电容对。
[0083] (2)法向应力计算
[0084] 由公式（6)可改写单个电容器的法向响应电容
[0085]
[0086] 其中，i=I、II、III、IV，因每个区域中，N是每个区域的条状电容单元的数量，N个 条状电容单元是并联的。
[0087] 如再将其求和，可得
上式即为〇"的电容 总响应。
[0088] 尽管单个电容的求和可通过电极引线的并联连接实现。但一旦并接好，就不再能 实现求差组合，故实际的求和组合要通过中间变换器的输出再求和，见图10,求和的信号流 程框图。
[0089] 图中，中间变换器K可以是电压对电容或频率对电容的传输系数，从而完成对法 向响应的合成。
[0090]
[0091] (3)切向应力计算
[0092] q对Cn和Cm对Civ可以实现两对差动组合，见图11，经差动技术处理，差动输出 的总响应
[0093]
[0094] 上式中，无论是法向激励Fn或切向激励Fy均不对01：!产生影响。即自动消除了 〇"和t,对t^勺总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合 的电容变化都自动消除。而FdPFJ# 〇n的干扰可通过上层电极在b。方向增加几何长度 2S。消除，同理可以求得〇 Ty。
[0095] (4)主要材料选择及其特性参数
[0096] 梳齿状平行板电容器的结构剖面图类似于图9所示的三明治结构。图9中9和10 为上下PCB基板，8为胶贴于PCB基板上的驱动电极铜箱，7为下层基板上的感应电极铜箱。 极板距(1。= 0. 1mm，上下基板内侧空间除铜箱电极外，均为用失錯铸造法充填的PDMS(聚二 甲基硅氧烷）超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E= 6. 2MPa，而其抗剪弹 性模量为G= 4.IMPa，介质极化时相对介电常数eY = 2. 5。由于介质的E和G远小于铜 的弹性模量E,0= 103GPa。故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。
[0097] (5)电极引线设计
[0098] 无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都 是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个感应电极则需用各自独立的引 出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，以便整个组件顶部与 底部外表面能方便地与测量对象接触。
[0099] 本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设 计，在lOXIOmm2的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力，四个电容 单元模块呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有4 个，对4个电容求和可得到法向Fn的信息，即整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对 电容组合组成差动系统，又可获得匕和Fy的信息，从而完整描述一个三维力。
[0100] 电容式压力传感器按照矩阵式均匀的排列在衬底层和恢复泡沫层之间，电容极板 通过电路引线与传感器系统信号处理器连接，传感器系统信号处理器包括多路信号高速切 换电路、A/D变换电路和控制电路，为了节省A/D变换电路，用一路A/D变换电路完成多路压 力传感器的测量，多路信号高速切换电路和控制电路是系统的设计关键，切换速度影响到 短暂的步行过程中测试到的数据量。本发明设计的采集电路同时对256路传感器进行信号 切换。来自控制电路的控制系统经过本地整形后，分三级进行切换，第一级使用32个8路 切换器并行工作，输出32路信号，32路信号进入第二级切换器，采用4个8路切换器并行 工作，得到4路信号，这4路信号进入第三级切换器，得到1路信号，进入A/D变换电路。A/ D变换电路在变换过程中将数据读入计算机中暂存，所有数据读取完成后保存在计算机中。
[0101] 在实际使用过程中，将压力检测装置平铺在地面上，被测试者在上面以正常步态 走动或者静止站立，测量仪器各采集三次动态足底压力和三次静态足底压力，与正常人的 足底压力进行对比，通过三次测试分析足底八个区域的各自平均压力，足跟、足弓、第1跖 骨头、第2跖骨头、第3~5跖骨头、第1趾、第2趾、第3~5趾，足底压力测试的数据为分 析、诊断及建立专家辅助决策系统提供参考依据，对临床治疗效果评价提供参考依据。
[0102] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发 明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种基于足底压力分布测量的临床治疗效果评价系统，其特征在于，包括足底三维 压力测量装置本体和传感系统信号处理器，足底三维压力测量装置本体中布置了接受足底 压力信息的多个电容压力传感器，所述电容压力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y 方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括 两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单 元组成的三角形梳齿结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电 极，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感 器的法向力且消除切向力影响。2. 根据权利要求1所述的临床治疗效果评价系统，其特征在于，所述足底三维压力测 量装置本体由上至下包括恢复泡沫层、传感器层、弹性材质的衬底层、 引线层和硬质垫板，恢复泡沫层选用聚氨酯泡沫、有机硅泡沫或改性有机硅填充无机 短纤维，引线层引线通过并联或者独立方式连接到传感系统信号处理器，足底三维压力测 量装置的上表面为矩形，宽度45厘米~1米，长度3米~5米。3. 根据权利要求1所述的临床治疗效果评价系统，其特征在于，所述每个条状电容单 元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两 端分别预留左差位S左和右差位δ右，b 0驱=b0感+δ右+ δ左，其中，b0驱为条状电容单元的驱 动电极长度，Wig为条状电容单元的感应电极长度。4. 根据权利要求3所述的临床治疗效果评价系统，其特征在于，所述差位δ δ 且其中d。为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ _为最大 应力值。5. 根据权利要求1所述的临床治疗效果评价系统，其特征在于，所述两组相互形成差 动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移， 错位偏移大小相同、方向相反。6. 根据权利要求1所述的临床治疗效果评价系统，其特征在于，所述三角形梳齿结构 包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元 之间设有电极间距a 5。7. 根据权利要求6所述的临床治疗效果评价系统，其特征在于，所述平行板面积S = M (aQ+a δ) *bQ/99 %，其中，M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。条状电容单 元的宽度，&5为条状电容单元的电极间距。8. 根据权利要求1所述的临床治疗效果评价系统，其特征在于，所述条状电容单元的 宽度！_其中，d。为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。9. 根据权利要求1所述的临床治疗效果评价系统，其特征在于，所述传感系统信号处 理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容 的传输系数。10. 根据权利要求1所述的临床治疗效果评价系统，其特征在于，所述传感器系统信号 处理器包括多路信号高速切换电路、A/D变换电路和控制电路，所述高速切换电路包括三级 切换电路，前一级切换电路的输出为下一级切换电路的输入信号，最后一级切换电路经A/D 变换电路送入控制电路。
【专利摘要】本发明涉及一种基于足底压力分布测量的临床治疗效果评价系统，包括足底三维压力测量装置本体和传感系统信号处理器，足底三维压力测量装置本体中布置了接受足底压力信息的多个电容压力传感器，电容压力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，电容单元模块采用由两个以上的条状电容组成的三角形结构。利用三维力压力传感器，可以检测出足部在x、y、z三个方向的力，将足底三维压力数据用于临床观察、疾病程度测定、术后疗效评价、生物力学及康复研究，测定方法方便简单。
【IPC分类】A61B5/22
【公开号】CN105054953
【申请号】CN201510460667
【发明人】王蒙, 邓春红, 何晶, 范宏宇, 刘贤东
【申请人】安徽机电职业技术学院
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月28日