可穿戴式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用及進(jìn)展

摘 要 可穿戴式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)（WFPMS）是近年來熱門的足底壓力分析手段。本研究重點(diǎn)介紹了目前WFPMS的常見類型及在其醫(yī)療健康、人體生物力學(xué)、日常生活監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用，并對其發(fā)展方向及局限性進(jìn)行了討論，提出了基于可穿戴式技術(shù)與人工智能相結(jié)合的應(yīng)用展望。

關(guān)鍵詞 足底壓力；可穿戴系統(tǒng)；人工智能；臨床應(yīng)用

中圖分類號 R443+.8 TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-7721（2024）02-0143-05

Application and progress of wearable foot pressure monitor system

CHENG Xiang1， GUO Rui2， WU Xiaoming2， PAN Yu1

（1. School of Clinical Medicine， Tsinghua University / Department of Rehabilitation， Beijing Tsinghua Changgung Hospital， Beijing 102218， China; 2. School of Integrated Circuits， Tsinghua University， Beijing 102218， China）

Abstract WFPMS （Wearable Foot Pressure Monitor System） is a popular method to analyze foot pressure in recent years. The common types of WFPMS and its applications in medical and health care， human biomechanics， daily life monitoring and other fields were introduced and the possible development direction and limitations of WFPMS were discussed， and the possible clinical application based on the combination of wearable technology and artificial intelligence were prospected in this paper.

Key words Foot Pressure; Wearable System; Artificial Intelligence; Clinical Application

足底壓力分析是步態(tài)分析中的動(dòng)力學(xué)分析部分，研究的是行走或站立過程中重力或動(dòng)能通過足底表面作用于接觸面而產(chǎn)生的相對作用力。足底壓力根據(jù)足底表面和接觸面的作用方向不同又可分為垂直、前-后及內(nèi)-外3個(gè)不同方向。足底壓力分析有助于了解腳部與接觸表面之間相互作用關(guān)系，在人體步態(tài)和姿勢評估的生物力學(xué)研究中有著重要作用。足底壓力測量手段經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，形成了足印法、足底壓力掃描法、壓力板測量法、壓力鞋墊等多種不同的方法[1]，

按測量形式不同可分為平臺式和可穿戴式[2-3]。與傳統(tǒng)的三維步態(tài)分析及足底壓力測力臺相比，可穿戴系統(tǒng)在移動(dòng)性、操作性和便捷性上更具優(yōu)勢，可適用于不同類型鞋類穿著下的應(yīng)用場景。受試者可以在自然步態(tài)下完成數(shù)據(jù)采集，避免了因測量平臺尺寸限制而產(chǎn)生的適應(yīng)現(xiàn)象。因此，可穿戴式足底壓力測監(jiān)測系統(tǒng)在疾病的診斷、預(yù)防、療效評估中發(fā)揮重要作用，并被廣泛應(yīng)用于人體生物力學(xué)研究、日常生活活動(dòng)監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)裝備制造、跌倒預(yù)防等。

1 可穿戴式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)的分類

目前可穿戴式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)（Wearable Foot Pressure Monitor System，WFPMS）的常見類型包括襪式、鞋墊/鞋式。

襪式壓力監(jiān)測系統(tǒng)是在編織工藝階段將導(dǎo)電紗線與普通紗線混紡，形成含有若干壓力傳感器模塊的監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對穿戴者數(shù)據(jù)的采集。鞋墊/鞋式壓力監(jiān)測系統(tǒng)是將壓力傳感器封裝入鞋墊/鞋中，通過導(dǎo)線或藍(lán)牙等傳輸手段將包括壓力傳感器在內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)和信號處理與輸出模塊相連接，制成監(jiān)測系統(tǒng)。兩者區(qū)別在于，襪式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)對足部的包裹性更好，因此其測量精度更高，對于足底壓力的變化感知滯后性更低；而鞋/鞋墊式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)由于其具有更大的附著空間，可以搭載更多不同類型的傳感器（慣性、加速度和溫度等）和更大的能源及數(shù)據(jù)傳輸模塊，在功能多樣性、長時(shí)間數(shù)據(jù)采集與傳輸距離方面有著更大的優(yōu)勢[4]。

WFPMS目前已被廣泛應(yīng)用于康復(fù)、運(yùn)動(dòng)和日常生活監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域。隨著人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用及醫(yī)工交叉研究的深入，WFPMS逐漸完善，并被應(yīng)用于各類患者功能預(yù)測、疾病診斷及醫(yī)療器械的研發(fā)，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

2 可穿戴式足底壓力測量設(shè)備在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 糖尿病足 糖尿病足（Diabetes Foot，DF）作為糖尿?。―iabetes Mellitus，DM）最嚴(yán)重并發(fā)癥之一，在DM患者中發(fā)病率大約為25％，患者常因肢體遠(yuǎn)端感覺異常及血液循環(huán)差導(dǎo)致局部潰瘍、感染甚至截肢[5]。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，全球成人DM患者截至2019年已經(jīng)達(dá)到4.25億，預(yù)計(jì)到 2045 年達(dá)到6.29億。我國DM人群高達(dá) 1.14億，居全球首位[6]。因此，如何更好地預(yù)防、診斷、治療DF成為研究熱點(diǎn)。在DF預(yù)防方面，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)足底局部壓力異常增高是DF和糖尿病足部潰瘍（Diabetic Foot Ulcer，DFU）的主要危險(xiǎn)因素[7-8]。WFPMS可實(shí)時(shí)監(jiān)測DM患者足底壓力變化及分布，在日常生活條件下，當(dāng)DM患者足底壓力超過正常范圍時(shí)可發(fā)出提醒[9]。Jones P 等人[10]對DF患者鞋內(nèi)壓力分布的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了回顧，同樣認(rèn)為異常的足底壓力升高與DFU風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)。黃曉玲[11]使用Noraxon T amp; T鞋墊式足底壓力測量系統(tǒng)，對77例DM患者和43例正常受試者步行下足底壓力參數(shù)進(jìn)行采集分析，發(fā)現(xiàn)在日常自然步態(tài)行走下，DM患者與正常受試者相比，在第2、3區(qū)跖骨的足底峰值壓力與沖量百分比均顯著升高，足跟部位沖量百分比有所下降；DF患者與DM患者相比，DF患者在中足區(qū)峰值壓力與沖量百分比顯著升高。該研究結(jié)果認(rèn)為，應(yīng)著重對跖骨部位進(jìn)行減壓干預(yù)，把壓力從前足的跖骨部位向足跟部位轉(zhuǎn)移，緩解跖骨部位的壓力，從而減少DFU的發(fā)生。也有部分學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，足底局部溫度異常也是DF發(fā)病的危險(xiǎn)因素。Yavuz M等人[12]開發(fā)了溫度-足底壓力監(jiān)測鞋墊（TAPMARI），用以監(jiān)測DF患者步行下的足底壓力和溫度，通過給予不同程度的干預(yù)措施，發(fā)現(xiàn)控制足底局部溫度和壓力是預(yù)防DF患者出現(xiàn)DFU的有效方法。Nouman M 等人[13]使用Pedar-X?系統(tǒng)（Novel公司，德國）評估了不同材質(zhì)鞋墊對DF患者在步行、爬坡等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下改善足底壓力分布的效果，為完善相關(guān)鞋類設(shè)計(jì)做出指導(dǎo)。

2.2 慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定 慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定（Chronic Ankle Instability，CAI）是一種嚴(yán)重影響患者日常生活及運(yùn)動(dòng)能力的疾病，其可以分為功能性、機(jī)械性、混合性3種類型，主要表現(xiàn)為踝關(guān)節(jié)反復(fù)扭傷。足底壓力分析對于CAI患者十分重要，根據(jù)慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)疾病的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)評估才能更好地反饋其功能狀態(tài)及生物力學(xué)特征。因此，越來越多的學(xué)者通過WFPMS采集CAI患者的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)，用于研究其發(fā)病機(jī)制及進(jìn)展過程，預(yù)測和評估術(shù)后康復(fù)療效。Nyska M 等人[14]通過觀察CAI患者各足底部解剖區(qū)域之間的峰值壓力，探究此類患者行進(jìn)期間足底部與接觸面之間力的傳導(dǎo)模式，研究發(fā)現(xiàn)CAI患者前足中部、外側(cè)和腳趾下的區(qū)域達(dá)到峰值壓力的時(shí)間顯著延遲，足跟和足趾壓力峰值相對較低，而在中足以下和前足外側(cè)的壓力峰值高于正常水平，這表明CAI患者在支撐相的起始和結(jié)束階段，體重轉(zhuǎn)移速度減慢且伴有明顯重心橫向移動(dòng)。侯宗辰等人[15]使用Footscan足底壓力分析系統(tǒng)（RSscan公司，比利時(shí)）和Accusway Plus壓力臺（AMTI公司，美國）對CAI患者足底壓力特征及相關(guān)因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)步行下慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)患側(cè)腳足底壓力中心（Center of Pressure，CoP）軌跡較健側(cè)明顯向外偏倚；單足支撐下，各方向姿勢控制穩(wěn)定性均明顯弱于正常人，在女性及全身韌帶松弛癥的患者中表現(xiàn)尤為明顯。

2.3 腦卒中 腦卒中患者常因肢體肌力下降、感覺異常、肌張力障礙、共同運(yùn)動(dòng)等原因?qū)е轮w運(yùn)動(dòng)功能障礙，具體可表現(xiàn)為步態(tài)異常、平衡能力下降等，這些問題可嚴(yán)重影響腦卒中患者的日常生活及社會(huì)參與能力，且會(huì)增加二次損害的風(fēng)險(xiǎn)。足底壓力分析目前已被廣泛應(yīng)用于腦卒中患者的康復(fù)評定、療效評價(jià)、功能預(yù)測等多個(gè)方面。足底壓力分析最初被用來描述腦卒中患者異常的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，后來足底壓力分析作為一種評定方法來衡量腦卒中患者康復(fù)的程度，部分研究也證實(shí)了足底壓力分析在反映腦卒中患者功能狀態(tài)和變化方面有著較高的敏感性，且部分步態(tài)及足底壓力參數(shù)與患者功能之間有著較高的相關(guān)性。近年來，隨著WFPMS的廣泛應(yīng)用，其在腦卒中患者康復(fù)過程的應(yīng)用成為熱點(diǎn)。日本學(xué)者Naito Y等人[16]使用自研鞋墊式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)對20例腦卒中患者和36例正常人足底壓力進(jìn)行量化采集，對1例慢性偏癱患者在平坦地面、崎嶇地形、上樓梯和下坡時(shí)的步態(tài)及足底壓力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)慢性偏癱患者在室內(nèi)和室外步態(tài)中高度依賴健側(cè)。Hillier S等人[17]采集15例腦卒中患者在4種不同姿勢下足底壓力、足底接觸面積、壓力中心軌跡等參數(shù)的變化，驗(yàn)證了F-scan可穿戴式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于腦卒中患者康復(fù)的可行性。Edgar S等人[18]基于智能手機(jī)和嵌入式傳感器自研了一套可穿戴式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在對腦卒中患者日常活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了對腦卒中患者姿勢和活動(dòng)模式識別，并通過智能手機(jī)為腦卒中患者提供行為數(shù)據(jù)反饋。Choi H S等人[19]使用可穿戴式足底壓力監(jiān)測設(shè)備對腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練前后的足部壓力中心前后位移 （Anterior-posterior Displacement of the Center of Pressure，apCoP） 變化進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)apCoP的變化和患側(cè)肢體平衡能力、前向控制能力的變化相關(guān)，認(rèn)為apCoP可以反映腦卒中患者患側(cè)下肢功能的變化。Echigoya K等人[20]使用可穿戴式足底壓力監(jiān)測設(shè)備對腦卒中后患者進(jìn)行步行試驗(yàn)，旨在探究影響腦卒中患者恢復(fù)自主行走能力的因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第一足趾、外側(cè)足趾壓力和CoP前后徑長度的改善是恢復(fù)獨(dú)立行走能力的客觀標(biāo)志。

2.4 可穿戴式足底壓力測量設(shè)備在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 WFPMS不僅在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在人體生物力學(xué)研究、日常生活活動(dòng)監(jiān)測、鞋類裝備制造、跌倒預(yù)防等方面也有著廣泛的應(yīng)用。

日本學(xué)者Yamamoto T等人[21]使用自行研發(fā)的鞋墊式足底壓力采集系統(tǒng)對100例不同性別受試者日?；顒?dòng)中的足底壓力分布情況進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)與男性相比，女性在站立和行走時(shí)足趾、前足和足內(nèi)側(cè)的峰值壓力顯著高于男性。Jasiewicz B等人[22]使用腳踏壓力ITE系統(tǒng)（一種鞋墊式足底壓力測量系統(tǒng)）對20例青年受試者步行下的足底壓力進(jìn)行了定量監(jiān)測，并提出了一種新的算法用以描述步行狀態(tài)下足底壓力分布，該算法以足跟部傳感器所承受的最大載荷為基礎(chǔ)，與足底部其他傳感器所受到的最大負(fù)載相比較，計(jì)算不同位置占足跟部負(fù)載的百分比。該數(shù)據(jù)分析法操作簡單，易于應(yīng)用，并且排除了不同體重、步行速度等混雜因素對足底壓力的影響。Huang Y P等人[23]使用無線足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)（Tekscan公司，美國）對使用足弓支撐鞋墊的扁平足患者在步行過程中的站立時(shí)間、足底壓力和接觸面積進(jìn)行檢測，證實(shí)了佩戴弓形支撐鞋墊可以縮短扁平足患者站立相時(shí)間，分散步行過程中足部分壓力，降低不良事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。Bousie J A等人[24]應(yīng)用Pedar?-X系統(tǒng)（Novel公司，德國）評估足部矯形器不同的硬度及放置位置對騎手騎行過程中感知舒適度和支撐力的影響。

伴隨著人工智能發(fā)展的浪潮，基于大量數(shù)據(jù)進(jìn)行的深度學(xué)習(xí)也被應(yīng)用于足壓監(jiān)測領(lǐng)域。 Matijevich E S等人[25]將可穿戴式足底壓力監(jiān)測設(shè)備和小腿部慣性傳感器數(shù)據(jù)相結(jié)合，配合自行開發(fā)的基于物理和機(jī)器學(xué)習(xí)的算法來估算脛骨峰值力，用以預(yù)防相關(guān)的骨骼損傷。這項(xiàng)研究揭示了可穿戴設(shè)備、肌肉骨骼生物力學(xué)和機(jī)器結(jié)合的巨大潛力，為監(jiān)測肌肉骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)提供了新思路。Rupérez M J等人利用鞋內(nèi)的壓力傳感器配合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來預(yù)測步行狀態(tài)下鞋對于足背部的壓力，該研究并未局限于足底與接觸面之間的相互作用力，通過與不同的技術(shù)手段相結(jié)合，極大地?cái)U(kuò)充了可穿戴式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)的用途。

3 可穿戴足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

盡管WFPMS已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，但仍有研究者在不斷地?cái)U(kuò)充其功能及應(yīng)用范圍。這些工作大體上可被分為兩類，一類是在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加多類型傳感器來獲得更多種類的數(shù)據(jù)。通過同時(shí)采集足底壓力數(shù)據(jù)之外的多個(gè)不同類型參數(shù)，如肌電、心電、步態(tài)參數(shù)，甚至腦電等，來反映和評估受試者靜態(tài)或動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中的人體變化。另一類是通過人工智能對現(xiàn)有系統(tǒng)及臨床采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、建模，實(shí)現(xiàn)功能預(yù)測及分類，這些技術(shù)有助于對步態(tài)表征進(jìn)行量化分析[26]。在臨床應(yīng)用中，如果這些方法能夠預(yù)測疾病的恢復(fù)狀態(tài)和時(shí)間，將會(huì)是一個(gè)巨大飛躍。

然而，對于WFPMS的發(fā)展而言，這兩種嘗試是可以并存的。更多類型的數(shù)據(jù)有助于進(jìn)一步推動(dòng)人工智能在可穿戴足底壓力監(jiān)測方面的應(yīng)用。因此，WFPMS勢必會(huì)朝著智能化及多功能化發(fā)展。

4 可穿戴式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的局限性

從系統(tǒng)硬件角度看，現(xiàn)階段WFPMS仍存在信號延遲、材料耐用性差、壓力分辨率低、電池續(xù)航能力不足等諸多問題[2]。隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，這些問題會(huì)逐步得到解決。目前有學(xué)者嘗試將摩擦納米發(fā)電技術(shù)引入到可穿戴式系統(tǒng)的研發(fā)中，這一技術(shù)將可能會(huì)解決當(dāng)前傳感器電池續(xù)航不足的困擾[27]?，F(xiàn)階段WFPMS仍需在提升傳感器性能及耐用性、提高無線數(shù)據(jù)傳輸范圍和壓力分辨率方面進(jìn)行研究[4]。

從實(shí)際應(yīng)用角度看，目前僅能實(shí)現(xiàn)在有限時(shí)間內(nèi)對靜態(tài)或平地步行、上下樓梯等簡單活動(dòng)狀態(tài)下的足底壓力采集，還無法實(shí)現(xiàn)對受試人群長時(shí)間日常生活數(shù)據(jù)的跟蹤監(jiān)測。拋開設(shè)備性能問題，對于受試人群尤其是患者人群的基于可穿戴式系統(tǒng)長時(shí)程足底部生物力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究仍不多。而且，由于主流設(shè)備類型和規(guī)格不一致、相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)設(shè)置尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、測量方法的異質(zhì)性等大等原因，導(dǎo)致無法開展薈萃分析，所以在進(jìn)一步的研究中需注意實(shí)驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化[10]。

5 總結(jié)與展望

可穿戴足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)因便攜、低成本、使用場景靈活等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于日常生活監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)設(shè)備研發(fā)、疾病預(yù)防及診治等多個(gè)領(lǐng)域。盡管其在數(shù)據(jù)分辨率、耐用性、實(shí)驗(yàn)設(shè)置等方面仍有局限，但隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步及實(shí)驗(yàn)設(shè)置的逐步完善，這些問題將會(huì)逐步被解決。越來越多的學(xué)者將人工智能引入到足底壓力分析中，在智能預(yù)測、分析、診斷等方面展示出較大潛力。隨著可穿戴壓力足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)和人工智能技術(shù)結(jié)合的逐步深入，將會(huì)極大地助力其在醫(yī)療健康領(lǐng)域的發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：①程翔、郭瑞負(fù)責(zé)論文內(nèi)容撰寫；②程翔負(fù)責(zé)論文修改；③潘鈺、伍曉明負(fù)責(zé)擬定寫作思路，設(shè)計(jì)論文框架，起草論文，指導(dǎo)文章撰寫并最后定稿。

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編輯：劉靜凱