足底压力信号采集装置的制作方法

本实用新型属于医疗设备技术领域，具体涉及足底压力信号采集装置。

背景技术：

随着世界各地老龄化问题不断加剧，下肢康复问题日益严重，导致下肢功能障碍的原因有很多，包括运动损伤、神经损伤等等。据统计，我国2015年60岁及以上人口达到2.22亿，占总人口的16.15%。预计到2020年，老年人口达到2.48亿，老龄化水平达到17.17% ，不可避免的老年人会因为例如脑卒中等疾病导致下肢运动功能障碍，也会因为各位外部因素导致需要进行下肢康复训练。然而全国康复师数量仅有10万，好的康复资源也全部集中在北上广等一线城市。大部分本需要康复治疗的患者不能得到康复治疗。由于患者得不到及时有效的康复治疗，因此很容易留下偏瘫等后遗症。因此，如何便携、自主、低成本且又高效地对下肢功能障碍患者进行康复评估和指导是很有必要的。

目前，形式多样的电生理信号和运动信号被广泛地使用在了下肢康复中，通过现代信号处理的方法来判断患者康复的情况。主要使用的信号是肌电信图（EMG），其中表面肌电图（sEMG）由于其非入侵、测量方便等特点得到了更为广泛的应用。sEMG在康复医学领域中使用的最早最多的是步态分析 ，使用sEMG活动的起止时间表示该肌肉参与步行运动的协同性；sEMG活动的振幅和时程表示肌肉参与步行运动的合理性，主要测量点在胫前肌、小腿三头肌 。

对于患者下肢的康复，主要是基于步态分析进行判断。典型的步态分析实验室或康复室通常拥有压力步道，还有若干摄像头进行辅助。康复患者在行走过程中，摄像头实时采集动作状态，结合地板载荷传感器或力平台，综合判断下肢运动状态和康复情况。其中涉及足底压力信号采集，目前的技术手段不能充分反映足底压力状况，从而影响对患者下肢的康复状况的分析、评估。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供能够正确、全面反映足底压力状况、成本低廉的足底压力信号采集装置。

作为一种可穿戴式下肢信号采集系统，采用模块化的设计，用于康复患者下肢运动信号、肌电信号和足底压力信号采集和发送；其包括绑带、信号采集、信号处理、信号发送、供电等模块；其中，绑带模块为一个环状绑带，用于固定在小腿上；信号采集模块以可拆卸的方式连接到绑带模块中，信号处理模块、信号发送模块、供电模块集成在绑带模块上，绑带模块采用可穿戴的设计思想，使用时不影响康复患者的正常生活。

所述信号采集模块、信号处理模块、信号发送模块、供电模块为系统的硬件，结构框图如图1所示。本实用新型设计的足底压力信号采集装置，该装置做成鞋垫形状，放置于鞋底内；作为信号采集模块一个组成部分。

所述足底压力信号采集装置，由柔性导电胶带和柔性压阻传感材料组成，用于采集患者足底压力数据；其结构如图2所示，包括上、中、下三层，以及采样电路；其中，上层为纵向排列的导电电极条层，其对外连接微处理器的AD转换口；下层为横向排列的柔性导电电极条层，通过下拉电阻接地；上层纵向排列的柔性导电电极条带与下层横向排列的导电电极条带的交叉点构成采样点；中层为柔性压力传感材料层，压力传感材料以点状（如圆点、方点等）粘附在采样点处。

其中，上层纵向排列的柔性导电电极条为4-7根，下层横向排列的柔性导电电极条为8-15根。

采样电路如图3所示，为了能够采集各点的压力信号而减少分支数，采用行列扫描的方式对各个采样点进行控制和采样，每个采样点采集到的电压值为：

式中，Vsample为采样点得到的电压值，R0为采样电路中定值电阻阻值，Rsensor为压力传感材料阻值，Vcc为采样电路中电源电压。

本实用新型设计的足底压力阵列式采集装置，结构简单，能够正确采集到足底压力信号，可以为患者提供更精确的康复评估，辅助医生快速诊断。

附图说明

图1为系统硬件模块框图。

图2为足底压力采集装置结构图。

图3为图2中足底压力单个采样点电路图。

图4为足底压力信号测试结果。其中，（a）初接触,（b）站立中期,（c）初摆动。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步介绍本实用新型。

足底压力信号采集装置如图2所示。包括上、中、下三层，以及采样电路；其中，上层为纵向排列的导电电极条层，其对外连接微处理器的AD转换口；下层为横向排列的柔性导电电极条层，通过下拉电阻接地；上层纵向排列的柔性导电电极条带与下层横向排列的导电电极条带的交叉点构成采样点；中层为柔性压力传感材料层，压力传感材料以点状（如圆点、方点等）粘附在采样点处。

柔性压力传感材料采用成本较低、柔性较好的3M公司的Velostat材料。物理特性为不透明的黑色，厚度约100μm（Openmaterials. Electrotextiles[G/OL] (2014-9-22) [2016-5-20]）。它的电学性质为压缩电阻式（Piezoresistive），即电阻随压力增加而减小。使用Velostat材料，配合柔性塑料薄膜导电胶带制作新式足底压力阵列采集装置。

具体制作过程中，将Velostat材料裁剪成1cm*1cm的小方块，使用双面导电胶布粘贴在采样点上。上层为纵向排列的5条导电电极，连接微处理器的AD转换口，中层为压力传感材料，下层为横向排列的10条导电电极，通过下拉电阻接地，通过模拟开关连接Vcc。

为了能够采集各点的压力信号而减少分支数，采用行列扫描的原理各个采样点进行控制和采样。在采集的过程中，通过MSP430控制多路模拟开关轮流选通每一列电极，将它们拉高至Vcc，在选通某列电极信号的时间内，通过上层模拟开关轮流选通每一行导电线接通Vcc。这样，在1-10条横线之间顺次选通，每次选通时，1-5号AD转换轮流工作，从而完成整个采样过程。

在足底压力信号测试中，我们模拟了一个正常步行周期三个阶段，分别为初接触，站立中期和初摆动，记录足底压力数据的分布，并在MATLAB软件中采用CUBIC插值的方法进行压力分布图的绘制，结果如图4所示。其中，（a）初接触,（b）站立中期,（c）初摆动。

可见本实用新型设计的足底压力采集装置对步行过程中的足底压力分布采集有很好的效果，能客观反映正常步行过程中的足底压力情况。