基于多傳感器的可穿戴式足底壓力測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)及臨床應(yīng)用*

李 攀 蔣 敏 向 超 羅 倫* 王 紅 蘇文淵 覃 輝

人體足底壓力分布能反映有關(guān)足的結(jié)構(gòu)、功能及整個(gè)身體姿勢(shì)控制的情況。正常人的足底壓力分布有一定的規(guī)律，當(dāng)足部發(fā)生拇外翻、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、糖尿病足等畸形或功能異常以及下肢骨折和手術(shù)等情況時(shí)，將會(huì)影響足底壓力的正常分布[1]。測(cè)試分析足的壓力可以獲取人體在各種體態(tài)和運(yùn)動(dòng)下的生理、病理力學(xué)參數(shù)和機(jī)能參數(shù)[2-3]。

足底壓力測(cè)試基于生物力學(xué)原理，探測(cè)人體下肢結(jié)構(gòu)狀況，評(píng)估及預(yù)估足部疾病，判斷手術(shù)效果，提供科學(xué)、精準(zhǔn)而個(gè)體化的康復(fù)治療方法，因而在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和研究。鑒于此，本研究與清華大學(xué)自動(dòng)化系進(jìn)行合作，共同研發(fā)足底壓力測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)患者足底關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，并輔以數(shù)據(jù)庫(kù)等框架將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的展現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)受試者足底受力情況的便捷獲取和相關(guān)信息的管理，使之更好地指導(dǎo)臨床康復(fù)評(píng)估和治療工作。

1 可穿戴式足底壓力測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)

基于文獻(xiàn)分析，本研究選取第1跖骨、第3跖骨、第5跖骨及跟骨作為測(cè)量部位。所研發(fā)的足底壓力測(cè)試系統(tǒng)分為硬件及軟件兩部分。

1.1 硬件部分

(1)傳感器的選型。經(jīng)反復(fù)測(cè)試和對(duì)比，采用電阻型壓力傳感器(德國(guó)Flexiforce)，利用電阻敏感的原件把被測(cè)量的壓力轉(zhuǎn)換成為與其有一定關(guān)系的電信號(hào)進(jìn)行輸出，其可重復(fù)性以及測(cè)量的精確度與電容型壓力傳感器相近，且誤差較小。

(2)主控芯片。選用Cortex-M3微控制器(荷蘭恩智浦)作為系統(tǒng)的主控芯片，具有高集成度，可適應(yīng)各種高級(jí)通訊，高質(zhì)量圖像顯示等應(yīng)用場(chǎng)合的需求，能進(jìn)行藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸。

(3)硬件設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)的穿戴式，受試者只需站在該系統(tǒng)的平面上，通過(guò)調(diào)整該部分的大小、形狀，將壓力傳感器對(duì)準(zhǔn)足底關(guān)鍵部位，即可測(cè)得足底實(shí)時(shí)壓力(如圖1所示)。

圖1 足底壓力測(cè)試系統(tǒng)硬件部分示意圖

1.2 軟件部分

(1)數(shù)據(jù)的接收與濾波。數(shù)據(jù)的接收方面采用串口通信處理；濾波方面，為防止外界的電擾動(dòng)影響數(shù)據(jù)的真實(shí)程度，采用均值濾波的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)。采用Access作為后臺(tái)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

(3)軟件設(shè)計(jì)將所測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙裝置即時(shí)傳輸至電腦軟件系統(tǒng)中，顯示于軟件界面(壓力單位：mmHg)，并可進(jìn)行儲(chǔ)存和調(diào)取(如圖2所示)。

圖2 足底壓力測(cè)試軟件系統(tǒng)示意圖

2 可穿戴式足底壓力測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

2.1 應(yīng)用測(cè)試對(duì)象

為進(jìn)行系統(tǒng)的效度和信度測(cè)試，本研究于2016年8月至2018年4月招募110名健康志愿者(均為在校大學(xué)生)進(jìn)行足底壓力測(cè)試，其中男性42名，女性68名；年齡18～24歲；無(wú)足部及下肢疼痛病史，雙下肢等長(zhǎng)且自愿接受足底壓力測(cè)試。

2.2 應(yīng)用測(cè)試方法

所有志愿者均進(jìn)行雙下肢長(zhǎng)度測(cè)量以確保雙下肢等長(zhǎng)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，進(jìn)行志愿者雙側(cè)足底壓力的測(cè)量和記錄，并在不同的時(shí)間重復(fù)兩次。

2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)同一志愿者左、右兩側(cè)同一部位的足底壓力分布進(jìn)行比較，采用t檢驗(yàn)，對(duì)不同時(shí)間重復(fù)測(cè)量的同一志愿者同一部位足底壓力采用重復(fù)測(cè)量的方差分析檢測(cè)重測(cè)信度，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 可穿戴式足底壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

3.1 足底壓力分布趨勢(shì)

綜合所有數(shù)據(jù)可以看出，足部最大受力部位在足跟采集點(diǎn)和第3跖骨采集點(diǎn)處，以跟骨點(diǎn)壓力值最大。各部位所受壓力平均值從大到小依次為：足跟＞第3跖骨＞第1跖骨＞第5跖骨，左、右兩側(cè)足底壓力的平均值分布相似，男性與女性志愿者的足底分布趨勢(shì)基本相同，與目前可查文獻(xiàn)中的正常人足底壓力變化趨勢(shì)基本一致(如圖3所示)。

表1 所有志愿者足底壓力分布左右對(duì)比(mmHg，±s)

表1 所有志愿者足底壓力分布左右對(duì)比(mmHg，±s)

部位 左足 右足 t值 P值第1跖骨 1.7213±4.4296 3.0099±5.4270 -2.429 0.017第3跖骨 13.3228±14.9319 6.8614±8.9194 5.172 0.001第5跖骨 0.5603±1.1709 1.5021±2.1299 -4.778 0.001跟骨 57.8376±30.0574 63.4075±31.8578 -1.642 0.103

表2 男性志愿者足底壓力分布左右對(duì)比(mmHg，±s)

表2 男性志愿者足底壓力分布左右對(duì)比(mmHg，±s)

部位 左足 右足 t值 P值第1跖骨 2.9364±5.9297 3.5514±5.8836 -0.712 0.48第3跖骨 14.9288±15.8259 5.9243±6.5681 4.591 0.001第5跖骨 0.946±1.6093 2.3962±2.6785 -3.651 0.001跟骨 58.0269±34.6207 72.6086±31.5536 -2.426 0.02

表3 女性志愿者足底壓力分布左右對(duì)比(mmHg，±s)

表3 女性志愿者足底壓力分布左右對(duì)比(mmHg，±s)

部位 左足 右足 t值 P值第1跖骨 0.9707±2.9846 2.6754±5.1414 -2.536 0.014第3跖骨 12.3309±14.3822 7.4401±10.1063 3.059 0.003第5跖骨 0.3221±0.7033 0.9499±1.4762 -3.19 0.002跟骨 57.7207±27.1344 57.7244±30.9195 -0.001 0.999

圖3 所有志愿者足底壓力分布趨勢(shì)圖

3.2 所有志愿者左右兩側(cè)足底壓力對(duì)比

將所有志愿者不同時(shí)間測(cè)量的不同部位足底壓力值計(jì)算均值，分析其分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，第1跖骨、第3跖骨和第5跖骨的壓力分布左右兩側(cè)比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-2.429，t=5.172，t=-4.778；P＜0.05)；而足跟部位的壓力雙側(cè)比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，表明該測(cè)試系統(tǒng)能夠反映不同部位壓力分布的差異(見(jiàn)表1)。

3.3 男性志愿者左右兩側(cè)足底壓力對(duì)比

對(duì)男性志愿者不同時(shí)間測(cè)量的不同部位足底壓力值計(jì)算均值，分析其分布規(guī)律并進(jìn)行左、右兩側(cè)比較發(fā)現(xiàn)，第1跖骨壓力分布雙側(cè)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其余第3跖骨、第5跖骨及足跟部位壓力雙側(cè)比較均有顯著性差異(t=4.591，t=-3.651，t=-2.426；P＜0.05)，見(jiàn)表2，如圖4所示。

圖4 男性志愿者足底壓力分布趨勢(shì)圖

3.4 女性志愿者左右兩側(cè)足底壓力對(duì)比

對(duì)女性志愿者不同時(shí)間測(cè)量的不同部位足底壓力值計(jì)算均值，分析其分布規(guī)律并進(jìn)行左、右兩側(cè)比較發(fā)現(xiàn)，第1跖骨、第3跖骨和第5跖骨的壓力分布兩側(cè)足之間存在顯著差異(t=-2.536，t=3.059，t=-3.19；P＜0.05)，足跟部位壓力雙側(cè)比較則無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，且兩側(cè)均值非常接近，與所有志愿者總體的足底壓力分布趨勢(shì)一致，見(jiàn)表3、如圖5所示。

表4 不同時(shí)間測(cè)量的足底壓力數(shù)據(jù)比較(mmHg，±s)

表4 不同時(shí)間測(cè)量的足底壓力數(shù)據(jù)比較(mmHg，±s)

左足右足部位 第1跖骨 第3跖骨 第5跖骨 跟骨第1次 1.6473±3.9572 14.2758±15.7059 0.5429±1.2258 58.8457±31.9845第2次 1.7538±4.7093 12.9688±13.9461 0.5562±1.15943 57.2076±30.0021第3次 1.7078±4.5947 13.6940±14.3887 0.5658±1.7736 57.4523±30.0679 F值 0.016 0.218 0.007 0.091 P值 0.984 0.804 0.993 0.913第1次 3.1459±5.3677 6.7835±8.8739 1.5211±2.3058 65.2751±32.5896第2次 3.2584±5.5622 5.9815±8.2695 1.4919±2.1357 63.0197±30.1327第3次 2.9837±5.0034 6.8987±8.9357 1.5127±2.0964 62.9575±30.8749 F值 0.074 0.363 0.005 0.197 P值 0.928 0.696 0.995 0.821

圖5女性志愿者足底壓力分布趨勢(shì)圖

3.5 不同測(cè)量時(shí)間重測(cè)信度

對(duì)所有志愿者不同時(shí)間測(cè)量的足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量的方差分析，結(jié)果顯示不同測(cè)量時(shí)間的足底壓力數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異，見(jiàn)表4。

4 討論

目前，已有的足底壓力測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)試靜態(tài)和動(dòng)態(tài)足底狀況，用于赤足或穿鞋的走、跑等不同運(yùn)動(dòng)的分析。此系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，系統(tǒng)硬件由壓力傳感器平板矩陣、接口電路、信號(hào)采集及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成；系統(tǒng)軟件主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存貯模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算分析和顯示模塊、病歷管理與資料查詢模塊、診斷模塊等組成。具有代表性的足底壓力測(cè)試系統(tǒng)有美國(guó)Tekscan公司生產(chǎn)的F-scan系統(tǒng)、德國(guó)Novel公司的EMED系列足底壓力測(cè)試系統(tǒng)和比利時(shí)RsScan公司的Footscan足底壓力測(cè)試系統(tǒng)[4-6]。然而，這些足底壓力測(cè)試系統(tǒng)因其價(jià)格昂貴、體積較大及使用不便而難以在康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床工作中廣泛推廣應(yīng)用，限制了足底壓力測(cè)試技術(shù)在下肢和足部疾病康復(fù)中的應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)一款輕便易攜、價(jià)格適宜的足底壓力測(cè)試系統(tǒng)，有助于足底壓力測(cè)試技術(shù)在骨科康復(fù)、神經(jīng)康復(fù)等領(lǐng)域的更好開(kāi)展，能夠?yàn)榛颊咛峁┚珳?zhǔn)、個(gè)體化、漸進(jìn)性的評(píng)估和治療方案，符合現(xiàn)代康復(fù)的智能化發(fā)展趨勢(shì)。

本研究所研發(fā)的足底壓力測(cè)試系統(tǒng)，利用電阻敏感的原件將其感知的足底壓力轉(zhuǎn)換成為與其有一定關(guān)系的電信號(hào)，從而能夠利用電腦系統(tǒng)實(shí)施檢測(cè)，并讀取不同部位的足底壓力數(shù)據(jù)。檢測(cè)結(jié)果顯示，健康志愿者足底第1跖骨、第3跖骨及第5跖骨的左、右兩側(cè)壓力分布存在差異，而足跟部位的雙側(cè)壓力分布近似，各部位所受壓力平均值從大到小依次為：足跟＞第3跖骨＞第1跖骨＞第5跖骨，男性及女性左、右兩側(cè)的足底壓力分布趨勢(shì)不同，與既往研究中[7-12]報(bào)道的正常人足底壓力分布情況一致，表明本系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確地檢測(cè)不同個(gè)體足底不同部位的壓力值，而不同時(shí)間測(cè)定的同一部位壓力值無(wú)顯著差異，表明本系統(tǒng)具有較好的重測(cè)信度。

隨著科技的進(jìn)步，足底壓力測(cè)量技術(shù)已逐漸顯示出其在醫(yī)療方面的應(yīng)用價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于骨骼肌肉系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及其他系統(tǒng)疾病的康復(fù)領(lǐng)域。Footscan SCSI高頻平板測(cè)試不同膝骨關(guān)節(jié)炎患者自然行走步態(tài)的生物力學(xué)比較[13]中顯示，左右側(cè)膝關(guān)節(jié)疼痛患者足底壓力所出現(xiàn)的力峰時(shí)間不一，反映患者足底受力不均，這是產(chǎn)生病理步態(tài)并對(duì)足造成損害的機(jī)制之一。劉欣等[14]研究的Pilon骨折術(shù)后動(dòng)態(tài)足底壓力分布特征中，比較患者術(shù)后患側(cè)及健側(cè)動(dòng)態(tài)足底壓力的分布情況，為后期加強(qiáng)膝、踝關(guān)節(jié)本體感覺(jué)的訓(xùn)練，加強(qiáng)神經(jīng)肌肉控制提供理論指導(dǎo)，從而促進(jìn)患者的步態(tài)訓(xùn)練等康復(fù)治療。葛劍青等[15]關(guān)于急性腦梗死偏癱患者足底壓力測(cè)定的臨床研究中可看出，偏癱患者在站立和行走時(shí)易出現(xiàn)失平衡，引起足部負(fù)重的異常改變，導(dǎo)致下肢病理運(yùn)動(dòng)模式加重。通過(guò)足底壓力的測(cè)定分析，在偏癱患者康復(fù)治療中加強(qiáng)平衡功能和姿勢(shì)控制能力的訓(xùn)練，可得到較好的治療效果，并改善患者預(yù)后。游國(guó)鵬等[16]研究的青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)及足底壓力特征分析中，發(fā)現(xiàn)患者運(yùn)動(dòng)過(guò)程中足底壓力值均表現(xiàn)出明顯不對(duì)稱，提示針對(duì)脊柱側(cè)凸患者的步態(tài)研究應(yīng)著重關(guān)注足底壓力指標(biāo)。因此，增強(qiáng)足底壓力測(cè)量技術(shù)的精準(zhǔn)性和可操作性，能為患者制定更準(zhǔn)確的個(gè)性化康復(fù)方案。而通過(guò)對(duì)足底壓力測(cè)量系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，并開(kāi)發(fā)出相關(guān)的應(yīng)用軟件及APP，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集和康復(fù)指導(dǎo)，將該技術(shù)智能化和物聯(lián)網(wǎng)化，有助于康復(fù)醫(yī)療真正向基層普及。

5 結(jié)論

本研究基于對(duì)人足底壓力測(cè)試分析相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，使用自行研發(fā)的基于多傳感器的便攜式壓力測(cè)量裝置，以正常人足底壓力分布為基礎(chǔ)，可進(jìn)一步進(jìn)行下肢及足部不同疾病患者的足底壓力分布相關(guān)研究。本研究選取數(shù)個(gè)足底關(guān)鍵受力點(diǎn)，所采用的壓力測(cè)試方式和材料極大節(jié)省了評(píng)估儀器成本。在以往類似的研究中，多數(shù)使用的是一些歐美公司的專業(yè)測(cè)力板，且價(jià)格高昂、操作復(fù)雜。

本研究系統(tǒng)使用獨(dú)立的柔性薄膜傳感器，可方便的固定在所需位置，不影響人的正常站立，在使用之前可方便的進(jìn)行定位，從而保證了測(cè)量的精度。然而，本研究也存在一些不足，未能對(duì)不同志愿者體型和足長(zhǎng)等可能影響足底壓力分布的因素進(jìn)行相關(guān)性分析，所招募的志愿者樣本量也不夠大，不能充分反映這一人群的足底壓力分布情況，且未能與其他足底壓力測(cè)試裝置之間進(jìn)行信度分析。這些問(wèn)題將在后續(xù)研究中逐一解決，將本系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

本研究所研發(fā)的足底壓力測(cè)試系統(tǒng)能夠?yàn)榭祻?fù)醫(yī)學(xué)和其他臨床專業(yè)提供簡(jiǎn)單快捷且成本較低的評(píng)估手段，指導(dǎo)相關(guān)疾病的臨床康復(fù)，成本適宜、操作簡(jiǎn)單及使用方便，具有良好的臨床應(yīng)用價(jià)值。