【作 者】劉琳，劉靜,2＊

1 清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京，100084

2 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京，100190

0 引言

人體足部具有支撐身體的重要作用。當(dāng)人體站立或者行走時(shí)，足底與地面會(huì)在垂直方向上有一個(gè)相互作用力，即足底壓力[1]。足底壓力測(cè)量就是運(yùn)用一定的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)人體在靜止或者動(dòng)態(tài)過(guò)程中足底壓力的力學(xué)、幾何學(xué)、時(shí)間相關(guān)參數(shù)值等加以測(cè)定。通過(guò)不同狀態(tài)下數(shù)據(jù)的分析研究，揭示不同的足底壓力分布特征和模式，并進(jìn)一步研究正常足與病理足之間的足底壓力參數(shù)區(qū)別，得出病理足的發(fā)病原因、病情程度、功能現(xiàn)狀等信息，以輔助臨床診斷和治療[2]。

足底壓力測(cè)量技術(shù)研究和應(yīng)用較多的是針對(duì)糖尿病病人的。糖尿病足是最嚴(yán)重和治療費(fèi)用最高的慢性并發(fā)癥之一[3]。研究表明，足底壓力增高是足潰瘍發(fā)生的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，可用于預(yù)測(cè)糖尿病足潰瘍，相關(guān)性高達(dá)70%-90%[4-5]。應(yīng)用足底壓力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)糖尿病病人進(jìn)行足底壓力監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)了解其足底壓力狀況，從而對(duì)健康狀況進(jìn)行科學(xué)、客觀的評(píng)估，以輔助臨床專家進(jìn)行診斷，進(jìn)而采取針對(duì)性的措施預(yù)防和治療，并最終降低糖尿病足發(fā)生率[5-6]。足底壓力式步態(tài)分析系統(tǒng)可用于正常兒童以及腦性癱瘓兒童的步態(tài)測(cè)試培訓(xùn)[7]，也可用于膝上假肢的智能控制[8]。此外，應(yīng)用足底壓力測(cè)量。帕金森患者和對(duì)照組的步態(tài)研究實(shí)驗(yàn)也有人進(jìn)行[9]。

在足底壓力測(cè)量系統(tǒng)的研制方面，文獻(xiàn)[10]應(yīng)用PVDF薄膜研制了一款鞋墊式多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，具有便攜、可對(duì)鞋底壓力分布測(cè)量、進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信和實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析管理功能的特性。利用FSR(力敏電阻)傳感器進(jìn)行一定的電路設(shè)計(jì)，通過(guò)單片機(jī)等微控制器進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)人體足底壓力信息的分布式采集，并在電腦上加以數(shù)據(jù)處理及分析，進(jìn)而有效地進(jìn)行足底壓力分布評(píng)估[11-13]。新型足底壓力傳感器的研究中，研究者也有采用導(dǎo)電橡膠對(duì)足底壓力變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量[14]。一些足底壓力測(cè)試產(chǎn)品則已推出上市。其中有美國(guó)Tekscan公司的F-Scan系統(tǒng)[15]、比利時(shí)RSscan公司的Footscan平板測(cè)力系統(tǒng)[16]、德國(guó)Novel公司的Emed平板系統(tǒng)和Pedar鞋墊系統(tǒng)[17]、德國(guó)Medilogic公司的腳墊式和臺(tái)式測(cè)量系統(tǒng)[18]，以及瑞士Kistler公司的生物力學(xué)測(cè)力臺(tái)[19]等。

在信息無(wú)障礙技術(shù)背景下，手機(jī)以其便攜性、易用性與低成本特性不斷滲透到人們生活的方方面面，并已應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。我們?cè)谇捌谔岢鰺o(wú)線獲取人體足底壓力動(dòng)態(tài)信息的手機(jī)測(cè)量方法[20]，對(duì)手機(jī)監(jiān)測(cè)足底壓力進(jìn)行了初步的嘗試。本文在前期基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)性的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研制出更加緊湊、便攜，功能更為優(yōu)化的手機(jī)無(wú)線式步態(tài)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)豐富的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確度。

1 基于手機(jī)的足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 硬件系統(tǒng)搭建

手機(jī)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分，主要完成壓力信號(hào)采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，包括電源模塊、傳感器、放大濾波電路、單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換模塊和USART串行通訊模塊、JTAG接口和藍(lán)牙模塊等。

圖1 足底壓力測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Scheme for hardware designing of the feet pressure measurement system

硬件系統(tǒng)的電源采用4.2 V的鋰電池。由于所選單片機(jī)需要3.3 V供電電源，故通過(guò)穩(wěn)壓芯片將鋰電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V的系統(tǒng)電源電壓。系統(tǒng)所用傳感器為半橋式稱重傳感器，其單個(gè)的量程為50 kg。基于對(duì)量程和便攜等因素的考慮，系統(tǒng)采用兩只傳感器組成全橋電路，實(shí)現(xiàn)量程100 kg的測(cè)量電路。在放大濾波環(huán)節(jié)，由于本系統(tǒng)所采集的足底壓力信號(hào)的頻率較低，我們應(yīng)用運(yùn)算放大器芯片與電阻、電容設(shè)計(jì)一階RC有源低通濾波電路，截止頻率為30 Hz左右；壓力傳感器最大輸出為mV級(jí)，系統(tǒng)采用差動(dòng)放大器芯片將信號(hào)放大200倍。硬件系統(tǒng)的單片機(jī)采用TI公司的MSP430F149，外形尺寸小和多種外設(shè)接口。系統(tǒng)主要利用單片機(jī)的12位A/D轉(zhuǎn)換和USART串行通信接口。藍(lán)牙模塊與單片機(jī)串行通信接口連接，用于數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。硬件電路中還包括指示燈、電阻保護(hù)、電容去耦等環(huán)節(jié)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成并制板、焊接后，通過(guò)JTAG接口將固件程序燒寫(xiě)至單片機(jī)內(nèi)存，使其按要求正常工作。

1.2 應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)

足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的客戶端應(yīng)用程序通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)。采用HTC HD2手機(jī)，其操作系統(tǒng)為Windows Mobile 6.5，手機(jī)界面開(kāi)發(fā)的軟件環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2008，采用Visual C++下的MFC智能設(shè)備應(yīng)用程序平臺(tái)，完成軟件編制。

手機(jī)上軟件部分實(shí)現(xiàn)的主要功能為：

— 手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙與單片機(jī)通信；

— 在手機(jī)界面上將壓力數(shù)據(jù)以數(shù)值和曲線的形式動(dòng)態(tài)顯示；

— 在手機(jī)端對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，包括步率、步數(shù)和異常捕捉等；

— 將壓力數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)于手機(jī)。

程序設(shè)計(jì)調(diào)試后，完成的手機(jī)界面應(yīng)用軟件如圖2所示。

圖2 手機(jī)應(yīng)用程序界面Fig.2 Screen for application software on mobile phone

從歡迎界面2(a)進(jìn)入主界面2(b)后，“串口設(shè)置與連接”完成手機(jī)藍(lán)牙與硬件藍(lán)牙模塊的配對(duì)設(shè)置和連接，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。串口連接成功后，手機(jī)藍(lán)牙接收到單片機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送來(lái)的壓力傳感器采樣數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為壓力值顯示在“當(dāng)前壓力”窗口中，同時(shí)也將數(shù)據(jù)以曲線方式顯示在界面中的網(wǎng)格區(qū)域。左下角的“步率/分”、“步數(shù)/次”、“異常指數(shù)”等，根據(jù)壓力數(shù)值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示在對(duì)應(yīng)窗口中。主界面還設(shè)有用戶數(shù)據(jù)保存、截圖、報(bào)警等功能。圖2(c)為主界面左下“菜單”項(xiàng)的內(nèi)容，幾項(xiàng)重要操作和系統(tǒng)退出功能在這里實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)應(yīng)用與研究

手機(jī)足底壓力監(jiān)測(cè)的軟硬件系統(tǒng)完成后，進(jìn)行整體系統(tǒng)的應(yīng)用研究，將傳感器置于人體足下進(jìn)行足底壓力的監(jiān)測(cè)。

2.1 傳感器標(biāo)定

為得到盡量準(zhǔn)確的壓力數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，得出單片機(jī)采樣值(S)與傳感器實(shí)際承重值(M)之間的關(guān)系。

首先，對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行“包裝”，在所使用的每個(gè)壓力傳感器底部加裝了一塊30 mm×30 mm×5 mm的C形底座，使傳感器的承重部位和支撐部位構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。用絕緣膠布將C形底座固定在傳感器底部，并在傳感器的承重部位添加少許海綿以減少傳感器帶來(lái)的不適感，如此形成后的傳感器外觀如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)所用傳感器Fig.3 Sensors used in the system

為確保包裝平衡和測(cè)量數(shù)據(jù)盡量準(zhǔn)確，使用4個(gè)上述“包裝”后的傳感器進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，其中被測(cè)試系統(tǒng)的兩個(gè)傳感器放在對(duì)角位置，使其承重之和為總重量的一半。將0-100 kg范圍內(nèi)的不等重量的11個(gè)物體置于測(cè)試平臺(tái)(圖4)，讀取重量值并同時(shí)采集單片機(jī)的采樣值，得到如表1所示的11組數(shù)據(jù)。

圖4 傳感器標(biāo)定平臺(tái)Fig.4 Experimental platform for sensor calibration

表1 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.1 Calibrated data for the sensors

本系統(tǒng)所用傳感器本身具有較好的線性。將上述所測(cè)11組數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行線性擬合，可得出圖5所示的標(biāo)定結(jié)果。可以看出，系統(tǒng)所用傳感器確實(shí)具有較好的線性。在線性擬合的同時(shí)，也給出了采樣值S和重量值M之間的線性關(guān)系，即：

確定傳感器承重值和單片機(jī)采樣值之間的關(guān)系后，相應(yīng)調(diào)整程序中的計(jì)算部分，再進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)評(píng)估。

圖5 傳感器標(biāo)定結(jié)果(橫軸為重量值，縱軸為采樣值)Fig.5 Calibrated data for the sensors(Horizontal axis: Weight value Perpendicular axis: Sampling value)

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

將傳感器置于被測(cè)對(duì)象足下(足和鞋子之間)，電池、電路板固定在受試者鞋子上，并盡可能地不影響其正常行走，讓被測(cè)對(duì)象在室內(nèi)平穩(wěn)路面上進(jìn)行不同速度的行走、原地踏步和跑步或模擬摔倒等實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)系統(tǒng)的整體運(yùn)行效果，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析討論。

2.2.1 固定行走速度

被測(cè)對(duì)象行走三分鐘，其中每分鐘走的實(shí)際步數(shù)分別為103、107、105。分別取第一分鐘內(nèi)、第一、二分鐘之間、第三分鐘的測(cè)試結(jié)果，顯示如圖6所示。從中發(fā)現(xiàn)，步率、步數(shù)計(jì)算在測(cè)試剛開(kāi)始時(shí)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性相對(duì)差一些（如圖6(a)），當(dāng)前步率和平均步率的差值較大。當(dāng)然，這也與被測(cè)者行走時(shí)每相隔幾秒內(nèi)的步頻并不很穩(wěn)定有關(guān)。進(jìn)入第二分鐘后，步率和步數(shù)的計(jì)算較為穩(wěn)定和準(zhǔn)確。圖6(c)為測(cè)量三分鐘整停止時(shí)的數(shù)據(jù)截圖，其顯示總的步數(shù)為332，與實(shí)際三分鐘總共走的步數(shù)接近。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，能夠測(cè)得真實(shí)數(shù)據(jù)，并給出較為可靠的計(jì)算結(jié)果。

2.2.2 不同步行速度

被測(cè)對(duì)象進(jìn)行不同速度的行走，每分鐘的實(shí)際行走步數(shù)分別為79、90、107、144，選取每種步頻的第一分鐘至第二分鐘內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖7所示。可以看出，步頻在每分鐘90和107步時(shí)，系統(tǒng)給出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際非常相近；在步頻為每分鐘79步和144步時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算的平均步率結(jié)果與實(shí)際值相差稍大，但相對(duì)誤差不超過(guò)10%，進(jìn)一步表明，系統(tǒng)在不同步頻下的測(cè)試結(jié)果是穩(wěn)定且可靠的。

2.2.3 快速踏步和跑步

被測(cè)對(duì)象進(jìn)行原地快速踏步時(shí)，每分鐘踏步次數(shù)分別為266、211、201，測(cè)得的當(dāng)前步率和平均步率經(jīng)常不一致。事實(shí)上，這種快速的踏步在相鄰幾秒的時(shí)間段內(nèi)很難保持頻率一致性。快速踏步時(shí)，數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)的“尖峰”，如圖8(a)所示。這在跑步時(shí)的測(cè)量曲線中也有出現(xiàn)(圖8(b))。在人體腳部快速活動(dòng)時(shí)，腳與地面的接觸時(shí)間很短，測(cè)量系統(tǒng)的傳感器感受到足底壓力的作用因而快速變化。而正常行走時(shí)，數(shù)據(jù)曲線一般不會(huì)出現(xiàn)整齊的“尖峰”波形，因而這可以作為正常行走時(shí)檢測(cè)異常步態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。

圖6 固定行走速度的不同時(shí)段Fig.6 Different period during walking with fi xed speed

圖7 不同行走速度的測(cè)試情況Fig.7 Measured results under different speeds

圖8 快速踏步和慢跑情形Fig.8 Measured results under quick walking and slow running

2.2.4 模擬摔倒

被測(cè)對(duì)象在正常行走過(guò)程中，主動(dòng)使腳下置有傳感器的那只腳滑倒，以模擬行走中意外摔倒的情況。為保證安全，摔倒的次數(shù)和強(qiáng)度都不高，且在模擬摔倒后被測(cè)對(duì)象身體靠在床上而不是直接摔在地面。根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果可以看出，摔倒的一瞬間，數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)“尖峰”(圖9所示)，并且如果摔倒后沒(méi)有立即站立起來(lái)，尖峰出現(xiàn)后的數(shù)據(jù)降為0值。根據(jù)這個(gè)情況，在系統(tǒng)的異常計(jì)算時(shí)，可以將數(shù)據(jù)中突然出現(xiàn)“尖峰”，并在尖峰后數(shù)據(jù)連續(xù)為0(或是很小的數(shù)值)的情況作為一個(gè)重要的指標(biāo)，以使出現(xiàn)此情況時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警。

2.2.5 異常指數(shù)

系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)足底壓力的過(guò)程中，除步率、步數(shù)的計(jì)數(shù)外，很重要的是異常指數(shù)的計(jì)算，其大小與系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警功能直接相關(guān)。當(dāng)前系統(tǒng)中，異常指數(shù)的計(jì)算主要依據(jù)為壓力值和頻率大小。上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要為正常情況的測(cè)定，除去個(gè)別情況，異常指數(shù)值在跑步過(guò)程和模擬摔倒時(shí)較大，說(shuō)明系統(tǒng)的異常指數(shù)有一定的指示性，但需要更多的研究以優(yōu)化計(jì)算。

圖9 模擬摔倒Fig.9 Simulating the cases of falling down

3 小結(jié)

足底壓力監(jiān)測(cè)在日常生活、疾病診斷、康復(fù)評(píng)估中具有重要作用。圍繞足底壓力監(jiān)測(cè)的研究越來(lái)越多，并且市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)多種足底壓力監(jiān)測(cè)及步態(tài)分析系統(tǒng)。為滿足足底壓力的監(jiān)測(cè)能夠進(jìn)入個(gè)人和家庭領(lǐng)域?qū)μ囟▊€(gè)體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的需求，本文研制出有一定實(shí)用性的緊湊型手機(jī)式無(wú)線足底壓力監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。

本系統(tǒng)具有便攜、低成本的特點(diǎn)，且操作簡(jiǎn)單、易于測(cè)量。系統(tǒng)采用方便耐用、價(jià)格低廉的電橋式稱重傳感器，配合所研制的硬件電路，可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳送至手機(jī)應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件部分除實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)和繪圖顯示外，還根據(jù)測(cè)得壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了步率、步數(shù)、異常值等的計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、截圖、報(bào)警等功能。在完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試后，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多方位的系統(tǒng)應(yīng)用研究，證實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)良好，所計(jì)算數(shù)據(jù)具有較好的準(zhǔn)確度和可靠性。系統(tǒng)的異常指數(shù)，可通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究加以優(yōu)化。另外，本系統(tǒng)所用傳感器直接置于人體腳下會(huì)有一定不適感，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)是不利的，這點(diǎn)需要在系統(tǒng)工藝的研究上進(jìn)一步加強(qiáng)。目前系統(tǒng)中電池與電路板的連接、傳感器與電路板的連接，接線與封裝也是后續(xù)大量測(cè)試或產(chǎn)品化過(guò)程中需要改進(jìn)的方面。

本文試驗(yàn)表明，基于手機(jī)的無(wú)線式足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著系統(tǒng)研究的不斷深入和改進(jìn)，足底壓力的監(jiān)測(cè)將會(huì)成為普及性的家用醫(yī)療工具，為更多人群尤其是老年人和糖尿病人等易患或已患足部疾病者提供幫助。

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