一种预防糖尿病足底溃疡的方法及智慧袜系统与流程

本发明属于医疗健康检测领域，尤其涉及一种基于足底压力分布及步态分析方法预防糖尿病足底溃疡的方法及智慧袜系统，用于对糖尿病足底溃疡高危患者可能发生溃疡进行预警。

背景技术：

糖尿病是全球第二大慢性疾病，其发病人口众多，病程时间长，严重威胁人们的身体健康和生命安全。糖尿病足病是糖尿病最严重的慢性并发症之一。糖尿病足的发病一般由轻度的神经症状和微循环系统障碍导致足底溃疡形成，如不及时加以治疗进而会引发坏死、神经病变性骨折，最终导致截肢。由于大部分严重的足底病变都是由最初期的足底溃疡引发的，所以糖尿病足溃疡的预防工作对糖尿病患者保持健康，提高生活质量，降低患者家庭开销和减轻社会医疗系统负担尤为重要。

足底压力的异常变化是糖尿病足溃疡的最初症兆，对于足底压力进行日常监测能够起到较好的预防作用。但是传统的足底压力监测方式需专业设备，价格高昂、操作复杂，不能满足普通病人日常使用，且数据随机性较高，与病症对应性查，参考价值低，判断结果不够准确。

技术实现要素：

为了解决目前对糖尿病足底并发症预防策略和方法上的空白，本发明提出一种基于足底压力分布及步态分析方法预防糖尿病足底溃疡的方法及智慧袜系统，用于对糖尿病足底溃疡高危患者足底可能发生病变进行预警。

本发明的技术方案：

一种基于足底压力分布及步态分析方法预防糖尿病足底溃疡的方法，其特征在于，通过智慧袜系统对糖尿病患者同时进行足底压力、步态的记录和综合分析，

所述智慧袜系统的智慧袜本体上包括柔性压力传感器、加速度传感器和数据处理电路，所述柔性压力传感器分布在所述袜子底部对应穿戴者的足底的位置测量不同位置的足部压力，所述加速度传感器用来感应运动状态；

所述智慧袜系统还包括终端设备，所述终端设备的内部具有数据分析模块，与所述数据处理电路的输出端通讯连接，

所述智慧袜系统将测得的压力和运动状态进行空间域和时间域分析，得到在不同运动状态下对应的压力，通过记录穿戴者足底压力分布和步态分析，发现不同步态下的压力异常变化和/或步态改变，并对此发出预警，提醒穿戴者足底可能发生病变。

优选的，在佩戴者足底健康状态良好时监测在不同运动状态下的压力分布和步态作为基准步态和压力分布；

在出现以下情况时报警：

在不同运动状态下发现异常压力分布，进行报警；和/或

在不同运动状态下发现异常步态，进行报警；和/或

发现高压力值超过阈值，提示溃疡可能发生区域。

优选的，所述不同运动状态包括静止站立、慢速行走、匀速正常行走、快速行走、跑步。

采用上述方法的一种预防糖尿病足底溃疡的智慧袜系统，其特征在于，

所述智慧袜本体上包括测量足部压力的多个柔性压力传感器、测量步态的加速度计传感器和数据处理电路；所述柔性压力传感器分布在所述袜子底部对应穿戴者的足底的位置；所述数据处理电路包括主控芯片、模拟选择器、放大电路模块、adc采样模块、无线通讯模块，其中，所述柔性压力传感器的输入端与模拟选择器和主控芯片依次相连，所述柔性压力传感器的输出端与放大电路模块、adc采样模块、主控芯片依次相连，构成压力采集电路闭合回路；所述加速度计传感器与主控芯片连接；所述主控芯片通过无线通讯模块与所述终端设备通讯连接；

所述终端设备的内部具有结合步态数据进行压力数据分析的数据分析模块；

优选的，所述放大电路的前后还具有数据滤波模块。

优选的，通过主控芯片控制模拟选择器控制选通相应的柔性压力传感器，所述柔性压力传感器采集足底压力数据，数据经过放大电路模块进行放大，然后进入adc模块进行adc采样，再进入主控芯片进行数据打包处理，然后通过低功耗蓝牙将数据发送到终端设备；

对压力数据的采集过程如下：

(1)用户穿上智慧袜进行行走时，柔性压力传感器阻值rf会随着其上的压力f的变化而变化，两者之间关系：k为常数，

柔性压力传感器与放大电路连接，则满足下列关系：

其中，vi为参考电压，rf为参考电阻，则f与vo之间的关系为：

(2)主控芯片控制模拟选择器工作，进而控制选通相应的柔性压力传感器进行工作，产生相应的vo数据，然后通过adc采样，将模拟信号转换为数字信号，送到主控芯片中进行数据处理，

(3)数据的处理包括滤波与平均处理，在压力信号进入放大电路之前的数据滤波模块，采用截止频率为200hz的低通滤波处理，在运放的输出端采用截止频率为20khz的低通滤波处理；数据的平均处理针对adc采样数据，在主控芯片处理，表达式为：

其中，为输出数据，xi(i＝1,2,l,n)为采集信号原始数据，n为平均处理数据长度。

优选的，所述柔性压力传感器分布于所述穿戴式设备本体上对应穿戴者的脚后跟、脚掌外侧和脚掌前部的位置。

优选的，所述无线通讯模块与所述终端设备为蓝牙连接。

优选的，所述数据处理电路位于所述袜子的上部，所述压力传感器通过导线与所述数据处理电路相连。

优选的，所述模拟选择器为8通道模拟多路复用器。

优选的，所述数据处理模块还包由300mah锂电池和3.3v稳压芯片构成的电源模块。

优选的，所述终端设备为智能手机或电脑。

本发明的技术效果：

本发明的一种基于足底压力分布及步态分析方法预防糖尿病足底溃疡的方法及智慧袜系统，系统的集成形态为日常穿戴式设备，本体为袜子，可穿戴进行正常生活，并将柔性压力传感器布局在袜子底部对应足底的部位的位置，同时还设置有加速度计传感器，糖尿病患者通过日常穿戴此智慧袜系统可实现实时足底压力分布监测和进行步态分析以及活动量评估；所述智慧袜系统通过记录穿戴者足底压力分布和步态，结合二者的数据进行综合分析，通过分析不同步态下压力的变化，发现压力异常变化区域以及正常步态改变，并对此发出预警，提醒穿戴者足底可能发生病变、尽早就诊。

柔性压力传感器采用柔性基底，可以分布在袜子上对应脚底受力部位，例如脚后跟、脚掌侧面和前脚掌部位，并通过袜子紧密的包裹和贴合使用者的脚部，不容易移动；通常情况下仅包含柔性压力传感器即可满足监测要求，不用包含温度传感器，当然也可以同时具有温度传感器；柔性压力传感器与使用者脚底、脚底的受力部位对应，使测量数据更准确，仅需分布在足底，不用分布于脚背等位置。

通过主控芯片控制模拟选择器控制选通相应的柔性压力传感器，所述柔性压力传感器采集足底压力数据，数据经过放大电路模块进行放大，然后进入adc模块进行adc采样，再进入主控芯片进行数据打包处理，然后通过无线通讯模块将数据发送到终端设备。以上的电路设计可以使得获得的数据更加有利于与加速度计获得的步态数据的综合分析。

优选的，所述终端设备为智能手机或电脑，包括输入输出装置，直接呈现结果，直观、方便。

优选的，数据采集器和终端设备二者分别具有互相连接的通讯模块，更优选的，为无线蓝牙通讯连接。

本发明的智慧袜系统的本体能够穿戴在使用者的足部，因此只需要穿戴该设备即可测量，而且可以方便的实现全天候的穿戴，可对糖尿病人的足底压力进行全天候、全方位监测，操作简单，穿戴和携带方便，无论行走时还是静止使都可以监测，不受地点限制，成本低，极大减轻了糖尿病人的经济负担，便于大规模推广。本发明同时利用压力传感器采集压力数据和利用加速度传感器获得穿戴者的步态数据，并同时对步态数据和压力数据进行综合分析，在不同的步态基础上进行压力与病理状态的关联，使得数据的分析更加具有针对性，能够对糖尿病人是否发生溃疡病变做出更加准确的判断。

附图说明

图1为本发明的实施例的结构示意图；

图2为图1的系统连接示意图；

图3为压力传感器的布置示意图；

图4为放大电路模块电路图；

图5为步态判断原理图；

图6为预警方法流程图。

附图编号：1-智慧袜本体，11-柔性压力传感器，12-数据处理电路，2-终端设备。

具体实施方式

为了更清楚的了解本发明的技术方案，下面将通过具体实施例和附图1-6详细说明。

实施例

本实施例的一种预防糖尿病足底溃疡的智慧袜系统，包括智慧袜本体1和终端设备2，所述智慧袜本体1上包括柔性压力传感器11、加速度计传感器和数据处理电路12，所述柔性压力传感器11分布在所述袜子底部对应穿戴者的足底的位置；所述终端设备的内部具有数据分析模块，与所述数据处理电路12的输出端通讯连接。

本实施例所述柔性压力传感器11位于智慧袜本体1的底部对应人体的脚底受力部位，其布置示意图如图3所示，每只袜子底部对应穿戴者的脚后跟、脚掌和大脚拇指的位置分别分布着3个、5个和1个所述压力传感器11，以尽可能准确的显示脚底的压力。

如图2所示，所述数据处理电路12具体的包括主控芯片、模拟选择器、放大电路模块、adc采样模块、无线通讯模块，其中，所述柔性压力传感器的输入端与模拟选择器和主控芯片依次相连，所述柔性压力传感器的输出端与所述放大电路模块、adc采样模块、主控芯片和无线通讯模块依次相连；同时，主控芯片读取mpu6050加速度计传感器采集的数据。所述无线通讯模块与所述终端设备通过低功耗蓝牙通讯连接。

通过主控芯片控制模拟选择器控制选通相应的柔性压力传感器，所述柔性压力传感器采集足底压力数据，数据经过放大电路模块进行放大，然后进入adc模块进行adc采样，再进入主控芯片进行数据打包处理，然后通过低功耗蓝牙将数据发送到终端设备。

对压力数据的采集过程如下：

(1)用户穿上智慧袜进行行走时，柔性压力传感器阻值rf会随着其上的压力f的变化而变化。两者之间关系大致满足：(k为常数)。

柔性压力传感器通过棉质导线与放大电路连接，放大电路模块电路图如附图4所示，则有以下公式计算输出电压vo与rf之间的关系：

其中，vi为参考电压，rf为参考电阻。在本实施例中vi为0.33v，rf为10kω。

则f与vo之间的关系为：

(2)主控芯片通过i/o口控制模拟选择器工作，进而控制选通相应的柔性压力传感器11进行工作，产生相应的vo数据。然后通过adc采样，将模拟信号转换为数字信号，送到主控芯片中进行数据平均处理。在本发明中，adc的采样频率为1000hz。

(3)数据的处理包括滤波与平均处理。数据滤波主要针对压力信号，在压力信号进入放大电路之前的数据滤波模块，采用截止频率为200hz的低通滤波处理，在运放的输出端采用截止频率为20khz的低通滤波。数据的平均处理主要针对adc采样数据，在主控芯片处理，数学表达式为：

其中，为输出数据，xi(i＝1,2,l,n)为采集信号原始数据，n为平均处理数据长度。本发明中n为30。数据的处理主要是去除噪声和其他干扰。

本实施例具体实施过程如下：

本实施例具体的采用下述设备：主控芯片(集成低功耗蓝牙)为nordicsemiconductor公司的nrf52832芯片；模拟选择器为德州仪器的cd74hc4051高速cmos8通道模拟多路复用器；放大器为德州仪器的opa365运算放大器；加速度计为invensense公司的mpu6050加速度传感器，电源模块由300mah锂电池和德州仪器的3.3v稳压芯片tlv70033。根据以上设备及前述的压力采集方法，下面介绍本实施例的实施过程：

(1)通过加速度计传感器获取佩戴者运动状态包括静止站立、慢速行走、匀速正常行走、快速行走、跑步这5种状态；

(2)通过柔性压力传感器测量不同状态时的足底压力值；

(3)对压力值进行空间域和时间域分析，获得在不同运动状态下的步态，如图5所示，其中运动状态与步态的压力相互对应；

(4)以足底健康状态下的步态作为基态，如图6所示，进行以下步骤；

(5)监测佩戴者在日常生活中的运动状态和不同步态的压力，并与基态进行比对；

(6)当发现异常步态时且持续一定时间(大于一定计数阈值)，进行报警；

(7)在异常步态中，压力值超过阈值的为溃疡发生危险区。

以上所述为本发明的一种优选的实施例，但不是对本发明的限制。其它可能的实施方式例如压力传感器的分布、数据采集器的位置等均涵盖在本发明的保护范围内。