一种用于康复治疗的足底压力测量方法

摘要

一种用于康复治疗的足底压力测量方法，采用薄膜压阻型压力传感器放置在左右两只鞋垫内的足底压力点，鞋垫为三层结构，顶层和底层均为纤维层，薄膜压阻型压力传感器紧贴于底层之上放置固定，薄膜压阻型压力传感器通过柔软凸点与顶层纤维连接固定，薄膜压阻型压力传感器将获得的与压力对应的电阻信号传输给与左右鞋垫压力传感器对应的两个信号处理发射器进行电阻-电压转换、滤波后输出给两个对应的微处理器分别进行AD转换，将两脚所采集的数据合并成数据包一起发送给接收器，接收器将左右脚数据通过USB传输给PC机，PC机由定时器触发读取数据，将数据包解包，通过软件进行信号处理以及三维显示。

说明书

技术领域

本发明涉及康复诊疗仪器，尤其涉及一种用于康复治疗的足底压力测量方法，主要适用于针对行走能力减弱或失去行走能力患者的康复治疗前期的病情评估、为制订康复训练计划提供依据、对康复训练过程中或者训练结束后的效果评估以及糖尿病病情早期检查。

背景技术

由于生活环境的变化和人们饮食习惯，脑卒中(俗称中风)等心脑血管病的发病率很高，虽然随着当今医疗技术的提高，中风的死亡率有所下降，但是，那些存活下来的患者中，仍然有大约70％的患者存在不同程度的偏瘫等肢体运动功能障碍，其中30％的患者以后只能与轮椅为伴，而且中风患者中有25％～30％在5年内会复发。此外，由于早产或难产所造成的脑瘫儿童约占出生儿童的0.5％，这些脑瘫痪疾的儿童通常也不具备正常的行走能力，他们很可能终生与轮椅、拐杖为伴，可能永远也没有机会像其他小孩那样，享受生活，接受教育了。在本世纪初，康复医学的研究表明，大部分的患者在得到正确的康复训练之后，还是可以恢复本来的行走能力的，现只是需要根据每位患者个体的具体情况制订有效的康复训练计划，而这种训练计划的制定和实施又是建立在对患者个体本身的一些特征的检测和观察的基础上的，比如患者行走的步态以及足底的压力分布等。

传统步态测量仪采用足底刚性传感器阵列式的排布方式，需要数以千计的压力传感器，数据量大，导致采样率低，价格高昂且使用面窄，灵活性差，舒适度不佳；测量仪与PC机显示之间的信号传输方式，一个是采用是物理电缆的传输方式，另一个是将患者在测试过程中的数据保存在存储器中，待测试完毕，PC机再从存储器中读取患者的步态数据。前者采用物理电缆束缚了患者的自由，严重干扰了被测个体，这样所测数据也是不准确的，而后者虽然解决了对患者的干扰问题，但是不能实时地观察患者的步态状况，PC机显示也只能简单显示步态规律的波形曲线，不利于康复医生和诊断医生从细节上详细了解分析病人状态。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术之不足，提供了一种用于康复治疗的足底压力测量方法，用于检测患者行走时足底压力分布，为康复训练医生提供定量的步态测量数据，医生则可以根据这些测得的数据制订最适合患者个体的训练计划，帮组他们更快恢复到正常人的行走能力。

本发明采用以下技术方案：一种用于康复治疗的足底压力测量方法，足底左右鞋垫内均设有压力传感器，其特征在于：采用薄膜压阻型压力传感器放置在左右两只鞋垫内的足底压力点，鞋垫为三层结构，顶层和底层均为纤维层，薄膜压阻型压力传感器紧贴于底层之上放置固定，薄膜压阻型压力传感器通过柔软凸点与顶层纤维连接固定，薄膜压阻型压力传感器将获得的与压力对应的电阻信号传输给与左右鞋垫压力传感器对应的两个信号处理发射器分别包含的电阻-电压转换电路、滤波电路后输出给两个对应的微处理器分别进行AD转换，将任一脚微处理器AD转换后的数据帧格式打包，以蓝牙的方式发送给另一脚的信号处理发射器，将两脚所采集的数据合并成数据包一起发送给接收器，接收器将左右脚数据通过USB传输给PC机，PC机由定时器触发读取数据，将数据包解包，通过软件进行信号处理以及三维显示。

所说鞋垫内的足底压力点系参照正常人行走和站立时的足底压力分布点，左右鞋垫内可各设置10个对应足底压力分布点的薄膜压阻型压力传感器，左右鞋垫对称布置。

可在两个信号处理发射器中各设置3片四运放LM324AD的二十路传感器信号输入的运算电路，实现压力-电压变化的转换，再由LM324AD构成二阶低通滤波器，对信号进行滤波调理后送入信号处理发射器中的微处理器STM32F103对信号进行AD转换、数据的前期预处理、蓝牙传输数据包的打包和驱动蓝牙收发模块将数据发送给接收器，接收器通过USB将数据传输给PC机，PC机软件采用在MFC框架下结合美国国家仪器所提供的NI measurement studio一组控件编写的软件，对左右脚二十路压力信号进行三维立体显示、波形显示并存储。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明摈弃了传统的刚性传感器阵列式的排布方式，在足底选取具有代表性的点来布置传感器，大大减少传感器的数量，在不失有效数据的前提下提高了采样率，提升了系统的可靠性，也使得成本大为降低。且由于选择了对人体来说更加舒适的柔性压力触觉传感器，整个鞋垫也呈柔性，使用方便舒适，所测得数据也更加真实。

2)传统步态测量仪PC机显示只是简单显示了步态规律的波形曲线，不利于康复医生和诊断医生从细节上详细了解病人状态，而本发明PC机显示同时采用了立体山峰图显示和压力波形显示，将足底各点压力以山峰图的形式呈现在医生面前，使康复医生更加直观地看清患者足底压力分布，方便实时观察患者行走的步态状况。

3)测量数据与PC机显示之间的信号传输方式，本发明采用无线蓝牙通信的方式，让患者摆脱了电缆等传统物理媒介的束缚，给予患者“无线”的自由，使医生得到的数据更加真实，且能实时地观察患者行走或站立时足底压力的分布情况，从而，制定的康复治疗计划也更加的切合实际情况。

4)传统的足底压力测试系统多是采用刚性设计，使用面窄，灵活性差，舒适度不佳，而本发明则采用的是柔性薄膜压力传感器，贴合在常用的纤维鞋垫内层，每个传感器都配有柔软凸点，既保证了舒适性，又加强了压力传感器的灵敏度，所测得数据更加真实。

附图说明

图1为本发明的总体结构框图；

图2为本发明鞋垫三层结构示意图；

图3为本发明蓝牙模块电路图；

图4为本发明压变电阻电压转换电路图；

图5为本发明二阶有源低通滤波器电路图；

图6为本发明软件流程图。

具体实施方式

下文结合附图及具体实施对本发明进行详细描述。

如图1、2所示，两只各包含有十个柔性压变电阻型压力触觉传感器的鞋垫(左右脚各一只)、两个信号处理发射器(I和II)和一个接收器。信号处理发射器通过处理传感器获得的信号，获得对应足底压力大小的电压幅值，再通过蓝牙传输，将数据送入接收器，接收器将收到的数据通过USB传送给PC机，PC机软件实现双脚足底二十个点的压力的三维山峰图显示和波形显示，并将这些压力数据存储，以备以后查用。左右两只鞋垫上的白点即电阻型压力触觉传感器贴合位置。在信号处理发射器中，压力信号经过的电阻-电压转换电路、滤波后送入微处理器中进行AD转换、然后通过蓝牙的方式发送。无线传输采用蓝牙2.0协议。接收器接收蓝牙信号后，通过USB将信号送入PC机软件，进行信号的进一步处理以及三维显示。可采用二十个柔性压变电阻型压力触觉传感器(flexiforce)贴合在人体行走和站立时足底压力具有一定代表性的体表处，左右脚底各分布十个传感器。当人站立在上面或穿着装配有本发明的鞋子行走时，这些传感器就能采集到足底各部分相应的压力信号，其前端反映在传感器电阻值的变化上。再由传感器与运放组成的反相比例运算电路，将对应于足底压力的电阻的变化转换为相应的电压变化。电压幅值的变化与足底压力的大小变化成正比，即该电压信号的幅值越大代表足底压力越大。把左右两只脚的二十路电压信号通过二阶巴特沃斯低通有源滤波，截止频率为16HZ。然后将滤波后的信号输入微处理器STM32F103的AD转换输入端，由微处理器STM32F103对这些电压信号进行扫描式12BitAD转换，将电压的模拟信号转换成数字信号后，再通过蓝牙将数字量以无线的方式传输给PC机。PC机则采用在MFC框架下结合美国国家仪器所提供的一组控件(NI measurement studio)的方案编写而成。可以对左右脚二十路压力信号进行三维立体显示、波形显示并存储，界面简洁、直观。仪器外形类似鞋垫，采用柔性压力触觉传感器，因此，整个鞋垫也是呈柔性，使用者可以将其放入日常生活中使用的鞋子中方便舒适的使用。在使用者行走过程中，该发明可以测得其足底压力分布情况。测到的足底压力数据以无线蓝牙的方式传输给PC机，供医生分析。无线传输的方式让使用者摆脱了电缆等物理媒介的束缚，因而所测得数据更加真实。图2是本发明鞋垫的三层结构示意图。鞋垫顶层和底层均为纤维层。薄膜压力传感器紧贴于底层之上放置，传感器通过柔软凸点与顶层纤维连接，使足底压力的测量效果更明显。

参看图3-5，本发明采用的硬件电路均为已知电路。由含有六片(左右脚各三片)四运放LM324AD的二十路传感器信号输入的运算电路，实现压变电阻型压力传感器的压力变化到电压变化的转换。再由LM324AD构成二阶低通滤波器，截止频率为16Hz，对信号进行滤波调理。微处理器STM32F103负责对信号进行AD转换、数据的前期预处理、蓝牙传输数据包的打包和驱动蓝牙模块将数据发送给PC机。系统由常用锂电池供电，通过升压、降压、稳压等电路得到各电路模块所需的供电电压。用户从机通过蓝牙2.0协议将数据发给接收器，接收器再通过USB将信号送入PC机显示。

图6是PC机、信号处理发射器的软件的工作流程图。如图所示，一只鞋垫上的传感器采集的相应点的压力信号经信号处理发射器II中的微处理器AD转换后以一定的数据帧格式打包，再以蓝牙的方式发送给另一只鞋垫对应的信号处理发射器I，与发射器I对应鞋垫的传感器所采集的数据合并成具有一定格式的数据包一起发送给接收器，然后接收器将左右脚数据通过USB传输给PC机。PC机由定时器触发读取数据，将数据包解包，获得有效数据后保存，并刷新界面显示。。