CN101869481B - 一种医用智能测试调节负重量的鞋垫 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用智能测试调节负重量的鞋垫，由压力采集鞋垫和信号处理器组成，采集鞋垫由外包面层、夹有多个压力传感器的上下金属板层及上下皮质层组成鞋垫形层状结构，多个压力传感器均被焊接于上下金属板层中间，分布于鞋垫脚掌及脚跟位置，上下皮质层对应夹住上下金属板层，EVA材质外包层包裹夹有金属板层及上下皮质层后，沿边线缝制为一个整体鞋垫，传感器引出线从鞋垫中部外侧引出，通过接头连接信号处理器，完成数据的A/D转换和数据采集并通过微机控制单元处理后，输出电信号至报警器及显示屏。本发明体积小巧、便于携带、实时检测，准确测量负重量，根据测量值调节负重量大小，便于患者术后康复锻炼。

Description

一种医用智能测试调节负重量的鞋垫

所属技术领域

本发明涉及医疗测试技术领域，特别是涉及到一种医用智能测试调节负重量的鞋垫。

技术背景

腿部骨折内固定技术是骨科临床中使用最广泛的治疗技术之一，它相对于传统保守治疗的优点是能够在骨折早期提供稳定的固定，从而可为病人提供早期的关节活动和负重，以利于患者的肢体功能在骨折愈合的同时得到恢复。但对患者进行内固定手术后，对其负重量的大小并没有统一的标准，主要由医生凭经验确定负重量的大小，造成其负重的科学性不够严谨。造成这一现象的主要原因有：一、患者骨折类型的不同；二、内固定的方式和强度的不同。三、骨折愈合的进展不同。四、患者年龄、体重等的差异。除上述原因以外，更主要的是，目前还没有能够实时、准确测量患者术后负重量的测试仪器。并且，患者在依从性的差别也导致实际负重量的不可控制。而有关足底压力分布测量技术，目前有以改变电阻值为原理测量压力分布的足底压力测试板，测试内容包括动态和静态两种。测试板置于平地或嵌入地面，它通过对患者足底压力动、静态检测以及重心、时间、平衡和冲量等数据的分析，发现由于髋、膝、踝关节的病变以及脑瘫和糖尿病足部等疾病反映在步态上的异常。此系统可用于赤足或穿鞋的走、跑等不同运动的分析。但由于测试板只能测量足底负重的压力分布的相对数值，而不能实时对负重的绝对数值进行测量，并且压力测试板只能固定于地面，且所连接设备体积庞大，无法携带，同时患者也不可能在机器上进行功能恢复和锻炼，所以不适用于术后的康复锻炼。对此，为克服上述腿部骨折内固定手术后不能准确判断负重量大小的不足，研制一种能够便于携带、实时准确测量及调整所需合理负重量、便于患者术后康复锻炼的测试仪器是本技术领域中当前急需完成的任务。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种体积小巧、便于携带、实时检测，准确测量负重量，并根据实际测量值调整负重量，便于患者术后康复锻炼的医用智能测试调节负重量的鞋垫。

为了达到上述目的，本发明采用以下结构的技术方案：一种医用智能测试调节负重量的鞋垫，由压力采集鞋垫和信号处理器组成，其特点是，压力采集鞋垫由外包面层、夹有多个压力传感器的上下金属板层及上下皮质层组成鞋垫形层状结构，多个压力传感器均被焊接于上下金属板层中间，鞋垫脚掌位置设置的传感器数量多于脚跟位置，上下皮质层对应夹住上下金属板层，外包面层为EVA材质的泡沫塑料，对应包裹上下金属板层及上下皮质层后，沿边线缝制成为一个整体鞋垫，压力传感器的引出线从鞋垫中部外侧引出，通过连接线及接头连接信号处理器；信号处理器包括数据处理模块、微机控制单元、调节按钮、报警器及显示屏，数据处理模块将接收到WLK压力传感器输出的压力信号后，完成数据的A/D转换和数据采集并通过微机控制单元智能处理后，输出电信号至报警器及显示屏。

上述所述压力传感器的数量为2至16个。

上述所述压力传感器为半导体扩散式硅压阻微型WLK压力传感器。

上述所述鞋垫的尺寸大小按照制鞋国家标准尺码系列规定。

本发明的结构工作原理是：患者在实施了腿部骨折内固定技术后，在站立和步行等运动中，足的特定解剖区域支撑着人体大部分重量，并调节着人体的平衡，测量这些部位的力可以获取下肢乃至全身的生理、结构及功能等方面的大量信息，本发明将足底压力分布测量系统制成鞋状，当人体站立或步行时，传感器的受力点经过金属板与足底紧接。多个压力传感器分布在脚跟后侧、内侧、脚跟外侧、脚中部、脚掌前多个跖骨下方处，通过金属板平衡压力后构成鞋形脚底受力测试区；所放置传感器的精确位置应根据脚的长度、宽度、脚型、骨骼分布状态进行确定；根据足底压力分析结果，压力传感器的分布为：在足底主要受力部位放置压力传感器，在足跟处放置2-5片，在脚掌处放置3-11片，共2-16片压力传感器。传感器引线从脚外侧引出接入信号处理系统；并根据尺码不同设计大小不一的鞋垫。本发明中，WLK压力传感器是将压力信号转换成电信号的重要元件，主要用于测量骨折端负荷及临床应用，因此要求其除满足测量量程、灵敏度、测量精度、分辨率等指标要求外，还应满足重复性好、性能稳定、系统轻便小巧、不妨碍人体步行动作，不改变足底压力的自然分布状态等要求。经反复实验，选用高灵敏度的压阻式应变片微型WLK传感器，压阻式应变片组成惠斯登电桥的四个桥臂；在外力作用下，四臂全桥电路作差动变化，从而输出与压力成正比的电压信号；传感器的量程是由系统的测量量程确定，系统的测量量程指标取决于体重、步行速度及传感器的安置结构。患者进行康复训练，行走时足底受力不超过70kg，根据传感器布置，单个传感器受力的最大值约为25Kg，力值分布于0～20kg之间，根据传感器的型号选择力传感器的量程为100Ib(约为45kg)。传感器将被测压力信号输入给信号处理器后经数据处理模块转换成电压信号；在基于单片机原理的测量中，物理信号转换成电信号进人单片机处理之前，所测的物理电压信号很低且对噪声敏感，需要对电压信号进行放大和滤波。而WLK传感器的差模输出非常小，约为0～4mv，而且其输出电压有比较大的共模值，约为2.5v，所以其前置放大器选用AD623仪表放大器，它可以减少噪声，提高共摸抑制比(CMRR)；利用一只外接电阻可以设置1-1000范围的增益，形成一种完整差分放大系统，由 于对内部匹配电阻进行了精密激光修整，所以具有优良的线性度和共模抑制，WLK传感器信号经仪表放大器放大后，经过信号调理电路，进行A/D转换和数据采集，通过微机控制单元对其输出量进行采集及处理；处理后的电信号输出至报警器及液晶模块显示，便于患者实时观察负重效果，并根据预设值和实际测量值增加或减少负重量的大小，如负重超过设定值，则报警器鸣响，提示患者调整肢体负重量。信号处理器，体积小巧，可以手持或挂在患者腰间。

本发明精度测试，采用TCS-计价电子台秤，测量量程100Kg，最小分辨率为50g，在鞋垫上加载，从0Kg加载到70Kg，以5Kg为一档，根据电子台秤的读数来确定所加负载的质量，同时读取段式液晶显示的数据并记录，测试5次；测试数据如下表

测试数据

由测试数据可得，负载与试验平均值之差为1.2Kg，试验值与负载最大绝 对差值为2Kg，试验值最大绝对差值为3Kg。以满量程为70Kg，通过分析计算，得到鞋垫测力的测试精度为 

表明测试精度较高，符合精度误差标准。

由于采用上述压力采集鞋垫和信号处理器测试负重量的结构原理，本发明具有体积小、测量负重绝对值、实时监测、智能调节和控制、便于携带和使用方便等特点。使患者能够根据测得实际负重量对患肢负重进行调整，从而有利于患肢康复，达到了发明目的。

附图说明：

图1为本发明结构局剖示意图

图2为图1的沿A-A剖面放大剖视图

图3为本发明前置放大器电路原理图

图4为本发明传感器信号放大电路图

具体实施方式：

下面结合附图详述本发明，从图1至图4可看出本发明的结构原理，图1显示出本发明由压力采集鞋垫和信号处理器组成，图2为图1的沿A-A剖面放大剖视图，进一步说明了本发明压力采集鞋垫部分的结构，压力采集鞋垫由外包面层1、夹有八个WLK压力传感器2的上下金属板层3、13及上下皮质层12、14，组成鞋形层状结构，WLK压力传感器2为半导体扩散式硅压阻微型WLK压力传感器，八个WLK压力传感器2均焊接于上下金属板层3、13中间，鞋垫脚掌位置设置五个WLK传感器2，脚跟位置设置三个WLK传感器2，上下皮质层12、14对应夹住上下金属板层3、13，EVA材质的泡沫塑料外包面层1对应包裹上下金属板层3、13及上下皮质层12、14后，沿边线缝制成为一个整体鞋垫；WLK压力传感器2的引出线4从鞋垫中部外侧引出，通过连接线5及接头6连接信号处理器；信号处理器包括数据处理模块7、微机控制单元10、调节按钮8、报警器9及显示屏11；数据处理模块7包括前置放大器、传感器信号放大器及A/D转换电路，数据处理模块7将接收到压力传感器2输出的压力信号，经前置AD623仪表放大器放大后输入给传感器信号放大器，放大的模拟信号经A/D转换电路完成数据的A/D转换成数字信号后并通过微机控制单元10智能处理后，输出电信号至报警器9及显示屏11。图3是前置放大器AD623仪表放大器的电路原理图，图4则是传感器信号放大电路图。

本发明鞋垫的尺寸大小按照制鞋国家标准尺码系列规定制作。

Claims (4)

1.一种医用智能测试调节负重量的鞋垫，由压力采集鞋垫和信号处理器组成，其特征在于，压力采集鞋垫由外包面层(1)、夹有多个压力传感器(2)的上下金属板层(3、13)及上下皮质层(12、14)组成鞋形层状结构，多个压力传感器(2)均布焊接于上下金属板层(3、13)中间，鞋垫脚掌位置设置的传感器(2)数量多于脚跟位置，上下皮质层(12、14)对应夹住上下金属板层(3、13)，外包面层(1)为EVA材质的泡沫塑料，对应包裹上下金属板层(3、13)及上下皮质层(12、15)后，沿边线缝制成为一个整体鞋垫，压力传感器(2)的引出线(4)从鞋垫中部外侧引出，通过连接线(5)及接头(6)连接信号处理器；信号处理器包括数据处理模块(7)、微机控制单元(10)、调节按钮(8)、报警器(9)及显示屏(11)，数据处理模块(7)将接收到压力传感器(2)输出的压力信号后，完成数据的A/D转换和数据采集并通过微机控制单元(10)智能处理后，输出电信号至报警器(9)及显示屏(11)。

2.根据权利要求1所述的医用智能测试调节负重量的鞋垫，其特征在于：所述压力传感器(2)的数量为2至16个。

3.根据权利要求1所述的医用智能测试调节负重量的鞋垫，其特征在于：所述压力传感器(2)为半导体扩散式硅压阻微型WLK压力传感器。

4.根据权利要求1所述的医用智能测试调节负重量的鞋垫，其特征在于：所述鞋垫的大小尺寸与鞋相互适应。

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