足底压力信号采集分析系统设计

兰悦，殷悦，陈谦宇，李修寒，吴小玲

1.南京医科大学生物医学工程与信息学院临床工程重点实验室（南京，211166）

2.东南大学附属中大医院江北院区医学工程部（南京，210043）

3.深圳大学医学部（深圳，518061）

0 引言

随着人类寿命的延长和人口老龄化的加剧，下肢关节性疾病已成为我国老年人常见的多发性疾病［1-2］。足底压力的测定可为该类疾病的病因分析、诊断和疗效评价提供可靠、客观的数据［3］，术后定期对患者进行足底压力检测，分析足底压力数据的变化，获得评定等级，从而为康复治疗方案提供指导。

足底压力检测技术的研发起源较早，19 世纪70 年代，Carlet 设计了最早的足底压力检测系统，Beely 完成了最早的足底压力分布的测量，但得到的只是足底的轮廓而不是实际的压力数据，而最早的对足底压力进行动力学精确测量的实验则是由Elftman 设计的压力板完成的［4-6］。近年来，国外的足底压力检测技术发展迅速，可进行静态足底测量和相关分析，如美国Tekscan 公司的F-Scan 足底压力检测系统［7］、比利时Rsscan 公司的平板压力检测系统［8］、德国Novel 公司的Emde 测力系统［9］等。而国内在足底压力检测方面起步较晚，2000 年韦启航等［10］设计了一种鞋垫式步态分析系统，2004年同济医学院袁刚等［11］设计了一套内置了约200个矩阵式分布的薄膜压力传感器的足底压力测量系统，2011 年李炜等［12］设计了基于LabVIEW 的足底压力测量系统，2019 年闻刚等［13］研发了一套可穿戴式动态足底压力测量系统。

考虑不同路面和运动的实际情况，本研究采用便携式足底压力鞋垫作为压力测量的传感单元，以蓝牙无线传输芯片HC-06 和低功耗MSP430F149单片机为核心，设计了一套便携式足底压力信号采集分析与评定系统。

1 系统设计

该系统分为2 部分：数据采集系统和数据接收、处理系统。数据采集系统中的关键部分包括压力传感器及其外围电路、模数转换和无线发送等。数据接收、处理系统通过无线接收数据并进行处理分析，其结果包含可移动端显示和电脑端显示2 种模式：可移动端以OLED 屏显示利用足底压力中心（COP）轨迹算法对足底压力数据进行分析处理后的数据结果；电脑端利用LabVIEW和Matlab 软件联合编程，以图形化的界面进行实时动态显示。总系统框图如图1 所示。

图1 总系统框图Fig.1 Block diagram of general system

1.1 数据采集系统

1.1.1 足底压力信号采集与模数转换

压力鞋垫内置的传感器为电阻式压力传感器［14］，能通过力敏电阻的特性将测量的压力物理量转换为电信号。该类型的压力传感器特性表现为电阻倒数与压力成近似线性关系，通过电阻分压电路即可输出与电压成一定关系的电信号。根据人体足底压力分布，系统中1 个位点承受的压力约为50 N，通过对压力-电阻测试结果，分压电阻的阻值选择为4.7 kΩ。

8 路模拟电压信号采用双ADS1115 模块来实现模数转换，ADS1115 模块是具有16 位分辨率的4 路高精度模数转换器［15］，供电范围2.0～5.5 V，每秒采样数据数可达860 个。

1.1.2 系统主控单元与无线通信

系统使用MSP430F149 为主控单元，具有可编程输入/ 输出（I/O）口，与 ADS1115 通过IIC协议进行通信。MSP430F149 将采集到的压力数据编译封装为一个20 字节的数据包，经HC-06 蓝牙串口进行发送。数据采集系统实物如图2 所示。其中，20 个字节的数据包格式如下：2 个字节的包头（0X00、0X55），16 个字节的压力数据（Low_P1，High_P1...Low_P8，High_P8），2 个字节的校验位（Low_CRC，High_CRC）。

图2 数据采集系统Fig.2 Data acquisition system

1.2 数据接收、处理系统

1.2.1 可移动端

在可移动端的数据接收及处理系统中，同样选择MSP430F149 作为主控单元，与下位机相连的无线通信模块选用与上位机相一致的HC-06 蓝牙模块，显示端采用一块0.96 英寸OLED 模块。可移动端数据接收、处理系统实物如图3 所示。

图3 可移动端数据接收及处理系统Fig.3 Mobile terminal data receiving and processing system

系统接收到的数据包是经过封装处理的，在对数据进行处理分析前，首先需要保证数据包的完整与正确，保证数据流以一个包（20 字节）为单位进入MSP430F149 寄存器，再对数据进行校验，保证数据包的准确性，最后解析出压力数据。

压力传感器经分压电路转换的电压数据，要转换为实际压力数据值需经公式转换。通过对每个点位进行的多次重复测试数据取均值，对压力电阻值与压力值进行公式拟合，得到压力值与压力电压值公式如下：

利用此拟合公式在程序中实现实际压力值的显示。式中F表示压力（N），V表示电压(V)。

1.2.2 电脑端

电脑端的数据接收与处理系统是基于LabVIEW 软件进行开发设计的，通过在LabVIEW中添加了Matlab 的脚本节点［16］，实现足底三维压力点动态显示。系统功能包括：读取蓝牙串口接收的数据包，对数据包进行校验并解析，数据预处理，原始数据的存储，可视化显示。

打开LabVIEW 程序，软件系统显示包含两个界面，分别是LabVIEW 面板显示的压力界面和Matlab 窗口显示的足底压力三维动态显示界面。

2 实验测试

2.1 COP 轨迹

COP 轨迹指人在静止状态下或运动状态下，足与地面接触过程中相互作用的力的大小、位置、作用顺序和分布等指标的综合结果［17］。应用COP 轨迹分析法可对受试者进行轨迹检测。

获取压力中心轨迹的横纵坐标，受限要选取合适的坐标系进行计算，本系统拟采用压力鞋垫的中心位置作为坐标的原点，将实验者站立时所面对的方向选为X轴正方向，将实验者面对方向的右侧选为Y轴的正方向，实验者的重心方向选为Z轴正方向。对实验者站立时压力中心轨迹的求解采用主流的质心法进行计算，估算式如下：

COPx和COPy分别表示COP 轨迹的横纵坐标；p(xi，yi)分别表示某一压力传感器的转换后压力值；i表示某一压力传感器的标号。

式中：trajectory_(A/P)为前后向（A/P）长度；trajectory_(M/L)为摆动向（M/L）长度；trajectory_total 为总摆动长度。dA/P为A/P向最大摆动幅度；dM/L为M/L向最大摆动幅度；以上参数单位均为毫米（mm）。

2.2 实验设计与结果

选取5 名健康成年人参与本次测试，穿上穿戴式足底压力检测装置，站立于装置上，双手自然下垂，眼光直视前方，待控制好平衡后按下开启按钮，实验开始。

测试一共分为4 组，分别采用睁眼双脚站立、闭眼双脚站立、睁眼单脚站立和闭眼单脚站立4种受试状态。测试时间一共为30 s，装置会在30 s 内自动记录100 组压力数据计算COP 轨迹相关指标，时间到后装置自动停止，OLED 屏幕输出指标结果，通过按键控制指标的切换显示。

每位共测试3 次，取平均值，选取的COP 测试指标为压力中心，取前后向（A/P）、摆动向（M/L）、总摆动长度、A/P向最大摆动幅度和M/L向最大摆动幅度。测试结果见表1。

表1 实验者站立测试结果Tab.1 Test results of standing

正常成年人睁眼站立稳定性要明显优于闭眼站立稳定性，双脚站立稳定性要明显优于单脚站立稳定性，睁眼双脚站立稳定性最佳，闭眼单脚站立稳定性最差，其测试结果与实际结果相符［18］。测试时LabVIEW 软件显示界面如图4 所示。

图4 测试时LabVIEW 软件显示界面Fig.4 Display interface of LabVIEW during test

3 结语

我们将足底压力检测技术应用在评定中，设计了足底压力信号采集分析与评定系统，实现了足底压力数据的采集、无线传输和分析处理等功能。实验结果表明，本系统分析处理结果对下肢功能恢复评定可提供定量的参考标准，后续通过与康复评估量表进行结合以及进一步挖掘采集足底压力数据的临床意义，使得康复评定更加科学、客观。