CN111938642A - 基于电阻抗成像技术的足底压力面参数测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为基于电阻抗成像技术的足底压力面参数测量系统及方法，包括压力面参数感应鞋垫、传感器阵列控制模块、电极阵列、结果计算和显示终端；电极阵列铺设在压力面参数感应鞋垫上；传感器阵列控制模块包括单片机、激励电极选通模块、电压测量电极选通模块，电极阵列采集足底电压数据并传输给单片机，单片机对所采集的足底电压数据进行处理后，向结果计算和显示终端输出处理后的电压数据组，通过电阻抗成像算法和关联特性标定方法得出整片导电橡胶上的压力分布。本发明采集数据速率快、精度高，检测结果直观、全面，且对人体无损害，为临床诊断、矫形处方、康复治疗等提供可靠数据和客观评价。
Description
技术领域
本发明属于可穿戴类传感器技术领域，具体涉及基于电阻抗成像技术的足底压力面参数测量系统及方法。
背景技术
足底压力分布信息是评估人体健康状况的重要依据，同时对某些疾病的预测具有重要意义。通过实时监控足底压力状况，探索足底压力参数的分布规律，可以为临床诊断、矫形处方、康复治疗等提供可靠数据和客观评价。
电阻抗成像(EIT)技术是一种以目标内部电阻率的分布为成像目标的新型医学成像技术。它根据物体内部不同物质的导电参数的不同，通过在物体表面施加安全激励电流并同时测量，进而获知目标内部导电参数的分布以重建出反映物体内部结构的图像。尽管EIT技术的图像分辨率还不能和现有的X射线断层扫描成像、核磁共振、超声像等技术所达到的图像分辨率所比拟，但是由于EIT技术属于功能成像，且具有设备轻便、成本低廉、无损伤检测等特点，在过去的二十多年里得到了广泛而深入的研究，特别是在生物医学工程领域具有重要的应用前景。
传统的足底压力测量装置一般采用在足底关键点铺设传感器阵列的测量方法来获取足底压力数据，这种方法较为简单，且只能通过个别测量点处的足底压力数据来分析整个足底压力状况，缺乏全面性和直观性。
另外，在足底铺设的各个传感器需要满足压阻特性相似的要求，然而不同压力传感器(即使是同一型号)的压阻特性存在个体差异，挑选出相似的压力传感器比较困难，时间和人工成本开销较大，因此这种测量足底压力的方式不太适合大规模运用。
发明内容
为了克服现有技术中的缺点，本发明的目的在于提供基于电阻抗成像技术的足底压力面参数测量系统，它具有设备轻便、成本低廉、易于量产、测量结果直观、对人体无损伤等优点。
本发明还提出基于电阻抗成像技术的足底压力面参数测量方法。
本发明测量系统为：基于电阻抗成像技术的足底压力面参数测量系统，包括压力面参数感应鞋垫、传感器阵列控制模块、电极阵列，以及结果计算和显示终端；
电极阵列铺设在压力面参数感应鞋垫上；传感器阵列控制模块包括单片机，以及分别与单片机连接的激励电极选通模块、电压测量电极选通模块，电极阵列在电压测量电极选通模块、激励电极选通模块的选通与激励下，采集足底电压数据并传输给单片机，单片机对所采集的足底电压数据进行处理后，向结果计算和显示终端输出处理后的电压数据组；
结果计算和显示终端通过电阻抗成像算法将电压数据组转化为面电阻数据，然后根据面电阻-面压力参数关联特性的标定方法求得相应的面压力参数数据，进而得出整片导电橡胶上的压力分布，再将压力分布以数据可视化方式显示。
本发明测量方法基于上述测量系统，传感器阵列控制模块还包括与单片机连接的恒流源激励模块；测量方法包括以下步骤：
S1、单片机控制恒流源激励模块产生一个幅度恒定的电流信号，并经激励电极选通模块把电流注入电极阵列中的某一对电极，同时通过电压测量模块测量其余电极上的电压，采集用于电阻抗成像的电压值；
S2、对所采集的电压值进行预处理，预处理后的信号经过调解器，利用相敏解调的方式把信号的幅度解调出来，获取阻抗大小的信息；把解调后的信号传输到单片机中，单片机先对信号进行放大，然后再通过对信号进行模数转换，转换后的数字信号传送到结果计算和显示终端；
S3、结果计算和显示终端通过电阻抗成像算法将电压数据组转化为面电阻数据，然后根据面电阻-面压力参数关联特性的标定方法求得相应的面压力参数数据，进而得出整片导电橡胶上的压力分布，再将压力分布以数据可视化方式显示。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、可以获取二维面上的压力分布信息，并通过数据可视化的方式显示在终端(如手机APP)，检测结果更加直观、准确、全面，可以为疾病的临床诊断与康复治疗提供可靠数据和客观评价。
2、使用单片机实现激励电流注入通道和电压测量通道的快速切换，具有采集精度高、采集速率快、实时性强的优点。
3、不必铺设大量压敏传感器，即可实现几乎相同的面参数探测效果，节约资源，成本较为低廉；而且不会出现传统方法中铺设压敏传感器时挑选压敏传感器困难、传感器易损坏的问题，可靠性高，易于量产，检测系统体积小、轻便，适合应用于医用可穿戴设备领域。
附图说明
图1是本发明的测量系统结构示意图；
图2是本发明中压力面参数感应鞋垫的结构示意图；
图3是本发明中金属电极阵列排布示意图；
图4a和图4b分别是铜电极按扣式集成示意图和铜电极一体成型式集成示意图；
图5是本发明中电阻抗成像效果示意图；
图6是本发明中面电阻-面压力参数标定流程图；
图7是本发明足底压力面参数测量流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明的技术方案，本发明的实施方式和保护范围并不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例基于电阻抗成像技术的足底压力面参数测量系统，包括压力面参数感应鞋垫、传感器阵列控制模块、无线传输模块、电极阵列，以及结果计算和显示终端。其中，电极阵列铺设在压力面参数感应鞋垫上；传感器阵列控制模块包括单片机，以及分别与单片机连接的恒流源激励模块、激励电极选通模块、电压测量电极选通模块，电极阵列在电压测量电极选通模块、激励电极选通模块的选通与激励下，采集足底电压数据并传输给单片机，单片机对所采集的足底电压数据进行处理后，通过无线传输模块向结果计算和显示终端输出处理后的电压数据组。
如图2所示，压力面参数感应鞋垫包括中间的导电橡胶层2、下层的柔性电路板基材3以及粘贴在上层的绝缘介质层1，绝缘介质层充当鞋垫而与足底接触。导电橡胶层整体上呈鞋垫状，主要材质为导电橡胶或导电布料、导电泡棉，其中导电橡胶填料为炭黑、石墨烯、碳纳米管，或金属系填料，如银粉、纳米银线等。填料掺杂浓度范围为5％-30％；柔性电路板基材为PI或PET的柔性可弯折材料，与此同时，电极阵列部署在柔性电路板基材上，作为鞋垫本体和传感器阵列控制模块之间的接口；绝缘介质层材料为普通织物。
本测量系统的电极阵列采用铜电极。铜电极被集成在柔性电路板基材上，采用按扣式接触方式或一体成型方式与导电橡胶层相接触；至少有16个金属电极间隔均匀地排列分布在导电橡胶层边缘一周，如图3所示。同时，柔性电路板向外提供与传感器阵列控制模块以及无线传输模块的物理接口。
铜电极的按扣式接触方式为在鞋垫状导电橡胶层和柔性电路板基材上同时部署按扣状电极，分别放置子扣和母扣，导电橡胶层和柔性电路板基材这两层以按扣扣合方式连接，如图4a所示。按扣式接触方式的好处是可以使导电橡胶层和金属电极的连接更加灵活，方便拆卸。铜电极的一体成型方式为在制作压力面参数感应鞋垫过程中，铜电极被固定在柔性电路板基材上，在铜电极上开孔，使熔融态橡胶材料渗入电极上开好的孔隙中，从而使导电橡胶层和金属电极在加工过程中就互相连接，如图4b所示。一体成型方式的好处是可以使导电橡胶层和金属电极的连接更加牢固。
传感器阵列控制模块的具体工作方式是：激励电极选通模块以相邻或相对的方式依次逐对选通电极阵列上的电极，注入激励电流；当其中一对电极被选通为激励电极时，电压测量电极选通模块以相邻的方式逐对选通其余电极为电压测量电极；当激励电流注入电极相对转动一周时，就形成了一个电压扫描周期，从而得到了能进行电阻抗成像的一个电压数据组；该电压数据组将通过无线传输模块被发送至结果计算和显示终端。
在本实施例中，恒流源激励模块包括DDS信号源和电压控制电流源(VCCS)两部分，激励电极选通模块包括2片多路复用器CD4067B，电压测量电极选通模块也是包括2片多路复用器CD4067B。单片机选用STM32F103ZET6，其片内3个12位A/D转换器，可实现单次或扫描转换。
单片机的16个I/O口分别与4片多路复用器CD4067B的16个输入端口相连，构成多路复用器的地址码；4片多路复用器CD4067B的16个输出管脚并联后的连接线通过电极排插和电极阵列中的16个电极相连。单片机通过运行程序来控制不同电极的选通。
测量时，单片机控制DDS信号源输出频率为50kHz的正弦信号，信号经过VCCS后产生一个幅度恒定的电流信号，然后经过激励电极选通模块的多路复用器CD4067B把电流注入电极阵列中的某一对电极，同时通过电压测量模块的多路复用器测量其余电极上的电压。本实例选取相邻驱动模式,首先恒流源激励选通模块选通电极1、2，然后电压测量模块选通电极3、4，并读取其余电极的电压差V1，接着电压测量模块再分别选通电极5，6，7，8….15，16，读取电压差V2、V3….V13。电压测量模块扫描完一周之后，恒流源激励选通模块再选通电极2、3，电压测量模块再按类似方式扫描一周。电压测量模块完成16个扫描周期之后则完成了整个电流扫描周期，总共要采集16×13＝208个独立电压值。
由于EIT系统中注入的是交流小信号，所以采集到的电压值需要经过隔直、缓冲、去噪和差动放大。本实例选用运算放大器AD620对信号进行放大。放大后的信号经过解调器AD630，利用相敏解调的方式把信号的幅度解调出来，以便于获取阻抗大小的信息。把解调后的信号传输到单片机中，单片机先通过内部的可编程增益放大器对信号进行放大，然后再通过内部的A/D转换电路对信号进行模数转换。转换后的数字信号通过无线传输模块传送到结果计算和显示终端。
无线传输模块利用蓝牙、NB-IoT或ZigBee等传输方式发送数据信号至计算和显示终端。医用可穿戴设备要求设备轻盈、体积小、续航持久，因此本实例选用蓝牙传输方式，选择专为可穿戴电子设备而设计的智能蓝牙芯片DA14680，这款超低功耗、超小尺寸的芯片在提供灵活、强大的处理能力的同时，又能够节省空间，降低系统功耗。
结果计算和显示终端的功能为接收数据采集传输模块上传的电压数据组，并通过电阻抗成像算法将电压数据组转化为面电阻数据，然后根据面电阻-面压力参数关联特性的标定方法求得相应的面压力参数数据，进而得出整片导电橡胶上的压力分布，再将压力分布以数据可视化方式显示。即将压力值划分为若干个等级，不同压力等级有不同颜色与之对应，例如蓝色逐渐过渡到红色表示压力值逐渐增大。从而直观地利用颜色显示出某一区域的压力值水平。
电阻抗成像算法根据数据采集传输模块上传的电压数据组，采用有限元分析的方法，将压力面参数感应鞋垫本体中的导电橡胶层，在形状上划分为一定数量的某种几何形状的单元(如三角形)和与之对应的节点，再通过模拟退火算法或正则化高斯-牛顿算法等相关算法，利用采集到的电压数据求得对应节点的电阻值；各个三角形单元的电阻值由计算得到的对应节点的电阻值来代替，从而得出整个导电橡胶层上的面电阻分布，如图5所示。进一步地，在用上述传统算法完成了面电阻参数分布计算后，测量系统再使用深度神经网络方法对EIT图像进行重构，以进一步提高面电阻参数测量的准确度。
面电阻-面压力参数关联特性的标定方法为，在认为导电橡胶层的压力—电阻值变化特性是各向同性的理论前提下，取同压力面参数感应鞋垫本体中的导电橡胶层材质、形状相同的一块导电橡胶材料，接入测试用电极阵列；然后利用压力测试仪对导电橡胶材料上一点反复施加预设范围(如0—80N)的压力，同时通过电阻抗成像算法，计算出该点电阻值变化曲线；此时施加的压力值已知，变化的电阻值也被计算出，将同一时刻的压力值和电阻值对应起来，就得到了导电橡胶的压力-电阻值变化特性曲线。实际应用测量时将根据采集到的电压数据使用电阻抗成像算法计算得到的每一个有限元节点的电阻值，根据此特性曲线映射为压力值，就得到了整个压力面参数感应鞋垫本体上的压力值分布。面电阻-面压力参数标定流程如图6所示。
如图7所示，本实施例中，足底压力面参数测量方法包括以下步骤：
S1、单片机控制恒流源激励模块产生一个幅度恒定的电流信号，并经激励电极选通模块选择电极，把激励电流注入电极阵列中的某一对电极，同时通过电压测量模块测量其余电极上的电压，采集用于电阻抗成像的电压值；
S2、对所采集的电压值进行预处理，预处理后的信号经过调解器，利用相敏解调的方式把信号的幅度解调出来，获取阻抗大小的信息；把解调后的信号传输到单片机中，单片机先对信号进行放大，然后再通过对信号进行模数转换，当激励电极选通模块完成一个电流扫描周期时，转换后的数字电压信号通过无线传输模块传送到结果计算和显示终端；
在上述步骤S1、S2中，激励电极选通模块以相邻或相对的方式依次逐对选通电极阵列上的电极，注入激励电流；当其中一对电极被选通为激励电极时，电压测量电极选通模块以相邻的方式逐对选通其余电极为电压测量电极；当激励电流注入电极相对转动一周时，就形成了一个电压扫描周期。
S3、结果计算和显示终端通过电阻抗成像算法将电压数据组转化为面电阻分布数据，然后根据面电阻-面压力参数关联特性的标定方法求得相应的面压力参数数据，进而得出整片导电橡胶上的面压力分布，再将面压力分布以数据可视化方式显示。本发明的优势在于以基于电阻抗成像技术的方法获取二维面上的压力分布信息，不必铺设大量压敏传感器，即可实现几乎相同的面参数探测效果，节约资源，成本较为低廉，而且不会出现传统方法中铺设压敏传感器时挑选压敏传感器困难、传感器易损坏的问题，可靠性高，易于量产，检测系统体积小、轻便，适合应用于医用可穿戴设备领域。压力检测结果通过数据可视化的方式显示在终端(如手机APP)，检测结果更加直观、准确、全面，可以为疾病的临床诊断与康复治疗提供可靠数据和客观评价。同时使用单片机实现激励电流注入通道和电压测量通道的快速切换，具有采集精度高、采集速率快、实时性强的优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于电阻抗成像技术的足底压力面参数测量系统，其特征在于，包括压力面参数感应鞋垫、传感器阵列控制模块、电极阵列，以及结果计算和显示终端；
电极阵列铺设在压力面参数感应鞋垫上；传感器阵列控制模块包括单片机，以及分别与单片机连接的激励电极选通模块、电压测量电极选通模块，电极阵列在电压测量电极选通模块、激励电极选通模块的选通与激励下，采集足底电压数据并传输给单片机，单片机对所采集的足底电压数据进行处理后，向结果计算和显示终端输出处理后的电压数据组；
结果计算和显示终端通过电阻抗成像算法将电压数据组转化为面电阻数据，然后根据面电阻-面压力参数关联特性的标定方法求得相应的面压力参数数据，进而得出整片导电橡胶上的压力分布，再将压力分布以数据可视化方式显示。
2.根据权利要求1所述的足底压力面参数测量系统，其特征在于，压力面参数感应鞋垫包括中间的导电橡胶层、下层的柔性电路板基材以及粘贴在上层的绝缘介质层，绝缘介质层充当鞋垫而与足底接触；电极阵列部署在柔性电路板基材上。
3.根据权利要求2所述的足底压力面参数测量系统，其特征在于，电极阵列采用铜电极，并集成在柔性电路板基材上，采用按扣式接触方式或一体成型方式与导电橡胶层相接触。
4.根据权利要求3所述的足底压力面参数测量系统，其特征在于，采用按扣式接触方式时，在鞋垫状导电橡胶层和柔性电路板基材上同时部署按扣状电极，分别放置子扣和母扣，导电橡胶层和柔性电路板基材这两层以按扣扣合方式连接。
5.根据权利要求3所述的足底压力面参数测量系统，其特征在于，采用一体成型方式时，在制作压力面参数感应鞋垫过程中，铜电极被固定在柔性电路板基材上，在铜电极上开孔，使熔融态橡胶材料渗入电极上开好的孔隙中，从而使导电橡胶层和金属电极在加工过程中就互相连接。
6.根据权利要求1所述的足底压力面参数测量系统，其特征在于，电阻抗成像算法根据数据采集传输模块上传的电压数据组，采用有限元分析的方法，将压力面参数感应鞋垫本体中的导电橡胶层，在形状上划分为若干个几何形状的单元和与之对应的节点，再通过模拟退火算法或正则化高斯-牛顿算法，利用采集到的电压数据求得对应节点的电阻值；各个几何形状单元的电阻值由计算得到的对应节点的电阻值来代替，从而得出整个导电橡胶层上的面电阻分布。
7.根据权利要求1所述的足底压力面参数测量系统，其特征在于，面电阻-面压力参数关联特性的标定方法为：取同压力面参数感应鞋垫本体中的导电橡胶层材质、形状相同的一块导电橡胶材料，接入测试用电极阵列；然后利用压力测试仪对导电橡胶材料上一点反复施加预设范围的压力，同时通过电阻抗成像算法，计算出该点电阻值变化曲线；此时施加的压力值已知，变化的电阻值也被计算出，将同一时刻的压力值和电阻值对应起来，得到导电橡胶的压力-电阻值变化特性曲线。实际应用测量时将根据采集到的电压数据使用电阻抗成像算法中每一个有限元节点的电阻值，根据压力-电阻值变化特性曲线映射为压力值，得到整个压力面参数感应鞋垫本体上的压力值分布。
8.基于权利要求1所述足底压力面参数测量系统的足底压力面参数测量方法，其特征在于，所述传感器阵列控制模块还包括与单片机连接的恒流源激励模块；测量方法包括以下步骤：
S1、单片机控制恒流源激励模块产生一个幅度恒定的电流信号，并经激励电极选通模块把电流注入电极阵列中的某一对电极，同时通过电压测量模块测量其余电极上的电压，采集用于电阻抗成像的电压值；
S2、对所采集的电压值进行预处理，预处理后的信号经过调解器，利用相敏解调的方式把信号的幅度解调出来，获取阻抗大小的信息；把解调后的信号传输到单片机中，单片机先对信号进行放大，然后再通过对信号进行模数转换，转换后的数字信号传送到结果计算和显示终端；
S3、结果计算和显示终端通过电阻抗成像算法将电压数据组转化为面电阻数据，然后根据面电阻-面压力参数关联特性的标定方法求得相应的面压力参数数据，进而得出整片导电橡胶上的压力分布，再将压力分布以数据可视化方式显示。
9.根据权利要求8所述的足底压力面参数测量方法，其特征在于，步骤S1为包括：激励电极选通模块以相邻或相对的方式依次逐对选通电极阵列上的电极，注入激励电流；当其中一对电极被选通为激励电极时，电压测量电极选通模块以相邻的方式逐对选通其余电极为电压测量电极；当激励电流注入电极相对转动一周时，形成一个电压扫描周期，从而得到能进行电阻抗成像的一个电压数据组。
10.根据权利要求8所述的足底压力面参数测量方法，其特征在于，步骤S2中，转换后的数字信号通过无线传输模块传送到结果计算和显示终端；无线传输模块利用蓝牙、NB-IoT或ZigBee传输方式发送数字信号。
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