vidéo / rayons X pour produire des données d'un nouveau type. Une estimation de la position de la structure squelettique sera réalisée à partir de l'imagerie X et reliée au maillage surfacique obtenu par vidéo. Ce modèle 4D fournira aux fabricants de chaussures un premier aperçu du mouvement squelettique dans le temps.

A partir de ces données, la modélisation multi-corps couplée à une méthode par éléments finis donnera des informations clés sur l'état du pied. La complexité de la structure anatomique du pied étant élevée en termes de nombre d'éléments (26 segments d'os, 33 articulations, 107 ligaments, 20 muscles), un modèle de substitution simplifié sera également développé pour l'exploitation industrielle pratique.

Celle-ci se concentrera sur l'amélioration des «formes» (les modèles autour desquels les prototypes de chaussure sont construits), une étape critique de la conception des chaussures. Le projet vise à rationaliser le processus en fournissant des mesures et des modèles qui accéléreront le processus et peuvent potentiellement réduire le nombre d'étapes de prototypage par essais et erreurs. Deux aspects clés de la conception de la chaussure seront optimisés : la biomécanique du mouvement et le confort des chaussures.
Dans l'ensemble, l'objectif est d'aider les fabricants à valider leurs formes de manière efficace et scientifique par rapport aux objectifs souhaités (performance, confort, ...) afin d'accélérer la conception des chaussures et d'en réduire les coûts.

Pas encore de résultats majeurs à rendre publiques à ce jour.

Le projet devrait produire des résultats sans précédent montrant comment le mouvement interne du pied est structuré. De fait, au-delà des perspectives industrielles spécifiques dans la conception de chaussures, les méthodes de capture et de modélisation proposées devraient avoir des retombées variées.
Par exemple, de nombreuses applications sont attendues dans le domaine médical, dans le traitement de l'ostéoarthrise du genou (semelles orthopédiques), de l'ostéoporose (thérapie dynamique du mouvement) ou de la prévention de la déformation de l'os du pied (par exemple hallux valgus et quintus varus). De nombreuses applications sont aussi possibles dans le domaine du sport.

1. Julien Pansiot and Edmond Boyer. CT from Motion: Volumetric Capture of Moving Shapes with X-rays and Videos. In British Machine Vision Conference (BMVC), London, September 2017. hal.inria.fr/hal-01585344
Cette publication propose une nouvelle méthode de reconstruction dense en 3D d'un échantillon en mouvement libre à l'aide d'une imageur rayons X et de multiples caméras couleur. Cette méthode constitue la première brique technique du projet CaMoPi.

2. Julien Pansiot and Edmond Boyer. CBCT of a Moving Sample from X-rays and Multiple Videos. IEEE Transactions on Medical Imaging (TMI). 2018. hal.inria.fr/hal-01857487

L'objectif principal du projet CaMoPi est de capturer et de modéliser les aspects dynamiques du pied humain avec et sans chaussures. A cet effet, la vidéo et l'imagerie par rayons X seront combinées pour générer de nouveaux types de données à partir desquels il est prévu des percées majeures dans la modélisation de mouvement du pied.
Compte tenu de la complexité de la structure du pied interne, on connaît peu le mouvement exact de son squelette et sa relation avec la chaussure. De fait, l'état de l'art du processus de fabrication de chaussures repose encore en grande partie sur des savoir-faire ad-hoc. Ce projet vise à mieux comprendre les mécanismes internes du pied chaussé en mouvement afin de rationaliser et donc accélérer et d'améliorer la conception de chaussures en termes de confort, de performance et de coût. Cela nécessite le développement de technologies de capture qui n'existent pas encore dans le but de fournir des modèles denses du pied en mouvement. Dans ce but, les principales directions de travail au sein de CaMoPi seront articulées autour des trois axes principaux suivants.
1. Capture de mouvement combinée en surface et volumétrique en utilisant une plateforme hybride vidéo / rayons X pour produire un nouveau type de données sur les formes en mouvement. De nouvelles méthodes seront élaborées pour fusionner les deux modalités d'imagerie au sein d'un modèle unique en 4D cohérente en surface et en profondeur.
2. la modélisation précise du pied en mouvement. Une compréhension physique en profondeur du mouvement de pied en utilisant la modélisation multi-corps couplée à une méthode par éléments finis (FEM) donnera des informations clés sur l'état du pied. Un modèle de substitution simplifié sera également développé.
3. Validation industrielle avec les fabricants de chaussures. Les nouvelles données produites seront analysées par les industriels. Les principales caractéristiques extraites du modèle de substitution seront intégrées dans le processus de conception de la chaussure. Les prototypes seront testés à nouveau dans le système de capture afin de quantifier l'amélioration, fermant effectivement la boucle de feed-back entre la recherche et le design industriel.
Le projet proposé met en œuvre un pipeline complet depuis la capture de données et la modélisation jusqu'à l'exploitation industrielle avec les fabricants par le bias du CTC, qui effectue la R&D pour un large ensemble de partenaires industriels. Par conséquent, nous prévoyons que les résultats en termes de types de données, de procédures de capture et de modélisation aient un impact sur le processus de fabrication de chaussures et plus largement sur la biomécanique des membres inférieurs.