Shoes for the future - Developing smart shoes for continous measurement of ballistocardiography

Abstract

Denne masteroppgaven beskriver utviklingen av et par med smartsko for å måle ballistokardiografi. Masterprosjektet er en fortsettelse av en prosjektoppgave som lagde en prototype som et konseptbevis. Målet med masteroppgaven var å lage en smartsko som måler ballistokardiografi, samt validere resultatene gjennom testing. I tillegg, skulle alle «serendipitous» oppdagelser bli utforsket.

Skoene ble utviklet gjennom en iterativ metode med utgangspunkt i Wayfaring med prototyping som hovedverktøy. Prototyper ble laget for teste og validere resultater, samt fungere som et verktøy for å generere kunnskap og design spørsmål. Både divergerende og konvergerende prototyper ble laget for å nå den beste løsningen. I tillegg, ble en småskala testoppsett laget som simulerte ballistokariografi for å kunne raskt teste og validere påvirkningen til diverse design parametere.

Det endelige konseptet, Sole 2.0, består av et par med joggesko med fem væskefylte blærer i hver sko. Hver av blærene er koblet til en trykksensor. Smartskoen måler trykket under foten til brukeren og fanger opp bevegelsen til kroppen som følge av blodsirkulasjonen. I tillegg, er Sole 2.0 designet for å kunne kobles til en ballistokardiografi vekt som fungerer som en referanse og en PPG-sensor for å måle pulstransporttid og muliggjøre segmentering.

For å validere resultatene ble et forsøk gjort med 14 deltakere. Deltakerne ble i målt tre perioder med en hvileperiode mellom test to og test tre. I testperiode to ble en «coldpressor» test utført for å øke blodtrykket til deltagerne. Blodtrykket ble økt for å gjøre det mulig å beregne pulstransporttid. Resultatene fra forsøket er ikke behandlet, men foreløpige resultater er svært lovende. To ut av 14 datasett er behandlet og ballistokardiografi er suksessfullt målt i alle testperiodene for de to datasettene. I tillegg er den beregnede pulstransporttiden korrekt invers relatert til blodtrykket.

This master thesis describes the development process of a pair of smart shoes for measuring ballistocardiography. The thesis was a continuation of a proof-of-concept prototype from a previous project thesis. The thesis aimed to develop a functioning smart shoe for measuring ballistocardiography and validate the results through testing. In addition, any serendipitous findings in the process were to be explored.

The shoes were developed using an iterative approach based on wayfaring with prototyping as one of the main tools. Multiple prototypes were created to validate hypotheses and act as a tool for generating new design questions. Both divergent and convergent prototypes were created to ensure the best solution was created. In addition, a benchtop setup was created for simulating the ballistocardiogram to enable rapid testing of the impact of changing design parameters.

The final proposed concept, called Sole 2.0, consists of a pair of running shoes with five water-filled bladders in each shoe, each connected to a pressure sensor. The smart shoe measures the pressure under the user's feet and captures the body's movement due to the ejection of blood. In addition, the sole 2.0 allowed a BCG scale to be connected to act as a reference for the captured BCG and to attach a PPG sensor for calculating pulse transit time and aiding in segmentation.

To validate the concept, a test was run with 14 participants. Participants were measured in three test periods with one resting period between tests two and three. A cold pressor test was used to increase the participants’ blood pressure during test period two. Blood pressure was increased to enable the calculation of pulse travel time. The results from the testing are not fully processed. However, the preliminary results from two of the fourteen datasets show great promise, with the BCG being captured in all measurement periods and the inverse relationship between pulse transit time and blood pressure being shown.