人體步態分析系統足底壓力測量系統的研制

關鍵詞: 步態分析；生物力學；步態壓力測量；腳壓系統
摘　要：根據人體步態分析的需求，我們設計并研制了一套體積小巧，功耗低，能實時測量，測量參數豐富，結果直觀，人機界面友好的足底壓力分布測量系統。系統的硬件包括由壓力傳感器陣列制成的鞋、信號調理單元、主電路單元三大部分。系統軟件具有數據采集、文件管理、信號處理、步態特征參量提取及分析等多種功能。其圖形豐富，操作簡便，是一套人機界面友好的專用軟件。此系統與三維運動子系統和三維測力臺子系統可以共同組成一套完整的、功能齊全的人體步態分析系統。
　分類號：Q66; R318.01
A NEW SYSTEM FOR FOOT PRESSURE MEASUREMENT
　AND GAIT ANALYSIS
Wei Qihang　Lu Wenlian　Fu Zuyun
　（Department of E.E, Graduate School of Academia Sinica, Beijing 100039）
　Lu Shibi
　（PLA General Hospital, Beijing 100853）
　ABSTRACT：A new system was described for foot pressure measurement and gait analysis. The system consisted mainly of a pair of specially made shoes, force sensors, data acquisition circuit, an interface and a microcomputer. The function of software included data acquisition, files management, signal processing and gait parameters abstraction, etc. The unit carried by subjects was portable and of low-power. The system was easy to use and the measurement result easy to understand. Such a system, combined with the 3D kinematics analysis subsystem and force plates, formed an advanced gait analysis system.
　Keywords：Gait analysis; Biomechanics; Pressure measurement; Foot pressure▲
　0　引言
　步行是人類最基本的運動之一，步行的姿態可分為不同的類型。人體的生理功能、病理力學甚至精神狀態的各種變化都會不同程度地影響人體的步態。因此，檢測人體行走時運動狀態、受力狀態等與生物力學有關的物理量，從而進一步分析獲得人體各部位(特別是關節)的受力狀態，以及機械功、代謝能量消耗等情況是非常必要的。人體步態分析系統，簡稱步態儀正是這種測量的技術手段和設備［1］。它的研制在醫療、體育、康復、人類學、宇航、人機工程、工業等諸方面均有重要的科學意義及應用價值。
　人體是一個非常復雜的系統，要全面地弄清此系統在步行運動過程中的生物力學問題需要多方面的手段，涉及多學科領域的知識和技術。應該強調，步態分析正是一個新興的跨學科的研究領域，一門綜合性的高科技。我們在大量調研和分析的基礎上，針對步態分析研究的主要內容，研制了一套人體步態信息分析系統，它能提供步態分析所需的大部分參數。系統的構成包括三個子系統：足底壓力分布測量子系統；三維運動分析子系統；和三維測力臺子系統。這三個子系統可以同步測量，亦可以分別單獨工作。
　三個子系統同步測量，可以進行關節受力分析、代謝分析等生物力學方面的各種分析，本文主要討論第一個子系統即足底壓力分布測量子系統的研制。
　關于足底壓力分布測量技術的研究，國外已進行了二十多年［2］。其中壓力鞋及鞋墊最為先進，能實時測量連續的步態壓力分布，其所用的傳感器大致有兩類?D壓阻晶體及壓電晶體。在發表的國外文獻中［3～5］，傳感器有直接貼于足底的，有貼于鞋底的，也有做成鞋墊置于鞋內的，還有做成鞋狀的。所用傳感器數目有1個的，2個的(分別置于足底前后部分)，也有6～16個的，主要置于足底的有關解剖區域。總之，到目前為止，壓力鞋及鞋墊技術仍處于研制開發階段。
　足底壓力分布測量子系統要測量的基本參數是人體站立或步行時足底與支撐面之間的壓力分布狀態。我們經反復實驗和比較，選用了多個國產微型力傳感器，將它們按足底解剖區安裝在鞋子上。又從系統結構優化設計的基點出發，優選IC芯片及電路，使其能滿足測量的精度及實時測量的要求，由此自行設計和研制了一套體積小巧，功耗低，引線少，適合臨床步態分析使用的足底壓力測量系統。
　1　系統的硬件結構及實現
　足底壓力測量子系統主要由微型壓力傳感器陣列，電路單元，PC計算機及其軟件組成。
　1.1　傳感器和系統機械結構：
　不言而喻，足底壓力分布測量系統是要測量出人體站立或步行時足底壓力的分布，即足底與支撐面之間的力分布狀態，從而計算出足底合力大小和位置，以及步態時間參數等其他特征參數。因此力傳感器是本系統的主要組成部分之一。
　(1)力傳感器　由于本系統主要用于步態分析的研究或臨床應用，因此要求系統除滿足測量量程、靈敏度、測量精度、分辨率等指標要求外，還應滿足重復性好、性能穩定、系統輕便小巧、不妨礙人體步行動作，不改變足底壓力的自然分布狀態等要求。這樣傳感器的選擇至關重要。一般的力傳感器種類很多，如電位器式、電容式、壓阻式、壓電式等，其絕大多數體積太大，不適用于測量足底壓力。我們經反復實驗和比較，最后選用國產的微型力傳感器，其內部采用高靈敏度的半導體擴散式硅壓阻敏感元件，并組成惠斯登電橋的四個橋臂；在外力作用下，四臂全橋電路作差動變化，從而輸出與壓力成正比的電壓信號。此傳感器的特點是：穩定性好(零位飄移＜1%/h),體積小(20mm×7mm×8mm)，精度高(非線性度0.2～0.6%F.S)，靈敏度高(滿量程輸出100mv左右)，抗沖擊力強，具有溫度補償等。微型力傳感器的電路連接方式的示意圖如圖1所示。其電壓輸出為

　K?D靈敏系數，E?D電源電壓， ?D電阻變化率。
　力傳感器的量程是由系統的測量量程確定。系統的測量量程指標取決于體重、步行速度及傳感器的安置結構。正常人以常速行走時足底受力不超過100kg，行走時足底與支撐面的最小接觸面積約為2cm×1cm，此時受力最大。當傳感器的敏感受力面積為0.5cm×0.5cm,且處于最大受力區域內，則傳感器受力的最大值為

　此為極限情況，在大多數情況下，力值分布于0～10kg之間，綜合考慮后，力傳感器的量程定為20kg。
　本系統要求各傳感器性能同一，但由于工藝問題，即使是同一批生產的傳感器，其技術指標也存在個體差異，因此我們對每個傳感器都進行了嚴格的調零和量程校準。
　傳感器的力與輸出電壓呈線性關系，我們采用擬合精度高的最小二乘法進行擬合；其擬合方程為
y=b+kx
　　式中y為輸出量，x為輸入量，b為y軸上的截距，k為直線的斜率。若實際校準測試點為n個，第i個校準數據yi與擬合直線上相應值之差為
Δi=yi-(b+kxi)
　根據最小二乘法原理，應使 為最小。將 分別對k和b求偏導，并令其等于零時，解出k和b的表達式為

代入校準數據和實驗次數，即可求出k和b，從而得到相應的最小二乘法擬合的直線方程。然后再依次測出輸出一輸入校準值與理論擬合直線上相應值之間的最大偏差±Δmax，則傳感器的非線性誤差為

　其中VFS為滿量程的輸出電壓，測試結果表明所有傳感器的非線性度＜0.8%FS。
　(2) 系統機械結構　在人體解剖學上，人腳可劃分若干個解剖區域，如圖2所示。

1：腳跟后側
　2：腳跟內側
　3：腳跟外側
　4，5：腳中部
　6～10：第1至第5跖骨頭11～15：第1至第5趾
　　在步行、站立等運動中，這些解剖區域支撐著人體大部分重量，并調節著人體的平衡；測量這些部位的力可以獲取下肢乃至全身的生理、結構及功能等方面的大量信息。本足底壓力分布測量系統制成鞋狀。左右兩只鞋各用8個微型壓力傳感器，傳感器被鑲嵌在鞋底里，其受力點與鞋面平齊；當人體站立或步行時，傳感器的受力點作為鞋的支撐面與足底緊接。8個微型力傳感器分別置于第一至第五跖骨頭以及腳跟的解剖區上。放置傳感器的精確位置應根據腳的長度、寬度、腳型、骨骼分布狀態等進一步確定。本文的傳感器位置分布適合于足長為24～26cm的情況。為了合理分配整個系統的走線，減小噪聲干擾，系統整體機械結構設計方案如圖3所示。
　1.2　系統電路結構
　系統電路結構如圖4所示，它由多路開關、放大器、A/D轉換電路、編碼器、電平轉換電路和時序控制電路等組成。
　傳感器空載時，輸出為零電平；當受力后輸出為正比于受力大小的電壓信號(信號范圍在0～100mV)，每只鞋公用一個放大器。然后每只鞋的輸出信號接至低電平模擬多路開關，分時放大到0～5V范圍，再經A/D轉換后，將數字信號按RS-232C協議進行編碼，組成完整的異步通信數據格式。在短距離范圍時，這些數據經TTL/EIA電平轉換，由電纜直接輸入微機的內存；若在長距離范圍內，可經調制信號無線傳輸至微機，實時處理后以多種方式輸出。
　圖4中前級多路開關和每只鞋的公用放大器構成信號調理單元，其余電路部分安裝在一起構成一個主單元。兩個信號調理單元分別近靠著兩只壓力鞋，信號調理單元和電路主單元之間用電纜線連接，如圖3所示。

　(1)信號調理單元　本單元采用能精確處理微伏級信號的模擬多路開關MUX器件-AD7507，它為多個傳感器提供多通道切換，并公用一個放大器。
　放大器選用儀用放大器AD521，其具有很高的共模抑制比(高達120db)，所以抗干擾性能好，適合測量一定距離的差模信號。并且通過調整它的兩個增益電阻Rg和Rs，可使放大器在0.1～1000范圍內取得任意增益值。
　這單元的設計不但能保證測量精度，而且緊湊，靈巧輕便，適合整個系統的技術要求。
　(2)A/D轉換電路　本系統采用8bit串行數據輸入輸出型芯片AD0831，其轉換時間為32μs,DIP封裝，由片選端觸發A/D啟動。與并行輸入輸出的A/D轉換器相比，此芯片能使系統體積更小巧，輸出引線大為減少。
　對人體行走時足底受力進行頻域分析，發現98%的信號低于10Hz,99%的信號低于15Hz。考慮到每個局部傳感器上可能測得的高頻分量，所以本系統采樣率定為92Hz。
　　(3)信號傳輸　電路主單元與計算機之間采用異步通信，并且工作于單工方式(由電路單元發送信號，微機接收信號)，因此只需用兩根導線連接(一根信號線，一根地線)，通常不妨礙受試者的步行動作。
　左、右鞋上共16個傳感器對應編號為0～15，它們輸出的信號經多路開關切換，分時送入微機。用Reset鍵控制采樣的起始，第一個采到的數據為第0號傳感器輸出，第二個采到的數據為1號傳感器輸出，以此類推，直至15號傳感器。然后下一周期開始，循環往復，并將每一周期定義為一幀。為減少傳輸錯誤概率，我們將標準的異步通信數據格式加以修改，定義一位幀同步位。當檢測到同步位，表示一幀的開始。這樣，若某幀中傳輸出錯，錯誤可控制在此幀之內，當檢測到下一幀同步位，說明下一幀的第一個數據到來。
　數據傳輸時，需先將TTL電平轉換成RS-232C的EIA電平，這通過電平轉換器實現。當數據傳送速度為20Kbit/s，傳輸距離為50m，因此能滿足步態分析需要。
　(4)數據輸入/輸出　數據I/0是通過微機上異步通訊適配器RS232來實現。本系統采用最簡單的單工工作方式，因此只使用了RS232的兩個引腳(信號地端和接收數據端)，因此只需二根傳輸線，毫不妨礙步行。
　(5)時序控制及編碼　時序控制及編碼單元的功能包括：產生系統時鐘信號，產生模擬多路開關地址，產生觸發A/D轉換的定時信號、幀同步信號、系統復位信號以及編碼產生完整的異步通信數據格式的數據信號。
　除了信號調理單元外，這些時序控制和編碼電路以及A/D轉換電路都放置于一個主單元中。為了減少引線及電磁干擾，使調理單元到主單元的引線盡可能短，主單元應附著在人體上，隨人體步行而移動。因此，本系統采用4節電池供電；兩節15V疊層電池供模擬開關及儀用放大器使用，2節6V疊層電池供傳感器及其它IC芯片使用。相應地，電路所有芯片都采用CMOS型，以降低功耗。
　整個系統樣機如圖5所示。由于采用了上述優化結構，整個系統體積很小(電路板面積＜10cm×7cm)。

　2　系統硬件達到的技術指標
　1　分辨率：每只傳感器量程為20kg，測量分辨率為0.078kg。
　2　測量點數：左右兩只鞋，每只鞋安裝8個傳感器。
　3　采樣率：92Hz。
　4　采樣時間：10s。
　5　傳輸速率：傳輸波特率為19.2Kbit/s。
　6　傳感器頻率響應：0～1000Hz。
　7　傳感器零漂：＜1%/h。
　8　精度估計：引起整體系統測量誤差的因素包括以下各個方面：
　　①傳感器非線性誤差：

　其中ef為非線性度，Δmax為輸出-輸入校準值與理論擬合值的最大偏差，VFS為傳感器滿量程輸出平均值。
　根據上述計算，本系統采用的力傳感器非線性度皆＜0.8%。
　②集成模擬多路開關引入的誤差　主要由兩項性能參數引起誤差，導通電阻和池漏電流。因我們所采用的多路開關的池漏電流僅只有≤0.3nA，故可忽略不計。而導通電阻(Ron)，即訪問通道的輸出和輸入之間的電阻，引起的誤差為

　其中Ri為次級輸入阻抗，ΔRon為溫度因素引起導通電阻的變化，Rs為傳感器輸出阻抗。
　對于本系統，計算得E(%)≤0.03%。
　③量化誤差：　因采用8位A/D轉換器，故量化誤差＜0.2%。
　④傳感器零漂＜1%h。
　綜合上述情況，系統的測量精度達2%。
　3　系統軟件
　　根據步態數據采集和分析的需要，系統軟件應具有多方面的功能：數據采集、文件管理、信號處理、步態特征參量提取及分析等功能；并且應易與硬件接口，應具有豐富的圖形和具有易于維護與擴展的友好的用戶界面。
　3.1　GAIT系統軟件
　GAIT系統軟件是我們編制的，滿足上述功能的軟件包，是提供用戶應用的軟件包。此軟件用C語言設計和編制，其特點是人機界面友好，操作簡便，實時處理，功能完善，圖形豐富且視覺效果好，是一個專業化的用戶界面，已達到實用水平。
　GAIT系統軟件運行環境是：286SX16以上微機，配以VGA顯示適配卡，和DOS操作系統。GAIT所有功能用二級下拉式菜單進行組織及驅動，整體結構如圖6所示。
　GAIT系統軟件的主屏頂部提供了主菜單條，有6種選擇：
　Syst:幫助清單，清除內存。
　File:數據讀盤，存盤，顯示，打印及繪圖。
　Aqui:數據采集。
　Proc:預處理，FFT處理。
　Gait:所有傳感器力-時間曲線立體疊加顯示；
　所有傳感器力-時間曲線分別顯示；
　所有傳感器力-時間曲線疊加顯示；
　所有傳感器力的三維顯示；
　雙腳每幀合力-時間曲線；
　壓力圖象及合力位置變化過程；
　每步態周期合力軌跡分析；
　步態時間參數；
　每個步態周期的峰值壓力分析。
　Out:輸出檢測及分析結果報告。
　Quit:退出主菜單，返回DOS系統。

　3.2　基本功能的實現
　　系統軟件的基本功能是數據采集和預處理，高層功能為步態特征參數提取。本文主要討論前者。
　3.2.1　數據采集
　系統設計采集16個力傳感器的10s數據，因此每個傳感器在10s內共采集920個采樣值。我們開辟一組二維數組X［i］［j］來存貯這些原始數據，另一組數組f［i］［j］存貯預處理后的數據。在這兩組數組中i(0～15)表示左右足的傳感器序號，j(0～919)代表所采集的幀序列號。
　數據采集是通過異步通訊控制器來接收主單元傳輸來的數據。程序設計基本步驟如下：
　①設定通訊的規程，如波特速率，奇偶校驗方式，停止位的數目，數據字節長度等；
　②采用查詢方式，讀取通訊線路的狀態，判斷是否已進行了通訊；
　③接收一個數據字節；
　重復上述②和③，直至通訊完畢。
　3.2.2　數據預處理
　通過采集所獲得的數據必須進行下述二部分的預處理：
　①電平值的轉換：數據采集所得到的是力傳感器輸出經放大，A/D轉換后的二進制數字信號，為了獲取步態分析所需的步態特征參數，必須將這些數字信號折算成力傳感器的輸出電平，并又根據每個傳感器的擬合直線計算出相應的受力值。
　②數據的濾波和平滑處理：實驗測量得到的數據，經常會不同程度地混有噪聲的干擾。為了保證數據處理結果的可靠性，我們對采集的數據進行了數字濾波處理。本文采用一階滯后數字濾波法，其輸入和輸出關系的公式如下：
y(j)=(1-α)x(j)+αy(j-1)　　　　(j=0,1,…，n)
　α=τ/(τ+t)
　其中τ為濾波時間常數；t為采樣周期；j為所采集數據的幀序列號，則x(j),x(j+1)為某傳感器某時刻前后輸出的采集值。
　適當選擇數α，即可濾掉相應頻率的干擾。
　實驗數據中經常也會受到一些隨機干擾，這就會給數據處理結果帶來誤差。為了消除隨機干擾的影響，提高觀察數據的可靠性，這就需要進行數據平滑處理。本文軟件中分別設計了兩種平滑處理方法，一種是三點平均平滑法，另一種是中值平滑濾波法。
　三點平均平滑法是將三點等距的數據(某時刻的采樣值與其前后時刻的采樣值)進行平均后替換該點的數據。其公式為：
y(j)=［x(j-1)+x(j)+x(j+1)］/3　　　(j=0,1,…，n)
　而中值平滑濾法是對三點等距的數據進行比較，取其中值替換該點的數據。其公式為：
y(j)=mid［x(j-1),x(j),x(j+1)］　　　(j=0,1,…，n)
　這兩種平滑法都能較好地消除隨機干擾的影響。上述預處理后的數據被存入磁盤，可供進一步提取步態特征參數及步態分析所用。
　4　總結
　本文介紹了我們自行設計和研制完成的足底壓力測量子系統，此系統包括了一套雙腳足底負重解剖點受力測量的硬件系統和一套人機界面友好的專用軟件。
　我們將這系統作了初步的臨床實驗測試(有關該子系統的步態特征參數提取和臨床應用將于另一文中給以報道)，通過對正常人和病人的初步實驗測試證明，本文所研制的子系統是可行的，能滿足步態分析的需求。與國外類似系統相比較，本子系統設計方案新穎，結構精簡、輕便，由于采用了計算機采集、分析、處理和顯示等高技術，系統能進行實時測量，自動化程度高，易于操作，結果直觀成本適中，因此本子系統具有開發實用前景。■
　基金項目：國家自然科學基金資助項目