CN1150858C - 基于全内反射原理的足底压力分布检测装置 - Google Patents
基于全内反射原理的足底压力分布检测装置Info
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Abstract
本发明涉及一种基于全内反射原理的足底压力分布检测装置，包括透明薄膜、透明刚性平板、成像系统、光接收器和图像处理系统。透明薄膜置于透明刚性平板之上，成像透镜置于透明刚性平板下方，在透镜下方的光接收器接收通过透镜所成的图像，图像处理系统接收该图象进行处理，并与计算机处理系统、光学图像采集设备相结合，即可建立一套足底压力图像测试分析系统，对行走步态全过程的压力图像进行连续采集与处理，实现了足底动、静应力分布的测试与分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于全内反射原理的人体足底压力分布检测装置，属于生物医学工程领域。
背景技术
足底压力分布反映了有关脚的结构、功能以及整个身体运动姿势等信息。测试分析足底压力，可以获取人体在各种体态和运动姿态下的生理、病理等参数，被广泛应用于竞技体育训练、关节疾病诊断、手术效果评估、康复进程评定、运动生物力学研究等领域。检测足底压力分布的方法主要有：1)专用压电、压阻式力传感阵列的足底压力分布检测装置，这种装置由于厚度较薄，可以做成鞋垫放在鞋内，因此在国外应用比较广泛，其缺点是价格昂贵，传感器容易损坏，做几次试验就要更换，试验消耗高，位置分辨率也较低，如德国RS scan International公司生产的足底压力分布检测装置，其传感器大小为5mm×7mm。2)多个普通力传感器构成的足底压力分布检测装置，如专利公开号为CN2234088Y的实用新型专利提出的三维分布力测试仪，其传感器由贴有6片应变片的内截面为12mm×12mm的型材制作，不仅位置分辨率低，而且引线非常复杂。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于全内反射原理的足底压力分布检测装置，以获取在站立或行走过程中人体足底的压力分布。利用在某种特定条件下图像亮度与所受压力呈线性关系的特点，通过图像处理计算出所受压力大小，图像的每个像素点就相当于一个力传感器，因而使装置的成本低廉，位置分辨率高，没有易损件。
本发明设计的基于全内反射原理的足底压力分布检测装置，包括透明薄膜、透明刚性平板、成像系统、光接收器和图像处理系统。透明薄膜置于透明刚性平板之上，成像透镜置于透明刚性平板下方，在成像透镜下方的光接收器接收通过透镜所成的图像，图像处理系统接收该图象进行处理。在透明刚性平板的两侧置有光源，透明刚性平板上设有标志点。
利用本发明的装置，可测量站立时的足底压力分布情况以及行走时的压力变化情况。足底面的位置精度高于0.5mm，动态足底压力采样间隔为0.02秒。采用足底压力分布检测装置，并与计算机处理系统、光学图像采集设备相结合，即可建立一套足底压力图像测试分析系统，该系统对行走步态全过程的压力图像进行连续采集与处理，实现了足底动、静应力分布的测试与分析。
附图说明
图1为本发明设计的基于全内反射原理的足底压力测试装置的结构示意图。
图2为本发明装置中刚性平板上的标志点示意图。
图1和图2中，1是透明薄膜，2是标志点，3是透明刚性平板，4是光源，5是反光罩，6是成像透镜，7是光接收器，8是图像处理系统。
具体实施方式
如图1所示，本发明设计的基于全内反射原理的足底压力分布检测装置，包括透明薄膜1、透明刚性平板3、成像透镜6、光接收器7和图像处理系统8。透明薄膜1置于透明刚性平板3之上，成像透镜6置于透明刚性平板3的下方，在透镜6下方的光接收器7接收通过透镜所成的图像，图像处理系统8接收该图像进行处理。在透明刚性平板3的两侧置有光源4，平板上设有标志点2。
本发明装置的工作原理是：透明刚性平板3两侧的光源4发出的光从平板侧面进入平板之内，产生全反射，薄膜1在受到足底压力后紧贴于刚性平板3上，破坏了刚性平板内光的全反射。从平板折射出的光在薄膜1上产生漫反射，漫反射光经过透镜成像在光接收器7上，并传到光处理系统8。由于薄膜受压产生的漫反射光强正比于足压的大小，因此可以根据漫反射光所成图像的灰度值以及平板上的标志点求出足底的应力分布。
足底压力成像部分包括弹性透明薄膜1，薄膜1置于带有标志点2的刚性透明平板3上，平板3的两侧各有一个带反光罩5的光源4。当人站立或者行走在成像装置上时，足底压力使薄膜1受压变形，平板3内光线的全反射被破坏，折射平板3在薄膜1上产生的漫反射，反射光强与所受压力成正比。由于标志点2之间的相对位置已知，因此通过计算标志点2在图像中的相对位置，就可以得到平板3上实际物体与其图像的映射关系，进而修正因透镜参数等原因引起的位置测量误差。只要在进行实验时，先采集一幅有标志点2的图像，计算出映射矩阵，然后将其代入实验数据，就实现了误差修正和自定标。
图像接收部分包括位于平板3几何中心正下方，并且光轴垂直于平板3表面的聚光用透镜6，透镜6将平板3上的光线聚集到光接收器7(如CCD等光电器件)上成像。
图像采集与处理部分包括将光接收器7上图像转换成计算机可接收数据的图像处理系统8，完成图像存储、图像处理、压力计算与显示等操作，根据图像像素灰度值正比于平板3上相应点所受压力大小的原理，计算足底的压力分布。
本发明的一个实施例中主要组件的参数如下：薄膜1为0.25mm厚的弹性透明塑料薄膜；平板3为12mm厚460mm×460mm的透明钢化玻璃板；标志点2为粘贴在平板3上表面(如图2所示)，并平行于平板3四个边，相邻点几何中心距为190mm；光源4为420mm长36W的直型日光灯；透镜6为焦距1.5mm的凸透镜；光接收器7为600线的面阵黑白CCD；图像卡8为黑白动态图像采集卡；计算机(9)为256M内存PIII个人计算机。实施例的装置可以连续5秒以上采集在有效工作面积400mm×400mm范围内的图像，装置总高度为150mm，只要在医院诊室搭设一个楼梯台阶高度的步道，就可以进行动态足底压力分布检测。
Claims (1)
1、一种基于全内反射原理的足底压力分布检测装置，其特征在于该装置包括透明薄膜、透明刚性平板、成像透镜、光接收器和图像处理系统，所述的透明薄膜置于透明刚性平板之上，成像透镜置于透明刚性平板下方，在成像透镜下方的光接收器接收通过透镜形成的图像；所述的透明刚性平板的两侧置有光源，透明刚性平板上设有标志点。
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