下肢癱瘓人群智能監測鞋設計開發

摘 要：針對下肢癱瘓人群在外出活動或者康復訓練中無法準確感知下肢痛覺、腳踝扭傷后不能及時發現的問題，設計了帶有防護功能的智能監測鞋。通過對足踝生理結構和損傷機制的研究，總結歸納出足踝活動閾值，利用MPU6050姿態傳感器對用戶的足踝活動進行實時監測；并設計手機APP對監測狀態進行反饋；通過對足踝處壓力值的重新分配設計了彈性護踝，將護踝與鞋子一體化創新設計以此實現智能監測鞋的防護性能和監測性能。智能監測鞋能對用戶的腳踝起到一定的防護和受傷警示作用，在下肢癱瘓人群日常生活和康復訓練中起到了積極作用。

關鍵詞：智能服裝；姿態傳感器；智能警示；護踝鞋

中圖分類號：TS941.12 文獻標識碼：A 文章編號：2095－414X（2024）03－0070－06

0 "引言

根據世界衛生組織（WHO）的數據，全球有超過250萬下肢癱瘓患者，造成下肢癱瘓主要是脊髓損傷、腦部疾病和損傷、肌肉和神經疾病、外傷意外事故或先天缺陷癱瘓影響神經和肌肉系統功能，包括感覺、肌肉控制和協調能力，這些功能的下降會導致關節的穩定性下降^[1]等。對于癱瘓患者，保持關節的穩定性非常重要。踝關節扭傷是最常見的扭傷之一，其中74%的踝關節扭傷患者會出現持續的殘余癥狀^[2]。踝關節作為連接小腿和腳部的關節，在人體坐姿狀態或行走時不易觀察其狀態，尤其是癱瘓人群在日常使用輪椅或康復訓練中容易造成腳踝扭傷，且癱瘓人群肢體自愈能力差，易導致病情惡化^[3]。智能監測鞋可以實時監測癱瘓人群腳部狀態，對扭傷情況及時反饋，并帶有護踝功能，可以減少癱瘓人群足踝受傷概率。

目前關于監測姿態服裝的研究主要采用傳感器監測人體狀態并通過無線傳輸模塊傳達到信號接收設備。如李帥等^[4-6]通過慣性傳感器監測頸椎和胸椎狀態判斷人體坐姿，結合貼片電動機對坐姿進行矯正提醒。王樂樂等^[7-8]用傾斜角加速度傳感器對用戶身體姿態進行監測判斷用戶是否摔倒，若系統監測到用戶摔倒智能芯片可以實現快速報警，并將用戶的位置信息發送到緊急聯系人手機上。王夢琦^[9]結合人體腿部不同位置的變化信號，制備了基于姿態傳感器的可拆卸式傳感器，可以監測蛙泳時人體腿部的動作變化。由此可見，目前關于姿態監測服裝有了一定程度的發展，但大多數產品使用單一傳感器監測人體某一部位的姿態，姿態識別不準確，容易造成系統誤判，且大部分只是將傳感器簡單地放置在現有的服裝上，沒有將傳感器與服裝進行結合設計，實用性不強。

因此，本文建立了基于雙姿態傳感器的智能監測系統，將智能監測模塊與鞋子進行結合，設計了APP進行數據反饋和腳部狀態顯示，并根據癱瘓人群護踝需求和監測硬件與產品結合問題對鞋子款式進行創新設計。這種設計方案在物理提高足踝穩定性的同時對足部狀態進行實時監測，在癱瘓病人日常生活及康復訓練中起到了積極作用。

1 "足踝生理結構和踝關節損傷機制

踝關節由脛骨、腓骨下端的關節面和距骨滑車組成，也稱為距骨小腿關節，三者為主要的活動骨關節^[10]。踝韌帶結構由下脛腓韌帶、內側韌帶和外側韌帶組成。韌帶能夠使骨關節相互連接和運動，同時對抗足外翻、足內翻和后足外翻等作用，踝韌帶在踝關節結構中對保持穩定起著重要作用^[10]。人體足踝運動是復雜的組合運動，包括背屈、屈曲、內翻和外翻。相關實驗指出足踝伸屈運動可以視為具有一個特定的旋轉中心，在運動中受關節面支撐，韌帶產生拉力，可以通過機械連桿機構模擬伸屈運動規律^[11]。

當踝關節受到扭轉、旋轉、伸張或屈曲等力量時，踝關節周圍的肌肉、韌帶和骨骼會發揮作用來維持關節的穩定性，如果這些組織受到損傷，就會影響踝關節的穩定性，導致踝關節扭傷和其他損傷。足踝的耐受限度取決于多個因素，包括骨骼結構、肌肉強度和柔韌性等。根據查閱相關資料總結^[12-13]，踝關節運動范圍為20°的背伸運動、40°的跖屈運動；內翻30°，外翻20°；以踝關節為軸心腳掌的左右旋轉，跗骨關節內收30°，向外展為30°。

人體的骨骼存在一定的個體差異，尤其是在特殊人群之間，但是足踝運動的主要特征在基本結構和形態保持不變的情況下會保持一致^[14]。癱瘓患者下肢長期無法充分活動，會導致肌肉和韌帶逐漸縮短變硬，鄰近的韌帶也會受到影響，使癱瘓部位的關節變僵，限制肌肉和韌帶的活動范圍^[15]。因此與普通人相比，足踝運動耐受角度更小。在監測系統中，將各個耐受角度縮減5°，設置耐受限度背伸運動15°，跖屈運動35°，內翻25°。外翻15°，內收25°，外展25°，如圖1所示。

2 "智能監測鞋整體研發方案

智能服裝是服裝工藝、信息傳感技術、通信技術和人工智能等領域的有機結合^[16]。智能服裝不僅要感知外部環境或內部狀態的變化，而且要通過反饋機制實時地對這種變化做出反應。因此，智能監測鞋的設計不僅需要探索在系統功能上的參數設計，也要根據癱瘓人群對穿鞋的需求進行功能和款式設計創新。

本文智能鞋的研發分為腳踝姿態監測系統開發和款式開發兩個方面。姿態監測系統通過腳踝上下的兩個姿態傳感器提供實時數據，由藍牙將數據傳輸到手機APP，再由軟件對數據進行判定，若數據超過閾值，系統則會通過手機聲音震動對用戶進行提醒。用戶可以在APP端通過虛擬三維模型查看腳部狀態，及時對下肢狀態進行調整，降低受傷概率。款式開發包括對護踝功能的設計和鞋子整體設計，將硬件監測模塊、護踝和鞋子進行創新結合，使其在具備功能的同時更加方便癱瘓人群穿脫。整體設計方案如圖2所示。

3 "智能監測鞋系統設計

3.1 "硬件系統設計

智能監測硬件系統分為左腳和右腳兩個部分，每部分都成一個獨立的硬件系統，分別由STM32F103C8T6微控制器、兩個GY-521MPU- 6050慣性傳感器、HC-06主從一體藍牙、開關和電源組成。如圖3所示，系統中，慣性傳感器1放置在腳踝下面，慣性傳感器2放置在腳踝上面，通過對兩個傳感器之間角度的判定對用戶足踝狀態進行實時監測，STM32微控制器將數據采集后通過串口發送到藍牙模塊，再由藍牙HC-06將數據傳輸到手機APP。為方便后期軟件更新和系統升級，由手機APP對數據進行判定。硬件系統結構圖如圖4所示。

STM32微控制器尺寸22mm×53mm，供電電壓2.0V-3.6V，支持低功耗模式，擁有USB、CAN、2個ADC和9個通信接口，性能穩定，處理速度快。GY-521MPU-6050慣性傳感器尺寸20mm×15mm，搭載三軸陀螺儀和三軸加速度計，供電電源3-5V，角速度全格感測范圍為±250°、±500°、±1000°與±2000°/SEC（DPS），可準確追蹤快速與慢速動作。HC-06主從一體藍牙尺寸35mm×15mm，輸入電壓3.6-6V，接口電平3.3V，可以直接連接各種單片機，空曠地有效距離10m，引出接口包括VCC、GND、TXD、RXD、KEY引腳、藍牙連接狀態引出腳。硬件監測系統電路圖如圖5所示。

3.2 "軟件系統設計

APP軟件系統設計包括數據接收與3D顯示以及數據判斷與危險報警兩個部分。當APP通過藍牙接收到用戶腳部狀態數據時，通過計算后會將數據在手機界面以三維的形態顯示出來，方便用戶查看。當系統監測到用戶腳部可能處于不正常狀態時，手機會彈出危險報警對話框，并伴隨聲音震動提醒用戶查看腳部狀態，若用戶在20秒內沒有點擊取消，系統會再次通過手機聲音震動對用戶提示，二次提醒延時20秒后APP會自動向監護人發送短信，以確保用戶的安全。

APP首頁通過藍牙連接與產品進行配對使用，連接藍牙后即可進入實時狀態界面，界面中人體腳部以三維狀態顯示以方便用戶查看。APP配備論壇交流功能，用戶可在論壇中發帖交流。在用戶界面中用戶可以根據個人喜好對APP色彩、設備名稱等進行個性化設置。APP界面如圖6所示。

3.3 "姿態監測算法

如圖7所示，傳感器1被放置腳踝下方，傳感器角度會跟隨腳踝的變化進行變化，以此達到對腳踝監測的目的。人體腳踝曲率會在x₁、y₁軸發生變化，因此引入z₁軸傾斜角度θ來反應腳踝角度變化范圍，分別用θx和θy表示x軸和y軸上的彎曲角度。不管腳踝角度如何變化，θ值都會跳動。因此姿態角θ可以作為判斷人體姿態的參考量。其定義為：

在智能監測鞋系統中需要對踝關節變化引起的姿態角θ變化和其他關節引起的姿態角θ變化進行區分。因此，將傳感器1放置在踝關節下方，引入傳感器2放置在踝關節上方。

兩個傳感器原始為平行狀態，傳感器2為傳感器1提供角度參考。當兩個傳感器同時檢測到角度發生變化，且兩個傳感器之間的角度沒有超過設置閾值時，系統則判定為其他關節變化引起的姿態角θ發生變化。當傳感器1與傳感器2同時變化或傳感器1單獨變化，二者之間的角度超過閾值，此時無論傳感器2處于何種角度，系統都會判定是由踝關節變化引起的姿態角θ變化，若角度超出閾值，則判定為腳踝可能處于不正常狀態，觸發手機報警提示。根據前期研究，對z₁軸相對旋轉角度閾值設置+25°，-25°；x₁軸相對旋轉角度設置+15°，-35；y₁軸相對旋轉角度設置+25°，-15°，左右腳取反。

MPU6050傳感器模塊采集小腿和腳部運動角度，通過串口傳輸到STM32微控制器中，微控制器接收到數據后，對數據進行姿態運算，通過藍牙將運算數據傳輸到手機端口，手機APP對數據進行判斷，如果判斷出用戶腳踝角度超過正常閾值，則會通過手機聲音震動進行提示。姿態識別算法實現流程圖如圖8所示。

4 "智能監測鞋護踝功能和款式設計

4.1 "智能監測鞋護踝設計

從足踝運動損傷機制來看，限制足踝運動角度范圍是一種有效的護踝產品設計方法，護踝產品可以有效減少踝關節扭傷的情況^[17]。現有的踝護具主要分為彈性類和支撐類兩種。彈性類護具可以根據壓力需求纏繞在人體關節部位，主要用于運動時的關節防護，穿戴方便、舒適透氣；支撐類護具采用柔性、半剛性或剛性材料制作，對關節的固定性更強，主要用于足踝部位受傷后恢復使用^[11]585-591。且有研究表明適當壓力的服裝可以有益于消除肌肉疼痛、肌肉損害和炎癥^[18]，因此在智能監測鞋的設計中采用彈性類護具。

彈性護踝的款式設計重點應考慮兩個方面：第一提高護踝拉力和壓力，輔助韌帶發揮作用，第二要在人體壓力舒適范圍內約束足踝角度范圍^[19]。彈性護踝在足踝表面產生壓力，受足踝表面形態相關的特征影響，考慮人體的舒適壓力，分析織物在足踝的壓力區，對較小壓力區域添加支撐材料，通過壓力傳遞提高與人體接觸部位的壓力值使彈性護踝壓力均勻分布^[20]。

如圖9所示，彈性護踝壓力極大區域主要在后腳跟，極小區域主要在內側腳踝突出后下部分、外側腳踝突出后下部分、跖骨上部和足弓四個部位。為提高彈性護踝整體壓力，極大壓力區域采用后腳跟的鏤空設計，以減少最大壓力。極小壓力區域位于腳踝的兩側，內側三角韌帶、外側副韌帶、距腓后韌帶和跟腓韌位于其中，這些側韌帶的薄弱性使得它們在足踝內翻的過程中容易受傷。因此，在設計彈性護踝時需要特別考慮這些極小壓力部位。在腳踝左右側嵌入硅膠襯墊，提高該部位的壓力，使腳踝處的壓力重新分配到周圍，加大極小壓力區壓力，同時足踝兩側的硅膠襯墊在彈性織物拉力的作用下可以緊貼踝關節，在一定程度限制也踝關節的運動。為進一步增強對踝關節限制，在足踝后區和腳掌兩側設置低彈性區域。護踝款式設計及壓力測試圖如圖10所示。在CLO3D中進行壓力模擬測試，

壓力區間在3kPa～8.3kPa，參考服裝舒適性壓力不超過9kPa^[11]585-591，壓力適中。

4.2 "智能監測鞋款式設計

鞋子整體設計不僅要考慮智能監測模塊、護踝功能與鞋子的結合，還要具備易穿脫的功能。

4.2.1 "傳感器、護踝與鞋子的結合

如圖11（a）所示，傳感器1、電源及其其他硬件模塊置入鞋底，傳感器2放置在護踝內側上方，兩傳感器之間使用導電紗線連接。電源充電口和開關在腳后跟部位，為防止涉水設計充電口口塞。如圖9（b）所示，將護踝與鞋子連接成一個整體，設計護后腳跟部位保護腳跟以免在用戶活動時造成不必要的磨損。

4.2.2 "穿脫設計

護踝穿脫采用在前面用魔術貼固定，即方便穿脫，也可以保證護踝緊貼踝部，適當對踝部加壓，保證腳踝上方的傳感器運動準確性。護后腳跟部位與鞋面通過彈性帶連接，連接通過魔術貼固定，進一步增加鞋子的穩定性。

5 "結語

本文針對下肢癱瘓人群輪椅外出、日常生活或康復訓練時無法準確感知下肢狀態腳踝扭傷后不能及時發現的問題，結合電子信息技術、傳感技術、紡織科學、服裝設計等多個交叉學科，設計了帶有防護功能的智能監測鞋。通過對醫學、生物力學等方面的文獻的查閱，總結出正常人體踝關節運動范圍為背伸20°、跖屈40°；內翻30°，外翻20°；內收30°，外展30°。智能監測系統中，通過放置在小腿內側和腳底雙傳感器對用戶腳踝角度進行實時監測并通過藍牙將監測數據傳輸至手機APP端口，系統通過手機APP對用戶進行危險提示，并可以實時查看腳部三維狀態。為進一步防止用戶腳踝受傷，通過對足踝形態與彈性護踝壓力分析總結彈性護踝極大壓力區主要在后腳跟，極小壓力區域主要在內側腳踝突出后下部分、外側腳踝突出后下部分、跖骨上部和足弓四個部位，通過極大壓力區鏤空，極小壓力區加入硅膠襯墊的方式增加整體壓力值，設計了鞋靴一體式護踝。將智能監測模塊對鞋子款式進行創新設計，將傳感器、護踝和鞋子三者進行結合，為方便穿脫和調節壓力大小，采用魔術貼進行固定。智能監測鞋實用性強，能有效輔助下肢癱瘓人群日常活動和康復訓練。考慮到市場產品的多元需求，在未來還需要進行更深入的研究以繼續完善產品。

參考文獻：

• 孫洪穎. 臥式下肢康復機器人研究[D]. 哈爾濱工程大學， 2011.
• 姜海波. 人體下肢關節系統的生物力學研究[D]. 中國礦業大學， 2008.
• Sheffler LR， Hennessey MT， Naples GG， Chae. Perceptions of knee function in individuals with incomplete spinal cord injury[J]. Am J Phys Med Rehabil. 2013， 92（3）： 239-47.
• 李帥. 智能矯姿服裝系統的設計與開發[J]. 毛紡科技， 2022， 50（9）： 54-60.
• 薛家和， 江學為. FM智能監測矯正服[J].服飾導刊， 2021， 10（4）： 4.
• 張樹梅， 劉福壽， 鐘安華. 可監測脊椎健康狀態的功能性服裝設計[J]. 服飾導刊， 2020， 9（1）： 65-69.
• 王樂樂， 劉茜， 亓洋洋， 等. 老年人摔倒智能報警服裝設計與開發[J].傳感器與微系統， 2021， 40（9）： 98- 100.
• 李子丹， 王秋寒. 老年人智能化防摔馬甲設計[J]. 服飾導刊， 2021， 10（1）： 82-86.
• 王夢琦， 狄平， 李毅偉， 等. 用于蛙泳識別的傳感褲設計[J]. 上海紡織技， 2022， 50（12）： 44-46.
• 駱宇豪. 一體式護踝籃球運動鞋設計[D]. 湖南科技大學， 2020.
• Leardini A， O'Connor J J， Catani F， Giannini S. A geometric model of the human ankle joint[J]. Journal of Biomechanics， 1999， 32（6）： 585-591
• 張春強. 足踝護具產品設計理論與方法研究[D]. 西安理工大學， 2022.
• Wiewiorski M， Hoechel S， Anderson A E， Nowakowski A M， DeOrio J K， Easley M E， Nunley J A， Valderrabano V， Barg A. Computed Tomographic Evaluation of Joint Geometry in Patients With End-Stage Ankle Osteoarthritis[J]. Foot amp; Ankle International， 2016， 37（6）： 644-651.
• 張春強， 吉曉民， 薛艷敏，等. 足踝關節復合運動模擬與測量[J]. 機械科學與技術， 2021， 40（4）： 542-547.
• English， C. K.， Hillier， S. L.， amp; Stiller， K. R. . Widespread Muscle Weakness is a Common Consequence of Severe Stroke[J]. Journal of Rehabilitation Medicine， 2017， 39（6）： 435-441.
• 丁永生， 吳怡之， 郝礦榮. 智能服裝理論與應用[M]. 北京： 科學出版社，2013.
• 范婷， 王喆， 楊亦敏， 等. 護踝對不同運動水平踝關節不穩者下肢運動學特征的影響[C]. 中國體育科學學會. 第十二屆全國體育科學大會論文摘要匯編：專題報告（運動生物力學分會）， 2022.
• Zwiers R， Blankevoort L， Swier C A. Taping Techniques and Braces in Football[C]. In： d'Hooghe P.， Kerkhoffs G. （eds） The Ankle in Football. Paris： Springer， 2014： 287-310.
• Hill J， Howatson G， Van Someren K， et al. Ompression Garments and Recovery from Exercise-induced Muscle Damage： a Meta-analysis[J]. British Journal of Sports Medicine，2014，48（18） ： 1340-1346.
• 張春強， 吉曉民， 薛艷敏， 等. 足踝形態與彈性護具壓力分析及應用研究[J]. 機械科學與技術， 2020， 39（11）： 1676-1684.

Design and Development of Intelligent Monitoring Shoes for Paraplegic

WANG Yan，LI Yue

（School of Fashion Design， Wuhan Textile University，"Wuhan Hubei 430073，"China）

Abstract："In order to solve the problem that people with lower limb paralysis cannot accurately perceive pain in lower limbs during outdoor activities or rehabilitation training， and cannot timely detect ankle sprain， intelligent monitoring shoes with protective function are designed. Dual attitude sensors are used to monitor the user's ankle， and the ankle guard is designed by redistributing the pressure value at the ankle. The sensor， ankle guard and shoes are combined with innovative design to increase the protection while monitoring the user's ankle. The results show that the monitoring accuracy of intelligent monitoring shoes in stationary and slow walking state is 100% and 98%， which plays a certain protective role on the user's ankle， and also plays a positive role in the daily life and rehabilitation training of lower limb paralysis.

Key"words："smart clothing; attitude sensor; intelligent warning; ankle shoes

（責任編輯：李強）

引文格式：王妍，李月. 下肢癱瘓人群智能監測鞋設計開發[J]. 武漢紡織大學學報，2024，37（3）：70-75.

WANG Yan，LI Yue. Design and Development of Intelligent Monitoring Shoes for Paraplegic[J]. Journal of Wuhan Textile University，2024，37（3）：70-75.

*通信作者：李月（1970-），女，副教授，博士，碩士生導師，研究方向：服裝數字化與制版技術

作者簡介：王妍（1999-），女，碩士研究生，研究方向：服裝數字化與制版技術.

基金項目：武漢紡織大學服裝數字化工程技術中心基金項目（161027）.