欢迎光临逢友信息科技有限公司官网!
您当前的位置:首页 > 新闻动态 > 行业新闻

行业新闻

足底压力分布测量系统及临床应用

来源:www.fedutech.com发布时间:2017-09-19点击数:载入中...

人体足底压力分布反映有关脚的结构 、功能及 整个身体姿势控制等情况 。测试和分析足底压力可 以获取人体在各体态和运动下的生理 、病理力学参 数和机能参数 , 这对临床医学诊断、疾病程度测定、术后疗效评价、生物力学及康复研究均有重要意义。为此我们研制了一套包括 200 个压力传感器 的足底压力测量系统 , 并对正常人和糖尿病患者足 底压力进行测试 , 以探讨该系统的临床应用价值 。

1   材料

此系统由硬件和软件两大部分组成 , 系统硬件 包括压力传感器平板矩阵 、接口电路 、信号采集及计 算机系统组成 ;系统软件主要由实时数据采集模块 、数据存贮模块 、数据计算分析和显示模块 、病历管理 与资料查询模块 、诊断模块等组成 。

1.1    系统硬件结构

1.1.1       压力传感器平板矩阵及其特点    压力传感 器平板矩阵是本系统的主要组成部分之一 , 由许多 压力传感器构成 。 我们在设计上主要是解决 2 个问 题 :一是压力传感器的选择 ;二是由传感器如何构成 所要的传感器平板矩阵 。压力传感器的选择 :在 足底压力测量中常用的压力传感器的类型按其转换 原理可分为电阻式 、压电式 、光电式 、电容式等。 不同类型的传感器各有特点 。我们选用的是电阻式 压力传感器类型中的铂金氏应变片传感器 。它灵敏 度高 , 测试范围宽 , 稳定性高 , 工作可靠 , 输出特性线 性较好 , 并能在恶劣环境下工作 ;②压力传感器量程的确定 :由系统的测量量程确定 , 系统的测量量程指 标取决于体重 步行速度及压力传感器的安置结构。 正常人以常速行走时足底受力 ≤100 kg , 足底总支 撑面的最小 接触面积 为 2 cm ×1  cm , 此时受力 最 大 。当压 力 传 感 器 的敏 感 受 力 面 积 为 0.5 cm  × 0.5 cm , 且处于最大受力区域内 , 则传感器受力的最 大值 fmax  =100  kg/(2 cm  ×1 cm )×(0 .5 cm  × 0 .5 cm)=12 .5 kg 。此为极限情况 , 在多数情况下 , 压力值分布于 0 10 kg , 考虑到一定的安全系数 , 选 用的压力传感器的量程为 15 kg 电压变送器的 选择 :压力传感器空载时 , 输出为 0 V , 受力后输出 为正比于受力大小的电信号 , 压力传感器输出最大 为 0.05 V , 为了满足采样电路的要求 , 信号必须放 大 , 为了减小传输中小信号损失和增加抗干扰能力 , 200 路放 大器紧靠传感器安放 。 在放大 器选择 上 , 使放大器调零与调增益分开并两者兼顾 。 采用 美国 BB 公司生产的 IN 118 专用仪表放大器作电压 变送器的主电路 , 经过高倍数放大后 , 最大输出可达 5 V , 满足了采样电路的要求 。压力传感器 平板 矩阵结构设计 :有关压力传感器平板矩阵只有国外 的一些资料可查 , 国内未见报道 。本文选用的铂金 氏应变片传感器的性能指标虽然符合临床应用 , 但 是由于压力传感器由弹性元件和应变片电桥电路构 成 , 其最小尺寸长 30 m m 、宽 12 m m 、厚 3 m m 。 为 了在 300 mm ×150  mm 钢板 上均匀分布 200 个直 径为 13.5 mm 的压力传感器 , 将悬臂梁应变式传感 器采用斜面台阶式安装方法 , 每个压力传感器的受 力点分别引到平板上的 200 个测量孔 , 从而实现压 力与电信号的转换 , 完成压力传感器平板矩阵的研 制 。 其技术指标有测量点数 200 ;测量范围0 15 kg , 过载能力 2.5 ;测量精 度平均 0.2 %;分辨率 25g , 对应输出信号 10 mV ;滞后时间 0.3 %;一致性±10 mV , 对应力 ±25 g ;输出信号 0 5 V ;供电 15 V/ 8 路 。

1.1.2    多路信号高速切换电路

为了节省 A/ D 变换电路 , 1 A/ D  完成 200 点压 力传感器的 测 量 , 多路信号高速切换和控制电路是系统设计中比 较关键的部分 , 切换的速度直接影响到短暂步行过 程中压力测试的数据量 , 同时切换电路不能引入噪 声 , 要求切换能力在 200 点以上 , 切换时间 <5 μs 。 控制板产生 8 路控制信号和 A/ D 变换信号 。电 路设计 :系统要求对 200 个传感器进行切换处理 , 考虑到设计方便 , 25 个信号处理能力设计 , 其电路 方块图。工作过程 :来自控制板的 控制信 号在本地经过整形电路整形后 , 3 级进行切换 , 1 级使用 32 8 路切换器并行工作 , 同时处理 256路信号 , 得到 32 路信号 ;后者进入第 2 级切换器 , 采用 4 8 路切换器并行工作 , 得到 4 路信号 ;后者进 入第 3 级切换器 , 得到 1 路信号 , 进入 A/ D 板 。

1.1.3    A/ D   根据精度要求 , A/ D 变换采用 12 , 采样速度为 1 M , 要求在 2 s 内能对 200 个压力 传感器采样 256 , 其电路方块图见图 2 。 其工作 过程是计算所在发出切换命令后 , 等待一定的时间 , 保证切换可靠完成 , 启动 A/ D 变换 , 检测变换结束 标志后 , 把数据读入计算机暂存 , 待所有数据测试完 成后保存 。 在系统设计过程中 , 把控制板和 A/ D 板 设计为一块标准的计算机 ISA 总线插件 , 切换控制 信号产生接口和 A/D  变换控制信号接口均扩展为 计算机的 I/ O , 主要是为了减少 A/ D 板与计算机 之间的数据通讯时间 , 使采样后的数据直接进入计 算机内存 , 从而大大提高整个系统的处理速度 , 减少 处理时间 。

1.2    系统软件结构  软件方案由以下几个模块组成 。

1.2.1    实时数据采集模块  该模块主要是采集患 者在步行过程中动态足底压力数据 , 当传感器出现 压力 , 计算机自动开始记录测试数据 , 所有传感器全 部测试 1 次定为 1 , 为保证数据分析的统一性 , 每测试 256 帧数据后停止测试 , 256 帧数据存为一 个文件 , 并自动按年 、月 、日 、时 、分 、秒形成文件名 , 保存数据 。

1.2.2    数据存贮模块  将患者足底压力数据和患 者的相关资料自动存贮和保存 , 便于查询和分析 。

24   袁刚等 .足底压力分布测量系统及临床应用

1.2.3    数据计算 、分析与显示模块  3 种方式显 示动态足底压力分布 , 并提供多种分析方式 。色谱 图显示与分析 :对所有采集的足底压力数据 , 经过计 算 , 按帧进行统一化处理后 , 压力最小值以最浅颜色 表示 , 最大值以最深颜色表示 , 中间值按比例选择颜 色表示 。色谱图的显示与传感器在阵列中的位置一 一对应 。 当足踏上传感器阵列行走时 , 足底各点压力 分布在色谱图上以不同颜色非常直观地显示出来( 3), 此外还可以按帧连续显示(显示时间可调), 以完 整观察从足部接触到离开传感器阵列的全过程 , 定性 分析足底各部位压力的大小变化和分布 。压力值 分析 :为了定量分析各点压力值大小 , 还可以直接显 示各点压力值以及各相同点的压力值在不同帧的变 化情况 。最大/ 最小压力分析 :对每个传感器 , 纵向 比较 256 帧测试数据 , 得到整个行进过程中该点的最 大压力值/ 最小压力值 , 为分析病情提供更多的依据 。

④最大压力出现时间 :即到达最大压力时间占总接触 时间的百分率 。接触时间 :可计算总接触时间(由 脚跟着地到脚趾离地的时间)、各部位接触时间 。各部位压力 、时间曲线 , 计算曲线下面积 。三维压 力图 :可显示每帧三维压力图 、最大值三维压力图 、多 次测试平均最大值三维压力图 。最大压力 :多次测 试中各部位平均最大压力 。 接触面积 :计算全足及 任一时刻接触面积 。 A/D  值分析 :与压力值分 析相同 , 直接显示各个点的 A/ D , A/ D 值分析显示 的最大优势在于可以方便地分析系统故障 , 判断传感 器的优劣 。

1.2.4    病历管理及数据查询   便于分析病情和得出 结论对每个患者建立一个数据库文档 , 内容包括一般 情况 、症状 、体征 、检 验结果 、足底压力分布 情况等 。 系统具有丰富的查询功能 , 根据给定的病历号或病理 特征 、足底压力测试结果进行分类统计和查询 , 为分 析 、诊断及建立专家辅助决策系统作准备 。

1.2.5    诊断系统输出(暂无) 待进行大样本人群测

, 得到正常人足底压力数据和糖尿病患者足底压力 和足溃疡的相关性后 , 可依此设计出诊断系统 , 以判 断患者足底压力对足部溃疡危险性大小 。

2   临床应用

2.1    应用前的测试  在临床使用前对系统进行全面 测试 。用不同重量砝码对各点进行多次测试(包括不 同室温条件), 得到压力传感器量程 15 kg , 最小分辨率 25 g , 相对于数千克的输入 , 此分辨率能满足临床 需要 。每一点均测试结果相同 , 显示稳定性高 ;相同 砝码不同点结果相差 <25 g , 表明一致性高 。

2.2    临床测试  应用本系统对 58 例正常人(正常 组)75 例无明 显周围神经病 变的糖尿病 患者(DM ) 30 例合并 周围神 经病 变的糖 尿病 患者(DN )进行足底压力测试 。 受试者测试时穿袜 、脱鞋 、以 正常步态行走 , 由测量仪采集两脚各 3 次动态足底压力 。 分析时将足底分为 8 个区域 :足跟 、足弓 、第 1 骨头 、第 2 跖骨头 、第 3 5 跖骨头 、第 1 趾 、第 2 趾 、第 3 5 趾 。 计算 3 次测量的平均足底最大峰值压力 和各部位平均最大压力 。 结果显示 DN 组足底最大 压力比正常组有明显增高 , DM 组足 底最大压力 与正常组相似。

3   讨论

动态足底压力测量是重要的定量检查与分析手 段 , 具有广泛的应用前景 。 目前在国外此技术已使 用于人工关节手术前后的功能和疗效评定 、躯干和 下肢疾病的检查和随访 、为假肢和人工关节设计提 供数据 、康复训练及体育训练的分析和评价 、糖尿病 足的早期预测和治疗等中 。足底压力测量方法主要有脚印 、光学压力测量 仪 、压力板和压力鞋垫。 目前国内已研制成功的 主要有光学压力测量仪和压力鞋垫 。光学压力测量 仪应用计算机视频图像分析技术测试足底压力 , 但 其存在采样频率较低(25 Hz)、光学介质易老化等缺 陷 。 压力鞋垫仅由 8 个传感器构成 , 采样点太少 , 不能全面反映足底压力变化 。本系统采用 200 个电阻式铂金氏应变片传感器组成测量平台 , 通过自行设 计的软件实现了全面的足底动态 、静态压力分布的 测量和分析 , 具有良好的稳定性和分辨率 , 采样频率 高(>100 Hz), 测试方法简便 , 成本低 。足部溃疡是糖尿病的严重并发症之一 , 患足部 溃疡的糖尿病患者截肢和死亡的危险性明显增加 。 由于周围神经病变导致足底压力增高 , 长期机械压力增加使足部溃疡发生 。已有较多国外文献证明动 态足底压力异常增高与糖尿病足底溃疡的发生明显 相关。本文应用自行研制的足底压力分布测量 系统观察了 3 组受试者 , 结果合并周围神经病变的 糖尿病患者足底压力最大 , 与文献报导一致 。

本文研究设计的足底压力分布测量系统 , 通过 1 年的临 床使用 , 100 多 例临床数据证 明其性能稳 定 、结果可靠 , 具有良好的灵敏度和分辨率 。