TWI586947B - 逐列分析壓力分布的方法 - Google Patents

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Description

逐列分析壓力分布的方法
本發明係關於一種壓力分布的分析方法，尤其係關於一種逐列分析壓力分布的方法。
在使用壓力感測器陣列測得之壓力數據於分析物體表面壓力分布的文獻中，Dixon於2006年設定壓力感測器陣列的Y軸平行於整個腳前後方向的長軸，壓力感測器陣列的X軸則正交於Y軸，其實驗所得之壓力中心由外向內之偏移(lateral-to-medial deviation of center of pressure)，是以腳開始接觸壓力感測器陣列時，整個壓力感測器陣列的壓力至Y軸的平均力臂與最後達成的整個壓力感測器陣列的壓力至Y軸的最小平均力臂之間的差距來計算，然而，其僅能顯示壓力感測器陣列的整體壓力從外側分布到內側過程的變化。
習知之分析壓力分布的方法僅能顯示待測物體表面整體的壓力分布與變動，因為習知方法係計算整個壓力感測器陣列的壓力至感測器陣列Y軸的平均力臂，無法代表待測物體表面細部的壓力分布，例如腳跟細部的壓力在其內外側之分布與隨時間變動的情形。
因此，若能提出一種得以分析物體細部表面之壓力分布的方法，協助相關領域人士充分利用壓力感測器陣列之壓力數據，進一步獲得 其中更細微表面的壓力分布資訊，實有其必要性。
為達到上述目的，本發明係提供一種逐列分析壓力分布的方法，包含：測量一物體在一壓力感測器陣列上施力過程的壓力分布，以取得該壓力感測器陣列的每一列壓力感測器之個別感測器所測得一時間序列之個別壓力值；界定該壓力感測器陣列之一側邊緣為一力臂基準，以計算每一列壓力感測器之個別感測器至該力臂基準的個別力臂；計算該時間序列中每一列壓力感測器之一平均力臂，其中該平均力臂是計算加總自該時間序列中每一列壓力感測器所測得之個別壓力值乘以對應之個別感測器的個別力臂，該加總除以該列壓力感測器所測得之壓力值總和；以及根據該時間序列中所有列當中最長或最短的平均力臂，分析該物體在該時間序列中最遠離或最靠近該力臂基準的細部壓力分布。
在本發明之一實施例中，該時間序列係為該物體在該壓力感測器陣列上施力過程中的一段期間，在該時間序列的其中一時刻，該壓力感測器陣列的其中一列壓力感測器有該物體在施力過程中的一段期間該壓力感測器陣列的所有列壓力感測器的最短平均力臂，具有該最短平均力臂的該列壓力感測器在該時刻的壓力分布為最靠近該力臂基準；在該時間序列的其中一時刻，該壓力感測器陣列的其中一列壓力感測器有該物體在施力過程中的一段期間該壓力感測器陣列的所有列壓力感測器的最長平均力臂，具有該最長平均力臂的該列壓力感測器在該時刻的壓力分布為最遠離該力臂基準。
同時，本發明亦提供一種逐列分析壓力分布比例的方法，包含：測量一物體在一壓力感測器陣列上施力過程的壓力分布，以取得該壓力感測器陣列的每一列壓力感測器之個別感測器所測得一時間序列之個別 壓力值；界定該壓力感測器陣列之一側邊緣為一力臂基準，以計算每一列壓力感測器之個別感測器至該力臂基準的個別力臂；計算該時間序列中每一列壓力感測器之一平均力臂，其中該平均力臂是計算加總自該時間序列中每一列壓力感測器所測得之個別壓力值乘以對應之個別感測器的個別力臂，該加總除以該列壓力感測器所測得之壓力值總和；以及根據該時間序列中壓力感測器陣列之一列壓力感測器中，界定最靠近該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離與最遠離該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離之差值為一壓力間距；以及計算該列壓力感測器的該平均力臂落於該壓力間距的比例，以分析該列上遠離或靠近該力臂基準的細部壓力分布比例。
在本發明之一實施例中，該壓力間距表示該列壓力感測器在最靠近與最遠離該力臂基準的壓力分布極限；該最靠近該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離為0%，該最遠離該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離為100%，該平均力臂落於該壓力間距的比例是相對於該最靠近與該最遠離該力臂基準之距離之間的百分比。
本發明更進一步提供一種逐列分析壓力分布與其比例隨時間變化的方法，包含：測量一物體在一壓力感測器陣列上施力過程的壓力分布，以取得該壓力感測器陣列的每一列壓力感測器之個別感測器所測得一時間序列之個別壓力值；界定該壓力感測器陣列之一側邊緣為一力臂基準，以計算每一列壓力感測器之個別感測器至該力臂基準的個別力臂；計算該時間序列中每一列壓力感測器之一平均力臂，其中該平均力臂是計算加總自該時間序列中每一列壓力感測器所測得之個別壓力值乘以對應之個別感測器的個別力臂，該加總除以該列壓力感測器所測得之壓力值總和； 界定每一列壓力感測器中最靠近該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離與最遠離該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離之差值為一壓力間距；以及從該時間序列中，回溯至與具有最長或最短之平均力臂之列而在該列最早具有相同的壓力間距的時刻，計算該最早的時刻該列之平均力臂與最長或最短之平均力臂之差值，再除以該列之該壓力間距，以分析該列上達到最遠離或最靠近該力臂基準過程中細部壓力分布與其比例隨時間的變化。
在本發明之一實施例中，該壓力間距表示該列壓力感測器在最靠近與最遠離該力臂基準的壓力分布極限；該最早的時刻該列之平均力臂與最長或最短之平均力臂之差值，表示該列從該最早的時刻到發生最長或最短之平均力臂時以相同的該壓力間距達到最遠離或最靠近該力臂基準的壓力分布過程之變動，其中該差值除以該列之該壓力間距，表示該列壓力感測器的壓力分布之變動相對於施力過程維持不變的壓力間距的比例。
本發明之逐列分析壓力分布的方法可用於各類型探討物體細部表面壓力分布的情境，使相關領域人士充分利用壓力感測器陣列之壓力數據，進一步獲得其中更細微表面的壓力分布資訊。例如應用本發明之方法分析足部與鞋墊等輔具、臀部與床或坐墊、背部與床或靠背、燒燙傷疤痕與壓力衣、手與握把、指尖與鍵盤、輪胎與地面等任何隨時間變化的細部界面壓力分布，在細部壓力分布開始出現異常時，能即時偵測與後續評估處置的效果。
以下將配合圖式進一步說明本發明的實施方式，以下所列舉的實施例係用以闡明本發明，並非用以限定本發明之範圍，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所做些許更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明 之專利範圍中。
第一A圖至第一O圖係顯示右腳跟開始施力於壓力感測器陣列期間，感測器陣列的個別感測器所測得的個別壓力值。
本發明之逐列分析壓力分布之方法，包含測量一物體在一壓力感測器陣列上施力過程的壓力分布，取得該壓力感測器陣列的個別感測器在一時間序列中之個別壓力值及個別力臂，依據每一列壓力感測器的個別壓力值及個別力臂計算該列感測器之平均力臂，以及根據該時間序列中所有列當中最長或最短的平均力臂，分析該物體在該時間序列中的細部壓力分布。本發明尚能透過進一步分析，計算該物體細部之壓力分布比例與該分布及其比例隨時間的變化。
定義
本發明所稱「壓力感測器陣列」係為一設置於一測量物體表面壓力之壓力量測儀內之感測器陣列，亦簡稱為「感測器陣列」或「陣列」。
本發明所稱「細部」係為一待分析物體表面之一局部範圍，該局部範圍可對應至該物體施力於一壓力感測器陣列時，該感測器陣列的任一列感測器。
材料及方法 壓力分布測量系統
用於壓力測量之壓力感測器陣列係設置於一面積70.4 x 70.4mm的壓力量測儀HA44(Novel GmbH，Munich，Germany)，該陣列由 16 x 16個4.4 x 4.4mm的壓力感測器組成，測量壓力之範圍為10-200kPa。壓力測量前，以已知壓力空氣校正個別壓力感測器，並應用軟體「Settings」(Novel GmbH，Munich，Germany)設定個別壓力感測器之內部訊號放大及補償值以獲得最大解析度，使個別壓力感測器的校正數據精確度得以大幅提升。壓力數據的擷取頻率為38次/秒。
實施例1 應用逐列分析壓力分布的方法於腳跟細部壓力分布
在本實施例中，以逐列分析腳跟壓力分布舉例說明本發明之方法，其步驟分述如下。
步驟一，在壓力感測器陣列上空調整欲分析的一受試者的右腳跟前後長軸平行於該感測器陣列之一側邊緣後，開始施力於感測器陣列上。如第一A圖所示，定義該感測器陣列之一側邊緣為Y軸，作為計算該感測器陣列之個別感測器之個別力臂的一力臂基準，並定義與Y軸正交之感測器陣列另一側邊緣為X軸，上述之右腳跟的前後長軸係平行於該感測器陣列之Y軸；感測器陣列之個別感測器的Y軸與X軸座標分別表示該個別感測器至X軸或Y軸的距離，以公釐(mm)為單位。以下實施例中，感測器陣列的上、下、左、右分別表示為與右腳跟在解剖學上一致的前、後、內、外側。
右腳跟施力於壓力感測器陣列過程中的一段期間，係包括第一A圖至第一O圖的一時間序列。第一A圖顯示右腳跟開始施壓力於感測器陣列之前，所有感測器的個別壓力值皆為0kPa。第一B圖開始，右腳跟施壓力於感測器的數目與壓力逐漸增加。在第一C圖中，有從X軸座標為11.0mm至41.8mm的感測器量測到壓力。第一D圖開始，有從X軸座標 為11.0mm至46.2mm的感測器量測到壓力。第一G圖開始，有從X軸座標為6.6mm至46.2mm的感測器量測到壓力。過程中，個別感測器的壓力並非持續增加，而是此消彼長的變動著。
步驟二，從第一B圖至第一O圖的一時間序列中的每一列壓力感測器的個別壓力值乘以個別感測器至Y軸的個別力臂之總和，再除以每一列壓力感測器的個別壓力值總和來計算每一列壓力感測器至Y軸的平均力臂，表示每一列感測器之壓力分布隨時間而變動。該平均力臂之計算結果如表一所示，其計算公式如下：Σ(壓力值．X軸座標)/Σ壓力值
步驟三，在第一A圖至第一O圖的時間序列中的所有列當中，以第一L圖中Y軸座標24.2mm之列感測器壓力(圖中以灰色標記該列Y軸座標)至Y軸平均力臂23.1mm為最短，表示在第一L圖的該列感測器達到該時間序列中的所有列當中最內側之壓力分布。
步驟四，依據第一L圖中Y軸座標24.2mm之列，定義該列最內側感測有壓力的感測器，即X軸座標6.6mm之感測器(圖中以灰色標記該感測器的位置)，至Y軸的力臂為0%，該列最外側感測有壓力的感測器，即X軸座標41.8mm之感測器(圖中以灰色標記該感測器的位置)，至Y軸的力臂為100%，表示在第一L圖的時刻該列感測器之壓力在最內側與最外側之分布極限。
步驟五，已知第一L圖中Y軸座標24.2mm之列感測器至Y軸的平均力臂為23.1mm，計算該列至Y軸的平均力臂相對於該列最內側與最外側感測有壓力的感測器至Y軸的力臂(各為6.6與41.8mm)之間的百分比為46.8%，表示該列感測器壓力分布相對於其最內側與最外側壓力分布極限之間的比例，其計算如下：(23.1-6.6)/(41.8-6.6)=46.8%
步驟六，在施力過程中，回溯Y軸座標24.2mm之列最早具有與最短平均力臂時相同的最內側與最外側壓力分布極限(從X軸座標6.6mm至41.8mm)之時刻，即第一I圖，表示Y軸座標24.2mm之列的感測器壓力從第一I圖開始以相同的最內側與最外側壓力分布極限去達到第一L圖之最內側之壓力分布。
步驟七，第一I圖中Y軸座標24.2mm之列感測器至Y軸平均力臂為24.8mm，第一L圖中Y軸座標24.2mm之列感測器有最短至Y軸平均力臂23.1mm，此二平均力臂相減之差為1.7mm，表示Y軸座標 為24.2mm之列的感測器壓力從第一I圖至第一L圖以相同的最內側與最外側分布極限達到最內側分布過程之變動。
步驟八，前述二平均力臂相減之差1.7mm再除以Y軸座標24.2mm之列最內側(X軸座標6.6mm)與最外側(X軸座標41.8mm)感測有壓力的感測器之間的距離(35.2mm)得4.9%，表示該列感測器壓力分布之變動相對於施力過程中維持不變的最內側與最外側壓力分布極限之間的比例，亦即從第一I圖的壓力分布比例51.7%開始至第一L圖最內側壓力分布比例46.8%的總變動。第一I圖的51.7%與第一J圖的49.3%之間相差2.4%，第一J圖的49.3%與第一K圖的47.6%之間相差1.7%，第一K圖的47.6%與第一L圖的46.8%之間相差0.8%，表示施力開始壓力向內側偏移最大，之後變動逐漸減小。
由上述實施例可知，本發明之逐列分析壓力分布的方法有別於先前技術計算平均力臂的方式：如第一L圖整個陣列的平均力臂為24.6mm，第一I圖整個陣列的平均力臂為26.1mm，而是以壓力感測器陣列的每一列壓力感測器至陣列Y軸的平均力臂，代表物體細部的內外側壓力分布，並以一時間序列中所有列壓力感測器至陣列Y軸之最短或最長平均力臂，代表物體細部最內側或最外側的壓力分布：如最短逐列平均力臂23.1mm出現在第一L圖中Y軸座標24.2mm之列。此外，本發明之分析方法使一列壓力感測器中最內側感測有壓力的感測器能代表物體細部表面的最內側壓力分布極限，最外側感測有壓力的感測器能代表物體細部表面的最外側壓力分布極限，使一列壓力感測器至陣列Y軸的平均力臂相對於最內側與最外側感測有壓力的感測器至陣列Y軸的距離之間的百分比，能代物體細部表面的壓力分布相對於最內側與最外側壓力分布極限之間的比例：如出現在第一L圖的最短逐列平均力臂之列的壓力分布比例為46.8%，因此使具有不同最內側與最外側壓力分布極限的物體細部表面之間也可以相 互比較，如表二所示：使用本發明之方法分析前足內翻者與無前足內翻者之腳跟細部壓力分布，結果顯示前足內翻者的逐列壓力分布比例顯著小於無前足內翻者，即前足內翻者的腳跟細部壓力分布偏向足內側；而用先前技術無法計算整個陣列的壓力分布比例。
另外，從物體開始施壓於壓力感測器陣列上後，具最短或最長平均力臂之列其最內側與最外側壓力分布極限持續改變，直到該列最早具有與最短或最長平均力臂時相同的最內側與最外側壓力分布極限的時刻：如第一I圖，就開始以該相同的最內側與最外側壓力分布極限去達到最內或最外之壓力分布，所以該列至陣列Y軸的平均力臂與最短或最長平均力臂相減之差：如第一I圖24.8mm與第一L圖23.1mm相減之差為1.7mm，與先前技術以整個陣列計算平均力臂的方式比較：如第一I圖26.1mm與第一L圖24.6mm相減之差為1.5mm，前者平均力臂隨時間的變化大於後者。再如表二所示：前足內翻者的整個陣列平均力臂隨時間的變化並未顯著(p>0.05)大於無前足內翻者，然而前足內翻者的逐列平均力臂隨時間的變化則 有顯著(p=0.049)大於無前足內翻者。上述兩種比較皆顯示本發明優於先前技術之處。逐列平均力臂隨時間的變化再除以最內側與最外側感測有壓力的感測器之間距：如1.7mm除以35.2mm得4.9%，能代表物體細部表面的壓力分布變動相對於過程中維持不變的最內側與最外側壓力分布極限的比例，即使具有不同最內側與最外側壓力分布極限的物體細部表面之間也可以相互比較，如表二所示：前足內翻者的逐列壓力分布比例隨時間的變化比逐列平均力臂隨時間的變化(p=0.049)更顯著(p=0.023)大於無前足內翻者，而用先前技術無法計算整個陣列的壓力分布比例隨時間的變化。
綜合而言，本發明之逐列分析壓力分布的方法可用於各種探討物體細部表面壓力分布的情境，並不局限於足部裝具、鞋子、鞋墊等諸多下肢輔具之評估、研發、製造，其他如臀部與床或坐墊、背部與床或靠背、燒燙傷疤痕與壓力衣、手與握把、指尖與鍵盤、輪胎與地面之間等任何隨時間變化的細部界面壓力分布有關的分析與產品開發皆為本發明之方法應用的範圍。例如將本發明之方法應用於與隨身智慧裝置結合之壓力量測系統，隨時記錄並分析身體表面與環境間細部界面之壓力分布，即時提供分布異常訊息，預警醫療人員及時介入，有效預防皮膚潰瘍、壓瘡、缺血、壞死、神經病變等併發症，既提升醫療品質，又減輕醫療人員負擔。

Claims (11)

  1. 一種逐列分析壓力分布的方法，包含：測量一物體在一壓力感測器陣列上施力過程的壓力分布，以取得該壓力感測器陣列的每一列壓力感測器之個別感測器所測得一時間序列之個別壓力值；界定該壓力感測器陣列之一側邊緣為一力臂基準，以計算每一列壓力感測器之個別感測器至該力臂基準的個別力臂；計算該時間序列中每一列壓力感測器之一平均力臂，其中該平均力臂是計算加總自該時間序列中每一列壓力感測器所測得之個別壓力值乘以對應之個別感測器的個別力臂，該加總除以該列壓力感測器所測得之壓力值總和；以及根據該時間序列中所有列當中最長或最短的平均力臂，分析該物體在該時間序列中最遠離或最靠近該力臂基準的細部壓力分布。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該時間序列係為該物體在該壓力感測器陣列上施力過程中的一段期間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該時間序列的其中一時刻，該壓力感測器陣列的其中一列壓力感測器有該物體在施力過程中的一段期間該壓力感測器陣列的所有列壓力感測器的最短平均力臂，具有該最短平均力臂的該列壓力感測器在該時刻的壓力分布為最靠近該力臂基準。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該時間序列的其中一時刻，該壓力感測器陣列的其中一列壓力感測器有該物體在施力過程中的一段期間該壓力感測器陣列的所有列壓力感測器的最長平均力臂，具有該最長平均力臂的該列壓力感測器在該時刻的壓力分布為最遠離該力臂 基準。
  5. 一種逐列分析壓力分布比例的方法，包含：測量一物體在一壓力感測器陣列上施力過程的壓力分布，以取得該壓力感測器陣列的每一列壓力感測器之個別感測器所測得一時間序列之個別壓力值；界定該壓力感測器陣列之一側邊緣為一力臂基準，以計算每一列壓力感測器之個別感測器至該力臂基準的個別力臂；計算該時間序列中每一列壓力感測器之一平均力臂，其中該平均力臂是計算加總自該時間序列中每一列壓力感測器所測得之個別壓力值乘以對應之個別感測器的個別力臂，該加總除以該列壓力感測器所測得之壓力值總和；以及根據該時間序列中壓力感測器陣列之一列壓力感測器中，界定最靠近該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離與最遠離該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離之差值為一壓力間距；以及計算該列壓力感測器的該平均力臂落於該壓力間距的比例，以分析該列上遠離或靠近該力臂基準的細部壓力分布比例。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該壓力間距表示該列壓力感測器在最靠近與最遠離該力臂基準的壓力分布極限。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該最靠近該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離為0%，該最遠離該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離為100%，該平均力臂落於該壓力間距的比例是相對於該最靠近與該最遠離該力臂基準之距離之間的百分比。
  8. 一種逐列分析壓力分布與其比例隨時間變化的方法，包含： 測量一物體在一壓力感測器陣列上施力過程的壓力分布，以取得該壓力感測器陣列的每一列壓力感測器之個別感測器所測得一時間序列之個別壓力值；界定該壓力感測器陣列之一側邊緣為一力臂基準，以計算每一列壓力感測器之個別感測器至該力臂基準的個別力臂；計算該時間序列中每一列壓力感測器之一平均力臂，其中該平均力臂是計算加總自該時間序列中每一列壓力感測器所測得之個別壓力值乘以對應之個別感測器的個別力臂，該加總除以該列壓力感測器所測得之壓力值總和；界定每一列壓力感測器中最靠近該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離與最遠離該力臂基準且感測有壓力的個別感測器至該力臂基準之距離之差值為一壓力間距；以及從該時間序列中，回溯至與具有最長或最短之平均力臂之列而在該列最早具有相同的壓力間距的時刻，計算該最早的時刻該列之平均力臂與最長或最短之平均力臂之差值，再除以該列之該壓力間距，以分析該列上達到最遠離或最靠近該力臂基準過程中細部壓力分布與其比例隨時間的變化。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該壓力間距表示該列壓力感測器在最靠近與最遠離該力臂基準的壓力分布極限。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該最早的時刻該列之平均力臂與最長或最短之平均力臂之差值，表示該列從該最早的時刻到發生最長或最短之平均力臂時以相同的該壓力間距達到最遠離或最靠近該力臂基準的壓力分布過程之變動。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該差值除以該列之該壓力間距，表示該列壓力感測器的壓力分布之變動相對於施力過程維持不變的壓 力間距的比例。
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