CN2721009Y - 一种实现拇外翻足底压力测量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实现拇外翻足底压力测量的装置。所述压力测量装置，包括与足底待测区域相应的负载单元，置于所述负载单元表面的压电式传感器，所述压电式传感器包括一组电阻应变片、设有弹性悬臂的弹性元件、电极，所述一组电阻应变片均匀、对称设置在弹性元件正、反两面的弹性悬臂，所述正、反两面设置的电阻应变片彼此串接后与电极并接，以构成对称的由直流电供电的电桥。本实用新型具有灵敏度高、温度补偿、力作用点位置对测试结果影响小的优点，保证了测试的精确性，分辨率。压电式传感器布局合理，能针对不同足形调整传感器的位置，减少测试成本。用于测试仪各部分独立，维护时可供拆卸，便于临床应用。特别是外接控制处理电路后，还可实现对信息的显示、存储、打印。

Description

一种实现拇外翻足底压力测量的装置

技术领域

本实用新型属于对足底压力进行测试的装置，具体是一种改进的用于足底局部特定区域内压力测量的装置，特别是一种用于实现拇外翻足底压力测量的装置。

背景技术

用于实现对足底的压力进行测试的装置，先后经历了由足印技术、直接形象化技术、力板及多负载单元，压力鞋及压力鞋垫的发展过程。

足印技术^[1](Henry APJ，Waugh W.The useof footprints in assessing theresults of operation for Hallux Valgus.J Bone Jt.Surg，1975，57B(4)：478-481.)主要在30-70年代发展，根据人足在煅石膏、泥、橡胶、纸等易变形物质上留下的足印或痕迹的形态及深浅作大致判断，该技术的优点是简单直观、操作易行，但无法对瞬时压力的变化作出判断。

直接形象化技术^[2][3](K.M.Patil，M.S.Srinath.New image -processingsystem for analysis display and measurement of static and dynamic footpressure .Medical Biological Engineering and computing，1990，9：416-422.Cavanagh PR，Michiyo sh i A E.A technique fo r the display of pressuredistributions beneath the foot.J Biomech，1980；13：69.)是在一块玻璃的两端安置光源、玻璃上放置橡胶及其它改进材料制成的弹性垫，当脚踩在弹性垫后，由于光在玻璃内折射，受压的弹性垫即可在玻璃的下方产生一清晰的足印影像，影像的光强度正比于压力的变化。

足印技术与直接形象化技术都属于定性分析，足印只能记录足底的压力峰值，测不出瞬时压力的变化，直接形象化技术虽然可辨认高压力点，但灰度的均匀变化很难以肉眼来分辨，足底受力的大小变化只能根据图像的变化作出大致的判断。

基于上述原因，1983年frank将直接形像化技术发展成一套可定量分析的计算机系统。张伟、黄耀添、王军等^[14](张伟、黄耀添，王军等。拇外翻病人的静态、动态前足底压力测定。武警医学院学报，2001，10(2)：128-130。)自行研制的足底压力分布视频图像测试系统，就是直接形象化技术与计算机相结合的实现动、静态足底压力测量的分析系统。优点是无温度及湿度的干扰，但弹性垫的不同常影响测试结果。

力板及多负载单元、压力鞋及鞋垫则是在借助换能器、传感器技术的基础上发展起来的实现对足底压力进行测试的系统，其中，换能器是进行足压力测量的关键部件，其作用是将压力经一定的转换后，变成可供人们使用的直观信息，传感器则单指将压力变成电能的一类装置。

用于足压测量的传感器，根据其结构、原理分为电阻式传感器，压电式传感器，光电式传感器和电容式传感器^[5](J.Cobb，D.J.Claremont.Transducers for foot pressure measurement：survey of recent developments.Medicaland Biological Engineeering and computing.1995，(7)：525-532.〔5〕。)

电阻式传感器：力板只能用来测定足底的压力，不能用来评定足和鞋之间的受力情况。(Paul JP.Kinetic measurement systems andbiomechanical data.J.Hum.Movem.Stud.1978；4D：179-190.〔6〕)。如果力板面积较大，则需要使用传感器的数目众多，因此其造价昂贵。如果力板或多负载单元的面积不是足够大，只能测定站立或步行一涉或或两步的压力参数。(〔7〕韦启航。人体足底压力分布测量。北京生物医学工程学报。1991，10(4)：246-254。)。

在使用中，将传感器安置在鞋或鞋垫中，则形成压力鞋或压力鞋垫。压力鞋及压力鞋垫克服了力板及多负载单元的不足，它可将传感器直接放置在感兴趣的部位，由于与脚彼此之间是相互贴服，彼此的接触紧密，这样，压力鞋及压力鞋垫可对脚的各个部位的相关压力、时间等参数进行连续的追踪。但用来进行测试的压力鞋或压力鞋垫必须针对每个接受测试者而设计，一只压力鞋内少则100个传感器，多则500个传感器。因为受到材料及封装技术的影响，加之每个传感器灵敏度不同，故需要对每个传感器各个标定，因此费用较高。美国的F-scan测试系统采用电阻式液体压力传感器，960个传感器单元沿鞋垫的长轴排列，通过纵向的铝线相互连结，因结构而存在内部所设的传感器校正困难，传感器容易老化，传感器温度漂移明显的缺点。

发明内容

拇外翻足是足外科常见的疾病之一，常合并足底的胼胝体、跖骨头下疼痛、锤状趾畸形。目前许多文献研究表明，拇外翻足足底压力异常是这些并发症的生物力学病因基础。基于上述相关技术，在现有的用于对足底进行压力测试的系统中，用来与待测足底区域相应的负载单元，多采用测力板、或测力鞋、或测力鞋垫。测力板占地面积大，只能对一相对较大区域的压力进行测试，但对于相对较小的足底特定区域的压力反映不准确。采用测力鞋或测力鞋垫能避免因传感器放置引起的测试误差，但测力鞋及测力鞋垫内的传感器易老化、且重复使用率低、测试费用高，限制了在临床上的应用。

为了能对拇外翻足底特定区域的压力进行测试及研究，更是为了能服务临床，本实用新型的目的在于通过借鉴已有的压力测试系统，相应提供一种用于实际对拇外翻足底压力进行测量的装置。该装置具备灵敏度高、稳定性好、操作简单、结果显示直观、成本低、应用范围广、尤其适合青年以上测试者的特点。

本实用新型是这样实现的：

一种实现拇外翻足底压力测量的装置，包括与足底待测区域相应的负载单元，置于足底待测区域相应的负载单元表面的压电式传感器，其特征在于：

所述压电式传感器包括一弹性元件，一组电阻应变片；

所述弹性元件为片状、具有规则的外形、且中空，所述弹性元件以中心为交叉点、由四周分别向内对称、均匀的开槽，相应形成与弹性元件一体的弹性悬臂；

所述一组电阻应变片均匀、对称的设置在所述弹性元件向内开槽所形成的弹性悬臂的正、反两面，所述正、反两面设置的电阻应变片彼此串接后与电极并接，以构成对称的由直流电供电的电桥。

所述弹性元件向内开槽所形成的弹性悬臂为四个；

所述一组电阻应变片为八个；

所述电阻应变片通过环氧树脂粘贴于与弹性元件中心相近的四个弹性悬臂的近端。

所述粘贴有电组应变片的弹性元件为方形，置于钢制的盒体内，盒体与盒盖通过环氧树脂封闭为方形，侧面开有供引出电极的接线孔；

所述粘贴有电阻应变片的弹性悬臂的反面，通过环氧树脂，分别在远离弹性元件中心的弹性悬臂的远端边长，还粘贴有与该边长一致的一条钢制固定条，以构成悬臂力学支点；

与所述粘贴有电阻应变片的弹性悬臂相邻的弹性元件部分的正面，通过环氧树脂，分别在远离弹性元件中心的弹性元件部分的远端边长，还粘贴有与该边长一致的一条钢制固定条，以支撑盒盖与弹性悬臂不接触，并保证弹性悬臂有足够的弹性空间。

所述电极的位置设于与弹性元件中心相近的粘贴有电阻应变片的弹性悬臂近端的内侧。

所述与足底待测区域相应的负载单元可以是测力板、或压力鞋、或压力鞋垫。

所述压电式传感器的位置分别对应5个跖骨头的下方、拇趾头及跟骨内外侧和后侧；

所述压电式传感器的盒体与足底待测区域相应的负载单元的表面相接触；

所述压电式传感器的盒盖则与5个跖骨头的下方、拇趾头及跟骨内外侧和后侧相接触；

所述压电式传感器通过调节在足底待测区域相应的负载单元背面所设的一个长条形或至少一个块状的磁性材料，可在需要的范围内上下、左右移动，并固定位置；

所述压电式传感器高出与足底待测区域相应的负载单元的表面，且高度不高于5毫米。

所述用于左、右足测试的压电式传感器，按自内向外顺序，通过电极，提供与控制处理电路相连的导联。

所述控制处理电路包括信号转接电路板、放大器电路板、滤波器电路板、多路采集卡；

压电式传感器受压力产生电压信号，经过放大器的放大，阻容器滤波、再经多路采集卡采集、模数转化得到数字信号直接输入微机。

所述信号转接电路板，将分散的压电式传感器的电极引出线转至电缆，再经四头引线，形成导联连接至放大器；

所述放大器电路板，由双级放大器，调零电位器、供电电源组成，供电电源的输入电压为220V，输出电压在±5V，为放大器、提供电源，所述调零电位器，为W3266多圈电位器，放大后的电信号，至滤波电路板；

所述滤波器电路板采用25Hz的“低通”滤波器，经滤波以排除外界高频干扰信号，至多路采集卡；

所述多路数据采集卡采用中泰6319光隔离多路采集卡，对滤波的信号，经A/D模拟数字转换后，直接输入微机。

本实用新型的效果：在静态下，对拇外翻足5个跖骨头下垂直方向的压力进行测量，较已有的用于进行足底测试的装置，本实用新型特别适用足底局部特定的区域，且因改进的结构而相对解决了已有测试装置所存在的不足，特别是具备高灵敏度和好的稳定性，进一步还可通过软件的配套运行实现数据采集、数据显示、数据存储等为计算机所体现的功能。

附图说明

图1是本实用新型所述压电式传感器正面结构示意图；

图2是本实用新型所述压电式传感器反面结构示意图；

图3是本实用新型所述压电式传感器侧面结构示意图；

图4是本实用新型所述电极和电阻应变片构成的电桥连接示意图；

图5是本实用新型附设控制处理电路的结构方框图；

图6是本实用新型附设软件的处理流程图；

图7是本实用新型测试压力的一个具体实施示意图。

符号说明：

1～弹性悬臂

2～相邻的弹性元件部分

3～电阻应变片

4～电极

5、5′～固定条

6～盒体

7～盒盖

8～压力鞋

9～磁性材料嵌入槽

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的构成、工艺流程、及作用效果作出进一步详细说明：

首先需要指出的是本实用新型所揭示的用于实现拇外翻足底压力测量的装置，在得到测试的压力之后，完全可以通过附设成熟的控制处理电路，并输入微机，通过附加的相应软件。软件主要由通道数据采样、平滑、波型显示、样本贮存等模块组成。可有效的完成18个通道的数据采集、处理、波形显示、信息贮存和结果打印等功能。

本实用新型所述对拇外翻足特定区域跖骨头下的压力测量装置的具体实施包括有硬件部分和软件部分，硬件部分保证了压力测量的完成，借助软件可作进一步的处理。在与足底待测区域相应的负载单元内设置有由9个微型压电式传感器，每个传感器分别与拇趾、5个跖骨头和足跟相对应，传感器后面设置有信号放大器，其输出与阻容滤波器、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，主机板再与显示器相连。软件由Delphi语言编写，具有操作简单、实时记录、能立即输出打印结果等特点。

硬件单元包括：

1、压电式传感器：

1.1对由弹性元件和电阻应变片所构成的压电式传感器结构进行改进。弹性元件为方形、且中空的基材，以其中心为交叉点，由弹性元件的四周向内均匀的开设条形槽，以在两个槽之间形成与弹性元件结构一体的长条形弹性悬臂。采用8个电阻应变片用环氧树脂粘贴在弹性元件的四个弹性悬臂上，并均匀布置在弹性悬臂的正、反两面。正、反面设置的电阻应变片之间彼此串接，通过靠近弹性元件中心处的电极并接成对称的电桥，并可由直流电供电。将电阻应变片用钢制的小盒封装，小盒分盒体和盒盖，彼此通过环氧树脂密封后的外形也为方形，侧面开用于引出电极的接线孔。在粘贴电阻应变片的弹性悬臂的反面，相对弹性元件中心的弹性悬臂的远端边长，各通过环氧树脂粘贴一条与边长一致的钢制固定条，以构成悬臂力学支点。在足底的压力作用下，悬臂上电阻应变片的电阻值发生变化，从而输出与压力成正比的电压信号。在与粘贴有电阻应变片的弹性悬臂相邻的弹性元件部分的正面，通过环氧树脂，分别在远离弹性元件中心的弹性元件部分的远端边长，粘贴有与该边长一致的一条钢制固定条，以支撑盒盖与弹性悬臂之间不发生接触，并保证弹性悬臂在足底的压力作用下，有足够的弹性空间。

本实用新型所述改进结构的压电式传感器具有输出信号与压力加载点无关的优点，而且有温度补偿作用。电桥由直流电供电，桥压为±5V，满量程输出最大约为2mv左右。因不同负载点对压电式传感器的要求不同，可分别选用两种量程的传感器，最大量程为15kg、10kg。电桥由直流电供电，桥压为±5V，满量程输出最大约为2mv左右。15Kg量程的传感器尺寸为：28.0mm×28.0mm×5.5mm；10Kg传感器尺寸为：17.0mm×17.0mm×4.5mm。为了使测试面高度一样，可将低的、小的传感器表面放置1mm的铝合金材料。

1.2压电式传感器的安置：足底待测区域相应的负载单元以压力鞋为例，分别在5个跖骨头下、拇趾头及跟骨内外侧、后侧放置，一共9个压电式传感器。本实用新型与普通的测力鞋上传感器的布置点不同。而且，本实用新型的压电式传感器通过压力鞋背面所设的磁性材料，如长条形的磁铁，或者若干块与传感器对应的磁铁，可在一定范围内，作上下、左右移动，以适应不同的足底的大小，传感器和磁性材料两者形成固定又可活动的统一体。磁性材料可以通过在压力鞋的背面开槽后嵌入，或者直接将磁性材料封装在压力鞋的背面，这样可以直接调节压电式传感器的位置并固定，与以往压力鞋上传感器固定、不能移动相区别，解决了测试时，根据不同足形调整传感器位置的难题。压电式传感器高出鞋面，利于布线，避免测试时，足底对布线的挤压。且高度不高于5mm，不会影响测试结果。左、右足底的压电式传感器，按自内向外顺序排号，称为1-18导联，并与后续相应的控制处理电路连接。

2、相应的后续控制处理电路结构

如图3所示，由信号转接电路板、放大器电路板、滤波器电路板、A/D转换器、多路采集卡等组成。压电式传感器受力后产生电压信号，经过放大器的放大，阻容滤波器、再经采集卡采集，最后模数经转化的数字信号直接输入微机。

2.1信号转接电路板：为了能将各压电式传感器与放大器电路板相连，该电路板共两块，一块位于压力鞋内，一块位于控制处理电路内。主要作用将分散的压电式传感器引线转用电缆连接，再经四头引线，连接至放大器中。直接的效果使得在传感器出现故障时，可更换新的传感器，不必更换整个引线，便于维护。

2.2放大器电路板，主要由双级放大器，调零电位器、供电电源组成。供电电源采用交流电，输入电压为220V，输出电压在±5V，为放大器、提供电源。调零电位器为W3266多圈电位器。此部分主要在于将压电式传感器的输出信号进行放大，并有调整电压的作用。放大后的电信号，至滤波器电路板。

2.3滤波器电路板：采用“低通”(25Hz)滤波器，它由6.2KΩ电阻组成。压电式传感器的输出信号经放大后，再经滤波以排除外界高频干扰信号，向下传至A/D模拟数字转换器。

2.4数据采集卡：采用中泰6319光隔离多路采集卡，该卡位于计算机主机箱内，占用一个SCSI卡。该采集卡，具有A/D转换功能、最高采样频率33KHz。可将由传感器传来的，经放大的电信号转化为数字信号直接输入微机。

软件单元包括：

软件可由Delphi5.0编制，整个软件大小约2.98Mb，能运行在Windows98se及Window Me下，具体数据处理流程如图4所示。其是一个专业化的、人机界面友好的用户界面。具有操作简单、实时记录、能立即输出打印结果等特点。

该测试软件菜单主要包括建库、清屏、数据采集(零点采集)、存盘采集、结果显示与打印5个部分。对病人测试前，先输入患者的个人资料(姓名、性别、病历号等)，依次点击清屏、数据采集、设置1-18导联的电压为零，输入存储测试结果的路径，最后点击存盘采集数据，测试正式开始。测试束后，测量结果以数字的方式显示。

1、数据采集：软件设计采样频率为30Hz，测试时间为30秒，左足两脚共18导，每导一次测试时共采集900个数据。

2、数据的处理：数据采集所得到的是压电式传感器输出经放大，A/D转换后的二进制数字信号，必须将这些数字信号折算为压电式传感器的输出电压，并根据每个压电式传感器的拟合直线计算出相应的受力值。

量程：单足最大量程为100Kg；

测量点数：左、右两足，每只鞋安装9个传感器，共18个位点；

采样频率：30Hz；    采样时间：30S；

传感器零漂：＜2％；

整体系统测试误差：＜10％。

Claims (9)

1、一种实现拇外翻足底压力测量的装置，包括与足底待测区域相应的负载单元，置于足底待测区域相应的负载单元表面的压电式传感器，其特征在于：

所述压电式传感器包括一弹性元件，一组电阻应变片；

所述弹性元件为片状、具有规则的外形、且中空，所述弹性元件以中心为交叉点、由四周分别向内对称、均匀的开槽，相应形成与弹性元件一体的弹性悬臂；

所述一组电阻应变片均匀、对称的设置在所述弹性元件向内开槽所形成的弹性悬臂的正、反两面，所述正、反两面设置的电阻应变片彼此串接后与电极并接，以构成对称的由直流电供电的电桥。

2、如权利要求1所述的实现拇外翻足底压力测量的装置，其特征在于：

所述弹性元件向内开槽所形成的弹性悬臂为四个；

所述一组电阻应变片为八个；

所述电阻应变片通过环氧树脂粘贴于与弹性元件中心相近的四个弹性悬臂的近端。

3、如权利要求1或2所述的实现拇外翻足底压力测量的装置，其特征在于：

所述粘贴有电组应变片的弹性元件为方形，置于钢制的盒体内，盒体与盒盖通过环氧树脂封闭为方形，侧面开有供引出电极的接线孔；

所述粘贴有电阻应变片的弹性悬臂的反面，通过环氧树脂，分别在远离弹性元件中心的弹性悬臂的远端边长，还粘贴有与该边长一致的一条钢制固定条，以构成悬臂力学支点；

与所述粘贴有电阻应变片的弹性悬臂相邻的弹性元件部分的正面，通过环氧树脂，分别在远离弹性元件中心的弹性元件部分的远端边长，还粘贴有与该边长一致的一条钢制固定条，以支撑盒盖与弹性悬臂不接触，并保证弹性悬臂有足够的弹性空间。

4、如权利要求1或2所述的实现拇外翻足底压力测量的装置，其特征在于：

所述电极的位置设于与弹性元件中心相近的粘贴有电阻应变片的弹性悬臂近端的内侧。

5、如权利要求1或2所述的实现拇外翻足底压力测量的装置，其特征在于：

所述与足底待测区域相应的负载单元可以是测力板、或压力鞋、或压力鞋垫。

6、如权利要求3所述的实现拇外翻足底压力测量的装置，其特征在于：

所述压电式传感器的位置分别对应5个跖骨头的下方、拇趾头及跟骨内外侧和后侧；

所述压电式传感器的盒体与足底待测区域相应的负载单元的表面相接触；

所述压电式传感器的盒盖则与5个跖骨头的下方、拇趾头及跟骨内外侧和后侧相接触；

所述压电式传感器通过调节在足底待测区域相应的负载单元背面所设的一个长条形或至少一个块状的磁性材料，可在需要的范围内上下、左右移动，并固定位置；

所述压电式传感器高出与足底待测区域相应的负载单元的表面，且高度不高于5毫米。

7、如权利要求1或2所述的实现拇外翻足底压力测量的装置，其特征在于：

所述用于左、右足测试的压电式传感器，按自内向外顺序，通过电极，提供与控制处理电路相连的导联。

8、如权利要求7所述的实现拇外翻足底压力测量的装置，其特征在于：

所述控制处理电路包括信号转接电路板、放大器电路板、滤波器电路板、多路采集卡；

压电式传感器受压力产生电压信号，经过放大器的放大，阻容器滤波、再经多路采集卡采集、模数转化得到数字信号直接输入微机。

9、如权利要求8所述的实现拇外翻足底压力测量的装置，其特征在于：

所述信号转接电路板，将分散的压电式传感器的电极引出线转至电缆，再经四头引线，形成导联连接至放大器；

所述放大器电路板，由双级放大器，调零电位器、供电电源组成，供电电源的输入电压为220V，输出电压在±5V，为放大器、提供电源，所述调零电位器，为W3266多圈电位器，放大后的电信号，至滤波电路板；

所述滤波器电路板采用25Hz的“低通”滤波器，经滤波以排除外界高频干扰信号，至多路采集卡；

所述多路数据采集卡采用中泰6319光隔离多路采集卡，对滤波的信号，经A/D模拟数字转换后，直接输入微机。

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