張素才, 武 壯, 王 勇

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

足底力是反映人體生物特征的一個重要參數(shù),醫(yī)學上評估足底力的參數(shù)有最大力、最大壓力、地面反作用力、平均壓力等。足底地面反作用力的分布情況和人體健康情況密切相關。測量分析足底主要部位的地面反作用力對足部內(nèi)外翻的評定、腦卒中人群的平衡訓練和康復程度評價以及糖尿病人群足部變形定量診斷等有著重要作用[1-2]。目前,臨床上足部地面反作用力分布精準測量的設備存在著壽命短和精準性低等不足。

足底力測量始于20世紀90年代,經(jīng)過近些年的發(fā)展,足底力的測量研究達到相對成熟的階段。目前應用于足底力測量的設備主要為測力臺以及壓力鞋和鞋墊系統(tǒng)[3]。瑞士Kistler的測力臺主要是測量人體足底總的地面反作用力,具有精度高、抗載能力強和操作方便的優(yōu)點,但是存在價格昂貴和測量點沒有針對性的不足;美國F-Scan公司和比利時的RS-scan公司的壓力鞋及鞋墊系統(tǒng)主要是測量人體足底和地面接觸壓強的大小,具有良好的適應性和測量范圍大的優(yōu)點,但存在壽命短和測量點針對性不強等不足。國內(nèi)也有相關研究,文獻[4]采用200個微型傳感器搭建了足底壓力分布測量系統(tǒng),可以測出足底諸多小區(qū)域的壓力,有著較高的精度,但是系統(tǒng)價格昂貴并且沒有對足底主要部位進行合理劃分;文獻[5]開發(fā)了一種基于FSR402薄膜傳感器的足底壓力測量系統(tǒng),可測得足底4個部位壓力,系統(tǒng)具有較高的靈活性,但是存在著壽命短和傳感器位置無針對性的不足,且基于薄膜傳感器研制的足底力測量系統(tǒng)都存在壽命短和針對性不強等不足。

針對目前足底力測量方法存在的測量點針對性不足、測量范圍小以及壽命短等問題[6],本文在分析人體足部生物解剖結構和足底受力特征的基礎上,結合碼數(shù)不同的健康人群足部生物骨骼數(shù)據(jù),提出一種將足底劃分為第一跖骨頭和趾骨、第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨、足跟3個測量區(qū)域,可適應38～43碼人群的足部力分布測量系統(tǒng)；采集了18例38～43碼實驗者足底3個主要受力部位地面反作用力信息,實驗者年齡為(26±5)歲、體質(zhì)量為(70±15) kg。實驗結果進一步驗證了本文系統(tǒng)的準確性。

1 足底力測量區(qū)域劃分依據(jù)

根據(jù)文獻[7-8],可知足部主要受力部位為足跟、跖骨區(qū)和趾骨區(qū)。靜止站立狀態(tài)下,足部受力部位為近節(jié)趾骨頭、跖骨頭和足跟,其中主要受力的跖骨頭為第一跖骨頭、第二跖骨頭以及第三跖骨頭～第五跖骨頭,主要受力的近節(jié)趾骨頭為第一近節(jié)趾骨頭。

由文獻[9]可知,我國足部長度為213.0～264.0 mm(33～43碼)的成年人占成年人總數(shù)的90%以上。將33～43碼分為33～37碼和38～43碼2個研究區(qū)間,本文研究的系統(tǒng)適應范圍為38～43碼區(qū)間。在醫(yī)院影像科采集15例長度為240.0～265.0 mm(38～43碼)且無外傷、無疾病和變形的足部骨骼數(shù)據(jù),見表1所列。表1中，點A、B、C位置如圖1所示。

表1 健康人群足部生物骨骼數(shù)據(jù) mm

圖1 足部骨骼測量標記點

由表1可知,38～43碼人群足部第一跖骨頭和近節(jié)趾骨外側點B距其最內(nèi)側點C的最大寬度為28.8 mm、最小寬度為24.9 mm；第二跖骨頭和近節(jié)趾骨最內(nèi)側點A距足部最內(nèi)側點C最大寬度為39.6 mm、最小寬度為30.3 mm。38～43碼人群第一跖骨頭和近節(jié)趾骨外側點B與第二跖骨頭和近節(jié)趾骨最內(nèi)側點A距足部最內(nèi)側點C之間的公共間隙為1.5 mm，說明38～43碼人群第一跖骨頭和近節(jié)趾骨與第二跖骨頭之間存在可劃分間隙。由于不同碼數(shù)人群的第二跖骨頭和第三跖骨頭位置相互重疊,很難精確區(qū)分,將第二跖骨頭和第三跖骨頭～第五跖骨頭劃為一個受力區(qū)域。因此根據(jù)測得的數(shù)據(jù)把足部受力區(qū)域劃為3個部分：第一跖骨頭和趾骨為第1部分,第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨為第2部分；足跟為第3部分。第1、第2部分合稱為前腳掌。由于足弓處受力過小,跖骨區(qū)和足跟劃分位置為楔骨。

2 系統(tǒng)的組成

本文研究的系統(tǒng)主要由足底力檢測模塊、信號采集及處理模塊和數(shù)據(jù)顯示的上位機顯示模塊3個部分組成。其中足底力檢測模塊用于測量不同姿態(tài)下足底3個區(qū)域的地面反作用力;數(shù)據(jù)采集模塊主要對采集的信號進行濾波、放大和讀取等處理;上位機模塊主要用于實時顯示實驗者的足底力分布信息。

2.1 足底力檢測裝置

根據(jù)劃分測量區(qū)域的數(shù)據(jù),設計了足底力檢測裝置,主要包括足跟擋板、足部內(nèi)側擋板、第一跖骨頭和趾骨托板、第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨托板、底部支撐板、稱重傳感器和足跟托板。托板尺寸根據(jù)測量數(shù)據(jù)間隔分開,為了更好地減小操作誤差,根據(jù)所測得的第一跖骨頭和第二跖骨頭的間隙,足底第一跖骨頭和趾骨托板設計寬度為26 mm,足底第一跖骨頭和趾骨托板與第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨托板之間的間距為4.5 mm,跖骨頭區(qū)和足跟的分割區(qū)間為足跟到楔骨的公共區(qū)間。由于測量數(shù)據(jù)起始點為足部內(nèi)側位置和足跟,需要設置定位結構,保證相應的托板承接對應的足底部位。結構1、結構3分別為足跟擋板、足部內(nèi)側擋板,用于對足跟和足部內(nèi)側進行限位。在足部托板下分別放置稱重傳感器用于測量相應區(qū)域的力。選擇中航電測公司L6N-C3-X-3B6的單點式稱重傳感器來測量足底的地面反作用力。由于左右腳對稱,只給出右腳足底力測量裝置的示意圖,如圖2所示。

1.足跟擋板 2.足跟托板 3.足部內(nèi)側擋板 4.第一跖骨頭和趾骨托板 5.底部支撐板 6.第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨托板 7.稱重傳感器圖2 足底力測量裝置(右腳)

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于Compact RIO平臺開發(fā)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采用compact RIO混合編程模式,即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為現(xiàn)場可編程門列陣(field programmable gate array,FPGA)層和Real Time(RT)層混合編程,FPGA層主要完成I/O模塊配置、信號快速處理及與9205模塊相關的底層任務等,RT主要完成對信號進行處理、存儲、分析等操作。

由于稱重傳感器輸出的電壓信號為毫伏級,一般不直接進行數(shù)據(jù)采集,在輸入9205模塊之前需要對信號進行濾波和放大處理,提高測量準確性和精度。首先對信號進行濾波處理,由于99%的足底力信號頻率不大于15 Hz,濾波器的截止頻率為36.2 Hz。放大電路的放大器芯片為AD8422,該放大器具有較高的共模抑制比和低漂移優(yōu)點,能夠很好地抑制共模噪聲和零點漂移,是調(diào)理稱重傳感器惠斯特電橋信號的理想選擇。根據(jù)9205模塊的分辨率,對電壓信號放大100倍,設計的放大器原理如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的FPGA層根據(jù)足底力采集模塊配置差分采集模式,采用差分可以有效抑制共模噪聲,提高測量準確度,設置I/O通道如圖4所示。把數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚cRT層數(shù)據(jù)通訊的先入先出(first input first output,FIFO)隊列中,設置FIFO的長度,并檢測FIFO隊列存儲是否溢出,若有溢出則停止。在RT層首先調(diào)用FPGA模塊,設置FPGA的采樣頻率,由于FPGA采集數(shù)據(jù)頻率為系統(tǒng)6路總采樣頻率,設置系統(tǒng)的采樣頻率為500 Hz;然后對FPGA的通道數(shù)進行設置,數(shù)據(jù)默認寫入FIFO中,設置RT層讀取FIFO的頻率,一般讀取頻率等于FPGA層的采樣頻率,可防止FIFO溢出,即設置單周期循環(huán)時間。Real Time層程序框圖如圖4所示。FPGA中是6路數(shù)據(jù)一起打包寫入FIFO中,需要在RT層把采集的數(shù)據(jù)拆分為6個數(shù)組。處理好的數(shù)據(jù)將傳入上位機作進一步處理。

圖4 Real Time層程序框圖

2.3 足底力信息采集界面

基于Labview開發(fā)的上位機能夠?qū)崟r顯示足底力測量信息,上位機的功能主要包括數(shù)據(jù)處理、顯示以及存儲。存諸的電壓信號輸入上位機,根據(jù)下文標定的稱重傳感器的靈敏度轉(zhuǎn)化成足底力數(shù)值,并進一步求解出足底各部位的力占實驗者體質(zhì)量的百分比。

上位機界面如圖5所示。其中,左側為測試者信息,包括測試者的體質(zhì)量、身高、年齡信息;右側為實驗者足底力數(shù)據(jù)信息及信號異常警報。足底力信息為足底劃分的第一跖骨頭和趾骨、第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨、足跟3個部位的地面反作用力占實驗者總體質(zhì)量百分比;信號異常警報功能是指當系統(tǒng)用于臨床時,界面中的健康數(shù)為醫(yī)護人員填寫健康人群足底各部位占體質(zhì)量比例范圍的最大值與最小值,將系統(tǒng)測出的測試者足部各部位地面反作用力占體質(zhì)量的比例與健康數(shù)比較,超出所設置的上、下限時警示燈將由綠色變成警示紅色,提供基本的判斷。

圖5 足底力信息采集界面

3 實 驗

3.1 實驗準備

足跟和前腳掌的地面反作用力分別約占體質(zhì)量的50%～70%和30%～50%[10-12],因此第一跖骨頭和趾骨托板下放置量程為30 kg的傳感器,第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨托板下放置量程為50 kg的傳感器。足跟托板下放置量程為100 kg的傳感器。

實驗前需對6個稱重傳感器進行標定,利用標準力檢測輸入力與輸出電壓的關系,規(guī)定傳感器輸入電壓為5 V。標定步驟為:① 記錄稱重傳感器在空載時的電壓值;② 給稱重傳感器加載砝碼,以1 kg間隔加載,加載至10 kg,記錄每次加載砝碼穩(wěn)定后一段時間內(nèi)的數(shù)值,求其平均值。

將采集到的數(shù)值記錄制圖,如圖6所示。

圖6 稱重傳感器特性曲線

對所采集的數(shù)據(jù)進行線性擬合,得到擬合方程。靈敏度的計算公式為:

S=Δy/Δx=dy/dx

(1)

根據(jù)(1)式分別計算30、50、100 kg稱重傳感器的靈敏度,得到S30=31.74 mV/kg、S50=18.93 mV/kg、S100=9.56 mV/kg。

3.2 系統(tǒng)測試

在實驗前需要對系統(tǒng)的精度進行測試。給左、右腳足底力測量裝置的第一跖骨頭和趾骨托板、第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨托板以及足跟托板分別施加1～10 kg的M3級砝碼,得到各部位托板輸出質(zhì)量,計算每次施加砝碼時各托板輸出的數(shù)值,結果見表2、表3所列。

表3 右腳足底力測量裝置各托板的輸出值 kg

表2 左腳足底力測量裝置各托板的輸出值 kg

誤差計算公式為:

Δ=(x-x測量)/x

(2)

根據(jù)(2)式計算左、右腳測量裝置各托板的誤差,得到左、右腳足底力測量裝置各托板的最大測量誤差為:

Δmax左腳第一跖骨頭和趾骨托板=0.35%,

Δmax左腳第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨托板=0.75%，

Δmax左腳足跟托板=0.87%；

Δmax右腳第一跖骨頭和趾骨托板=0.39%,

Δmax右腳第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨托板=0.86%,

Δmax右腳足跟托板=1.04%。

由系統(tǒng)誤差參數(shù)可以看出,本文研究的系統(tǒng)有較高的測量精度。

3.3 實驗

選定20位健康實驗者,足部長度在38～43碼范圍且正常、無形變和病態(tài),年齡(26±5)歲，體質(zhì)量(70±15) kg。測量時足底測量裝置內(nèi)側距離為60 mm,實驗者赤腳站在測量裝置上,且左、右腳的內(nèi)側分別靠在裝置的足部內(nèi)側擋板、足跟后側靠在足跟擋板,規(guī)定測試者姿態(tài)為自然狀態(tài)下站立,小腿與地面處于垂直狀態(tài)、手臂自然垂直放下,站立時長30 s。自然靜態(tài)站立時,左腳、右腳的地面反作用力占體質(zhì)量的(50±2)%[13],因此滿足該條件時,系統(tǒng)自動記錄實驗數(shù)據(jù)。重復5次實驗,記錄實驗者左、右腳各部位的地面反作用力,計算5次足底所劃分的各部分力占體質(zhì)量的百分比,取平均值。

20例實驗者中有2例站姿存在問題,重心偏右,左、右腳受力占體重比的差距高達20%,不滿足實驗要求,因此剔除。

測得的18例實驗者足部各部位地面反作用力占體質(zhì)量的比例如圖7所示。

圖7 足部各部位處地面反作用力占體質(zhì)量比例

由圖7可知,健康人群在自然狀態(tài)站立時,左、右腳各部位處地面反作用力占體質(zhì)量的百分比情況一致,左、右腳第一跖骨頭和趾骨處地面反作用力占體質(zhì)量的百分比在4.5%上下波動;左、右腳第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨處地面反作用力占體質(zhì)量的百分比在13%上下波動;左、右腳前腳掌處地面反作用力占體質(zhì)量的百分比在18.0%上下波動;左、右腳足跟處地面反作用力占體質(zhì)量的百分比在32.3%上下波動。雙足3個部位的地面反作用力對應之和占體質(zhì)量的比例見表4所列。

表4 雙足3個部位受力占體質(zhì)量比例 %

由表4可知,雙足第一跖骨頭和趾骨處的地面反作用力占體質(zhì)量(9.19±3.25)%,雙足第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨處的地面反作用力占體質(zhì)量(25.67±7.30)%,雙足前腳掌處的地面反作用力占體質(zhì)量(34.66±6.37)%,雙足足跟處的地面反作用力占體質(zhì)量(65.33±6.37)%。測量的足底各部位地面反作用力分布符合足底力分布規(guī)律，說明本文系統(tǒng)可以滿足精準測量不同碼數(shù)人群足底3個主要受力部位地面反作用力分布的需要。

4 結 論

本文在分析人體足部生物骨骼和足底受力分布特征的基礎上,提出了一種足底分區(qū)測量方法,根據(jù)不同碼數(shù)健康人群的足部生物骨骼數(shù)據(jù),研究了一種把足底劃分為第一跖骨頭和趾骨、第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨、足跟3個測量區(qū)域,可適應38～43碼人群的足底力分布測量系統(tǒng)。

實驗結果表明:① 不同碼數(shù)人群足底各部位的地面反作用力分布具有一致性,雙足第一跖骨和趾骨處地面反作用力占體質(zhì)量(9.19±3.25)%,第二跖骨頭～第五跖骨頭和趾骨處地面反作用力占體質(zhì)量(25.67±7.30)%,前腳掌處地面反作用力占體重(34.66±6.37)%,足跟處地面反作用力占體重(65.33±6.37)%,驗證了本文系統(tǒng)對不同人群足底3個區(qū)域劃分的正確性;② 系統(tǒng)能精準測量不同碼數(shù)人群足底3個部位的地面反作用力的分布信息,能適應38～43碼人群的測量要求。

足底力分部信息可以反映腳的內(nèi)外翻程度的診斷、康復程度,本文系統(tǒng)用于臨床時,所測得的數(shù)據(jù)可以為醫(yī)護人員對腳內(nèi)外翻程度的診斷、康復程度的評估等提供數(shù)據(jù)依據(jù),具體對應關系有待和醫(yī)護人員探討以及后續(xù)研究。