王 昊，韓 萌，劉 靜＊,2

1 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京，100190；

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

無線獲取人體足底壓力動(dòng)態(tài)信息的手機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

【作 者】王 昊1，韓 萌1，劉 靜＊1,2

1 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京，100190；

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

研制了一種基于Windows Mobile系統(tǒng)手機(jī)藍(lán)牙通信的人體足部壓力傳感系統(tǒng)，在單片機(jī)控制和藍(lán)牙模塊的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)傳感電路和A/D轉(zhuǎn)換電路以及Visual Studio 2008下的軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了人體足底動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送，并將其顯示、存儲(chǔ)于手機(jī)。該方法為隨意獲取人體步態(tài)信息提供了一種重要的低成本手段。

足底壓力；無線監(jiān)測(cè)；手機(jī)；Windows Mobile；藍(lán)牙

0 引言

根據(jù)美國足部醫(yī)學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，人一生行走的距離約為地球周長(zhǎng)兩周半以上，步行時(shí)足部所承受的地面反作用力達(dá)到體重的1.5倍[1]。據(jù)美國足踝整形外科學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，每六個(gè)人中就有一人腳部健康有問題，導(dǎo)致行走不便[2]，因此足部健康值得人們關(guān)注。

通常，步態(tài)分析主要涉及4個(gè)方面：臨床分析、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及動(dòng)態(tài)肌電圖評(píng)估[3]。其中，動(dòng)力學(xué)分析主要研究行走時(shí)足底和支撐面之間的相互作用力，即足底壓力狀態(tài)，由此可揭示人體在不同狀態(tài)下的足底壓力特征，即運(yùn)動(dòng)過程中足的動(dòng)力學(xué)特性。事實(shí)上，該措施是對(duì)步態(tài)加以量化評(píng)估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已逐漸成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中用以診斷病理足與評(píng)定足部康復(fù)過程的一種重要的生物力學(xué)方法[4]。

眾所周知，糖尿病足部病變是其最常見的并發(fā)癥，15%以上的糖尿病病人會(huì)發(fā)生足潰瘍或壞疽，而其中14%～24%需要截肢治療[5]，這給家庭和社會(huì)帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。足潰瘍發(fā)生的最顯著特征之一是病人足底壓力異常增高和異常分布[6]。研究表明，足底壓力增大可用于預(yù)測(cè)糖尿病足潰瘍，二者之間的相關(guān)性高達(dá)70%～90%[7]。為采取有效措施預(yù)防糖尿病足發(fā)生，近年來有關(guān)糖尿病足的研究已從過去局限于周圍神經(jīng)病變和血管病變的研究，逐步向足底壓力研究擴(kuò)展，糖尿病患者的足底壓力分析受到了日益廣泛的關(guān)注。

此外，運(yùn)動(dòng)性疲勞[8]、腦性癱瘓兒童平衡能力[9-12]以及畸形步態(tài)[13]等，都在足底壓力上有所體現(xiàn)。通過對(duì)足底壓力的測(cè)量分析，可更準(zhǔn)確地反映患者自然步行時(shí)的步態(tài)，從而為科學(xué)指導(dǎo)鍛煉、減少運(yùn)動(dòng)損傷提供參考。

關(guān)于足底壓力測(cè)量方法的研究，經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段：對(duì)足底壓力及分布做出定性判斷的足印技術(shù)，基于光學(xué)反射原理的足底壓力掃描技術(shù)，以及利用傳感器的測(cè)力技術(shù)等。隨著新型傳感器技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，足底壓力測(cè)量技術(shù)逐漸成熟，指標(biāo)越來越豐富，測(cè)量精度也有所提高，在臨床醫(yī)療診斷及康復(fù)中的應(yīng)用逐步普及。它能為臨床足疾患者（如糖尿病足、畸形步態(tài)等）和特殊人群（如孕婦、老年人、小兒麻痹癥患者等）的足底壓力測(cè)量和步態(tài)特征分析提供技術(shù)支持，為足疾的功能康復(fù)、療效評(píng)定和手術(shù)后效果鑒定提供客觀評(píng)價(jià)。因此，對(duì)足底壓力的研究由于測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步已逐步成為熱點(diǎn)。

與此同時(shí)，可對(duì)人體健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的移動(dòng)醫(yī)療（M-Health）技術(shù)正日益受到重視[5]。近年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展顯著改善了社會(huì)的醫(yī)療衛(wèi)生狀況，然而，根據(jù)世界衛(wèi)生組織（World Health Organization）的報(bào)告[14]，諸如心臟疾病、中風(fēng)、癌癥、呼吸道疾病以及糖尿病等慢性病，至今仍是引起死亡的最主要原因。大量的慢性病患者和比例不斷增長(zhǎng)的老年人口以及日益增加的醫(yī)療費(fèi)用，將會(huì)給醫(yī)療事業(yè)帶來巨大的壓力，尤其對(duì)發(fā)展中國家更是如此。此外，隨著人們健康意識(shí)和保健要求的不斷加強(qiáng)，隨時(shí)關(guān)注自身的身體狀況已成為一種很普遍的需求。于是，提供一個(gè)能隨時(shí)探測(cè)自身健康的環(huán)境，即移動(dòng)醫(yī)療技術(shù)，就顯得越來越重要[15]。

移動(dòng)醫(yī)療技術(shù)通常包含傳感器，用戶終端以及服務(wù)器等。近年來，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)在全球范圍內(nèi)已廣泛普及。越來越多的移動(dòng)計(jì)算設(shè)備，諸如智能手機(jī)、掌上電腦、便攜式計(jì)算機(jī)等，可以通過可穿戴式傳感器采集和處理數(shù)據(jù)，并借助聲音或圖像界面與用戶進(jìn)行交互。而且這些設(shè)備的尺寸、重量、價(jià)格也日益符合大眾需求。其中，手機(jī)的普及率最高。根據(jù)工業(yè)和信息化部運(yùn)行監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)局2010年4月26日發(fā)布的報(bào)告[16]，全國移動(dòng)電話用戶合計(jì)超過7億7千萬，移動(dòng)電話普及率達(dá)到58.4%。而且，手機(jī)擁有簡(jiǎn)單可靠的用戶交互界面，已經(jīng)在一定程度上取代一些常用設(shè)備如手表、鬧鐘、日歷等。以手機(jī)為交互載體，將其與個(gè)人健康檢測(cè)相結(jié)合，可為患者及關(guān)注自身健康的人群提供十分便捷的途徑。由于手機(jī)普及率高，直接應(yīng)用可大大降低由此帶來的成本，而其功能的日益強(qiáng)大也為這種結(jié)合提供了可能。

綜合以上因素，本文通過集成藍(lán)牙功能的單片機(jī)控制電路模塊，將置于鞋內(nèi)的壓電傳感系統(tǒng)與研制有Windows Mobile軟件的手機(jī)建立連接，實(shí)現(xiàn)足底壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無線獲取及傳輸，可實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)壓力曲線，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及查看歷史曲線等。該系統(tǒng)利用常見移動(dòng)設(shè)備與用戶交互，易被廣大用戶接受，且利于數(shù)據(jù)的管理，并可借助手機(jī)的通信功能對(duì)系統(tǒng)作進(jìn)一步拓展，已展示出一定的臨床及日常應(yīng)用前景。

1 單片機(jī)控制電路模塊簡(jiǎn)介

本文所述足底壓力監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是在集成藍(lán)牙功能的單片機(jī)控制模塊工作基礎(chǔ)上完成的。該模塊的硬件電路如圖1所示，可在處理器芯片控制下，通過數(shù)據(jù)采集模塊采集生理數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，其通信接口包含與PC通信的miniUSB接口以及可與手機(jī)通信的藍(lán)牙模塊。

圖1 集成藍(lán)牙功能的單片機(jī)控制電路Fig.1 Singlechip control circuit integrated with Bluetooth function

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器及A/D轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)所使用的傳感器內(nèi)部是一組半橋應(yīng)變片（圖2）。使用方法可以有以下三種：使用一只傳感器配合外接電阻組成全橋測(cè)量，量程為一個(gè)傳感器的量程50 kg；使用兩只傳感器組成全橋測(cè)量，量程為兩只傳感器的量程之和，即100 kg；使用四只傳感器組成全橋測(cè)量，量程為四只傳感器的量程之和，即200 kg。為確保量程，本文使用兩只傳感器接成全橋測(cè)量。

圖2 半橋稱重傳感器Fig.2 Half bridge weighing sensor

文中采用的A/D芯片型號(hào)為HX711，是一款專為稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片集成了穩(wěn)壓電源和片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。通道A的可編程增益為128或64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±20 mV或±40 mV。通道B 則為固定的64增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路PCB板設(shè)計(jì)線路圖Fig.3 PCB circuit diagram for A/D conversion

半橋式傳感器與A/D連接的單層PCB板設(shè)計(jì)板如圖3所示。該電路可直接與現(xiàn)有控制和藍(lán)牙模塊連接，由此實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的無線發(fā)送接收（圖4）。

2.2 Windows Mobile系統(tǒng)藍(lán)牙通信

Windows CE支持基于兩種傳輸技術(shù)的個(gè)人局域網(wǎng)（Personal Area Network, PAN）連接：紅外和射頻[17]，其中射頻網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。典型的Windows Mobile設(shè)備提供的藍(lán)牙功能包括對(duì)象交換、文件傳輸和免提或者無線耳機(jī)的服務(wù)。

2.2.1 藍(lán)牙協(xié)議棧

藍(lán)牙協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。它是由底層硬件、中間層以及應(yīng)用層三大模塊組成。底層模塊是藍(lán)牙技術(shù)的核心模塊，其與上層（軟件）模塊之間的消息和數(shù)據(jù)傳遞通過藍(lán)牙主機(jī)控制器接口（HCI，Host Controller Interface）完成。主機(jī)運(yùn)行HCI層以上的協(xié)議軟件實(shí)體，而HCI以下的功能則由藍(lán)牙設(shè)備來完成。

圖4 壓力傳感器與A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Weighing sensor and A/D conversion circuit

圖5 藍(lán)牙協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)[17]Fig.5 System structure for Bluetooth protocol

應(yīng)用程序可采用兩種方法和藍(lán)牙協(xié)議棧進(jìn)行交互：Winsock API和虛擬串口。采用Winsock API時(shí)，應(yīng)用程序使用標(biāo)準(zhǔn)的Winsock函數(shù)來打開和藍(lán)牙協(xié)議棧相關(guān)的套接字，通過WSAxxx系列函數(shù)完成控制。數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的套接字send和recv函數(shù)。應(yīng)用程序操作藍(lán)牙的另一個(gè)方法是通過虛擬串口。通過這個(gè)方法，應(yīng)用程序加載一個(gè)藍(lán)牙獨(dú)立串口驅(qū)動(dòng)。對(duì)協(xié)議棧的控制通過對(duì)COM驅(qū)動(dòng)的DeviceIoControl調(diào)用來完成。調(diào)用WriteFile和ReadFile函數(shù)，通過COM端口從藍(lán)牙連接讀寫數(shù)據(jù)。

另外，Windows Mobile系統(tǒng)提供設(shè)備和服務(wù)發(fā)現(xiàn)的功能，可直接加以利用。

2.2.2 通過虛擬串口進(jìn)行藍(lán)牙通信

使用Winsock和虛擬串口操作藍(lán)牙協(xié)議棧均要求其中一個(gè)設(shè)備是服務(wù)器，而另外一個(gè)設(shè)備是客戶端。服務(wù)器的職責(zé)包括加載驅(qū)動(dòng)程序、打開驅(qū)動(dòng)程序、決定指派給端口的RFCOMM通道等。Windows Mobile系統(tǒng)可直接為藍(lán)牙設(shè)備分配串口，簡(jiǎn)化了步驟。

在分配好虛擬串口后，與一個(gè)串口交互涉及打開串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及與其通信。與傳統(tǒng)的大部分現(xiàn)代操作系統(tǒng)一樣，Windows Mobile中的應(yīng)用程序是通過文件系統(tǒng)API訪問設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的，使用的函數(shù)包括：CreateFile，ReadFile，WriteFile和CloseHandle。

（1）打開和關(guān)閉串行端口

串行端口使用CreateFile函數(shù)打開。關(guān)閉串行端口時(shí)調(diào)用CloseHandle函數(shù)，與關(guān)閉文件句柄用法相同。

（2）配置串行端口

利用CreateFile成功打開串口后，還必須對(duì)串口的波特率、字符長(zhǎng)度等進(jìn)行配置。一般使用GetCommState和SetCommState來實(shí)現(xiàn)。另外，可以用SetupComm函數(shù)來設(shè)置串口內(nèi)部的輸入和輸出緩存。

（3）設(shè)置端口超時(shí)值

超時(shí)值是指在ReadFile和WriteFile函數(shù)自動(dòng)返回之前，Windows Mobile等待讀或?qū)懖僮鞯臅r(shí)間長(zhǎng)度，控制函數(shù)為GetCommTimeouts和SetCommTimeouts。

（4）讀寫串行端口

成功打開串口后，讀寫串口使用ReadFile和WriteFile函數(shù)。

值得注意的是，由于Windows Mobile不支持重疊（Overlapped）I/O，因此若嘗試從主線程或已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)窗口的線程里讀寫大量串行數(shù)據(jù)，這些線程負(fù)責(zé)處理的其他窗口消息隊(duì)列將被相對(duì)較慢的串行讀寫操作阻塞。操作中應(yīng)使用單獨(dú)的線程來讀寫串口。

（5）多線程異步串行I/O

雖然Windows Mobile不支持重疊I/O，但可以使用多線程來實(shí)現(xiàn)相同功能的異步操作。

在使用單獨(dú)的線程來處理讀寫串口之外，Windows Mobile支持WaitCommEvent函數(shù)，其功能是阻塞一個(gè)線程直到某預(yù)先設(shè)定事件發(fā)生。要等待某一事件，首先需要通過SetCommMask來設(shè)置事件掩碼，該函數(shù)參數(shù)是串行設(shè)備的句柄以及一些事件標(biāo)志的組合。

2.3 藍(lán)牙通信軟件實(shí)現(xiàn)

在本研究中，將串口通信相關(guān)函數(shù)封裝為CSerial類，主程序采用對(duì)話框方式實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了串口設(shè)置、連接、斷開、讀取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、雙緩沖區(qū)波形顯示以及數(shù)據(jù)采集的暫停和繼續(xù)以及壓力過大報(bào)警等基本功能。

3.3.1 串口類封裝

為簡(jiǎn)化串口操作，本研究將以上所述串口操作封裝為CSerial類，提供了較簡(jiǎn)單的操作接口。

（1）打開串口

CSerial類中，將打開串口以及對(duì)串口進(jìn)行配置的相關(guān)函數(shù)放入Comm_Open函數(shù)中：

該函數(shù)形參為串行端口序號(hào)以及與端口配置相關(guān)的參數(shù)，如波特率、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位等。調(diào)用該成員函數(shù)時(shí)，實(shí)際完成的工作包括檢查串口是否已打開、打開串口、設(shè)置緩沖區(qū)、配置串口、設(shè)置串口超時(shí)值和清空串口緩沖區(qū)，其中完成這些功能的函數(shù)都單獨(dú)封裝成類的成員函數(shù)。打開串口函數(shù)在串口打開和配置成功時(shí)返回值為TRUE，否則顯示相應(yīng)錯(cuò)誤提示信息，并調(diào)用Comm_ Close函數(shù)關(guān)閉串口。

（2）串口數(shù)據(jù)處理

當(dāng)串口接收數(shù)據(jù)成功時(shí)，若數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理或與其他線程進(jìn)行通信，可調(diào)用Comm_Process函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，用SendMessage函數(shù)發(fā)送消息等。

（3）清除串口緩沖區(qū)內(nèi)容

BOOL CSerial:Comm_Clear (DWORD dwFlags)；該函數(shù)調(diào)用PurgeComm函數(shù)，清除當(dāng)前串口輸入和輸出緩沖區(qū)。

（4）關(guān)閉串口

void CSerial::Comm_Close(void); 該函數(shù)在檢查串口已經(jīng)打開的前提下調(diào)用CloseHandle函數(shù)，若關(guān)閉失敗，則將串口句柄置為INVALID_HANDLE_VALUE。

以上概要闡述了如何對(duì)串口類進(jìn)行封裝，通過CSerial類的封裝接口，簡(jiǎn)化了對(duì)串口的相應(yīng)操作過程。3.3.2 主程序?qū)崿F(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)文字和波形顯示，并盡量完善軟件功能，設(shè)計(jì)友好軟件界面，主程序采用對(duì)話框（CPressureMonitor類）方式，具體實(shí)現(xiàn)如下。

（1）成員變量

使用CSerial類的對(duì)象作為CPressureMonitor類的成員變量，以便于程序內(nèi)部對(duì)串口進(jìn)行操作。

（2）串口設(shè)置

在Windows Mobile系統(tǒng)中為溫度監(jiān)護(hù)藍(lán)牙設(shè)備分配好串口后，主程序中可設(shè)置串口相關(guān)參數(shù)，該功能通過CDlgCommSet對(duì)話框類實(shí)現(xiàn)。

（3）串口連接

在完成設(shè)置后，可通過指定串口與藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行連接，并將設(shè)置參數(shù)傳遞給CSerial類中的串口配置函數(shù)。由于本文研制程序的目的在于實(shí)時(shí)記錄藍(lán)牙傳送數(shù)據(jù)，故在串口連接成功后，應(yīng)創(chuàng)建文件，文件名為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，以防覆蓋其他數(shù)據(jù)。

（4）串口數(shù)據(jù)讀取

據(jù)前文所述，串口數(shù)據(jù)讀取操作應(yīng)采用多線程的方式實(shí)現(xiàn)。在串口連接成功后，創(chuàng)建串口數(shù)據(jù)讀取線程CommReadThread。在該串口讀線程中，首先通過SetCommMask函數(shù)設(shè)置事件掩碼。本程序中將事件掩碼設(shè)置為EV_RXCHAR，即事件為接收到一個(gè)字符。然后用WaitCommEvent函數(shù)等待事件發(fā)生，即等待串口接收到一個(gè)字符。讀取成功后，便可調(diào)用Comm_Process函數(shù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式調(diào)整。格式化后，向主線程發(fā)送WM_COMM_RECV消息，以進(jìn)一步處理。

以上過程一直循環(huán)直至串口被關(guān)閉。

（5）壓力數(shù)據(jù)處理和顯示

主線程捕捉到由串口讀取線程發(fā)送的WM_ COMM_RECV消息后，響應(yīng)OnMyRecv函數(shù)。該函數(shù)中，將接收到的字符作為形參傳遞給RecvShow函數(shù)，

RecvShow函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)值和曲線的實(shí)時(shí)顯示。對(duì)于曲線顯示，本程序界面只顯示最新30秒壓力曲線，并同時(shí)允許用戶拖動(dòng)查看歷史曲線。

本程序顯示的波形界面要求實(shí)時(shí)更新曲線，并且界面中應(yīng)包含坐標(biāo)刻度以便及時(shí)觀察和讀取數(shù)值。為實(shí)現(xiàn)以上功能并防止出現(xiàn)繪圖閃爍的情況，本文采用了多緩沖區(qū)的方法。

在本研究中，由于除了曲線本身，還需要繪制格子便于讀取數(shù)值，故應(yīng)創(chuàng)建兩個(gè)內(nèi)存DC。將繪制好的曲線圖形添加到一個(gè)DC上，即得到包含格子與曲線的波形圖，再將其復(fù)制到屏幕DC上，即完成整個(gè)波形繪制過程。另外，坐標(biāo)軸的坐標(biāo)范圍可根據(jù)當(dāng)前屏幕顯示內(nèi)容自動(dòng)調(diào)整。

（6）壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史數(shù)據(jù)瀏覽

本研究通過邊采集邊存儲(chǔ)的方式，實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)的文件以開始采集時(shí)的時(shí)間為文件名。在軟件界面中，可以用打開數(shù)據(jù)文件的方法，瀏覽采集到的歷史數(shù)據(jù)波形和數(shù)值。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和初步分析

該壓力傳感模塊需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)。由于該傳感器的響應(yīng)一般呈線性，故可通過測(cè)量若干不同質(zhì)量物體的傳感器響應(yīng)，來標(biāo)定響應(yīng)曲線。

我們對(duì)三種不同質(zhì)量的物體進(jìn)行了測(cè)量，所得結(jié)果如表1。

表1 三種不同質(zhì)量物體的測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measured results for three objects with different weight

在傳感器壓力為0時(shí)，其響應(yīng)值應(yīng)為0（在本研究中，由于傳感器本身存在一定漂移，導(dǎo)致系統(tǒng)在壓力為0時(shí)，需要經(jīng)過一段時(shí)間后，響應(yīng)值才可穩(wěn)定在0左右）。根據(jù)上表所測(cè)數(shù)據(jù)，可近似得到壓力傳感器的響應(yīng)曲線方程如下：

其中，G為響應(yīng)值，M為所測(cè)質(zhì)量。

確定響應(yīng)曲線后，即可進(jìn)行足底壓力數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)采集到的足底壓力數(shù)據(jù)顯示，正常步行與跑步時(shí)的足底壓力存在明顯區(qū)別，如圖6所示。從中不難看出，壓力幅度較大、波峰較密集處代表跑步過程中所測(cè)得的數(shù)據(jù)。注意跑步時(shí)波形中出現(xiàn)有壓力值突變的情況，此為跑步姿態(tài)發(fā)生改變所致。于是可根據(jù)壓力值變化情況來判斷步態(tài)是否正確，從而為體育運(yùn)動(dòng)或康復(fù)訓(xùn)練等的效果評(píng)定提供一種十分便捷的依據(jù)。

4 討論

本研究中，足底壓力分析系統(tǒng)所使用的壓力傳感器本身存在一定的漂移現(xiàn)象。系統(tǒng)啟動(dòng)后，當(dāng)傳感器所受壓力為零時(shí)，傳感器響應(yīng)需經(jīng)過一定時(shí)間后才可穩(wěn)定為0。同時(shí)傳感器體積稍大，今后需進(jìn)一步采用微型化傳感器代替。另外，臨床足底壓力分析涉及足底多個(gè)不同部位，而本系統(tǒng)僅為單點(diǎn)壓力，此方面功能有待進(jìn)一步研發(fā)。

研究顯示，新型器件可應(yīng)用于糖尿病足、運(yùn)動(dòng)性疲勞、腦性癱瘓兒童平衡能力以及畸形步態(tài)等的研究。而目前臨床上的足底壓力測(cè)試系統(tǒng)尚無法對(duì)患者正常步行時(shí)的足底壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)。本文提出的方法將壓力傳感器置于鞋底或鞋墊內(nèi)，對(duì)人體無任何干擾，患者可自由步行，且數(shù)據(jù)可通過藍(lán)牙進(jìn)行無線傳輸?shù)绞謾C(jī)中予以直觀顯示，從而更準(zhǔn)確、方便地反映患者自然步行時(shí)的步態(tài)。

5 小結(jié)

通過足底壓力分析，可揭示人體在不同狀態(tài)下的足底動(dòng)態(tài)壓力特征，即運(yùn)動(dòng)過程中足的動(dòng)力學(xué)行為。它已逐漸成為臨床研究中診斷病理足與足部康復(fù)評(píng)定的一種重要的生物力學(xué)方法。本研究在現(xiàn)有藍(lán)牙和控制模塊的工作基礎(chǔ)上，通過壓力傳感電路設(shè)計(jì)以及編制Windows Mobile系統(tǒng)手機(jī)藍(lán)牙通信軟件，實(shí)現(xiàn)了足底壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無線傳輸。并通過對(duì)正常步行以及跑步時(shí)的壓力數(shù)據(jù)采集，初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的足底壓力監(jiān)測(cè)功能。該方法使得足底壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)更具實(shí)用性，為進(jìn)一步拓展相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

圖6 手機(jī)屏幕顯示的跑步(左)與正常步行(右)交替時(shí)壓力數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Pressure stress curve switching during running displayed on mobile phone (left) and normal walking (right)

致謝：

作者感謝中國科學(xué)院科技助殘基金及清華-裕元醫(yī)學(xué)科學(xué)研究基金資助。

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Mobile Phone Platform for Wireless Monitoring of Human Dynamic Plantar Pressure

【 Writers 】Wang Hao1, Han Meng1, Liu Jing1,2
1 Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190
2 Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing, 100084

Plantar pressure, Wireless monitoring, Mobile phone, Windows Mobile, Bluetooth

R319

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.06.004

1671-7104(2010)06-0403-05

2010-07-05

劉靜，E-mail: jliubme@tsinghua.edu.cn

【 Abstract 】This paper constructed a plantar pressure sensing system based on Bluetooth communication of mobile phone with embedded Windows Mobile system. With the MCU (Microprocessor Control Unit) and Bluetooth module, the pressure sensor and the data acquisition circuit was designed and integrated, with software developed under Visual Studio 2008 environment. The real-time monitoring of human dynamic plantar pressure signal, and transferring, displaying and storing the recorded data on a mobile phone were achieved. This method offers an important measure to acquire human gait information via a pervasive and low cost way.