CN114305390A - 用于足底压力检测和滑移校准的装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于足底压力检测和滑移校准的装置及检测方法。上述装置包括后端电路，自上而下依次堆叠的PET保护膜、足部位置传感模块、足底压力传感模块、塑胶鞋垫衬底。后端电路分别和足底压力传感模块、足部位置传感模块相连。本发明增加了基于自电容原理的足部位置传感模块，并利用了神经网络系统和分位数回归模型分析足底压力传感模块的滑移状态，并在滑移量超过设定值时及时发出警报。本发明的方法能够精准计算得到身体的平衡性、足弓外侧、跖骨下方、足跟等多个足部的健康指标，能有效地解决现有技术中因鞋垫偏移从而引起测量数据和部位不对应的问题。本发明的装置适用于任意需要足底测量的患者。

Description

用于足底压力检测和滑移校准的装置及检测方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种用于足底压力检测和滑移校准的装置及其检测方法。

背景技术

步态分析是对动物运动的系统研究，更具体地说是对人类运动的研究，使用观察者的眼睛和大脑，并通过测量身体运动、身体力学和肌肉活动的仪器进行增强。步态分析用于评估和治疗患有影响其行走能力的疾病的个体。它也常用于运动生物力学，以帮助运动员更有效地跑步，并识别受伤者的姿势相关或运动相关问题。

随着人们健康监测需求的日益增强，利用步态分析来检测人体健康的方法越来越普遍。足底压力检测技术是步态分析的重要方法之一，它提供对压力分布、双侧对称性、重心线偏移、局部压力峰值、接触面积的分析数据，并和时间、空间参数结合，判断使用者下肢的肌肉水平和控制能力，可以用于例如运动分析、疾病跟踪、鞋类设计等多个领域。足底压力检测设备分为两种：平台式和鞋内式。平台式具有更高的空间分辨率，但其设备过于庞大复杂，受到场地限制；而鞋内式具有便携性的优点，不受时间、空间的限制，因此越发受到广大人民的广泛关注。

现有的鞋内式足底压力检测设备的主要缺点是，由于缺乏空间分辨率，采集得到的压力值不易与足底部位对应。特别是对于一些因为疾病或者是伤痛的影响，本身走路姿势不够标准的特殊人群，或者是尺码不合又或是运动幅度大时，上述状况将容易使鞋内足底压力检测设备所实际测量的足部位置将不断变化，大大地降低采集参数的准确性。在实验中，该偏移一般可以达到7 mm。

发明内容

本发明的目的在于提供一种足底压力检测系统和滑移校准的系统和检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于足底压力检测和滑移校准的装置，包括：

后端电路，以及由上而下依次层叠的PET保护膜、足部位置传感模块、足底压力传感模块、塑胶鞋垫衬底；所述的后端电路分别与足底压力传感模块、足部位置传感模块相连，所述的足部位置传感模块是基于自电容的位置传感器。

作为本发明足部位置传感模块的限定，所述的足部位置传感模块包括由上而下依次层叠的PET绝缘层和地电极，以及在PET绝缘层上方的内侧电极组和外侧电极组，所述的内侧电极组和外侧电极组均为细条状，分布固定设置在PET绝缘层内侧边缘处，环绕PET绝缘层一周，且内侧电极组到PET绝缘层中心的距离小于外侧电极组到PET绝缘层中心的距离，所述内侧电极组的电极数量和外侧电极组电极数量相同，且两者电极数量均数量大于5。

作为本发明足底压力传感模块的限定，所述的足底压力传感模块包括至少4个阵列单元，所述阵列单元至少分布在足弓外侧、跖骨下方、足跟、拇指下方，每个所述的阵列单元均包括由上而下依次层叠的上层PET绝缘层、银插指电极、压阻材料、下层PET绝缘层。

作为本发明后端电路的限定，所述的后端电路包括信号调理模块、主控模块、数据储存模块、警报模块、数据分析模块；所述的信号调理模块将足底压力传感模块和足部位置传感模块传输的电信号转换为数字信号并传输给数据储存模块；所述的数据分析模块接收信号调理模块的数字信号和数据储存模块的数字信号并分析计算；数据储存模块储存数据分析模块的计算结果；主控模块接收数据分析模块的计算结果，达到警报条件时控制警报模块发出警报，主控模块同时还控制连接信号调理模块、数据存储模块。

作为本发明信号调理模块的限定，所述信号调理模块包括第一信号调理模块和第二信号调理模块，所述的第一信号调理模块包括顺序连接的第一多路复用器、锁相放大电路、第一模数转换器，所述的第一多路复用器和足部位置传感模块相连；所述的第二信号调理模块包括顺序连接的第二多路复用器、分压电路、第二模数转换器，所述的第二多录复用器和足底压力传感模块相连；所述的第一模数转换器和第二模数转换器共同作为信号调理模块的信号输出端。

本发明还公开了一种用于足底压力检测和滑移校准的装置的检测方法，其包括依次进行的如下步骤：

S1，使用者穿戴检测设备，测量无滑移状态下足部位置传感模块中电容的电容值；

S2，将电容的接触阈值和S1中得到的电容值的比较，判断足部位置传感模块中电极组与足部的接触状态，并储存结果；

S3，使用者运动时，所述的足部位置传感模块和足底压力传感模块将检测信号传给后端电路，从而得到用户的足底压力和足部位置数据；

S4，利用采集到的位置、压力值，划分步行相，并得到支撑相中每各电容的平均电容值；

S5，将预先储存的电容接触阈值与支撑相中各电容的平均电容值作比较，从而判断足部位置传感模块中电极与足部的接触状态，并与无滑移状态的数据作比较，判断目前被检测者状态，所述被检测者状态包括滑移和未滑移；

S6，若产生滑移则计算滑移量，计算外侧电极组的第一电容变化量，并将第一电容变化量和利用神经网络和分位数回归模型得出第一电容变化量和滑移水平距离、滑移竖直距离、旋转角度的关系进行分析比对,若超出预设的滑动范围值，则所述警报模块开始报警，若未超出预设的滑动范围值，则存储足底压力值和滑移参数，若不产生滑移则直接储存足底压力值。

作为本发明第一电容变化量的限定，所述的第一电容变化量为平均电容值与第一电容初始值之差；所述步骤S1之前还设有以下步骤：未穿戴传感设备，记录足部位置传感模块上每个电容的电容值为第一电容初始值，并储存在后端电路中。作为本发明S2中电容接触阈值的限定，所述的电容接触阈值等于第二电容变化量加上第二电容初始值；所述第二电容变化量是利用有限元分析的方法，仿真出足部在和电容接近时，足部不同位置对应的电容值的变化量；所述第二电容初始值为利用有限元分析的方法，仿真出足部距离电容无穷远时的电容初始值。

作为本发明第二电容变化量的限定，所述第二电容变化量取0.4—5pF之间的任意数值。

作为本发明第二电容变化量的限定，所述第二电容变化量取2.7pF。

本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本发明的用于足底压力检测和滑移校准的装置能够精准的计算得到身体的平衡性、足弓外侧、跖骨下方、足跟等多个足部的健康指标，检测结果准确且检测方便，对人体健康给出了预警提示。

（2）本发明的用于足底压力检测和滑移校准的装置有足部位置传感模块，足部位置传感模块基于自电容的原理，并利用了神经网络系统和分位数回归模型分析足底压力传感模块的滑移状态，在滑移量超过设定值时及时发出警报。因此本发明能有效地解决之前技术当鞋垫偏移从而引起测量数据和部位不对应的问题。

综上所述，本发明的装置结构简单，检测数据精确度高，检测方便，对人体健康给出了预警提示，并利用了神经网络系统和分位数回归模型分析足底压力传感模块的滑移状态，有效地解决之前技术当鞋垫偏移从而引起测量数据和部位不对应的问题。本发明的装置适用于任意需要足底测量的患者。

附图说明

图1为本发明实施例中检测装置的结构示意图；

图2为图1中的足部位置传感模块2和足底压力传感模块3的位置分布图；

图3为图1中的足底压力传感模块单个阵列单元的电极结构图；

图4为图3的横截面图；

图5为本发明实施例中检测装置的后端电路的结构框图；

图6为图5中信号调理模块的结构框图；

图7为本发明实施例中检测方法中的步骤框图；

图8为本发明实施例检测方法中电容变化和足部位置关系示意图；

图9为本发明实施例检测方法中所使用的用于滑移检测的神经网络结构图；

图10为用图9所示方法所得出的分位数回归结果示意图；

图中：1-PET保护膜，2-足部位置传感模块，21-内侧电极组，22-外侧电极组，23-PET绝缘层，24-地电极，3-足底压力传感模块，31-上层PET绝缘层，32-银插指电极，33-压阻材料，34-下层PET绝缘层，5-后端电路，4-塑胶鞋垫衬底，51-信号调理模块，52-数据存储模块，53-数据分析模块，54-主控模块，55-警报模块，511-第一多路复用器，512-第二多路复用器，513-锁相放大电路，514-分压电路，515-第一模数转换器，516-第二模数转换器。

具体实施方式

实施例：用于足底压力检测和滑移校准的装置及检测方法

为了使本发明的目的、技术方案等更加清晰，以下结合附图和具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解析本方明，并非为了限定本发明。

在本实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

一种用于足底压力检测和滑移校准的装置，如图1所示包括：

PET保护膜1，用来保护下述的足部位置传感模块2和足底压力传感模块3。

足部位置传感模块2，位于PET保护膜1下方，用于获取足部位置，是基于自电容的接近距离传感器。足部位置传感模块2包括上而下依次层叠的PET绝缘层23（本实施例中PET绝缘侧23的厚度为0.05mm）和地电极24，以及在PET绝缘层上方的内侧电极组21和外侧电极组22。地电极24分别与内侧电极组21和外侧电极组22构成两组自电容。如图1、2所示，所述内侧电极组21在外侧电极组22的内侧，所述内侧电极组21和外侧电极组22都在PET绝缘层23的边缘处，并且环绕PET绝缘层23一周，所述内侧电极组21和外侧电极组22在同一平面上。本实施例中内侧电极组21和外侧电极组22均为细条状的，材质为铜，两者电极数量相同，数量为n，并且满足n>5，本实施例中的内侧21和外侧电极组22中分别设置了23个电极。本实施例中的地电极24则采用一片柔性铜薄膜，对所有电容采用同一地电极的好处是，简化电路结构、提高采样率。

足底压力传感模块3，位于足部位置传感模块2下方，用于收集足底压力数据，是压阻式压力传感器，所述传感器包括至少4个间隔设置的阵列单元。本实施例的足底压力传感模块3的阵列单元共设有18个，排布如图2所示，所述的阵列单元分布在包括但不局限于足弓外侧、跖骨下方、足跟，拇指下方。

本实施例中的每个所述阵列单元如图4所示，均包括：包括由上而下依次层叠的上层PET绝缘层31、银插指电极32、压阻材料33（本实施例中采用碳油墨压阻材料）、下层PET绝缘层34，。当足底压力传感模块3受压力时，压阻材料33的电阻值发生变化，其上的银插指电极32用于测量电阻值，并由后端电路5进一步处理。本实施例的足底压力传感模块3的每个阵列单元中银插指电极32的结构如图3所示。

塑胶鞋垫衬底4，作为PET保护膜1、足部位置传感模块2、足底压力传感模块3的安装承托装置，设于鞋底上，并提供舒适性。

后端电路5，用于将足部位置传感模块2和足底压力传感模块3的信号转化为压力信号和位置信号，并对分析得出的位置信号进行实时监测和数据储存。后端电路5如图5所示包括：信号调理模块51、数据存储模块52、数据分析模块53、主控模块54和警报模块55。所述信号调理模块51用于将足底压力模块3采集的电阻信息转化为电压信息，同时将足部位置传感模块2采集的电压信息转化为电容值；所述数据分析模块53接收信号调理模块51的数字信号和数据储存模块52的数字信号并用于计算足底力、判断步行周期、计算滑移参数等；所述数据存储模块52用于存储数据分析模块53的计算结果和信号调理模块51的数字信号测量的信号及足部的压力和位置信息，以及用于判断滑移的电容阈值等；所述主控模块54负责控制上述模块的运行，用于发出控制信号，控制系统的工作过程，包括接收数据分析模块53的计算的滑移量结果，并在滑移量超过一定范围时（本实施例限定的滑移量为1cm），主控模块54控制警报模块55报警，警报模块55以声音的形式发出警报。

本实施例中的信号调理模块51如图6所示，包括第一多路复用器511、第二多路复用器512、锁相放大电路513、分压电路514、第一模数转换器515、第二模数转换器516。所述第一多路复用器511采集足部位置传感模块2的位置信号，并通过锁相放大电路513检测电容信号，由第一模数转换器515将模拟信号转为数字信号，输入数据分析模块53和数据存储模块52。第二多路复用器512采集足底压力传感模块3的压阻传感器，并通过分压电路514将电阻值转为压力值，由第二模数转换器516将模拟信号转为数字信号，输入数据分析模块53和数据存储模块52。

本实施例还公开了一种基于所述装置的用于足底压力检测和滑移校准的装置的检测方法，参见图7所示，包括依次进行的以下步骤：

预先利用有限元分析，仿真足部不同位置对应的电容值，记录“电容变化量-足部位置”关系曲线。对于足部位置传感模块2，当足部与足部位置传感模块2未接触时，第二电容变化量随着距离接近而缓慢增加。当足部与传感器接触时，第二电容变化量将大幅增加，如图8所示，第二电容变化量在0.4—5pF时第二电容变化量与足部与电极间距离的比值大幅增加，因此，采用增幅一半的位置（即2.7pF）作为计算足部接触的阈值的第二电容变化量。本实施例采用PET绝缘层23厚度为0.05mm时，此时模拟出第二电容初始值为30pF，则此时计算出电容接触阈值，记作C_th，数值为为32.7pF并储存在数据储存模块52中。

在未穿戴传感设备时，记录并储存外侧电极组22中全部n个电极上的第一电容初始值，记为C_out(1),…, C_out(n)并储存在数据储存模块52中。该值为足部距位置检测电极无穷远时，初始的电容偏置。

S1,用户穿戴检测设备，保持静止站立，测量在无滑移状态下内侧电极组21和外侧电极组22的电容值，共2n个，记为C_ins（1），……,C_ins(n)和C_outs(1),……，C_outs(n)并储存在数据储存模块52中。

S2,数据分析模块53从数据储存模块52中调取电容的接触阈值C_th以及初始电容值C_ins（1），……,C_ins(n)，C_outs(1),……，C_outs(n)，之后将电容的接触阈值C_th和初始电容值C_ins（1），……,C_ins(n)，C_outs(1),……，C_outs(n)相比较，判断内侧电极组21和外侧电极组22与足部的接触状态，当C_ins（i）<C_th时记为0，C_ins（i）>C_th时记为1（i为1……，n)，当C_outs（i）<C_th时记为0，C_outs（i）>C_th时记为1，用0和1代表用户穿戴检测设备时每个电极分析的结果并将数据储存在数据储存模块52中，记为集合a。此时便得到一个当用户穿戴检测设备静止站立且无滑移状态时的用0/1表示的各个电极的分析结果数据。

S3,开始足底压力和滑移量的测试，信号调理模块51采集用户行走状态下的足底压力及足部位置数据，并将转化之后的数字信号存储在数据储存模块52中。

S4,分析前足和足跟的压力值，划分步行相。当前足和足跟压力都达到较大值时（本实施例中阈值设为20 N），判定为支撑相。设支撑相时间中各个电极都收集了t次数据，数据分析模块53提取支撑相过程中各个电极的所有电容值，并让各个电极的多次电容值分别相加并除以t得到各电极的平均电容值，各电极的平均电容值记为C₍₁₎,…, C_(2n)，共2n个。

S5,在数据分析模块53中将电容接触阈值C_th和各电极平均电容值C₍₁₎,…, C_(2n)进行比较，从而判断支撑相中各电极与足部是否接触，方法和步骤S2相同，同样用0/1记录数据，记为集合b。此时集合b中的数据和步骤S2中数据存储模块52中的预先测试的无滑移状态得出的集合a中的数据相比较，若各个电极所对应的数据不一致则判定为发生滑移，反之则未发生。

S6,若发生滑移，则需要进一步的进行滑移参数测量。首先由数据分析模块53从数据储存模块52中提取第一电容初始值C_(i)和各电极的平均电容值C_out(i)，并且计算外侧电极组22的第一电容变化量ΔC_(i)=C_(i)–C_out(i)，将其作为输入，利用如图10的神经网络结构，得到滑移距离x, y和旋转角度θ。之后利用分位数回归模型，得出第一电容变化量ΔC_(i)和纵向滑移量y的具体关系，若x, y超出滑动范围，则警报模块55将收到信号并产生预警，此时患者收到警报，此时应该立刻重新穿戴设备或更换鞋垫尺寸；若未超出，则在数据储存模块52储存足底压力值和滑移参数。若未发生滑移，则在数据储存模块52储存足底压力值。

本实施例所述的神经网络结构如图9所示。具体步骤如下：输入参数为支撑相中各电极的平均电容值C₍₁₎,…, C_(2n)。为了防止数据幅值差异过大，当该输入值大于接触阈值C_th时，将这一电容值调整为距离无限接近时的电容值。输入值经过第一层h1全连接神经网络后，利用ReLU激活函数进行非线性化得到h2层。然后经过第二层h3全连接神经网络后，输出得到参数滑移距离x, y和旋转角度θ。

本实施例所述的第一电容变化量ΔC_(i)和纵向滑移量y的具体关系如图10所示。图10为鞋垫最上方的电极1处，回归模型得到的，纵向滑移量y与该电容的变化量ΔC_(i)的关系。当足部与电容接触或非常接近时，或者距离很远时，由于电容变化范围小，预测滑移量的方差较大。因此采用中位数回归，通过调节选择最优的分位数，可以减小离群值的影响，使得回归模型具有较强的稳健性。

最后输出足底压力数据和滑移数据，将压力值对应位正确的足底位置。输出的方法包括但不限于利用读取方式直接从后端电路5中进行数据读取，利用无线传输方式上传到手机或者具有对应无线接收模块的设备中。

以上为本实施例的描述，本领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的修改。因此，本发明并不局限于上面描述的具体实施方式，对本实施例的一些修改也应属于本发明例的权利要求保护范围。此外，尽管本发明说明书中使用了一些特定术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种用于足底压力检测和滑移校准的装置，其特征在于：包括后端电路（5），以及由上而下依次层叠的PET保护膜（1）、足部位置传感模块（2）、足底压力传感模块（3）、塑胶鞋垫衬底（4）；所述的后端电路（5）分别与足底压力传感模块（3）、足部位置传感模块（2）相连，所述的足部位置传感模块（2）是基于自电容的位置传感器。

2.根据权利要求1所述的用于足底压力检测和滑移校准的装置，其特征在于：所述的足部位置传感模块（2）包括由上而下依次层叠的PET绝缘层（23）和地电极（24），以及在PET绝缘层（23）上方的内侧电极组（21）和外侧电极组（22），所述的内侧电极组（21）和外侧电极组（22）均为细条状，分布固定设置在PET绝缘层（23）内侧边缘处，环绕PET绝缘层（23）一周，且内侧电极组（21）到PET绝缘层（23）中心的距离小于外侧电极组（22）到PET绝缘层（23）中心的距离，所述内侧电极组（21）的电极数量和外侧电极组（22）电极数量相同，且两者电极数量均数量大于5。

3.根据权利要求1所述的用于足底压力检测和滑移校准的装置，其特征在于：所述的足底压力传感模块（3）包括至少4个阵列单元，所述阵列单元至少分布在足弓外侧、跖骨下方、足跟、拇指下方，每个所述的阵列单元均包括由上而下依次层叠的上层PET绝缘层（31）、银插指电极（32）、压阻材料（33）、下层PET绝缘层（34）。

4.根据权利要求1所述的用于足底压力检测和滑移校准的装置，其特征在于：所述的后端电路（5）包括信号调理模块（51）、主控模块（54）、数据储存模块（52）、警报模块（55）、数据分析模块（53）；所述的信号调理模块（51）将足底压力传感模块（3）和足部位置传感模块（2）传输的电信号转换为数字信号并传输给数据储存模块（52）；所述的数据分析模块（53）接收信号调理模块（51）的数字信号和数据储存模块（52）的数字信号并分析计算；数据储存模块（52）储存数据分析模块（53）的计算结果；主控模块（54）接收数据分析模块（53）的计算结果，达到警报条件时控制警报模块（55）发出警报，主控模块（54）同时还控制连接信号调理模块（51）、数据存储模块（52）。

5.根据权利要求4所述的用于足底压力检测和滑移校准的装置，其特征在于：所述信号调理模块（51）包括第一信号调理模块和第二信号调理模块，所述的第一信号调理模块包括顺序连接的第一多路复用器（511）、锁相放大电路（513）、第一模数转换器（515），所述的第一多路复用器（511）和足部位置传感模块（2）相连；所述的第二信号调理模块包括顺序连接的第二多路复用器（512）、分压电路（514）、第二模数转换器（516），所述的第二多录复用器（512）和足底压力传感模块（3）相连；所述的第一模数转换器（515）和第二模数转换器（516）共同作为信号调理模块（51）的信号输出端。

6.一种用于足底压力检测和滑移校准装置的检测方法，其包括依次进行的如下步骤：

S1，使用者穿戴检测设备，测量无滑移状态下足部位置传感模块（2）中电容的电容值；

S2，将电容的接触阈值和S1中得到的电容值的比较，判断足部位置传感模块（2）中电极组与足部的接触状态，并储存结果；

S3，使用者运动时，所述的足部位置传感模块（2）和足底压力传感模块（3）将检测信号传给后端电路（5），从而得到用户的足底压力和足部位置数据；

S4，利用采集到的位置、压力值，划分步行相，并得到支撑相中每各电容的平均电容值；

S5，将预先储存的电容接触阈值与支撑相中各电容的平均电容值作比较，从而判断足部位置传感模块（2）中电极与足部的接触状态，并与无滑移状态的数据作比较，判断目前被检测者状态，所述被检测者状态包括滑移和未滑移；

S6，若产生滑移则计算滑移量，计算外侧电极组的第一电容变化量，并将第一电容变化量和利用神经网络和分位数回归模型得出第一电容变化量和滑移水平距离、滑移竖直距离、旋转角度的关系进行分析比对,若超出预设的滑动范围值，则所述警报模块开始报警，若未超出预设的滑动范围值，则存储足底压力值和滑移参数，若不产生滑移则直接储存足底压力值。

7.根据权利要求6中所述的检测方法，其特征在于：所述的第一电容变化量为平均电容值与第一电容初始值之差；所述步骤S1之前还设有以下步骤：未穿戴传感设备，记录足部位置传感模块（2）上每个电容的电容值为第一电容值，并储存在后端电路（5）中。

8.根据权利要求6中所述的检测方法，其特征在于：所述的电容接触阈值为第二电容变化量加上第二电容初始值；所述第二电容变化量是利用有限元分析的方法，仿真出足部在和电容接近时，足部不同位置对应的电容值的变化量；所述第二电容初始值是利用有限元分析的方法，仿真出足部距离电容无穷远时的电容初始值。

9.根据权利要求8中所述的检测方法，其特征在于：所述第二电容变化量取0.4—5pF之间的任意数值。

10.根据权利要求8或9中所述的检测方法，其特征在于：所述第二电容变化量取2.7pF。

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