足底压力分布测量系统及临床应用袁刚1 张木勋1 张建华1 程家明2 闫世强2 徐向东2 景创新2
【作者单位】1华中科技大学同济医学院附属同济医院内科,湖
北武汉430030;2空军雷达学院
【摘要】 目的:研制一套足底压力分布测量系统并评价其临床应用价值。方法:足底压力分布测量系统由硬件和软件2个部分组成。系统硬件包括一个由200个国产微型压力传感器组成的300mm×150mm的压力传感器矩阵、接口电路、信号采集及计算机系统;系统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。应用本系统对58例正常人(正常组)、75例无明显周围神经病变的糖尿病患者(DM组)及30例合并周围神经病变的糖尿病患者(DN组)进行足底压力测试。结果:DN组足底最大压力比正常组明显增高,而DM组足底最大压力与正常组相似。结论:本系统稳定,灵敏度和分辨率高,结果可靠,操作简便,具有良好的临床应用前景。【关键词】 足底压力;压力传感器;糖尿病足【中图分类号】 R587.1 【文献标识码】 A 【文章编号】 1001-2001(2003)01-0022-04
TheMeasurementSystemforDynamicFootPressureandItsClinicalApplication YuanGang,ZhangMuxun,ZhangJianhua,etal.DepartmentofInternalMedicine,TongjiHospital,TongjiMedicalCollege,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430030【Abstract】 Objective:Todevelopameasurementsystemforfootpressureandtoevaluateitsclinicallyappliedvalue.Methods:Thesystemwascomposedofhardwarepartandsoftwarepart.Thehardwarepartincludedsensorsmatrixcon-taining200micro-pressure-sensor,interfacecircuit,signalcollectorandcomputersystem.Thesoftwarepartconsistedofmodulesforrealtimedatacollection,storage,analysis,display,diagnosis,casemanagementandinquiry.Plantarfootpressureinwalkingwasmeasuredthroughthesysmtemin58normalindividuals(groupC)and105diabeticpatientsin-cluding30(DNgroup)withperipheralneuropathyand75(groupDM)withoutdistinctperipheralneuropathy.Results:TheaveragepeakplantarfootpressureinDNgroupwassignificantlyhigherthaninbothDMgroupandgroupC,butnosignifcantdifferencewasfoundbetweenDMgroupandgroupC.Conclusion:Itconfirmedthatthesystemhashighersta-bilization,sensitivityanddifferentiability.Theresultswerereliable.Thesystemiseasytobemanipulated.【Keywords】 footpressure;forcesensors;diabeticfoot
人体足底压力分布反映有关脚的结构、功能及整个身体姿势控制等情况。测试和分析足底压力可以获取人体在各体态和运动下的生理、病理力学参数和机能参数,这对临床医学诊断、疾病程度测定、术后疗效评价、生物力学及康复研究均有重要意义[1]。为此我们研制了一套包括200个压力传感器的足底压力测量系统,并对正常人和糖尿病患者足底压力进行测试,以探讨该系统的临床应用价值。1 材料此系统由硬件和软件两大部分组成,系统硬件包括压力传感器平板矩阵、接口电路、信号采集及计算机系统组成;系统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。1.1 系统硬件结构 1.1.1 压力传感器平板矩阵及其特点 压力传感器平板矩阵是本系统的主要组成部分之一,由许多压力传感器构成。我们在设计上主要是解决2个问题:一是压力传感器的选择;二是由传感器如何构成所要的传感器平板矩阵。①压力传感器的选择:在足底压力测量中常用的压力传感器的类型按其转换原理可分为电阻式、压电式、光电式、电容式等[3、4]。
不同类型的传感器各有特点。我们选用的是电阻式压力传感器类型中的铂金氏应变片传感器。它灵敏度高,测试范围宽,稳定性高,工作可靠,输出特性线性较好,并能在恶劣环境下工作;②压力传感器量程的确定:由系统的测量量程确定,系统的测量量程指标取决于体重、步行速度及压力传感器的安置结构。
22中国康复·2003年2月·第18卷第1期 ChineseJournalofRehabilitation,February2003,Vol.18No.1正常人以常速行走时足底受力≤100kg,足底总支撑面的最小接触面积为2cm×1cm,此时受力最大。当压力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,考虑到一定的安全系数,选用的压力传感器的量程为15kg。③电压变送器的选择:压力传感器空载时,输出为0V,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求,信号必须放大,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。在放大器选择上,使放大器调零与调增益分开并两者兼顾。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。④压力传感器平板矩阵结构设计:有关压力传感器平板矩阵只有国外的一些资料可查,国内未见报道。本文选用的铂金氏应变片传感器的性能指标虽然符合临床应用,但是由于压力传感器由弹性元件和应变片电桥电路构成,其最小尺寸长30mm、宽12mm、厚3mm。为了在300mm×150mm钢板上均匀分布200个直径为13.5mm的压力传感器,将悬臂梁应变式传感器采用斜面台阶式安装方法,每个压力传感器的受力点分别引到平板上的200个测量孔,从而实现压力与电信号的转换,完成压力传感器平板矩阵的研制。其技术指标有测量点数200个;测量范围0～15kg,过载能力2.5倍;测量精度平均0.2%;分辨率25g,对应输出信号10mV;滞后时间0.3%;一致性±10mV,对应力±25g;输出信号0～5V;供电15V/8路。1.1.2 多路信号高速切换电路 为了节省A/D变换电路,用1路A/D完成200点压力传感器的测量,多路信号高速切换和控制电路是系统设计中比较关键的部分,切换的速度直接影响到短暂步行过程中压力测试的数据量,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<5μs。控制板产生8路控制信号和A/D变换信号。①电路设计:系统要求对200个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,其电路方块图见图1。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3级进行切换,第1级使用32个8路切换器并行工作,同时处理256路信号,得到32路信号;后者进入第2级切换器,采用4个8路切换器并行工作,得到4路信号;后者进入第3级切换器,得到1路信号,进入A/D板。
图1 多路信号切换与控制电路框图1.1.3 A/D板 根据精度要求,A/D变换采用12位,采样速度为1M,要求在2s内能对200个压力传感器采样256帧,其电路方块图见图2。其工作过程是计算所在发出切换命令后,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,把控制板和A/D板设计为一块标准的计算机ISA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讯时间,使采样后的数据直接进入计算机内存,从而大大提高整个系统的处理速度,减少处理时间。
图2 A/D板电路方块图1.2 系统软件结构 软件方案由以下几个模块组成。1.2.1 实时数据采集模块 该模块主要是采集患者在步行过程中动态足底压力数据,当传感器出现压力,计算机自动开始记录测试数据,所有传感器全部测试1次定为1帧,为保证数据分析的统一性,每测试256帧数据后停止测试,将256帧数据存为一个文件,并自动按年、月、日、时、分、秒形成文件名,保存数据。1.2.2 数据存贮模块 将患者足底压力数据和患者的相关资料自动存贮和保存,便于查询和分析。
23袁刚等.足底压力分布测量系统及临床应用1.2.3 数据计算、分析与显示模块 按3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,按帧进行统一化处理后,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一一对应。当足踏上传感器阵列行走时,足底各点压力分布在色谱图上以不同颜色非常直观地显示出来(图3),此外还可以按帧连续显示(显示时间可调),以完整观察从足部接触到离开传感器阵列的全过程,定性分析足底各部位压力的大小变化和分布。②压力值分析: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帧测试数据,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最大压力:多次测试中各部位平均最大压力。⑨接触面积:计算全足及任一时刻接触面积。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。1.2.4 病历管理及数据查询 便于分析病情和得出结论对每个患者建立一个数据库文档,内容包括一般情况、症状、体征、检验结果、足底压力分布情况等。系统具有丰富的查询功能,根据给定的病历号或病理特征、足底压力测试结果进行分类统计和查询,为分析、诊断及建立专家辅助决策系统作准备。1.2.5 诊断系统输出(暂无) 待进行大样本人群测试,得到正常人足底压力数据和糖尿病患者足底压力和足溃疡的相关性后,可依此设计出诊断系统,以判断患者足底压力对足部溃疡危险性大小。