CN2540911Y - 平板式足底压力分布测量装置 - Google Patents

Abstract

一种平板式足底压力分布测量装置，主要是提供一种测量快速方便、精度高、能全面反映糖尿病人足底各部位压力的测量装置，以便尽早预测糖尿病足的发生，从而早期给以治疗，也可用于骨科、康复等方面。其硬件主要是包括由多个微型压力传感器构成的传感器阵列、接口电路、信号采集及计算机系统；软件主要由实时数据采集模块、数据存贮模块、数据分析和显示模块、病历管理与资料查询模块等组成。当传感器矩阵的微弱信号经处理放大后，送给高速多路开关，经高速开关切换后送给计算机内部的高速高精度A/D，计算机控制对所有传感器矩阵进行循环、多帧集，同时把数据存贮在内存，然后存入硬盘，由软件分析。

Description

平板式足底压力分布测量装置

                          技术领域

本实用新型涉及医用测量器具，特别是一种用于测量糖尿病人足底压力分布的测量装置。

                          背景技术

目前，糖尿病足是糖尿病最长见的慢性并发症之一。近年来，国外许多研究证明糖尿病足部溃疡的发生与病人足底压力异常增高明显相关。所以国内外有关机构已经研制出某些测量足压的装置，以便用于早期预测足部溃疡的发生。如：国外研制的装置主要有半定量足压测量垫、光学足压测量仪等；国内研制的装置主要有由左右各8个微型压力传感器组成的拖鞋式测量装置及光学足压测量仪等。上述国外研制的测量装置大都比较昂贵，有的测量欠精确。国内研制的测量装置前者测量点太少，不能全面反映足底各部位压力。后者所用薄膜要求高，易老化，导致数据不准，分辨率和采样率较低。总之，目前国内外的这些足压测量装置不能完全满足测量的需要。

                          发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单合理、操作方便、测量精度高、能全面反映足底各部位压力的平板式足底压力分布测量装置。

为了实现本实用新型的目的，拟采取以下技术方案：

它包括有硬件部份和软件部分，硬件中有一测量平台，其内设置有由多个微型压力传感器构成的传感器矩阵，每个传感器的受力点分别引到测量平台上的相应测量孔，传感器的后面设置有信号放大器，其输出与传感器矩阵接口电路相连，矩阵接口电路与多路信号高速切换电路相接，输出与计算机中的高速A/D变换电路相连；计算机中的控制板上的控制电路与多路信号高速切换电路相连，计算机中通过PC总线分别与主机板、高速A/D和控制板相连，主机板再与显示器和硬盘相连；软件部分中的实时数据测试采集模块后面，一路通过数据存贮模块、资料查询模块，再进入诊断模块作分析结论及分析报告，另一路通过数据显示分析模块后直接进入诊断模块作分析结论及分析报告；与此同时，病历资料模块也进入诊断模块作分析结论及分析报告。

上述的的压力传感器矩阵是由200个微型压力传感器构成，采用悬臂梁应变式传感器斜面台阶式结构。

上述的微型压力传感器选用电阻式压力传感器中的铂金氏应变片传感器。

本实用新型的优点在于：设计合理，成本低，操作方便。足压测量点多，可达200个，能最大限度测量足底压力变化和分布，且不改变足底压力的自然分布状态，比其他方式更真实且精确，测量精度平均达0.2％，分辨率较高，达25g，对应输出信号10mv。测量过程为自动化，可自动判断启始，自动结束。实际测试中，2秒钟可采集256帧数据。本装置可把病历和足压测试结果有效存储，以数据库管理，方便查询，为建立专家辅助诊断系统作好准备。

                         附图说明

图1是本实用新型的硬件基本流程方框图。

图2是多路信号高速切换及控制电路的方框图。

图3是A/D板电路方框图。

图4是软件基本流程方框图。

图5是足压测试后所显示的色谱图(左为全足着地，右为前足着地；图中色度由浅至深表示足压由小至大)。

图6是本实用新型的传感器阵列结构参考图(图6A为面板外形图，图6B为内部斜面台阶式结构图。)

图7是多路信号高速切换及控制电路的原理图(由A、B、C、D、E等部分组成)

图8是悬臂梁式电压变送器电路原理图。

                        具体实施方式

以上附图所公开的内容是本实用新型的一种实施例。为了实现本实用新型的目的，需要考虑以下几个问题：如要求能采集足部所有部位的压力，就要考虑设计一个由许多微型压力传感器构成的传感器矩阵(10×20)；要求能连续采集一个人在自然行进过程中的压力变化过程，且能将采集的压力数据保存，为分析提供依据，就要求本产品要有快速采集的能力、暂时存贮数据的能力，能自动判断人在行进过程中踩中或离开传感矩阵以及能够对数据进行自动保存和分析。

本装置的基本组成可见图1，其硬件主要包括压力传感器阵列、接口电路，信号采集及计算机系统。各电路之间的连接关系大致为：硬件中有一测量平台，其内设置有由多个微型压力传感器构成的传感器矩阵，每个传感器的受力点分别引到测量平台上的相应测量孔，传感器后面设置有信号放大器，其输出与传感器矩阵接口电路相连，矩阵接口电路与多路信号高速切换电路相接，输出与计算机中的高速A/D变换电路相连；计算机中的控制板上的控制电路与多路信号高速切换电路相连，计算机中通过PC总线分别与主机板、高速A/D和控制板相连，主机板再与显示器和硬盘相连。

1、传感器矩阵及其特点

压力传感器平板矩阵是本装置的主要组成部分之一，压力传感器平板矩阵是由200个单个压力传感器构成的。研制传感器平板矩阵主要解决两个问题：一是单个压力传感器的选择；二是由单个传感器如何构成所要的传感器平板矩阵。

A、压力传感器的选择：

在足压测量中常用的压力传感器，按其转换原理可分为：电阻式压力传感器、压电式压力传感器、光电式压力传感器、电容压力传感器等。不同类型的传感器各具特色各有特点。根据临床应用的要求和经济性考虑，我们选用了电阻式压力传感器类型中的铂金氏应变片传感器，因为这种传感器灵敏度高，测试范围宽，稳定性高，工作可靠，输出特性较好，并能在恶劣环境下工作，该类传感器不但其性能满足临床应用要求，而且价格最低，用它做传感器平板矩阵有较高的性能价格比。

B、传感器量程的确定：

压力传感器的量程是由装置的测量量程确定，装置的测量量程指标取决于体重、步行速度及传感器的安置结构。正常人以常速行走时足底受力不超过100Kg，行走时足底总支撑面的最小接触面积为2cm×1cm，此时受力最大。当传感器的敏感受力面积为0.5cm×0.5cm，且处于最大受力区域内，，则传感器受力的最大值为：fmax＝100Kg/(2cm×1cm)×(0.5cm×0.5cm)＝12.5Kg。

此为极限情况，在多数情况下，压力值分布于0-10Kg之间，考虑到一定的安全系数，我们选用压力传感器的量程为15Kg。

C、电压变送器的选择：

传感器空载时，输出为零电平，当受力后输出为正比于受力大小的电信号。压力传感器输出最大为0.05V。为了满足采样电路的要，信号必须放大，但放大器是放在多路开关之后，还是放在紧靠传感器阵列，为了减小传输中小信号损失和增加抗干扰能力，将200路放大器紧靠传感器安放。在具体放大器选择上，为了使放大器调零与调增益分开，二者能兼顾，我们采用美国BB公司生产的IN118专用仪表放大器作电压变送器的主电路，经过高倍数放大后，最大输出可达5V，满足了采样电路的要求。

D、传感器平板矩阵结构设计

当初我们选用铂金氏应变片传感器，性能指标虽然符合临床应用，但是由于传感器由弹性元件和应变片电桥电路构成，其最小尺寸为长30mm、宽12mm、厚3mm，所以尺寸较大，要用它在300mm×150mm钢板上均匀分布直径为13.5mm的传感器200个，不采用独到的办法，是很难实现的。我们将悬臂梁应变式传感器采用斜面台阶式安装方法(见图6)，将每个传感器的受力点分别引到平板上的200测量孔，从而实现压力与电信号的转换，完成了传感器平板矩阵的研制(矩阵外形参考图见图6)。

2、信号切换与采集

A、多路信号高速切换电路

为了节省A/D变换电路，用一路A/D完成200点的传感器的测量，多路信号高速切换和控制电路是本装置设计中比较关键的部分，切换的速度直接影响到在短暂的步行过程中能否尽可能多的测试压力数据，同时切换电路不能引入噪声，要求切换能力在200点以上，切换时间小于5微秒。控制板产生8路控制信号和A/D变换信号。

(1)、电路设计

装置要求对200只传感器进行切换处理，考虑到设计方便，按25个信号处理能力设计，其电路方块图如图2所示。

(2)、工作过程

来自控制板的控制信号在本地经过整形电路整形后，分三级进行切换，第一级使用32个八路切换器并行工作，同时处理256路信号，得到32路信号；32路信号进入第二级切换器，采用四个八路切换器并行工作，得到4路信号；4路信号进入第三级切换器，得到1路信号，进入A/D板。

B、A/D板(采用北京中泰计算机技术研究所PC-6325A)

根据精度要求，A/D变换采用12位，采样速率为1M，要求在2秒钟内能对200个传感器采样256帧，其电路方块图如图3所示。

其工作过程是计算机在发出切换命令后，等待一定的时间，保证切换可靠完成，启动A/D变换，检测变换结束标志后，把数据读入计算机暂存，待所有数据测试完成后，保存。

在系统设计过程中，我们把控制板和A/D板设计为一块标准的计算机15A总线插件，切换控制信号产生接口和A/D变换控制信号接口均扩展为计算机的I/O口，主要是为了减少A/D板与计算机之间的数据通读时间，而使采样后的数据直接进入计算机内存，从而大大提高了整个系统的处理速度，减少了处理时间。

本测量装置的软件方案设计：

设计的基本思想是模块化设计，界面友好，操作简单，可靠性高。

软件主要由实时数据采集模块、数据存贮模块、数据计算分析和显示模块、病历管理与资料查询模块，诊断模块等组成，其基本流程见图4。

1、实时数据采集模块：

该模块主要是动态采集病人在步行过程中动态足底压力数据，数据测试时，把所有传感器遍历测试一次定为一帧，为保证数据分析的统一性，每256帧数据存为一个文件。测试时，自动判起始条件，测试256帧数据后停止测试，并自动按年、月、日、时、分、秒形成文件名，保存数据。

2、数据存贮模块：

将病人足底压力数据和病人的相关资料自动存贮，并以文件形式保存，便于查询和分析。

3、计算、分析与显示模块：

按三种方式显示动态足底压力分布，并提供多种分析方式。

(1)色谱图显示与分析

对所有采集的足底压力数据，经过计算，按帧进行规一化处理后，压力最小值以最浅颜色表示，最大值以最深颜色表示，中间值按比例选择颜色表示。色谱图的显示与传感器在阵列中的位置完全一样，一一对应。当足在行走过程中，踏上传感器阵列时，足底各点按压力大小分布，在色谱图上以不同颜色非常直观的显示出来，如图5所示，除此以外还可以按帧连续显示(显示时间可调)，这样就可以完整地观察从足部接触到离开传感器阵列的全过程，定性地分析足底各部位压力的大小变化和分布。

(2)以压力值分布

为了定量分析各点压力值大小，还可以直接显示各点压力值，以及各相同点的压力值在不同帧的变化情况。

(3)最大/最小压力分析

对每个传感器，纵向比较256帧内测试的数据，得到整个行进过程中该点的最大压力值/最小压力值，为分析病情提供更多的依据。

(4)最大压力出现时间。即到达最大压力时间占总接触时间的百分率。

(5)接触时间。可计算总接触时间(由脚跟着地到脚趾离地的时间)、各部位接触时间。

(6)各部位压力、时间曲线，计算曲线下面积。

(7)三维压力图。可显示每帧三维压力图、最大值三维压力图、多次测试平均最大值三维压力图。

(8)多次测试中各部位平均最大压力。

(9)接触面积。计算全足接触面积、任一时刻接触面积。

(10)以A/D值分析

与压力值分析相同，直接显示各个点的A/D值，A/D值分析显示的最大优势在于可以方便地分析系统故障，判断传感器的优劣。

4、病历管理，数据查询模块。

为便于分析每个病人的资料，对每个病人建立一个数据库文档，内容包括一般情况、症状、体症、检验结果、足压分布情况等，便于分析病情，得到结论。

该系统具有丰富的查询功能，根据给定的病历号或病理特征、足压测试结果进行分类统计、查询、为分析、诊断建立专家辅助决策系统作好准备。

5、诊断、输出(暂无)

待进行大样本人群测试，得到正常人足压数据和糖尿病人足压和足溃疡的相关性后，可依次设计出诊断系统。判断病人足压的足溃疡危险生大小。

本测量装置的临床应用：

目前，患足溃疡的糖尿病人截肢和死亡的危险性明显增加。由于周围神经病变导致足底压力增高，长期机械压力增加使足溃疡发生。我们应用本装置对58例正常人、105例糖尿病人进行足底压力测试，结果显示合并周围神经病变的糖尿病人足底最大压力明显增高，而无周围神经病变的糖尿病人足底最大压力与正常人相似，结果可靠，具有良好的灵敏度和分辨率。

Claims (3)

1、一种平板式足底压力分布测量装置，包括有硬件部分和软件部分，其特征在于：硬件中有一测量平台，其内设置有由多个微型压力传感器构成的传感器矩阵，每个传感器的受力点分别引到测量平台上的相应测量孔，传感器后面设置有信号放大器，其输出与传感器矩阵接口电路相连，矩阵接口电路与多路信号高速切换电路相接，输出与计算机中的高速A/D变换电路相连；计算机中的控制板上的控制电路与多路信号高速切换电路相连，计算机中通过PC总线分别与主机板、高速A/D和控制板相连，主机板再与显示器和硬盘相连；软件部分中的实时数据测试采集模块后面，一路通过数据存贮模块、资料查询模块，再进入诊断模块，另一路通过数据显示分析模块后直接进入诊断模块；与此同时，病历资料模块也进入诊断模块。

2、根据权利要求1所述的平板式足底压力分布测量装置，其特征在于：上述的的压力传感器矩阵是由200个微型压力传感器构成，采用悬臂梁应变式传感器斜面台阶式结构。

3、根据权利要求1或2所述的平板式足底压力分布测量装置，其特征在于：上述的微型压力传感器选用电阻式压力传感器中的铂金氏应变片传感器。

Images