一种基于足底压力的智能传感鞋步态分析系统的制作方法

一.技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种基于足底压力的智能传感鞋步态分析系统。

二.

背景技术：

基于足底压力的智能传感鞋步态分析系统可以通过采集人体足底压力评估人体行走步态的平衡稳定性，可以广泛应用于对于脊髓损伤、脑损伤、腿部手术等患者的康复阶段评估。

目前基于足底压力的步态分析方法主要3种：测力台、测力板和测力鞋(垫)。测力台多为长方形，由踏板、传感器、和底座三部分组成，踏板和底座之间由安放在四角的传感器支撑，当受试者的脚踏在平台上时，通过每个传感器三个方向的力值可以测得三个方向的足底压力，但是测力台结构复杂，占用空间较大，传感器多，成本较高；测力板一般是由一些矩阵排列的传感点构成的平板，足底踩踏在平板上，一般只能采集一个步态的数据，当采集多个步态数据时则需要多个测力板进行拼接使用，使用不方便，而且成本高；测力鞋(垫)较之测力台和测力板则具有更好的灵活性，不受测试运动范围和地点的限制，可连续记录行走过程中的足底压力，获取多个步态数据。

目前医学康复领域上足底压力步态分析系统主要是应用于静态平衡稳定性的评估，对人体行走过程中的步态稳定性评估较少，而步态分析是对人体行走稳定性进行评估的关键步骤。本发明所述的一种基于足底压力的智能传感鞋步态分析系统就是通过穿戴智能传感鞋实时采集行走过程中人体足底的动态压力，无线传输给应用程序进行数据分析，动态界面显示反应人体步态平衡稳定性。

三.

技术实现要素：

本发明一种基于足底压力的智能传感鞋步态分析系统，根据人体足底生理特征，合理有效的确定柔性薄膜压力传感器的数量和布局，采用低成本的硬件结构完成足底压力数据的采集和传输，以动态图形显示的方式清晰的表现出步态的平衡稳定性。

一种基于足底压力的智能传感鞋步态分析系统，主要包括可测量人体足底压力的智能传感鞋垫、可持续采集足底压力数据并无线传输给应用系统的控制器以及动态显示足底压力数据信息的应用程序终端。其特征在于测试者穿戴布有柔性薄膜压力传感器的智能鞋垫进行行走，系统可以实时采集足底压力数据，然后应用程序以图形界面的形式显示出步态的平衡稳定性。

所述的可测量人体足底压力的智能传感鞋垫包含pcb软板和压力传感器；所述的pcb软板与鞋垫的大小形状形同，用于采集压力传感器的压力数据，并通过在内侧足弓处向外延伸连接排针；所述的压力传感器选用感应区面积直径为11mm,有效量程为10kg的柔性薄膜压力传感器；结合人体足底的生理结构以及进行步态分析的需求，选用25个柔性薄膜压力传感器，依次安装在脚趾区、脚掌区和脚跟区；其中在脚趾区对应拇趾和二趾分别安装柔性薄膜压力传感器，在脚掌区均布密集分布13个柔性薄膜压力传感器，在脚跟区均布10个柔性薄膜压力传感器。

所述的可持续采集足底压力数据并无线传输给应用系统的控制器主要包括电池、数据采集和无线发送模块、控制盒以及固定绑带；所述的电池电源选用3.7v可充放电锂电池，与数据采集和无线发送模块连接，可多次重复利用；所述的数据采集和无线发送模块主要包括微处理器模块、多路复用器模块、zigbee无线传输模块；微处理器模块采用stm32f103r8t6芯片，实时采集压力传感器的承载压力，将模拟信号转换为数字信号；多路复用器模块采用adg706芯片，与微处理器模块ad端口连接，扩展信号采集通道；所述的zigbee无线传输模块采用cc2530芯片模块，将微处理器采集的压力数据发送到应用系统；所述的控制盒主要包括上盖和下盖，主要用来存放电池和数据采集和无线发送模块；通过固定绑带将控制器固定在人体小腿前侧；控制器与pcb软板延伸线通过插针连接。

所述的动态显示足底压力数据信息的应用程序终端主要是实现足底压力数据整合计算、传感点压力大小实时动态界面显示、足底cop压力中心曲线的实时显示和步态平衡稳定性评估；所述的应用程序终端是在windows环境下的qt5.4开发平台编写的；所述的传感点压力大小实时动态界面显示是采用opengl界面显示技术，通过传感器轮廓内颜色值的变化体现出足底压力分布变化情况；所述的足底cop压力中心曲线的实时显示是采用qcustomplot插件技术实现的，对实时的足底压力中心位置坐标点的累加构成压力中心cop曲线，通过计算cop压力中心曲线的左右对称度指标和单脚重复度指标来评定人体步态的稳定性。

所述的cop压力中心曲线的左右对称度指标计算方法如下：

式(1)中式(1)中xlmax、xlmin、xrmax、xrmin分别表示cop曲线在以中心为原点的左右侧横轴上的最大坐标值和最小坐标值。

所述的cop压力中心曲线的单脚重复度指标计算方法如下：

式(2)中xmax、xmin分别表示cop曲线在以中心为原点的左右侧横轴上的最大坐标值和最小坐标值，l表示对应测试足前掌的最大宽度。

所述的应用程序终端通过zigbee协调器同时与左右脚智能传感鞋的zigbee模块终端连接，实现左右脚足底压力数据的同时采集。

四.附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行的任何限制；

图1是所述的pcb软板形状及柔性薄膜压力传感器的布局图；

图2是所述的可持续采集足底压力数据并无线传输给应用系统的控制器结构分解示意图；

图3是所述的智能传感鞋与控制器的安装示意图；

图4是本发明一种基于足底压力的智能传感鞋步态分析系统的结构图；

图5是cop压力中心曲线的坐标设置。

五.具体实施方式(各部分的实现方式)

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

图1是本发明中所述的智能传感鞋垫的结构示意图，主要包括pcb软板1.1以及25个压力传感器1.2；pcb软板1.1根据鞋垫的实际形状进行绘制，并在内侧足弓处延伸出引线，引线端设计插针焊盘；所述的压力传感器1.2选用感应区面积直径为11mm,有效量程为10kg的柔性薄膜压力传感器；结合人体足底的生理特征以及进行步态分析的要求，25个柔性薄膜压力传感器1.2的主要分布在pcb软板的三个主要区域内，分别是对应人体足底的脚趾区、脚掌区以及脚跟区；脚趾区在对应拇趾和二趾的位置分别安装柔性薄膜压力传感器1.2，脚掌区均布密集分布13个柔性薄膜压力传感器1.2，脚跟区均匀分布10个柔性薄膜压力传感器1.2。25个柔性薄膜压力传感器1.2的任一引脚设计为共地模式，另一引脚分别连接插针的一个引脚。

发明中所述的可测量人体足底压力的智能传感鞋的优点在于结合人体足底生理特点以及步态分析需要，合理有效的对薄膜压力传感器进行布局，相对于矩阵式传感点分布的足底压力检测装置成本较低，同时可以满足步态分析的需要。

参见图2、图3，所述的可持续采集足底压力数据并无线传输给应用系统的控制器主要包括控制盒(2.1、2.4)、数据采集和无线发送模块2.2、电池2.3以及固定绑带2.5。所述的控制器内的电池2.3为可充放电的3.7v锂电，为数据采集和无线发送模块2.2供电；所述的数据采集和无线发送模块2.2主要包括微处理器模块、多路复用器模块、zigbee无线传输模块；所述的微处理器模块采用stm32f103r8t6芯片，实时采集压力传感器的承载压力，将采集的模拟信号转换为数字信号；所述的多路复用器模块采用adg706芯片，与微处理器模块ad端口连接，扩展信号采集通道，将微处理器模块的16通道扩展为31通道，增加可采集模拟信号的数量；所述的zigbee无线传输模块采用cc2530芯片模块，将微处理器采集的压力数据发送到应用系统；控制器与pcb软板引出线通过一对插针连接；所述的控制盒主要包括上盖2.1和下盖2.4，用来存放电池2.3和数据采集和无线发送模块2.2；通过固定绑带将控制器固定在人体小腿前侧，防止影响测试者的正常行走。

参见图4，该系统包含两个如上文所述的智能传感鞋以及控制器，分别对应测试者左右脚，其与上位机应用程序通过zigbee无线通讯模块连接，采用应答机制模式传输数据，实现对双脚足底压力数据的同时传输。

所述的动态显示足底压力数据信息的应用程序终端主要是实现足底压力数据整合计算、传感点压力大小实时动态界面显示、足底cop压力中心曲线的实时显示和步态平衡稳定性评估；所述的应用程序终端是在windows环境下的qt5.4开发平台编写的；所述的传感点压力大小实时动态界面显示是采用opengl界面显示技术，绘制与智能传感鞋垫上传感器布局相同的传感点图形，将采集的传感器承载压力值大小划分为不同的阶段，对应不同的颜色值，传感点轮廓内颜色值的变化则体现出足底压力分布变化情况；所述的足底cop压力中心曲线的实时显示是采用qcustomplot插件技术实现的，通过传感点的压力值和传感点的坐标值得到足底压力中心点的坐标值，对足底压力中心位置坐标点的累加构成压力中心cop曲线，通过计算cop压力中心曲线的左右对称度指标和单脚重复度指标来评定人体步态的稳定性。

参见图5，所述的cop压力中心曲线的左右对称度指标计算方法如下：

坐标中将蝶形线的交点处附近设置为原点，式(1)中xlmax、xlmin、xrmax、xrmin分别表示cop曲线在左右侧横轴上的最大坐标值和最小坐标值。

参见图5，所述的cop压力中心曲线的单脚重复度指标计算方法如下：

坐标中将蝶形线的交点处附近设置为原点，式(2)中xmax、xmin分别表示cop曲线在左右侧横轴上的最大坐标值和最小坐标值，l表示对应测试足前掌的最大宽度。重复度指标mp的值越小，表示行走步态的平衡性越好。