一种足弓力量测试装置及测试方法和系统与流程

1.本发明涉及身体测量，具体用于足弓力量测试。


背景技术：

2.在运动科学的角度，人的足部是人体最重要的部位之一，它具备能承载整个身体的体重，转移重心及蹬伸发力等功能。足部是由骨骼、肌肉肌腱、足底筋膜组合而成的。除了足弓筋膜外(位于足部跖骨与跟骨之间一片非常强韧的扇形筋膜组织)，还需依赖足底的肌肉群以维持足弓的高度及形状，保障正确的站姿及运动姿态，在运动的时候来承受足部的张力，提供扭力及吸收地面的反作用力，起到避震作用，还能在蹬伸动作时透过筋膜绞盘效应(windlass mechanism)，让肌肉及筋膜收紧并增加中足刚度，有利于人体传导推动力。
3.足弓肌肉力量的训练及评估在临床或训练上非常关键，因足弓力量不足会导致不同的下肢伤病(扁平足，后跟痛，拇指外翻等)以及影响平衡和运动功能表现。证据表明，足跟筋膜炎患者比正常人有较低的足弓肌肉力量，而长者的足弓力量较差会有较大的跌倒风险。当疲劳出现时，足弓肌肉也随之而变弱。客观的测量足弓肌肉力量对临床医生、训练员及研究人员来说尤其重要，它能评估不同的训练的功效或找出肌力薄弱的原因。
4.现有的肌肉力量测量技术如肌电图(electromyography，emg)，对评估足弓肌肉的力量是很有挑战性的，部分原因是缺乏商用的设备或测量技术的局限性。一个原因是，肌电图技术所需要用到的电极片必须要贴在足弓底下，再加上纽扣式的硬质连接头，对被测者足部底下产生比较大的不适感(硬物引起的)，影响测量重复性及可靠性。另一原因是肌电图(emg)虽能直接测量肌肉的发力情况，但足弓分为有四层肌肉群并且在做许多动作时也包括了内在与外在的肌肉群，因此很难仅分离和评估足弓肌肉的内在力量。所以在临床及科研上，足弓力量评估都采用特定动作，而不是只关注部分足弓底下的肌肉的独立发力情况。
5.然而，现有的测量足弓力量的方法有好几种。大多数的研究都是通过利用手持式测力仪测量脚趾屈肌的力量，具体步骤为先把手持式测试仪固定在足前掌足趾底下，然后让受试者用脚趾使出最大力量推压到手持式的测量仪上，但这种方法只能在坐位或躺卧位下进行，并且手持式测力仪在位置及受力方向上存在较大误差，再加上有研究员也表示脚趾屈肌力量并不代表足弓的总体力量。另一种常用的测量方法(intrinsic positive test)评估受试者能否伸展拇趾时，同时进行mtp关节进行趾屈及脚趾背伸，但这项评估方案也不可以量化。以上的评测方法都存在应用缺点，就是它们都没能真实反映出足弓的总体力量情况，因此这些测试用于研究、临床及训练等目的并不理想。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供足弓力量量化指标的测量设备，解决足弓力量评估结果不准确的问题。
7.为达到上述发明目的，提供一种足弓力量测试装置，包括用于在顶面摆放待测足
的测量底座；所述测量底座顶面平整，且布设用于检测足掌部贴合压力的压力传感器i和用于检测足根部贴合压力的压力传感器ii；所述测量底座上方设用于顶靠足背的上压力传感器和竖立的胫骨挡板，所述胫骨挡板在测量底座顶面的投影位于所述压力传感器i与压力传感器ii之间。
8.优选的，所述压力传感器i和压力传感器ii为薄膜压敏式压力传感器。
9.薄膜压敏式压力传感器的测力精确度不高，但足够灵敏，常用于定性的状态监测。
10.优选的，所述压力传感器i的接触面为长条状，该长条形的延伸方向朝向所述压力传感器ii所在位置。
11.优选的，所述压力传感器i的接触面呈至少两条不交叉的长条。
12.本处所指的长条形在设置时可以设置成相互平行的样式，其整体呈现的长度方向朝向压力传感器ii所在位置，从而针对性地适应足掌部的两边突出，同时让不同尺寸的脚掌均能进行测试。
13.优选的，所述测量底座的两侧设相对的侧板，两所述侧板相对面中设滑轨，所述胫骨挡板的两边滑设在滑轨中。
14.本处所指的胫骨挡板沿着滑轨前后移动，从而能通过面的抵靠限定胫骨至指定位置。本处所指的侧板延展方向与压力传感器i至压力传感器ii连接大致平行。
15.优选的，还包括横梁，所述上压力传感器顶部铰接至所述横梁的中部；所述测量底座的两侧设升降杆，两所述升降杆的顶部分别连接至所述横梁的两端。
16.本处所指的铰接可以设置成在指定角度锁定，其实现方法可以是通过螺栓卡紧上压力传感器与横梁的角度，从而定位其角度。具体的铰接形式可以是球铰、合页等形式。
17.优选的，所述横梁的两端与升降杆的顶端铰接。
18.通过铰接上压力传感器与横梁的铰接、横梁与升降杆的铰接，能够让上压力传感器在角度调整后，与脚面的充分贴合。
19.优选的，所述压力传感器i与压力传感器ii顶面铺设适应足部形状的缓冲垫。
20.本处所指的缓冲垫设置，能降低在压力传感器上直接踩踏造成的冰凉或不适感。
21.还提供一种足弓力量测试方法，采用上述的足弓力量测试装置；
22.步骤一、让被测量者将足放置在测量底座上，足掌部贴合所述压力传感器i，足根部贴合所述压力传感器ii；
23.步骤二、让被测量者调节足位置使舟骨结节位于上压力传感器下方；
24.步骤三、调节胫骨挡板顶靠小腿并贴合，使胫骨垂直于所述测量底座顶面；
25.步骤四、在被测量者足放松状态下，进一步微调所述上压力传感器高度及其角度，至上压力传感器的实时力反馈恰好为零时，相对测量底座锁定上压力传感器位置；
26.步骤五、开始测量；让被测量者收缩足部，使足弓抬起，向上发力，压紧上压力传感器的测量面，保持发力状态数秒后放松；过程中足掌部贴合所述压力传感器i、足根部贴合所述压力传感器ii；
27.步骤六、读取上压力传感器在步骤五中的最大值作为足弓力量值，完成测量。
28.优选的，步骤五中，实时监测所述压力传感器i和压力传感器ii的输出值，判断被测量者足代偿或脱离测量底座情况；若出现被测量者足代偿或脱离测量底座情况，则该次测量算做无效数据处理。
29.还提供一种根据足弓力量测试提供运动建议的系统，完整进行足弓力量测试三次，计算三次测量中的足弓力量值的平均值；将该平均值除以被测试者体重取得标准化足弓力量最大值，该值的计量单位为体重的倍数(单位：bw)；
30.设定标准化足弓力量最大值警示值，提示被测量者足弓力状况是否良好、是否需要额外训练。具体给出的提示和建议，可以采用如下形式：
31.当标准化足弓力量最大值>3.19bw时，提示被测量者足弓力状况良好，无需额外训练；
32.当3.19bw≥标准化足弓力量最大值≥1.71bw时，提示被测量者足弓力状况正常，无需额外训练；
33.当1.71bw>标准化足弓力量最大值≥0.97bw时，提示被测量者足弓力状况略差，需进行简单的适度训练；
34.当标准化足弓力量最大值<0.97bw时，提示被测量者足弓力状况弱，需进行针对性的强化训练。
35.所述简单的适度训练具体可以被提示为如下至少一个选项：
36.坐在沙发、椅子上，利用脚趾进行抓物(如毛巾或波子等)训练动作；
37.常进行垫脚尖并后跟抬起的训练动作。
38.优选的，所述针对性的强化训练具体被提示为如下至少一个选项：
39.赤足在沙滩上进行走路、跑步或跳的动作；
40.在不稳定球上进行双脚或单脚站立的动作；
41.利用肌肉电刺激系统提升足底肌肉激活敏感性及最大力值；
42.如年龄较大或有平衡问题者，建议只在家中锻炼，避免跌倒风险。
43.还提供一种足弓力量测试系统，采用上述的足弓力量测试装置；包括供电模块、显示模块、信息处理模块；
44.所述供电模块为显示模块、控制模块、上压力传感器、压力传感器i、压力传感器ii供电；
45.所述信息处理模块从上压力传感器、压力传感器i、压力传感器ii获取压力值信息结合计时信息生成显示数据信息，并向显示模块输出显示数据信息；
46.所述显示模块展示各压力传感器的实时压力
‑
时间曲线作为显示数据信息。
47.优选的，所述供电模块为所述升降杆的升降驱动供电。
48.本发明的有益效果是能在测试足弓力量时能保持足部及膝盖的位置，并可以量化得到足弓力量，能有效帮助临床医生、训练员及研究人员，为训练效果提升提供帮助。
附图说明
49.图1为本发明的足弓力量测试装置整体示意图；
50.图2为本发明的足弓力量测试装置装配爆炸图；
51.图3为本发明的足弓力量测试系统框架图；
52.图4为本发明的足弓力量测试方法流程图；
53.其中：
[0054]1‑
测量底座
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11
‑
压力传感器i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12
‑
压力传感器ii
[0055]2‑
上压力传感器
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21
‑
横梁
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ3‑
胫骨挡板
[0056]4‑
侧板
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
41
‑
滑轨
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ5‑
升降杆
具体实施方式
[0057]
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
[0058]
根据图1至图2所示的一种足弓力量测试装置，包括用于在顶面摆放待测足的测量底座1；所述测量底座1顶面平整，且布设用于检测足掌部贴合压力的压力传感器i11和用于检测足根部贴合压力的压力传感器ii12；所述测量底座1上方设用于顶靠足背的上压力传感器2和竖立的胫骨挡板3，所述胫骨挡板3在测量底座1顶面的投影位于所述压力传感器i11与压力传感器ii12之间。所述压力传感器i11的接触面为长条状，该长条形的延伸方向朝向所述压力传感器ii12所在位置。所述压力传感器i11的接触面呈两条相互平行的长条。所述压力传感器i11和压力传感器ii12均为薄膜压敏式压力传感器。所述压力传感器i11与压力传感器ii12顶面铺设适应足部形状的缓冲垫(图中未示出，但本领域技术人员能够理解)，缓冲垫具体可选6
‑
8mm的硬质eva或者tpu射出片，在降低不适的同时减少对传感器测量的影响。
[0059]
所述测量底座1的两侧设相对的侧板4，两所述侧板4相对面中设滑轨41，所述胫骨挡板3的两边滑设在滑轨41中。胫骨挡板3沿着滑轨41前后移动，侧板4延展方向与压力传感器i11至压力传感器ii12连接大致平行。
[0060]
还包括横梁21，所述上压力传感器2顶部铰接至所述横梁21的中部；所述测量底座1的两侧设升降杆5，两所述升降杆5的顶部分别连接至所述横梁21的两端。所述横梁21的两端与升降杆5的顶端铰接。铰接形式设置成在指定角度锁定，通过螺栓卡紧上压力传感器2与横梁21的角度，从而定位其角度。
[0061]
如图3所示的一种足弓力量测试系统，采用上述的足弓力量测试装置；包括供电模块、显示模块、信息处理模块；
[0062]
所述供电模块为显示模块、控制模块、上压力传感器2、压力传感器i11、压力传感器ii12、所述升降杆5的升降驱动供电；
[0063]
所述信息处理模块从上压力传感器2、压力传感器i11、压力传感器ii12获取压力值信息结合计时信息生成显示数据信息，并向显示模块输出显示数据信息；
[0064]
所述显示模块展示各压力传感器的实时压力
‑
时间曲线作为显示数据信息。
[0065]
更具体的，横梁21由6061铝合金经cnc机加工制作。固定用到m6*10的细牙内六角螺丝两个，m8*10星形胶木螺丝一个，m6金属垫片两个。横梁21下设横筒为圆柱筒形，长度30.9mm，直径10mm，两头各有m6细牙螺纹孔12mm。上压力传感器2顶座设两个臂，臂距离为31mm，制造时允许500μm的精度误差。安装时，将横梁21两端分别连接至两边的升降杆5，再使上压力传感器2顶座的臂的孔和横梁21下的横筒对齐，将垫片放置于上压力传感器2顶座的臂的孔外侧，使用内六角螺丝刀将两个m6*10的细牙内六角螺丝穿过臂拧入横筒，固定完成。在m6螺丝处建议使用大摩擦力的垫片，此处拧紧的程度很大程度上影响了锁紧的效果。如需调节顺滑，可以在横筒内适当添加润滑剂。
[0066]
测量底座1、胫骨挡板3、侧板4为光敏树脂材质，由3d打印一体制作。在最外层做加厚处理。胫骨挡板3可以在侧板4上沿滑轨滑动，并可以以定位结构定位锁紧。胫骨挡板3面
还可设尼龙绑带以绑定小腿，实现了胫骨姿态的连续调节及固定。
[0067]
升降杆5升降采用龙翔恒速步进电动机，直流电供电，步进电机控制使用树莓派扩展板drv8825。薄膜压敏式压力传感器所用品牌为智男电子，型号为rp
‑
s40
‑
st。使用标准推拉力计对每个传感器都进行校准，使用最小二乘法计算比例系数，校准的精度约为1％。
[0068]
使用足弓力量测试装置时，采用如图4所示的足弓力量测试方法，利用如图1和图2的足弓力量测试装置；
[0069]
步骤一、让被测量者将足放置在测量底座1上，足掌部贴合所述压力传感器i11，足根部贴合所述压力传感器ii12；
[0070]
步骤二、让被测量者调节足位置使舟骨结节位于上压力传感器2下方；
[0071]
步骤三、调节胫骨挡板3顶靠小腿并贴合，使胫骨垂直于所述测量底座1顶面；
[0072]
步骤四、在被测量者足放松状态下，进一步微调所述上压力传感器2高度及其角度，至上压力传感器2的实时力反馈恰好为零时，相对测量底座1锁定上压力传感器2位置；
[0073]
步骤五、开始测量；让被测量者收缩足部，使足弓抬起，向上发力，压紧上压力传感器2的测量面，保持发力状态数秒后放松；过程中足掌部贴合所述压力传感器i11、足根部贴合所述压力传感器ii12；
[0074]
步骤六、读取上压力传感器2在步骤五中的最大值作为足弓力量值，完成测量。
[0075]
优选的，步骤五中，实时监测所述压力传感器i11和压力传感器ii12的输出值，判断被测量者足代偿或脱离测量底座1情况；若出现被测量者足代偿或脱离测量底座情况，则该次测量做无效处理。
[0076]
从另一个角度来描述使用可以是，让受试者(站立或坐下时)一只脚平放于测量底座1上；然后通过调节胫骨挡板3在滑轨41上的前后位置，定位胫骨至竖直位；调节上压力传感器2的测试面与足弓舟骨位置定位。然后，指导受试者横足弓两边放在测量底座1上的压力传感器i11不同条上，根骨位置放在测量底座1上的压力传感器ii12上，滑动脚掌向后向脚跟处(即收缩足趾
‑
后跟间的距离)，并试着抬起你的足弓，但不能利用抬起后跟或卷曲脚趾的力量。上压力传感器2测得的压力值，即为足弓力量的精确计算参数。
[0077]
为避免脚趾过分往下用力或后跟抬起的问题(这属于代偿发力，会让评估值变大，影响真实测试评估)，除了培训测试人员重点关注外，还分别在前脚脚趾(横足弓)及后跟区域，放置薄膜压敏式压力传感器去实时监测测试脚是否存在离地(前足及后跟)或过分发力(足趾、横足弓代偿发力)等情况。当前掌脚趾区域的压力比静止不动状态时增加20％，判别为脚趾过分用力；当后跟区域的压力比静止不动状态时减少50％，判别为后跟离地。无论是脚趾过分用力或后跟离地，则该次测试数据失效。以上各个传感器均为零负荷为起始状态，各个传感器全部卸载后，系统恢复初始状态，测试下一轮足弓力量测试。
[0078]
测量足弓力量的时候需要保证前脚掌和第一个跖骨的底部始终与测量底座1顶面接触，从而确保测得的力的准确性。而要实现对于足部位置的监测，通过薄膜压敏式压力传感器来达到一个定性测量脚是否与测量底座1顶面接触的功能。具体实现方法是使用三个压敏式薄膜力传感器模块来监测脚的状态，分别为两个压力传感器i和一个压力传感器ii。设三个传感器的读数分别为a、b、c，受到合乎标准压力时为1，受到压力值超出规定范围时为0，当
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(a∪b)∩c＝0
ꢀꢀꢀ
(1)
[0080]
时，提醒测试者测试失败。
[0081]
还提供一种根据足弓力量测试提供运动建议的系统，完整进行足弓力量测试三次，计算三次测量中的足弓力量值的平均值；将该平均值除以被测试者体重取得标准化足弓力量最大值,即多少倍体重(单位：bw)；
[0082]
当力量最大值>3.19bw时，提示被测量者足弓力状况良好，无需额外训练；
[0083]
当3.19bw≥力量最大值≥1.71bw时，提示被测量者足弓力状况正常，无需额外训练；
[0084]
当1.71bw>力量最大值≥0.97bw时，提示被测量者足弓力状况略差，需进行简单的适度训练；
[0085]
当力量最大值<0.97bw时，提示被测量者足弓力状况弱，需进行针对性的强化训练。
[0086]
所述简单的适度训练具体被提示为如下至少一个选项：
[0087]
坐在沙发、椅子上，利用脚趾进行抓物(如毛巾或波子等)训练动作；
[0088]
常进行垫脚尖并后跟抬起的训练动作。
[0089]
所述针对性的强化训练具体被提示为如下至少一个选项：
[0090]
赤足在沙滩上进行走路、跑步或跳的动作；
[0091]
在不稳定球上进行双脚或单脚站立的动作；
[0092]
利用肌肉电刺激系统提升足底肌肉激活敏感性及最大力值；
[0093]
如年龄较大或有平衡问题者，建议只在家中锻炼，避免跌倒风险。
[0094]
所述的提示，均可以以文字、图案的形式展示在显示屏上，或者由测量人进行通知。
[0095]
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述的实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。