CN201710368U - 足底压力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种足底压力测量装置，用于检测、分析人体在运动过程中足底压力的大小，预测潜在的足部运动功能障碍，以给予早期的诊断和治疗。其包括依次相接的PVDF压电薄膜传感器、信号调理电路、A/D转换器、无线发送模块、无线接收模块和显示器，当PVDF压电薄膜传感器产生动态足底压力信号时，信号调理电路便对该信号进行处理，以得到干净的、合适的模拟信号，然后经微处理器的内部A/D转换器采样转换成数字信号，再由无线模块发送给上位机，实时地将足底压力显示在应用软件界面上。该装置测量精度高、测量快速、且功耗小，成本低，体积小，可随身携带，是一种便捷实用的足底压力测量装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物医学工程技术领域，具体涉及一种足底压力测量装置。
背景技术
人体足底压力的分布反映了有关足的结构、功能及整个身体姿态控制等相关情况。当人产生运动功能障碍或足部产生病变时，足底压力和压强的分布都会发生相应改变。因此，对不同运动状态下足底压力及相关时间参数进行测量，并对测量结果进行数据分析，可获取人体在运动状态下的生理、病理力学参数及技能参数等信息、以及不同状态下足底压力的分布特征和模式。这对临床医学诊断、疾患程度测定、术后有效评价、生物力学、康复治疗、体育训练和功能鞋的研制等均有重要意义。
目前，常见的足底压力测量仪器主要有三种：测力台、测力板和测力鞋垫系统。国内外都对这些测量仪器展开了大量研究。国外的产品主要有瑞士的奇石乐(KISTLER)测力台系统、德国的诺威尔(Novel)测力版系统、美国的飞斯盖(F-scan)测力鞋垫系统等等。这些产品价格昂贵，关键技术也都没有公开。国内相关专利如袁刚等人的实用新型专利《平板式足底压力分布测量装置》ZL02228378.1，王辉林等人实用新型专利《鞋垫式足底压力测量装置》CN201267478Y等都较为系统地提出了产品设计方案。袁刚等人开发的装置由200个直径为13.5mm的压力传感器以台阶形式装配而成，结构较复杂，成本较高，且测试地点和运动范围均受到限制；王辉林等人开发的装置主要是利用压电陶瓷作为足底压力采集的传感器，而压电陶瓷一般体积较大且厚，不具有良好的柔软性，至于鞋垫内容易对人体产生异物感，此外，压电陶瓷在低压力作用时非线性度较低，这也会在一定程度上影响测量精度。
实用新型内容
本实用型新型的目的在于是提出一种足底压力测量装置，结构简单，测量精度高，测试时对人体无异物感，且不限制测试的地点和运动范围，能够实时显示足底压力大小，并能将数据保存以留待进一步分析。
足底压力测量装置，包括依次相接的PVDF压电薄膜传感器、信号调理电路、A/D转换器、无线发送模块、无线接收模块和显示模块。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：
1、本装置功耗低、成本低，操作方便，且便于携带，不限制测试的运动地点和范围。
2、采用PVDF压电薄膜作为传感器，可直接置于足底任何位置而不对人体产生异物感，且应力响应速度快、动态测量精度高，传感器容易设计，结构也相对简单。
3、本装置可将传感器、信号调理电路、A/D转换器及无线发送模块作为一部分，该部分可绑定在测试者身上，测试者可在室内一定范围内进行自由走动；无线接收模块、微处理器以及上位机作为一部分置于室内以进行观测和记录。本装置可连续测量足底动态压力，对人体运动过程中产生的足底压力进行实时跟踪，此外，还可保存所有数据，便于进一步的分析。
4、本装置除能够测量足底压力以外，在PVDF压电薄膜允许的量程范围内，还能对其他动态力进行测量。
5、本装置可作为医疗诊断的辅助系统，用于检测潜在的足部运动功能障碍，也可用于术后康复效果的评价中。
附图说明
图1是本实用新型的工作原理图。
图2是图1所示实施例中信号调理电路的电路图，图2(a)为电荷放大电路，图2(b)为工频滤波电路和电压放大电路，图2(c)为低通滤波电路、电压放大电路及电压抬高电路。
图3是软件总体流程方框图。
图4是足底压力测试后截取的行走实时图像。
图5是足底压力测试后截取的跑步实时图像。
具体实施方式
本发明选用聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜作为足底压力检测传感器，其质量轻、柔性好、强度大、耐力学冲击、耐腐蚀，可任意裁剪分割，对于机械应力或应变的变化具有响应速度快、频响范围宽等优点，而且粘贴在被测物体上对原结构几乎不产生影响，特别是其压电电压常数高，在同等受力条件下，输出电压比压电陶瓷高10倍，因此十分适合用作测量应力和应变的传感元件。此外，在受力25GPa以内，其输出的电荷信号与受力大小成线性关系，因此所获得的压力数据准确，具有一定的可靠性。
在图1～2所示的实施例中，PVDF压电薄膜传感器的直径为5mm，厚度为50um±5％。PVDF薄膜传感器置于足底第五跖骨处，其中一个接线端接入信号调理电路，另一端接地。
信号调理电路由电荷放大、工频滤波、低通滤波、电压放大和电压抬高五个模块组成。因为PVDF测量应力和应变主要利用了PVDF薄膜横向变形输出电荷的原理，即当受到外界压力作用时，其上下两个表面会产生极性相反、大小相等的电荷，但电荷量不能直接测量，必须经电荷放大器转换为电压信号才能进行采集；此外，PVDF还具有相当高的内阻，使其产生的电信号很微弱。电荷放大模块的作用就是将PVDF输出的电荷信号转变成电压信号，并将高阻抗输入转变为低阻抗输出，其包括电容C1，电阻R1、R2，PVDF压电薄膜传感器的一端接地，另一端串接电阻R1后接入运算放大器的U1反相输入端，C1与R2并联，并联后一端连接于U1反相输入端，另一端则与U1的输出端相连，本模块运算放大器选用TI公司的高阻抗精密运算放大器OPA606。工频滤波模块主要滤除50Hz的电磁干扰，其包括电阻R3-7，电容C2-4，R3与R4串联，C2与C3串联，C4一端连接于R3和R4的连接处，一端接入U2的第二个输出端，R5一端连接于C2和C3的连接处，一端接入U2的第二个输出端，R3-4与C2-3并联的一端与U1的输出相连接，另一端接入U2的第一个同相端，R7一端接入U2的第二个同相端，一端接地，R6一端与U2的第二个同相端相连接，一端接入U2的第一个输出端，U2的第一个反相输出端与第一个输出端相连接，第二个反相端与第二个输出端相连接；本模块选用TI公司的低噪声双运算放大器NE5532。由于人体98％的足底压力信号频率低于10Hz，99％的足底压力信号频率低于15Hz，故设计低通滤波模块以滤除噪声频率。低通滤波模块由R8、R9和C5、C6组成，R8一端连接U2的输出端，一端与R9串联后接入U3的第一个正相输入端，C5一端接于R8和R9的连接处，一端接入U3的第一个输出端，C6一端接于U3的第一个正相输入端，一端接地。电压放大模块由电位器RP1和电阻R10组成，RP1一端接入U3的第一个输出端，一端接入U3的第一个反相输入端，R10一端接入U3的第一个反相输入端，一端接地。由于选用的微处理器内部A/D为单极性电压输入，只能对大于零的模拟量进行采样转换，因此搭建电压抬高电路以提高基准电压，达到不丢失PVDF产生的任何信号的目的。电压抬高模块包括R11，C7，CPOL1，RP2和一个正5V电源，R11一端接入U3的第一个输入端，一端与C7串联，C7的另一端接地，CPOL1为极性电容，其负极性端接于R11和C7的连接处，正极性端则与RP2的阻值调节端相连接，RP2另两个端口中的一端接正5V电源，一端接地，U3的第二个正相输入端与CPOL1的正极性相连接。U3的第二个输出端则接入微处理器内部A/D的转换端口。
微处理器的I/O端口将足底压力数据传送给无线发送模块，无线接收模块接收该数据，经另一微处理器进行解码，并转换成RS232信号，以与上位机建立串口通信。足底压力显示界面由虚拟仪器开发工具LabVIEW实现，该界面可实时读取串口传送的数据并以实际值进行显示。
图3为微处理器接收无线发送模块发送的数据后的软件流程图。首先系统初始化，配置I/O口、串口以及nRF24L01，然后开始A/D采样，当一次采样完成后即将结果送入nRF24L01相关程序处理，处理完的数据将通过RS232串行方式发送给上位机。
实施例中的两个微处理器均选用TI公司生产的MSP430F2274。MSP430F2274内部含有一个10位的A/D，是一款16位的低功耗高效率单片机，其典型工作电流仅250μA。无线发送模块选用nRF24L01，其1.9V～3.6V供电即可工作，待机模式下功耗电流仅22μA，传输距离为20～50m，最高工作速率2Mbps，实时显示界面则由美国NI公司的虚拟仪器开发工具LabVIEW实现，因此具有非常良好的扩展性和可移植性。
图4是本装置测试足底压力后截取的行走实时图像，图5则是跑步实时图像。当脚掌第五跖骨头处开始着地时，系统将检测到压力信号，且压力大小随着人体着力分布至此处而从零逐渐增加到最大值；当脚掌开始抬起时，压力大小又随着人体着力分布的改变而逐渐减小到最小值。这一过程随着人体步态的重复而不断重复。图4所示波形与这一相应的人体工程学理论基本一致。图5表明人体在跑步模式下足底压力的产生频率要高于行走时的频率，且压力的极值也较之后者大，这与人体工程学理论也基本一致。
Claims (2)
1.足底压力测量装置，其特征在于，包括依次相接的PVDF压电薄膜传感器、信号调理电路、A/D转换器、无线发送模块、无线接收模块和显示模块。
2.根据权利要求1所述的足底压力测量装置，其特征在于，信号调理电路包括依次相接的电荷放大模块、工频滤波模块、低通滤波模块、电压放大模块和电压抬高模块。
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