The primary role of a wheelchair seat cushion is to provide an effective platform from which the user may perform a wide range of tasks. For many users, the cushion performs a crucial function by reducing the concentration of pressure in soft tissues, thereby helping to prevent the formation of pressure ulcers. Theoretical and experimental data has shown that a properly fitted contoured cushion would improve the pressure distribution and reduce tissue distortion. The two basic technological approaches that have been used to design a contoured seat are the standard precontoured cushion technique and the custom-contoured cushion technique. The standard precontoured cushions are available off the shelf but they are inappropriate when intimately fitting body support is needed. The custom contoured cushions can provide intimate seating support, but they are usually labor-intensive and require considerable technical skill. Therefore, it is desirable to develop a new approach for designing contoured cushions which not only are available off the shelf but also provide a more intimate fit to the body than standard precontoured cushions.

Our preliminary study on a group of seat support interface shapes suggested that body- seat interface shape patterns could be identified using cluster analysis. Four distinct generic shapes were identified for a group of elderly subjects by analyzing the dissimilarity in geometrical shape parameters. The results support the notion that multiple generic shapes exist and that classifying interface shapes provides meaningful information with respect to the geometrical shape parameters. Furthermore, the generic shapes can potentially be used to design generic shape contoured (GSC) cushions, which could provide an alternative to the custom contoured seat cushions and precontoured seat cushions. GSC cushions would be fabricated by carving generic shapes into high resiliency polyurethane foam. However, the interface shape data used in the preliminary study was obtained from the Electronic Shape Sensor (ESS) when the subject's body was supported by an array of probes. Since the mechanical properties of the support surface is one of the major factors that results in interface shape, the generic shapes derived from those interface shapes did not characterize the body-cushion interface. To date, a practical clinical method of measuring body-cushion interface shape has not been reported for typical cushion materials (e.g., foam). The only device that is portable and can be placed between the subject and the cushion was described in Yamazaki's 1992 paper. Unfortunately, such a device is not commercially available. Therefore, in order to investigate generic shape contoured approaches, the development of an efficient and easy-to-use device for rapidly capturing the body-cushion interface shapes is essential.

Based on the finding of the preliminary study, the hypothesis of this project could be formulated as follows:​ it is possible to develop an instrument to measure body-cushion interface shapes and the basic information gathered through the use of this instrument will lead to the successful design of generic contoured support surfaces, which will better accommodate different wheelchair users and are able to reduce interface pressure as well as improve sitting comfort.

A new interface shape-measuring system Shape Sensing Array (SSA) has been developed by using an array of optical fiber shape sensors (Measurand Inc., Fredericton, New Brunswick, Canada). Results on the new device clearly indicate that the SSA system is capable of making repeatable and fairly accurate measurements of buttock- cushion interface shapes. The system RMS error in the Z direction was 2.19 mm and 4.72 mm when the measurements were not and were affected by pressure, respectively. The errors in the X and Y directions were lower than 1 mm. For the needs of the actual study, the accuracy of the SSA is acceptable. The SSA system is a new tool that could be used for the investigation and quantification of the complex relationships between seat properties such as surface shape, cushion deformation and tissue deformation under different load and stiffness conditions. This ability will be of great significance for clinical study and application. With further improvement the SSA itself is likely to be developed into a useful research and clinical tool for support surface design and cushion prescription.

Benefiting from the development of the SSA system, a body-cushion interface shape database was generated for a group of wheelchair users who require mild to moderate body support and present no severe pelvic deformities. The cluster analysis method was chosen in this study to classify a group of interface shapes into different clusters on the basis of similarities. Seventeen geometric parameters are defined to quantitatively analyze the shape and to calculate the similarity measures for interface shapes. Cluster analysis was then performed on these 17 feature parameter variables to detect natural grouping in the input interface shape database.

The results of the cluster analysis suggested that three clusters could be identified, and the mean shape of each cluster was considered as a generic shape. Then the generic shapes were transferred to a cushion cutting machine where the generic shapes were carved into polyurethane foam cushions. By comparing a subject's own shape with generic shapes, the best matching GSC cushion was selected for this subject. A similarity index was calculated based on the 17 geometric parameters to quantify the difference between a subject's interface shapes and generic shapes. The GSC cushion that has the highest similarity index was chosen as the appropriate GSC cushion for this user.

The selected GSC cushions were compared with the rejected GSC cushions. Four aspects were evaluated, namely the pressure distribution, the posture, the comfort, and dynamic stability. The selected GSC cushions were also compared with two standard precontoured cushions. The evaluation results on interface pressure distribution revealed that the mean pressure on the selected GSC cushion was lower than those on the GSC cushions that were not selected by the similarity index method. Therefore, the similarity index method gave useful information on how to select a GSC cushion that could provide optimized pressure distribution.

The results indicate that interface pressure on the compliant foam cushions contoured to the generic shapes were more uniform and had lower peak values than on flat foam cushions and one of the commercially available precontoured cushions. The subjects gave a positive evaluation to the GSC cushions. Seven out of ten subjects chose one of the GSC cushions as their favorite cushion. The comfort and stability of the selected GSC cushion were always judged "better than" or the "same as" the users' regular cushions. The results also suggest that the ability to design a set of generic shapes by measuring and classifying a group of body-cushion interface shapes is quite valuable when serving clients with a variety of seating and positioning needs.

The approach used and the results derived do appear quite valid on the surface, and may provide a basis from which to provide more off-the-shelf devices that more accurately fit the individual patient's needs. However, the results of this study should be viewed as preliminary and further investigation is necessary to establish a reliable database for different wheelchair user populations and to choose appropriate foam materials.

La fonction première des coussins pour fauteuil roulant consiste à fournir une plate- forme efficace qui permet à l'usager d'exécuter un large éventail de tâches. Pour de nombreux usagers, le coussin joue un rôle primordial car il permet de réduire le niveau de pression que subissent les tissus mous, ce qui contribue par le fait même à prévenir la formation de plaies de pression. Les données théoriques et expérimentales démontrent qu'un coussin moulé de façon adéquate améliore la distribution des points de pression et réduit la distorsion tissulaire. La conception des coussins moulés suit deux principales approches sur le plan technique, à savoir le coussin générique prémoulé et le coussin moulé sur mesure. Il est facile de se procurer des coussins prémoulés sur le marché, mais ceux-ci ne conviennent pas dans les cas où l'on cherche à obtenir un soutien postural hautement personnalisé. Les coussins moulés sur mesure peuvent procurer ce soutien spécifique;​ leur fabrication exige toutefois beaucoup de travail et des compétences techniques considérables. Il apparaît donc souhaitable de mettre au point une nouvelle méthode qui permettrait de concevoir des coussins moulés pouvant non seulement être vendus sur le marché mais procurant également le soutien personnalisé qui fait défaut aux coussins génériques.

L'étude préliminaire effectuée dans un premier temps sur un ensemble de formes d'interfaces de surfaces d'appui avait permis de conclure qu'il était possible de définir des formes génériques d'interface séant-siège au moyen d'une analyse par classification hiérarchique. Quatre formes génériques ont été déterminées chez un groupe de personnes âgées en analysant la dissimilarité relative aux paramètres de forme géométrique. Les résultats appuient l'hypothèse de l'existence de formes génériques multiples et de la possibilité de classer ces formes pour obtenir des renseignements utiles relativement aux paramètres de forme géométrique. Par ailleurs, ces formes génériques pourraient servir à la conception de coussins moulés de forme générique (GSC*) dans la perspective d'offrir une solution de rechange aux coussins moulés sur mesure et aux coussins prémoulés. Toutefois, avant d'usiner des formes génériques dans de la mousse de polyuréthane pour fabriquer un coussin GSC, il importe de préciser que lors de notre étude préliminaire, nous avions utilisé les données provenant du Seating Biomechanics Laboratory de l'Université de Pittsburgh, obtenues au moyen d'un appareil de mesure rigide (Electronic Shape Sensor - ESS). Toutefois, les formes génériques découlant des formes d'interface n'illustraient pas l'interface séant-siège dans des conditions de charge réelle, étant donné que les propriétés mécaniques de la surface d'appui constituent l'un des facteurs majeurs qui donnent à l'interface sa forme. Jusqu'à maintenant, on ne rapporte pas avoir eu recours à une méthode clinique pratique de mesure de l'interface séant-siège dans le cas des matériaux de coussin typique (p. ex. la mousse). Le seul appareil portable pouvant être placé entre le sujet et le coussin est décrit dans un article de Yamazaki publié en 1992, mais il n'est pas commercialisé. Par conséquent, pour poursuivre notre recherche sur les formes génériques moulées, il était essentiel de mettre au point un dispositif efficace et facile à utiliser qui permettrait de capter rapidement la forme de l'interface séant-coussin.

L'hypothèse fondée sur la base de cette analyse préliminaire, est la suivante :​ il est possible de mettre au point un instrument de mesure de la forme de l'interface séant- siège et d'utiliser les données de base recueillies grâce à cet instrument pour concevoir une surface d'appui moulée générique qui répondrait mieux aux besoins des différents usagers de fauteuil roulant, réduirait les pressions d'interface et améliorerait le confort.

Dans un deuxième temps, un nouveau système de mesure de la forme d'interface, appelé le Shape Sensing Array (SSA) a été conçu, à partir d'un réseau de capteurs de forme en fibre optique. Les résultats des tests effectués sur le nouvel appareil indiquent que le système SSA est capable d'effectuer des mesures reproductibles et relativement précises de la forme de l'interface séant-siège. Ce système fournit donc un outil permettant d'analyser et de quantifier les relations complexes entre les propriétés du siège, notamment la forme de la surface, la déformation du coussin et la déformation tissulaire sous différentes conditions de charge et de rigidité. Cette capacité devrait s'avérer d'une grande importance pour la recherche adaptée aux besoins cliniques. Une fois qu'il aura été perfectionné, le SSA est susceptible de devenir un instrument clinique et de recherche des plus utiles pour la conception de surfaces d'appui et la prescription de coussins.

Dans un troisième temps, une base de données a été constituée de formes d'interface au moyen du système SSA. Nous avons eu recours à une analyse par classification hiérarchique fondée sur le paramétrage géométrique pour produire un ensemble de formes génériques. Trois coussins moulés de forme générique (GSC) ont été fabriqués par transfert des formes de surface d'appui résultantes sur des coussins de mousse souple, pour ensuite être évalués. La pression moyenne et le pic de pression relevés étaient tous deux inférieurs sur le coussin GSC choisi au moyen de l'indice de similitude que sur les coussins GSC qui avaient été rejetés. L'évaluation subjective a également révélé que sur le plan de l'évaluation du confort, le premier coussin obtenait une marque sensiblement plus élevée que les autres. Les données obtenues indiquent que par rapport aux coussins plats en mousse, la distribution des pressions sur les coussins GSC retenus était plus uniforme et leurs valeurs moins élevées. Ces résultats permettent de croire que le coussin moulé de forme générique pourrait servir à résoudre les problèmes relatifs à l'assise éprouvés par les utilisateurs de fauteuil roulant.

Puisque la forme moulée des sièges dépend d'un ensemble de facteurs, les formes génériques obtenues peuvent varier grandement lorsque l'un de ces facteurs change. D'abord, les propriétés biomécaniques des structures tissulaires et musculaires varient d'une population d'usagers à l'autre. Ensuite, le poids corporel et le tonus musculaire d'un même individu peuvent varier dans le temps. Les sujets choisis pour réaliser ce projet appartenaient à une même catégorie, définie de la manière suivante:​ leurs besoins en matière d'appui postural allaient de légers à modérés et ils ne présentaient aucune difformité pelvienne importante. La rigidité et l'épaisseur des tissus mous différaient d'un sujet à l'autre, selon la nature du diagnostic:​ sclérose en plaques, amputation des deux jambes, paralysie cérébrale ou traumatisme cérébral. Si l'on élargissait la base de données sur les formes d'interface pour chacune de ces populations, par conséquent, on pourrait s'attendre à mieux saisir les relations complexes entre les facteurs propres à l'assise comme la déformation des tissus, la forme de la surface et la pression d'interface. De plus, la forme du siège dépend également des caractéristiques du coussin. Les caractéristiques du sujet étant généralement fixes, le seul moyen d'adapter les paramètres physiques est de modifier les caractéristiques des coussins. Comme notre projet de recherche le démontre, les coussins moulés de forme générique ne représentent pas une solution optimale pour tous les sujets. Changer la rigidité de la mousse pourrait être une autre voie de solution, puisque celle-ci a un effet sur le transfert des charges et, en dernière instance, sur la forme du coussin. Ces réflexions suggèrent qu'il faudra, dans le futur, approfondir l'analyse sur l'effet de la rigidité et de l'épaisseur en relation avec l'efficacité du coussin GSC. Enfin, la distribution du poids est un autre facteur une incidence très importante sur la forme du coussin. Grâce à la mise au point du système SSA, l'analyse des formes permet d'obtenir des données cliniques très utiles sur la répartition des surfaces de charge du coussin. Par conséquent, les mesures relatives aux formes complémentent les autres mesures comme la pression d'interface et l'analyse de la posture, pour fournir en définitive un portrait global de l'interface séant-coussin.

L'évaluation clinique et fiable des coussins est une entreprise difficile. Pour démontrer qu'un nouveau modèle de coussin améliore la distribution de la pression et le confort, il est nécessaire d'étudier un grand nombre de patients. La pression d'interface et les autres paramètres fournissent des données utiles lorsqu'il s'agit de comparer le rendement relatif de différents coussins pour un seul individu ou une population bien définie. Toutefois, la relation entre ces mesures et l'incidence des plaies de pression ou de l'inconfort reste mal définie;​ elle donne lieu à de nombreux débats entre chercheurs.