蘭悅，殷悅，陳謙宇，李修寒，吳小玲

1.南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)院臨床工程重點實驗室（南京，211166）

2.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院江北院區(qū)醫(yī)學(xué)工程部（南京，210043）

3.深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部（深圳，518061）

0 引言

隨著人類壽命的延長和人口老齡化的加劇，下肢關(guān)節(jié)性疾病已成為我國老年人常見的多發(fā)性疾病［1-2］。足底壓力的測定可為該類疾病的病因分析、診斷和療效評價提供可靠、客觀的數(shù)據(jù)［3］，術(shù)后定期對患者進(jìn)行足底壓力檢測，分析足底壓力數(shù)據(jù)的變化，獲得評定等級，從而為康復(fù)治療方案提供指導(dǎo)。

足底壓力檢測技術(shù)的研發(fā)起源較早，19 世紀(jì)70 年代，Carlet 設(shè)計了最早的足底壓力檢測系統(tǒng)，Beely 完成了最早的足底壓力分布的測量，但得到的只是足底的輪廓而不是實際的壓力數(shù)據(jù)，而最早的對足底壓力進(jìn)行動力學(xué)精確測量的實驗則是由Elftman 設(shè)計的壓力板完成的［4-6］。近年來，國外的足底壓力檢測技術(shù)發(fā)展迅速，可進(jìn)行靜態(tài)足底測量和相關(guān)分析，如美國Tekscan 公司的F-Scan 足底壓力檢測系統(tǒng)［7］、比利時Rsscan 公司的平板壓力檢測系統(tǒng)［8］、德國Novel 公司的Emde 測力系統(tǒng)［9］等。而國內(nèi)在足底壓力檢測方面起步較晚，2000 年韋啟航等［10］設(shè)計了一種鞋墊式步態(tài)分析系統(tǒng)，2004年同濟(jì)醫(yī)學(xué)院袁剛等［11］設(shè)計了一套內(nèi)置了約200個矩陣式分布的薄膜壓力傳感器的足底壓力測量系統(tǒng)，2011 年李煒等［12］設(shè)計了基于LabVIEW 的足底壓力測量系統(tǒng)，2019 年聞剛等［13］研發(fā)了一套可穿戴式動態(tài)足底壓力測量系統(tǒng)。

考慮不同路面和運動的實際情況，本研究采用便攜式足底壓力鞋墊作為壓力測量的傳感單元，以藍(lán)牙無線傳輸芯片HC-06 和低功耗MSP430F149單片機(jī)為核心，設(shè)計了一套便攜式足底壓力信號采集分析與評定系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)分為2 部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收、處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分包括壓力傳感器及其外圍電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換和無線發(fā)送等。數(shù)據(jù)接收、處理系統(tǒng)通過無線接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理分析，其結(jié)果包含可移動端顯示和電腦端顯示2 種模式：可移動端以O(shè)LED 屏顯示利用足底壓力中心（COP）軌跡算法對足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果；電腦端利用LabVIEW和Matlab 軟件聯(lián)合編程，以圖形化的界面進(jìn)行實時動態(tài)顯示。總系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 總系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of general system

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1.1 足底壓力信號采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換

壓力鞋墊內(nèi)置的傳感器為電阻式壓力傳感器［14］，能通過力敏電阻的特性將測量的壓力物理量轉(zhuǎn)換為電信號。該類型的壓力傳感器特性表現(xiàn)為電阻倒數(shù)與壓力成近似線性關(guān)系，通過電阻分壓電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號。根據(jù)人體足底壓力分布，系統(tǒng)中1 個位點承受的壓力約為50 N，通過對壓力-電阻測試結(jié)果，分壓電阻的阻值選擇為4.7 kΩ。

8 路模擬電壓信號采用雙ADS1115 模塊來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADS1115 模塊是具有16 位分辨率的4 路高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器［15］，供電范圍2.0～5.5 V，每秒采樣數(shù)據(jù)數(shù)可達(dá)860 個。

1.1.2 系統(tǒng)主控單元與無線通信

系統(tǒng)使用MSP430F149 為主控單元，具有可編程輸入/ 輸出（I/O）口，與 ADS1115 通過IIC協(xié)議進(jìn)行通信。MSP430F149 將采集到的壓力數(shù)據(jù)編譯封裝為一個20 字節(jié)的數(shù)據(jù)包，經(jīng)HC-06 藍(lán)牙串口進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物如圖2 所示。其中，20 個字節(jié)的數(shù)據(jù)包格式如下：2 個字節(jié)的包頭（0X00、0X55），16 個字節(jié)的壓力數(shù)據(jù)（Low_P1，High_P1...Low_P8，High_P8），2 個字節(jié)的校驗位（Low_CRC，High_CRC）。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.2 Data acquisition system

1.2 數(shù)據(jù)接收、處理系統(tǒng)

1.2.1 可移動端

在可移動端的數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)中，同樣選擇MSP430F149 作為主控單元，與下位機(jī)相連的無線通信模塊選用與上位機(jī)相一致的HC-06 藍(lán)牙模塊，顯示端采用一塊0.96 英寸OLED 模塊。可移動端數(shù)據(jù)接收、處理系統(tǒng)實物如圖3 所示。

圖3 可移動端數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)Fig.3 Mobile terminal data receiving and processing system

系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)包是經(jīng)過封裝處理的，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析前，首先需要保證數(shù)據(jù)包的完整與正確，保證數(shù)據(jù)流以一個包（20 字節(jié)）為單位進(jìn)入MSP430F149 寄存器，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，保證數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確性，最后解析出壓力數(shù)據(jù)。

壓力傳感器經(jīng)分壓電路轉(zhuǎn)換的電壓數(shù)據(jù)，要轉(zhuǎn)換為實際壓力數(shù)據(jù)值需經(jīng)公式轉(zhuǎn)換。通過對每個點位進(jìn)行的多次重復(fù)測試數(shù)據(jù)取均值，對壓力電阻值與壓力值進(jìn)行公式擬合，得到壓力值與壓力電壓值公式如下：

利用此擬合公式在程序中實現(xiàn)實際壓力值的顯示。式中F表示壓力（N），V表示電壓(V)。

1.2.2 電腦端

電腦端的數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)是基于LabVIEW 軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計的，通過在LabVIEW中添加了Matlab 的腳本節(jié)點［16］，實現(xiàn)足底三維壓力點動態(tài)顯示。系統(tǒng)功能包括：讀取藍(lán)牙串口接收的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗并解析，數(shù)據(jù)預(yù)處理，原始數(shù)據(jù)的存儲，可視化顯示。

打開LabVIEW 程序，軟件系統(tǒng)顯示包含兩個界面，分別是LabVIEW 面板顯示的壓力界面和Matlab 窗口顯示的足底壓力三維動態(tài)顯示界面。

2 實驗測試

2.1 COP 軌跡

COP 軌跡指人在靜止?fàn)顟B(tài)下或運動狀態(tài)下，足與地面接觸過程中相互作用的力的大小、位置、作用順序和分布等指標(biāo)的綜合結(jié)果［17］。應(yīng)用COP 軌跡分析法可對受試者進(jìn)行軌跡檢測。

獲取壓力中心軌跡的橫縱坐標(biāo)，受限要選取合適的坐標(biāo)系進(jìn)行計算，本系統(tǒng)擬采用壓力鞋墊的中心位置作為坐標(biāo)的原點，將實驗者站立時所面對的方向選為X軸正方向，將實驗者面對方向的右側(cè)選為Y軸的正方向，實驗者的重心方向選為Z軸正方向。對實驗者站立時壓力中心軌跡的求解采用主流的質(zhì)心法進(jìn)行計算，估算式如下：

COPx和COPy分別表示COP 軌跡的橫縱坐標(biāo)；p(xi，yi)分別表示某一壓力傳感器的轉(zhuǎn)換后壓力值；i表示某一壓力傳感器的標(biāo)號。

式中：trajectory_(A/P)為前后向（A/P）長度；trajectory_(M/L)為擺動向（M/L）長度；trajectory_total 為總擺動長度。dA/P為A/P向最大擺動幅度；dM/L為M/L向最大擺動幅度；以上參數(shù)單位均為毫米（mm）。

2.2 實驗設(shè)計與結(jié)果

選取5 名健康成年人參與本次測試，穿上穿戴式足底壓力檢測裝置，站立于裝置上，雙手自然下垂，眼光直視前方，待控制好平衡后按下開啟按鈕，實驗開始。

測試一共分為4 組，分別采用睜眼雙腳站立、閉眼雙腳站立、睜眼單腳站立和閉眼單腳站立4種受試狀態(tài)。測試時間一共為30 s，裝置會在30 s 內(nèi)自動記錄100 組壓力數(shù)據(jù)計算COP 軌跡相關(guān)指標(biāo)，時間到后裝置自動停止，OLED 屏幕輸出指標(biāo)結(jié)果，通過按鍵控制指標(biāo)的切換顯示。

每位共測試3 次，取平均值，選取的COP 測試指標(biāo)為壓力中心，取前后向（A/P）、擺動向（M/L）、總擺動長度、A/P向最大擺動幅度和M/L向最大擺動幅度。測試結(jié)果見表1。

表1 實驗者站立測試結(jié)果Tab.1 Test results of standing

正常成年人睜眼站立穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于閉眼站立穩(wěn)定性，雙腳站立穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于單腳站立穩(wěn)定性，睜眼雙腳站立穩(wěn)定性最佳，閉眼單腳站立穩(wěn)定性最差，其測試結(jié)果與實際結(jié)果相符［18］。測試時LabVIEW 軟件顯示界面如圖4 所示。

圖4 測試時LabVIEW 軟件顯示界面Fig.4 Display interface of LabVIEW during test

3 結(jié)語

我們將足底壓力檢測技術(shù)應(yīng)用在評定中，設(shè)計了足底壓力信號采集分析與評定系統(tǒng)，實現(xiàn)了足底壓力數(shù)據(jù)的采集、無線傳輸和分析處理等功能。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)分析處理結(jié)果對下肢功能恢復(fù)評定可提供定量的參考標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)通過與康復(fù)評估量表進(jìn)行結(jié)合以及進(jìn)一步挖掘采集足底壓力數(shù)據(jù)的臨床意義，使得康復(fù)評定更加科學(xué)、客觀。