柔性傳感器在足底壓力測量系統中的應用

高敏， 張一帆*， 洪成雨， 李毓陵， 高衛東

(1.東華大學 紡織學院,上海201620；2.上海大學 土木工程系,上海200444；3.江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫214122)

隨著柔性傳感器技術和無線通信技術的迅速發展，傳感器成為智能產品的研究熱點。目前柔性傳感器在紡織品上的應用越來越廣泛，其柔性可穿戴智能紡織品也逐漸受到人們的關注。柔性傳感器作為在柔性基底材料上直接鍵合低楊氏模量形成柔性、拉伸性好和絕緣耐腐蝕的薄導電材料[1]，按結構形式可分為壓阻式、電容式、壓電式和應變式[2]，其中應用最廣、技術最為成熟的是壓阻式。將柔性傳感器與鞋制品相結合，可實現足底壓力柔性監測。如將柔性足底壓力測量系統放置在運動員的鞋墊中，可對其運動表現進行分析，并且可以預防損傷、控制平衡、診斷疾病等[3]。

目前常用足底壓力測量系統受到有線、移動性和可穿戴等方面的限制，在遠程足底壓力監測方面有很大的局限性，但隨著藍牙、GPRS和Internet無線技術的發展，逐漸實現了足底壓力遠程實時監測。在此基礎上無線鞋內足底壓力測量系統還可穩定傳輸數據，這項技術已經應用于微型生物醫學監測等其他用途。足底壓力分布已被認為是評估各種足部問題的重要因素，在臨床實踐中，足底壓力分布被廣泛用于診斷足部病理[4-5]。文中針對國內外足底壓力測試系統、足底壓力分布的影響因素[6-8]及柔性傳感器性能進行概述。

1 國內外常用的足底壓力測試系統

足底壓力分布測量系統從腳印法(Pedography)、足底壓力掃描器(Sole Barograph)、測力板(Force Plate)逐漸發展為能定性測量足底壓力大小的測力臺(Force Platform)、壓力鞋及壓力鞋墊[9-11]等。目前國內外足底壓力分布測量系統可分平臺式和鞋式壓力測試系統兩種類型。

國內主要側重于平臺式壓力測量系統的研究，常見的平臺式測量系統，一般將200～1 000個微型壓力傳感器以矩陣形式組成足底壓力測量平臺。如袁剛等[12]用200 個壓力傳感器組成的 300 mm×150 mm的壓力測量臺，用于測量糖尿病足患者的足底壓力。廣州市派康運動醫學有限公司研發了動態光學式足底測力系統，通過光學影像技術和傳感器測出足底壓力分布與人體姿態關系[13]。這些平臺式測量系統由于測量區域比較小，且傳感器在平臺中排列需較多連接線，造成平臺式測量系統比較笨重，不能置于鞋內，且不能滿足步態足底壓力測量，因此，在戶外和運動測量中有很大的局限性。

國內常見的平臺式足底壓力采集儀如圖1所示。該足底壓力采集儀具有足部漸層式壓力分布測量能力，測量范圍為(350 mm×150 mm)×2(雙腳測量)，足型尺寸測量精度為±1%，測量速度為實時測量。該足底壓力采集儀能測量從剛站立到保持靜態不動狀態下各階段的足底壓力大小和足底壓力分布影像，實現雙腳靜態足部壓力分布數據顯示，但其缺點是不能進行步態足底壓力分析和戶外運動狀態下的足底壓力分析。

圖1 足底壓力采集儀Fig.1 Plantar pressure collection instrument

國外對平臺式足底壓力監測系統進行優化，通過減小柔性基底材料的厚度和大小，增加傳感器數量，使用噴墨印刷電路，減少傳感器以矩陣形式在平臺中的線路排列問題。在保證平臺式壓力測量系統輕薄可彎曲特性的同時，印刷電阻增加了平臺式測量系統的長度，使得平臺式測量系統在運動狀態下也可進行足底壓力測量。國外平臺式壓力測量系統[2]如圖2所示。為了進一步擴大動態下足底壓力測量范圍，國外研究人員開始側重于鞋式足底壓力測量系統的研究，常見的鞋式足底壓力測量系統主要是利用Pedar和F-Scan傳感器制作，其實物如圖3所示。

圖2 平臺式壓力測量系統 Fig.2 Platform pressure measurement systems

圖3 鞋式壓力測量系統 Fig.3 Shoe pressure measurement systems

平臺式足底壓力測試系統主要是將傳感器以矩陣的形式嵌入平板中，可用于靜態和短程運動下的足底壓力分布研究，但僅限于實驗室研究。該系統的優點是足部與傳感器充分接觸，測量準確性較高，缺點是受空間的限制只能在室內測量。而壓力鞋或鞋墊測量系統穩定，結構簡單，可用于靜態和遠程運動下的足底壓力分布研究。

為準確測量鞋式足底壓力測量系統在自然狀態下的足底壓力，測試系統的準備需要注意：①移動性好。測試系統需要隨人體移動，所以要求測試系統越小越好，研究表明[14]質量為300 g或更小的鞋附件不會對步態產生影響。②無線化。理想的足底壓力測量系統是無線的，這是為了確保足底的舒適性和步態自然。③鞋與傳感器的結合度好。這要求傳感器柔軟、靈敏且不改變足底壓力的自然分布狀態[15]。④成本低。所選傳感器必須經濟實惠。⑤低功耗。測量系統應該是低功耗的，且保證數據收集和記錄的完整性。

2 影響足底壓力分布的因素

2.1 性別

男女足部形狀與大小不同的主要原因是足的外側輪廓、足弓、跖骨和腳拇指有所差異，這些差異導致男性和女性站立時足部壓力分布不同，通常男性足部與物體接觸面積大于女性，因此，壓力峰值與性別并沒有關系[8]。MURPHY D F等[16]研究也發現足中處的足底壓力大小與性別沒有關系。由于所查文獻中并沒有分析足部其他區域的壓力分布變化，所以性別對足部壓力分布的影響需要進一步研究[16]。

2.2 體質量

HILLS A P等[17]研究了肥胖和非肥胖受試者站立和行走時的足底壓力差異，結果顯示肥胖受試者在行走時足底壓力的峰值增加，因此可以初步判斷體質量是影響足底壓力分布的一個重要因素。體質量指數較高的人相比于非肥胖受試者足底與物體的總接觸面積有所增加；同時研究顯示，與非肥胖受試者相比，肥胖受試者的前足掌壓力峰值以及與物體接觸面積較高[9,18]。

2.3 年齡

HESSERT M J等[6]研究表明年輕人和老年人足底壓力分布有顯著差異。主要表現為老年人的足內側壓力普遍低于年輕人，但老年人隨著年齡增長足外側壓力有增高趨勢。BOSCH K等[19]研究顯示相比年輕人，老年人的壓力峰值有增高趨勢，而足跟和前足的壓力峰值有下降趨勢。由于足中區域的足底與物體接觸的時間更長，因此，年齡也是影響足底壓力的一個因素。

2.4 步速

利用Emed-F和Emed-SF2壓力板系統(Novel GmbH Munich Germany)分析了步速對足底壓力的影響[20-22]。研究發現測試者慢走和快速行走時，足底壓力都是增加的，但是快速行走時的增加幅度比較大，慢走時增加幅度比較小，最終，兩種速度下的壓力值會達到一個穩定值，這是由于人的體質量不會隨著速度增加。BURNFIELD I M等[23]研究結果顯示步速對足底壓力的影響是很明顯的，即使在慢速情況下足底壓力的變化也很大。

2.5 足型

足型對足底壓力分布有一定的相關性，研究表明[24-26]，在赤腳行走時，相比高足弓，偏平足患者的足底壓力比較大。由于高足弓患者足弓變形比較小，所以前足壓力較小。

2.6 鞋子類型

鞋子類型對足底壓力分布也有影響，研究表明[23,27-28]，穿著跑步鞋的最大壓力和壓力峰值都高于普通運動鞋。對皮鞋、跑步鞋和赤腳的足底壓力研究結果表明，慢走情況下穿著跑步鞋具有較小的足底壓力分布。影響足底壓力分布的因素見表1。

表1 影響足底壓力分布的因素

2.7 其他因素

足底壓力分布測量的準確性還受其他因素影響，如測量設備、測量區域、實驗數據收集、測試時間、步行速度、測試者心理等[32]。這些因素在實驗期間要進行標準化控制，以確保測量的準確性。足部關節的運動對了解足底壓力分布有重要意義，為了準確測量足底壓力，可增加測量區域實驗次數，每個實驗次數不得少于3次，以確保數據的準確性，實驗之前應將實驗的影響因素控制在誤差允許范圍內。

3 柔性傳感器的性能要求

足底壓力測量系統的柔性傳感器要求必須要有合適的線性度、滯后性、傳感尺寸、壓力范圍和溫度敏感性[14-15,23]。 對于不同性能的柔性傳感器，選擇合適的應用范圍非常重要。

3.1 滯后性

傳感器的滯后性是指載荷從零點以單調遞增的方式加載時與載荷從額定載荷以單調遞減的方式卸載時，在相同載荷值條件下，傳感器的輸出值存在差值。通常以這個差值與柔性傳感器滿量程輸出之比表示。當對傳感器加載和卸載時，傳感器的輸出信號和輸入信號不相等，這表示傳感器的響應有滯后性，傳感器不是線性輸出，一般都會選擇滯后性小的傳感器[34]。

3.2 線性度

柔性傳感器的線性度是傳感器的靜態特性，是指傳感器的電阻與應變之間的線性關系。將一個相當于可變電阻的柔性傳感器接入電路，對傳感器施加壓力，電路中電阻變化，導致電流和電壓發生改變，電壓與力呈現線性關系，表示傳感器的電路處理過程簡單，傳感器對力的響應是線性的。高度線性關系需要非常簡單的信號處理電路，反之亦然，因此有線性關系的傳感器是最優的。

3.3 溫度敏感度

根據熱脹冷縮原理，傳感器隨著環境溫度變化，示數會發生改變。傳感器是由不同材料組成的，因為它們對溫度變化的反應不同，根據人體體表溫度， 在20～37 ℃范圍內具有低溫敏感度的傳感器是首選[15]。

3.4 壓力范圍

不同用途的傳感器需要有不同的壓力范圍， 最大壓力是柔性傳感器可以測量的上限，反之亦然。BEEBY S P[34]認為體質量為75 kg的人當前腳掌站立時，如果壓力均勻分布，則每31.2 mm2足底面積的界面壓力接近2.3 MPa。在實驗中利用F-Scan鞋墊式測量系統，發現最大測量壓力為0.1 MPa。同時URRY S[9]研究發現足底壓力在某一瞬間高達3 MPa，因此足底壓力測量系統需選用上限為3 MPa的傳感器。

3.5 傳感器的測量區域

柔性傳感器的尺寸和位置也很重要，傳感器的位置擺放如圖4所示。大的傳感器可能會降低壓力峰值，因此建議使用5 mm×5 mm的小傳感器[34]。

圖4 傳感器的擺放位置Fig.4 Placement of sensor position

3.6 采集頻率

為了準確測量足底壓力，根據人體走路和跑步的步頻，將柔性傳感器采集頻率設置為200 Hz以上。通常認為這個頻率可以對人體日常的步態活動進行采樣。

3.7 蠕變和重復性

蠕變是柔性傳感器受到長時間恒定載荷或應力的一種永久變形，低蠕變柔性傳感器是足部壓力測量的重點。重復性是指傳感器在相同實驗條件下，經多次相同載荷作用而產生與之對應的輸出值，其輸出曲線重合度越好，重復性就越好，誤差也越小。重復性是保證傳感器長時間穩定使用的重要因素，影響傳感器重復性的因素有機械部分的磨損、間隙、松動、部件的內摩擦、積塵等原因[34]。除了上述原因之外，傳感器的壓力范圍和尺寸也是造成測量不準確的原因之一。

4 足底壓力主要測量點

根據人體工學和解剖學，足底壓力測量區域可以劃分15個區域，足后部(1～3)，足中部(4～5)，跖骨(6～10)和腳趾(11～15)，具體如圖5所示。受傳感器尺寸、數據采集系統等因素的影響，目前足底壓力測量系統只測量其中幾個重要的區域[35]。

圖5 足底壓力測量區域Fig.5 Plantar pressure measurement areas

足底壓力是人體重要的生理參數，平臺式足底壓力測量系統只局限于一步或數步的足底壓力測量，但是生物醫學監測的趨勢是實時和現場測量，而鞋式足底壓力測量系統則可以實現遠程足底壓力測量，這對于人們了解人體日常活動時的足底壓力分布是至關重要的，同時也可以為運動員的步態分析提供理論依據。幾種足底壓力測量系統見表2。

表2 足底壓力測量系統

5 結語

文中主要介紹了常見的足底壓力測量系統，通過分析柔性傳感器在足底壓力測量系統中的適用性，從而優化足底壓力測量系統，并對人體足底壓力進行討論分析。目前，足底壓力測量系統還有很多需要改進的地方，如傳感器采集系統的穩定性，如何實現無線足底壓力實時監測，如何設計出符合人體工學的足底壓力測量系統等，都需要研究人員進行更深層次的研究。

另外，柔性傳感器在足底壓力測量系統的應用也不夠完善，不同類型的傳感器價格和測量精確度存在明顯差別。如果能夠改善傳感器精度、傳感器滯后性以及提高線性度，足底壓力測量的精確度將會有顯著提高。同時，還可以完善足底壓力測量區域，來提高足底壓力的測量精度。隨著無線智能技術的發展，無線足底壓力測量系統將日趨成熟，為遠程實時監測足底壓力奠定了基礎。