基于多传感器的可穿戴式足底压力测试系统研发及临床应用*

李 攀 蒋 敏 向 超 罗 伦* 王 红 苏文渊 覃 辉

人体足底压力分布能反映有关足的结构、功能及整个身体姿势控制的情况。正常人的足底压力分布有一定的规律，当足部发生拇外翻、类风湿关节炎、糖尿病足等畸形或功能异常以及下肢骨折和手术等情况时，将会影响足底压力的正常分布[1]。测试分析足的压力可以获取人体在各种体态和运动下的生理、病理力学参数和机能参数[2-3]。

足底压力测试基于生物力学原理，探测人体下肢结构状况，评估及预估足部疾病，判断手术效果，提供科学、精准而个体化的康复治疗方法，因而在康复医学领域得到越来越广泛的应用和研究。鉴于此，本研究与清华大学自动化系进行合作，共同研发足底压力测试系统，对患者足底关键部位进行应力测量，并辅以数据库等框架将数据进行可视化的展现，以实现对受试者足底受力情况的便捷获取和相关信息的管理，使之更好地指导临床康复评估和治疗工作。

1 可穿戴式足底压力测试系统的研发

基于文献分析，本研究选取第1跖骨、第3跖骨、第5跖骨及跟骨作为测量部位。所研发的足底压力测试系统分为硬件及软件两部分。

1.1 硬件部分

(1)传感器的选型。经反复测试和对比，采用电阻型压力传感器(德国Flexiforce)，利用电阻敏感的原件把被测量的压力转换成为与其有一定关系的电信号进行输出，其可重复性以及测量的精确度与电容型压力传感器相近，且误差较小。

(2)主控芯片。选用Cortex-M3微控制器(荷兰恩智浦)作为系统的主控芯片，具有高集成度，可适应各种高级通讯，高质量图像显示等应用场合的需求，能进行蓝牙数据传输。

(3)硬件设计为可调节的穿戴式，受试者只需站在该系统的平面上，通过调整该部分的大小、形状，将压力传感器对准足底关键部位，即可测得足底实时压力(如图1所示)。

图1 足底压力测试系统硬件部分示意图

1.2 软件部分

(1)数据的接收与滤波。数据的接收方面采用串口通信处理；滤波方面，为防止外界的电扰动影响数据的真实程度，采用均值滤波的方法对数据进行处理。

(2)数据库。采用Access作为后台的关系数据库管理系统。

(3)软件设计将所测得的压力数据通过蓝牙装置即时传输至电脑软件系统中，显示于软件界面(压力单位：mmHg)，并可进行储存和调取(如图2所示)。

图2 足底压力测试软件系统示意图

2 可穿戴式足底压力测试系统应用测试

2.1 应用测试对象

为进行系统的效度和信度测试，本研究于2016年8月至2018年4月招募110名健康志愿者(均为在校大学生)进行足底压力测试，其中男性42名，女性68名；年龄18～24岁；无足部及下肢疼痛病史，双下肢等长且自愿接受足底压力测试。

2.2 应用测试方法

所有志愿者均进行双下肢长度测量以确保双下肢等长，对测试系统进行校准后，进行志愿者双侧足底压力的测量和记录，并在不同的时间重复两次。

2.3 统计学方法

采用SPSS 23.0统计学软件对数据进行统计分析，对同一志愿者左、右两侧同一部位的足底压力分布进行比较，采用t检验，对不同时间重复测量的同一志愿者同一部位足底压力采用重复测量的方差分析检测重测信度，以P＜0.05为差异有统计学意义。

3 可穿戴式足底压力测试系统测试结果

3.1 足底压力分布趋势

综合所有数据可以看出，足部最大受力部位在足跟采集点和第3跖骨采集点处，以跟骨点压力值最大。各部位所受压力平均值从大到小依次为：足跟＞第3跖骨＞第1跖骨＞第5跖骨，左、右两侧足底压力的平均值分布相似，男性与女性志愿者的足底分布趋势基本相同，与目前可查文献中的正常人足底压力变化趋势基本一致(如图3所示)。

表1 所有志愿者足底压力分布左右对比(mmHg，±s)

表1 所有志愿者足底压力分布左右对比(mmHg，±s)

部位 左足 右足 t值 P值第1跖骨 1.7213±4.4296 3.0099±5.4270 -2.429 0.017第3跖骨 13.3228±14.9319 6.8614±8.9194 5.172 0.001第5跖骨 0.5603±1.1709 1.5021±2.1299 -4.778 0.001跟骨 57.8376±30.0574 63.4075±31.8578 -1.642 0.103

表2 男性志愿者足底压力分布左右对比(mmHg，±s)

表2 男性志愿者足底压力分布左右对比(mmHg，±s)

部位 左足 右足 t值 P值第1跖骨 2.9364±5.9297 3.5514±5.8836 -0.712 0.48第3跖骨 14.9288±15.8259 5.9243±6.5681 4.591 0.001第5跖骨 0.946±1.6093 2.3962±2.6785 -3.651 0.001跟骨 58.0269±34.6207 72.6086±31.5536 -2.426 0.02

表3 女性志愿者足底压力分布左右对比(mmHg，±s)

表3 女性志愿者足底压力分布左右对比(mmHg，±s)

部位 左足 右足 t值 P值第1跖骨 0.9707±2.9846 2.6754±5.1414 -2.536 0.014第3跖骨 12.3309±14.3822 7.4401±10.1063 3.059 0.003第5跖骨 0.3221±0.7033 0.9499±1.4762 -3.19 0.002跟骨 57.7207±27.1344 57.7244±30.9195 -0.001 0.999

图3 所有志愿者足底压力分布趋势图

3.2 所有志愿者左右两侧足底压力对比

将所有志愿者不同时间测量的不同部位足底压力值计算均值，分析其分布规律发现，第1跖骨、第3跖骨和第5跖骨的压力分布左右两侧比较差异有统计学意义(t=-2.429，t=5.172，t=-4.778；P＜0.05)；而足跟部位的压力双侧比较无统计学差异，表明该测试系统能够反映不同部位压力分布的差异(见表1)。

3.3 男性志愿者左右两侧足底压力对比

对男性志愿者不同时间测量的不同部位足底压力值计算均值，分析其分布规律并进行左、右两侧比较发现，第1跖骨压力分布双侧无统计学差异，其余第3跖骨、第5跖骨及足跟部位压力双侧比较均有显著性差异(t=4.591，t=-3.651，t=-2.426；P＜0.05)，见表2，如图4所示。

图4 男性志愿者足底压力分布趋势图

3.4 女性志愿者左右两侧足底压力对比

对女性志愿者不同时间测量的不同部位足底压力值计算均值，分析其分布规律并进行左、右两侧比较发现，第1跖骨、第3跖骨和第5跖骨的压力分布两侧足之间存在显著差异(t=-2.536，t=3.059，t=-3.19；P＜0.05)，足跟部位压力双侧比较则无统计学差异，且两侧均值非常接近，与所有志愿者总体的足底压力分布趋势一致，见表3、如图5所示。

表4 不同时间测量的足底压力数据比较(mmHg，±s)

表4 不同时间测量的足底压力数据比较(mmHg，±s)

左足右足部位 第1跖骨 第3跖骨 第5跖骨 跟骨第1次 1.6473±3.9572 14.2758±15.7059 0.5429±1.2258 58.8457±31.9845第2次 1.7538±4.7093 12.9688±13.9461 0.5562±1.15943 57.2076±30.0021第3次 1.7078±4.5947 13.6940±14.3887 0.5658±1.7736 57.4523±30.0679 F值 0.016 0.218 0.007 0.091 P值 0.984 0.804 0.993 0.913第1次 3.1459±5.3677 6.7835±8.8739 1.5211±2.3058 65.2751±32.5896第2次 3.2584±5.5622 5.9815±8.2695 1.4919±2.1357 63.0197±30.1327第3次 2.9837±5.0034 6.8987±8.9357 1.5127±2.0964 62.9575±30.8749 F值 0.074 0.363 0.005 0.197 P值 0.928 0.696 0.995 0.821

图5女性志愿者足底压力分布趋势图

3.5 不同测量时间重测信度

对所有志愿者不同时间测量的足底压力数据进行重复测量的方差分析，结果显示不同测量时间的足底压力数据无显著差异，见表4。

4 讨论

目前，已有的足底压力测试系统可以测试静态和动态足底状况，用于赤足或穿鞋的走、跑等不同运动的分析。此系统由硬件和软件两大部分组成，系统硬件由压力传感器平板矩阵、接口电路、信号采集及计算机系统组成；系统软件主要由实时数据采集模块、数据存贮模块、数据计算分析和显示模块、病历管理与资料查询模块、诊断模块等组成。具有代表性的足底压力测试系统有美国Tekscan公司生产的F-scan系统、德国Novel公司的EMED系列足底压力测试系统和比利时RsScan公司的Footscan足底压力测试系统[4-6]。然而，这些足底压力测试系统因其价格昂贵、体积较大及使用不便而难以在康复医学临床工作中广泛推广应用，限制了足底压力测试技术在下肢和足部疾病康复中的应用。因此，开发一款轻便易携、价格适宜的足底压力测试系统，有助于足底压力测试技术在骨科康复、神经康复等领域的更好开展，能够为患者提供精准、个体化、渐进性的评估和治疗方案，符合现代康复的智能化发展趋势。

本研究所研发的足底压力测试系统，利用电阻敏感的原件将其感知的足底压力转换成为与其有一定关系的电信号，从而能够利用电脑系统实施检测，并读取不同部位的足底压力数据。检测结果显示，健康志愿者足底第1跖骨、第3跖骨及第5跖骨的左、右两侧压力分布存在差异，而足跟部位的双侧压力分布近似，各部位所受压力平均值从大到小依次为：足跟＞第3跖骨＞第1跖骨＞第5跖骨，男性及女性左、右两侧的足底压力分布趋势不同，与既往研究中[7-12]报道的正常人足底压力分布情况一致，表明本系统能较为准确地检测不同个体足底不同部位的压力值，而不同时间测定的同一部位压力值无显著差异，表明本系统具有较好的重测信度。

随着科技的进步，足底压力测量技术已逐渐显示出其在医疗方面的应用价值，可广泛应用于骨骼肌肉系统、神经系统及其他系统疾病的康复领域。Footscan SCSI高频平板测试不同膝骨关节炎患者自然行走步态的生物力学比较[13]中显示，左右侧膝关节疼痛患者足底压力所出现的力峰时间不一，反映患者足底受力不均，这是产生病理步态并对足造成损害的机制之一。刘欣等[14]研究的Pilon骨折术后动态足底压力分布特征中，比较患者术后患侧及健侧动态足底压力的分布情况，为后期加强膝、踝关节本体感觉的训练，加强神经肌肉控制提供理论指导，从而促进患者的步态训练等康复治疗。葛剑青等[15]关于急性脑梗死偏瘫患者足底压力测定的临床研究中可看出，偏瘫患者在站立和行走时易出现失平衡，引起足部负重的异常改变，导致下肢病理运动模式加重。通过足底压力的测定分析，在偏瘫患者康复治疗中加强平衡功能和姿势控制能力的训练，可得到较好的治疗效果，并改善患者预后。游国鹏等[16]研究的青少年特发性脊柱侧凸患者步态运动学及足底压力特征分析中，发现患者运动过程中足底压力值均表现出明显不对称，提示针对脊柱侧凸患者的步态研究应着重关注足底压力指标。因此，增强足底压力测量技术的精准性和可操作性，能为患者制定更准确的个性化康复方案。而通过对足底压力测量系统的不断改进，并开发出相关的应用软件及APP，实现远程数据收集和康复指导，将该技术智能化和物联网化，有助于康复医疗真正向基层普及。

5 结论

本研究基于对人足底压力测试分析相关研究的基础上，使用自行研发的基于多传感器的便携式压力测量装置，以正常人足底压力分布为基础，可进一步进行下肢及足部不同疾病患者的足底压力分布相关研究。本研究选取数个足底关键受力点，所采用的压力测试方式和材料极大节省了评估仪器成本。在以往类似的研究中，多数使用的是一些欧美公司的专业测力板，且价格高昂、操作复杂。

本研究系统使用独立的柔性薄膜传感器，可方便的固定在所需位置，不影响人的正常站立，在使用之前可方便的进行定位，从而保证了测量的精度。然而，本研究也存在一些不足，未能对不同志愿者体型和足长等可能影响足底压力分布的因素进行相关性分析，所招募的志愿者样本量也不够大，不能充分反映这一人群的足底压力分布情况，且未能与其他足底压力测试装置之间进行信度分析。这些问题将在后续研究中逐一解决，将本系统进行进一步优化。

本研究所研发的足底压力测试系统能够为康复医学和其他临床专业提供简单快捷且成本较低的评估手段，指导相关疾病的临床康复，成本适宜、操作简单及使用方便，具有良好的临床应用价值。