CN102512185A

CN102512185A - 一种穿戴式足部健康测量方法

Info

Publication number: CN102512185A
Application number: CN2011104221620A
Authority: CN
Inventors: 秦海琨
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种穿戴式足部健康测量方法，属于传感技术领域。测试方法运用内置于鞋垫(鞋底)的传感器感知足部运动时的物理量，置于鞋(鞋垫)外部的光纤光栅解调系统实现数据处理，显示终端起到显示功能。传感器是采用封装的光纤光栅传感器或罗光纤光栅，足部运动会引起的光纤光栅传波长发生漂移，其光信号经光纤传输到置于鞋(鞋垫)外部的解调系统，光纤光栅解调系统得到光纤光栅传波长变化值，并对信号数据作分析和处理，能适时反映足部运动时产生的物理量变化，并可将数据传到显示终端进行显示和后续处理。本发明具有结构简单、制作方便、响应速度快、工作稳定、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等优点，能在包括医学治疗、运动训练、游戏等行业中应用，具有较高的实用价值。

Description

一种穿戴式足部健康测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感以及光通信技术领域，是一种穿戴式足部健康测量方法，该测量方法可应用运动训练、医学治疗、特殊工业环境人员安全实时检测等领域，具有结构简单、制作方便、响应速度快、工作稳定、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等优点，具有较高的实用价值。

背景技术

近年来，穿戴式生理监测技术受到越来越多的关注，已成为智能纺织品领域的研究热点。作为生理监测的重要方面，足底健康监测也得到了越来越多人的重视，并出现了电子元件与织物结合的压力测试鞋或鞋垫。这些设计采用嵌入鞋内或鞋内垫的柔性压力传感器，实时反映足底压力分布，连续记录运动状态下的足底压力，且测试不受空间范围限制，相比测力板技术而言更加便捷。

但是目前，足部健康测试鞋(鞋垫)所基本限于压力测试，且采用的传感器有电阻式、压电式、及电容式等类型，其抗电磁、耐腐性等能力较差。电阻式传感器以美国Tekscan公司的F-Scan Mobile鞋垫系统和Tekscan公司的专利产品柔性薄膜网格状触觉压力传感器(F-Scan)为代表，其反应较慢以及在加快运动时精度较低。压电传感器一般为薄膜材料，信号响应较弱，易受周围环境因素影响，信噪比较低，因此其测试精度稍差于电阻式传感器，不适宜制成密集排布的传感阵列。电容式压力传感器以德国的Pedar鞋垫压力系统为代表，该设计方法难度较大，电容信号标定及电路均较为复杂。所以为了对足部健康检测领技术做些改进，也为了提升人们对于足部健康的关注，提出了一种穿戴式足部健康测量方法的发明。

本发明属于一种光学传感领域，其核心器件光纤光栅是利用掺杂光纤光致折射率变化特性，用特殊工艺使得光纤纤芯的折射率发生永久性周期变化而形成的，能对波长满足布喇格反射条件的入射光产生反射。FBG的实质是在纤芯内形成了一个以共振波长为中心的窄带光学滤波器。FBG反射波峰的中心波长须满足布拉格关系式λ＝2n_effΛ，其中λ为Bragg波长(也称为中心波长)，即后向反射波长；Λ为光栅栅距或光栅周期；n_eff为光纤模式的有效折射率。其反射谱主要由Bragg光栅的带宽和峰值反射率决定。这些参数是光栅长度、折射率调制系数和Bragg波长的函数。

因此Bragg波长对于外界力、热负荷极为敏感。应变和压力影响Bragg波长是由于光栅周期的伸缩以及弹光效应引起的，而温度影响Bragg波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的。Λ和n_eff在受到外界影响(压力、应力、温度)时将分别产生ΔΛ和Δn_eff的变化，于是布喇格波长的变化满足

Δλ＝2n_eff·ΔΛ+2Λ·Δn_eff

当Λ或n_eff改变时，FBG的中心反射波长会发生变化，通过测量中心波长的改变可以探知外界环境参量的改变，达到传感的目的。

在光纤光栅效应被发现后，人们利用光纤光栅的传感特性开发光纤光栅传感器，并受到极大的重视。

因此，本发明的一个目的是利用光纤光栅改善现有足部健康检测技术。

根据本发明的第一方面，提供了一种可以检测人体足部健康的传感器，这种传感器包括传感器由光纤光栅材料制作，其具有同时检测温度、应力等变化，当然包括加速度、压力均会引起光纤光栅产生应力变化。

根据本发明的第二方面，提供了一种可以检测人体足部健康的传感器，这种传感器包括其在鞋垫(鞋底)位置对应于足底8个关键骨骼处；光纤光栅传感器制作在同一光纤上，或根据实际需要进行调整。

根据本发明的第三方面，提供了一种与可以检测人体足部健康的光纤光栅传感器对应的光纤解调系统，其特征在于，所述光纤解调系统与传感器采用法兰盘连接，可同时处理多个光纤光栅所受压力、温度、加速度等数据。

根据本发明的第四方面，提供了一种可用于穿戴式足部健康测量方法，其特征在于，可采用光纤光栅解调系统检测所用光栅的输出波长的变化分析出所测人体足部不限于压力、温度、加速度等其他健康信息。

结合发明中所述的检测方式，其在多种领域中具有较高的应用价值，这些领域包括：

医学治疗：通过感知足部压力、温度、加速度情况，该测试方式可以记录并能反馈病人足部以及运动键康情况，尤其是特殊人群如孕妇、小儿麻痹症患者、平足症患者、糖尿病患者等足底压力测量与分析，找出其步态特征和压力分布特点，以便为这些特殊人群提供帮助有助于医生根据病人身体情况调整治疗方式。

运动训练：通过感知足部压力、温度、加速度情况，可以分析运动的人的移动情况是否合理，并且可以给予反馈以提高他们的技能。

游戏：传感器可以提供与计算机连接的装置，满足提高互动游戏的需求，比如：使用者在足球游戏中可以采用测试方法，可以实现进行模拟游戏环境下足部运动。

工业管理：传感器内嵌于鞋底，通过感知鞋底部湿度、温度、压力、以及其他化学参数情况，可以使工业现场操作人员迅速感知所处环境安全情况。

发明内容

本发明的目的是种穿戴式足部健康测量方法，可以依据不同的使用环境重复使用，且具有响应速度快、工作稳定、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等优点，具有较高的实用价值。

具有可以采用的技术方案是这样的：

传感器由光纤光栅材料制作，其在鞋垫(鞋底)位置对应于足底8个关键骨骼处；光纤光栅传感器可制作在同一光纤上。光纤光栅解调系统置于鞋底外，可拎于手中或固定于其他位置上。光纤光栅传感器与光纤光栅解调系统通过光纤以及法兰盘进行连接。

此外，根据本发明的一个实施方式，所述光纤光栅传感器可以根据实际需要采用柔性织物编制于鞋垫中，或者内嵌于鞋底塑性材料中。

此外，根据本发明的一个实施方式，所述光纤光栅传感器在鞋垫(鞋底)位置对应于足底8个关键骨骼处，具体包括为第一趾骨前区，第二、三趾骨前区，第四、五趾骨前区，第一跖骨区，第二、三、四、五跖骨区，足中区内侧、足中区外侧，足跟区；具体数量可以依据实际情况使用。

此外，根据本发明的一个实施方式，所述光纤光栅传感器可串联在一根光纤上，或根据实际需求调整。

此外，根据本发明的一个实施方式，所述光纤可采用多种方式置于鞋垫(鞋底)，包括且不限于：采用柔性织物编制于鞋垫中，或者内嵌于鞋底塑性材料中，如置于鞋垫的光纤部分采用纺纶纱等拉伸模量高的材料进行保护。

此外，根据本发明的一个实施方式，所述光纤光栅传感器与解调系统通过法拉盘及光纤联接。

此外，根据本发明的一个实施方式，所述解调系统，其目的是检测所用光栅的输出波长的变化分析出所测人体足部不限于压力、温度、加速度等其他健康信息。

(一)有益效果

1、本发明采用光纤光栅传感器作为足部健康检测的感知器件，具有响应速度快、工作稳定、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、多参数同时检测、使用寿命长等优点，具有较高的实用价值。

2、本发明采用光纤光栅传感器采用柔性材料编制于鞋垫中，具有可重复使用、方便携带等特点。

3、本发明采用光纤光栅传感器内嵌于鞋底塑性材料中，具有使用寿命长、抗电磁干扰、耐腐蚀、多参数检测等优点。

附图说明

图1为现有技术中足部健康检测典型结构的示意图；

图2为本发明提供的光纤光栅传感器在鞋底或鞋垫位置所对应人体足部的分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明采用光纤光栅传感器进行足部健康检测，利用了光纤光栅传感器具有着良好的传感特性，具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。

如图1所示，图1为本发明提供的穿戴式足部健康测量方法示意图：

传感器由光纤光栅材料制作，其在鞋垫(鞋底)位置对应于足底8个关键骨骼处；光纤光栅传感器制作在同一光纤上。

光纤光栅解调系统置于鞋底外，可拎于手中或固定于其他位置上；

足部运动会引起的光纤光栅传波长发生漂移，其光信号经光纤传输到置于鞋(鞋垫)外部的解调系统，光纤光栅解调系统得到光纤光栅传波长变化值，并对信号数据作分析和处理，能适时反映足部运动时产生的物理量变化，并可将数据传到显示终端进行显示和后续处理。

传感器内嵌于鞋底或者编织于鞋垫中的位置如图2所示，分别对应于第一趾骨前区，第二、三趾骨前区，第四、五趾骨前区，第一跖骨区，第二、三、四、五跖骨区，足中区内侧、足中区外侧，足跟区。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种穿戴式足部健康测量方法，其特征在于，包括：

传感器由光纤光栅材料制作，其在鞋垫(2)(鞋底(1))位置对应于足底8个关键骨骼处；光纤光栅传感器(3)可制作在同一光纤上。光纤光栅解调系统(5)置于鞋底外，可拎于手中或固定于其他位置上。光纤光栅传感器(3)与光纤光栅解调系统(5)通过光纤(6)以及法兰盘(4)进行连接。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，传感器由光纤光栅材料制作，位置对应于足底8个足部关键骨骼处，这8个区域分别为第一趾骨前区，第二、三趾骨前区，第四、五趾骨前区，第一跖骨区，第二、三、四、五跖骨区，足中区内侧、足中区外侧，足跟区。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，光纤光栅传感器由可制作于同一光纤上，或根据实际需要进行调整。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器传感器，其特征在于，所述传感器可采用多种方式置于鞋垫(鞋底)，包括且不限于：采用柔性织物编制于鞋垫中，或者内嵌于鞋底塑性材料中。

5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤包括两部分，置于鞋垫(鞋底)的光纤部分以及在鞋垫(鞋底)外的光纤部分。

6.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤可采用多种方式置于鞋垫(鞋底)，包括且不限于：采用柔性织物编制于鞋垫中，或者内嵌于鞋底塑性材料中，如置于鞋垫的光纤部分采用纺纶纱等拉伸模量高的材料进行保护。

7.根据权利要求1所述的光纤解调系统，其特征在于，所述光纤解调系统与传感器采用法兰盘及光纤连接。

8.根据权利要求1所述的光纤解调系统，其特征在于，所述光纤解调系统可同时处理多个光纤光栅所受压力、温度、加速度等足部运动导致的波长漂移数据。

9.根据权利要求1所述的可用于穿戴式足部健康测量方法，其特征在于，可采用光纤光栅解调系统检测所用光栅的输出波长的变化分析出所测人体足部包括并不限于压力、温度、加速度等足部健康信息。