王 昊，韓 萌，劉 靜＊,2

1 中國科學院理化技術研究所，北京，100190；

2 清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系，北京，100084

無線獲取人體足底壓力動態(tài)信息的手機監(jiān)測平臺

【作 者】王 昊1，韓 萌1，劉 靜＊1,2

1 中國科學院理化技術研究所，北京，100190；

2 清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系，北京，100084

研制了一種基于Windows Mobile系統(tǒng)手機藍牙通信的人體足部壓力傳感系統(tǒng)，在單片機控制和藍牙模塊的基礎上，通過設計傳感電路和A/D轉換電路以及Visual Studio 2008下的軟件開發(fā)，實現了人體足底動態(tài)壓力信號的實時監(jiān)測、數據發(fā)送，并將其顯示、存儲于手機。該方法為隨意獲取人體步態(tài)信息提供了一種重要的低成本手段。

足底壓力；無線監(jiān)測；手機；Windows Mobile；藍牙

0 引言

根據美國足部醫(yī)學會統(tǒng)計，人一生行走的距離約為地球周長兩周半以上，步行時足部所承受的地面反作用力達到體重的1.5倍[1]。據美國足踝整形外科學會統(tǒng)計，每六個人中就有一人腳部健康有問題，導致行走不便[2]，因此足部健康值得人們關注。

通常，步態(tài)分析主要涉及4個方面：臨床分析、動力學分析、運動學分析以及動態(tài)肌電圖評估[3]。其中，動力學分析主要研究行走時足底和支撐面之間的相互作用力，即足底壓力狀態(tài)，由此可揭示人體在不同狀態(tài)下的足底壓力特征，即運動過程中足的動力學特性。事實上，該措施是對步態(tài)加以量化評估的關鍵環(huán)節(jié)，已逐漸成為現代醫(yī)學中用以診斷病理足與評定足部康復過程的一種重要的生物力學方法[4]。

眾所周知，糖尿病足部病變是其最常見的并發(fā)癥，15%以上的糖尿病病人會發(fā)生足潰瘍或壞疽，而其中14%～24%需要截肢治療[5]，這給家庭和社會帶來了沉重的負擔。足潰瘍發(fā)生的最顯著特征之一是病人足底壓力異常增高和異常分布[6]。研究表明，足底壓力增大可用于預測糖尿病足潰瘍，二者之間的相關性高達70%～90%[7]。為采取有效措施預防糖尿病足發(fā)生，近年來有關糖尿病足的研究已從過去局限于周圍神經病變和血管病變的研究，逐步向足底壓力研究擴展，糖尿病患者的足底壓力分析受到了日益廣泛的關注。

此外，運動性疲勞[8]、腦性癱瘓兒童平衡能力[9-12]以及畸形步態(tài)[13]等，都在足底壓力上有所體現。通過對足底壓力的測量分析，可更準確地反映患者自然步行時的步態(tài)，從而為科學指導鍛煉、減少運動損傷提供參考。

關于足底壓力測量方法的研究，經歷了如下幾個發(fā)展階段：對足底壓力及分布做出定性判斷的足印技術，基于光學反射原理的足底壓力掃描技術，以及利用傳感器的測力技術等。隨著新型傳感器技術的發(fā)展和計算機技術的廣泛應用，足底壓力測量技術逐漸成熟，指標越來越豐富，測量精度也有所提高，在臨床醫(yī)療診斷及康復中的應用逐步普及。它能為臨床足疾患者（如糖尿病足、畸形步態(tài)等）和特殊人群（如孕婦、老年人、小兒麻痹癥患者等）的足底壓力測量和步態(tài)特征分析提供技術支持，為足疾的功能康復、療效評定和手術后效果鑒定提供客觀評價。因此，對足底壓力的研究由于測量技術的進步已逐步成為熱點。

與此同時，可對人體健康狀況進行實時監(jiān)測的移動醫(yī)療（M-Health）技術正日益受到重視[5]。近年來，科學技術的發(fā)展顯著改善了社會的醫(yī)療衛(wèi)生狀況，然而，根據世界衛(wèi)生組織（World Health Organization）的報告[14]，諸如心臟疾病、中風、癌癥、呼吸道疾病以及糖尿病等慢性病，至今仍是引起死亡的最主要原因。大量的慢性病患者和比例不斷增長的老年人口以及日益增加的醫(yī)療費用，將會給醫(yī)療事業(yè)帶來巨大的壓力，尤其對發(fā)展中國家更是如此。此外，隨著人們健康意識和保健要求的不斷加強，隨時關注自身的身體狀況已成為一種很普遍的需求。于是，提供一個能隨時探測自身健康的環(huán)境，即移動醫(yī)療技術，就顯得越來越重要[15]。

移動醫(yī)療技術通常包含傳感器，用戶終端以及服務器等。近年來，計算機和互聯網在全球范圍內已廣泛普及。越來越多的移動計算設備，諸如智能手機、掌上電腦、便攜式計算機等，可以通過可穿戴式傳感器采集和處理數據，并借助聲音或圖像界面與用戶進行交互。而且這些設備的尺寸、重量、價格也日益符合大眾需求。其中，手機的普及率最高。根據工業(yè)和信息化部運行監(jiān)測協調局2010年4月26日發(fā)布的報告[16]，全國移動電話用戶合計超過7億7千萬，移動電話普及率達到58.4%。而且，手機擁有簡單可靠的用戶交互界面，已經在一定程度上取代一些常用設備如手表、鬧鐘、日歷等。以手機為交互載體，將其與個人健康檢測相結合，可為患者及關注自身健康的人群提供十分便捷的途徑。由于手機普及率高，直接應用可大大降低由此帶來的成本，而其功能的日益強大也為這種結合提供了可能。

綜合以上因素，本文通過集成藍牙功能的單片機控制電路模塊，將置于鞋內的壓電傳感系統(tǒng)與研制有Windows Mobile軟件的手機建立連接，實現足底壓力數據的實時無線獲取及傳輸，可實時顯示動態(tài)壓力曲線，并將數據存儲以及查看歷史曲線等。該系統(tǒng)利用常見移動設備與用戶交互，易被廣大用戶接受，且利于數據的管理，并可借助手機的通信功能對系統(tǒng)作進一步拓展，已展示出一定的臨床及日常應用前景。

1 單片機控制電路模塊簡介

本文所述足底壓力監(jiān)護系統(tǒng)是在集成藍牙功能的單片機控制模塊工作基礎上完成的。該模塊的硬件電路如圖1所示，可在處理器芯片控制下，通過數據采集模塊采集生理數據，并將其存儲于數據存儲模塊中，其通信接口包含與PC通信的miniUSB接口以及可與手機通信的藍牙模塊。

圖1 集成藍牙功能的單片機控制電路Fig.1 Singlechip control circuit integrated with Bluetooth function

2 系統(tǒng)實現

2.1 傳感器及A/D轉換電路

系統(tǒng)所使用的傳感器內部是一組半橋應變片（圖2）。使用方法可以有以下三種：使用一只傳感器配合外接電阻組成全橋測量，量程為一個傳感器的量程50 kg；使用兩只傳感器組成全橋測量，量程為兩只傳感器的量程之和，即100 kg；使用四只傳感器組成全橋測量，量程為四只傳感器的量程之和，即200 kg。為確保量程，本文使用兩只傳感器接成全橋測量。

圖2 半橋稱重傳感器Fig.2 Half bridge weighing sensor

文中采用的A/D芯片型號為HX711，是一款專為稱重傳感器而設計的24位A/D 轉換器芯片。該芯片集成了穩(wěn)壓電源和片內時鐘振蕩器。通道A的可編程增益為128或64，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20 mV或±40 mV。通道B 則為固定的64增益，用于系統(tǒng)參數檢測。

圖3 A/D轉換電路PCB板設計線路圖Fig.3 PCB circuit diagram for A/D conversion

半橋式傳感器與A/D連接的單層PCB板設計板如圖3所示。該電路可直接與現有控制和藍牙模塊連接，由此實現壓力數據的無線發(fā)送接收（圖4）。

2.2 Windows Mobile系統(tǒng)藍牙通信

Windows CE支持基于兩種傳輸技術的個人局域網（Personal Area Network, PAN）連接：紅外和射頻[17]，其中射頻網絡標準為藍牙標準。典型的Windows Mobile設備提供的藍牙功能包括對象交換、文件傳輸和免提或者無線耳機的服務。

2.2.1 藍牙協議棧

藍牙協議棧體系結構如圖5所示。它是由底層硬件、中間層以及應用層三大模塊組成。底層模塊是藍牙技術的核心模塊，其與上層（軟件）模塊之間的消息和數據傳遞通過藍牙主機控制器接口（HCI，Host Controller Interface）完成。主機運行HCI層以上的協議軟件實體，而HCI以下的功能則由藍牙設備來完成。

圖4 壓力傳感器與A/D轉換電路Fig.4 Weighing sensor and A/D conversion circuit

圖5 藍牙協議棧體系結構[17]Fig.5 System structure for Bluetooth protocol

應用程序可采用兩種方法和藍牙協議棧進行交互：Winsock API和虛擬串口。采用Winsock API時，應用程序使用標準的Winsock函數來打開和藍牙協議棧相關的套接字，通過WSAxxx系列函數完成控制。數據傳輸采用標準的套接字send和recv函數。應用程序操作藍牙的另一個方法是通過虛擬串口。通過這個方法，應用程序加載一個藍牙獨立串口驅動。對協議棧的控制通過對COM驅動的DeviceIoControl調用來完成。調用WriteFile和ReadFile函數，通過COM端口從藍牙連接讀寫數據。

另外，Windows Mobile系統(tǒng)提供設備和服務發(fā)現的功能，可直接加以利用。

2.2.2 通過虛擬串口進行藍牙通信

使用Winsock和虛擬串口操作藍牙協議棧均要求其中一個設備是服務器，而另外一個設備是客戶端。服務器的職責包括加載驅動程序、打開驅動程序、決定指派給端口的RFCOMM通道等。Windows Mobile系統(tǒng)可直接為藍牙設備分配串口，簡化了步驟。

在分配好虛擬串口后，與一個串口交互涉及打開串行設備驅動程序以及與其通信。與傳統(tǒng)的大部分現代操作系統(tǒng)一樣，Windows Mobile中的應用程序是通過文件系統(tǒng)API訪問設備驅動程序的，使用的函數包括：CreateFile，ReadFile，WriteFile和CloseHandle。

（1）打開和關閉串行端口

串行端口使用CreateFile函數打開。關閉串行端口時調用CloseHandle函數，與關閉文件句柄用法相同。

（2）配置串行端口

利用CreateFile成功打開串口后，還必須對串口的波特率、字符長度等進行配置。一般使用GetCommState和SetCommState來實現。另外，可以用SetupComm函數來設置串口內部的輸入和輸出緩存。

（3）設置端口超時值

超時值是指在ReadFile和WriteFile函數自動返回之前，Windows Mobile等待讀或寫操作的時間長度，控制函數為GetCommTimeouts和SetCommTimeouts。

（4）讀寫串行端口

成功打開串口后，讀寫串口使用ReadFile和WriteFile函數。

值得注意的是，由于Windows Mobile不支持重疊（Overlapped）I/O，因此若嘗試從主線程或已經創(chuàng)建了一個窗口的線程里讀寫大量串行數據，這些線程負責處理的其他窗口消息隊列將被相對較慢的串行讀寫操作阻塞。操作中應使用單獨的線程來讀寫串口。

（5）多線程異步串行I/O

雖然Windows Mobile不支持重疊I/O，但可以使用多線程來實現相同功能的異步操作。

在使用單獨的線程來處理讀寫串口之外，Windows Mobile支持WaitCommEvent函數，其功能是阻塞一個線程直到某預先設定事件發(fā)生。要等待某一事件，首先需要通過SetCommMask來設置事件掩碼，該函數參數是串行設備的句柄以及一些事件標志的組合。

2.3 藍牙通信軟件實現

在本研究中，將串口通信相關函數封裝為CSerial類，主程序采用對話框方式實現，實現了串口設置、連接、斷開、讀取數據的存儲、雙緩沖區(qū)波形顯示以及數據采集的暫停和繼續(xù)以及壓力過大報警等基本功能。

3.3.1 串口類封裝

為簡化串口操作，本研究將以上所述串口操作封裝為CSerial類，提供了較簡單的操作接口。

（1）打開串口

CSerial類中，將打開串口以及對串口進行配置的相關函數放入Comm_Open函數中：

該函數形參為串行端口序號以及與端口配置相關的參數，如波特率、校驗、數據位等。調用該成員函數時，實際完成的工作包括檢查串口是否已打開、打開串口、設置緩沖區(qū)、配置串口、設置串口超時值和清空串口緩沖區(qū)，其中完成這些功能的函數都單獨封裝成類的成員函數。打開串口函數在串口打開和配置成功時返回值為TRUE，否則顯示相應錯誤提示信息，并調用Comm_ Close函數關閉串口。

（2）串口數據處理

當串口接收數據成功時，若數據需要進行預處理或與其他線程進行通信，可調用Comm_Process函數，對數據進行格式轉換，用SendMessage函數發(fā)送消息等。

（3）清除串口緩沖區(qū)內容

BOOL CSerial:Comm_Clear (DWORD dwFlags)；該函數調用PurgeComm函數，清除當前串口輸入和輸出緩沖區(qū)。

（4）關閉串口

void CSerial::Comm_Close(void); 該函數在檢查串口已經打開的前提下調用CloseHandle函數，若關閉失敗，則將串口句柄置為INVALID_HANDLE_VALUE。

以上概要闡述了如何對串口類進行封裝，通過CSerial類的封裝接口，簡化了對串口的相應操作過程。3.3.2 主程序實現

為實現壓力數據傳輸的實時文字和波形顯示，并盡量完善軟件功能，設計友好軟件界面，主程序采用對話框（CPressureMonitor類）方式，具體實現如下。

（1）成員變量

使用CSerial類的對象作為CPressureMonitor類的成員變量，以便于程序內部對串口進行操作。

（2）串口設置

在Windows Mobile系統(tǒng)中為溫度監(jiān)護藍牙設備分配好串口后，主程序中可設置串口相關參數，該功能通過CDlgCommSet對話框類實現。

（3）串口連接

在完成設置后，可通過指定串口與藍牙設備進行連接，并將設置參數傳遞給CSerial類中的串口配置函數。由于本文研制程序的目的在于實時記錄藍牙傳送數據，故在串口連接成功后，應創(chuàng)建文件，文件名為當前系統(tǒng)時間，以防覆蓋其他數據。

（4）串口數據讀取

據前文所述，串口數據讀取操作應采用多線程的方式實現。在串口連接成功后，創(chuàng)建串口數據讀取線程CommReadThread。在該串口讀線程中，首先通過SetCommMask函數設置事件掩碼。本程序中將事件掩碼設置為EV_RXCHAR，即事件為接收到一個字符。然后用WaitCommEvent函數等待事件發(fā)生，即等待串口接收到一個字符。讀取成功后，便可調用Comm_Process函數對接收到的數據進行格式調整。格式化后，向主線程發(fā)送WM_COMM_RECV消息，以進一步處理。

以上過程一直循環(huán)直至串口被關閉。

（5）壓力數據處理和顯示

主線程捕捉到由串口讀取線程發(fā)送的WM_ COMM_RECV消息后，響應OnMyRecv函數。該函數中，將接收到的字符作為形參傳遞給RecvShow函數，

RecvShow函數主要實現數值和曲線的實時顯示。對于曲線顯示，本程序界面只顯示最新30秒壓力曲線，并同時允許用戶拖動查看歷史曲線。

本程序顯示的波形界面要求實時更新曲線，并且界面中應包含坐標刻度以便及時觀察和讀取數值。為實現以上功能并防止出現繪圖閃爍的情況，本文采用了多緩沖區(qū)的方法。

在本研究中，由于除了曲線本身，還需要繪制格子便于讀取數值，故應創(chuàng)建兩個內存DC。將繪制好的曲線圖形添加到一個DC上，即得到包含格子與曲線的波形圖，再將其復制到屏幕DC上，即完成整個波形繪制過程。另外，坐標軸的坐標范圍可根據當前屏幕顯示內容自動調整。

（6）壓力數據存儲及歷史數據瀏覽

本研究通過邊采集邊存儲的方式，實現壓力數據的存儲功能，存儲的文件以開始采集時的時間為文件名。在軟件界面中，可以用打開數據文件的方法，瀏覽采集到的歷史數據波形和數值。

3 實驗數據采集和初步分析

該壓力傳感模塊需要對采集的數據進行定標。由于該傳感器的響應一般呈線性，故可通過測量若干不同質量物體的傳感器響應，來標定響應曲線。

我們對三種不同質量的物體進行了測量，所得結果如表1。

表1 三種不同質量物體的測量結果Tab.1 Measured results for three objects with different weight

在傳感器壓力為0時，其響應值應為0（在本研究中，由于傳感器本身存在一定漂移，導致系統(tǒng)在壓力為0時，需要經過一段時間后，響應值才可穩(wěn)定在0左右）。根據上表所測數據，可近似得到壓力傳感器的響應曲線方程如下：

其中，G為響應值，M為所測質量。

確定響應曲線后，即可進行足底壓力數據采集。

根據初步實驗采集到的足底壓力數據顯示，正常步行與跑步時的足底壓力存在明顯區(qū)別，如圖6所示。從中不難看出，壓力幅度較大、波峰較密集處代表跑步過程中所測得的數據。注意跑步時波形中出現有壓力值突變的情況，此為跑步姿態(tài)發(fā)生改變所致。于是可根據壓力值變化情況來判斷步態(tài)是否正確，從而為體育運動或康復訓練等的效果評定提供一種十分便捷的依據。

4 討論

本研究中，足底壓力分析系統(tǒng)所使用的壓力傳感器本身存在一定的漂移現象。系統(tǒng)啟動后，當傳感器所受壓力為零時，傳感器響應需經過一定時間后才可穩(wěn)定為0。同時傳感器體積稍大，今后需進一步采用微型化傳感器代替。另外，臨床足底壓力分析涉及足底多個不同部位，而本系統(tǒng)僅為單點壓力，此方面功能有待進一步研發(fā)。

研究顯示，新型器件可應用于糖尿病足、運動性疲勞、腦性癱瘓兒童平衡能力以及畸形步態(tài)等的研究。而目前臨床上的足底壓力測試系統(tǒng)尚無法對患者正常步行時的足底壓力進行動態(tài)連續(xù)監(jiān)測。本文提出的方法將壓力傳感器置于鞋底或鞋墊內，對人體無任何干擾，患者可自由步行，且數據可通過藍牙進行無線傳輸到手機中予以直觀顯示，從而更準確、方便地反映患者自然步行時的步態(tài)。

5 小結

通過足底壓力分析，可揭示人體在不同狀態(tài)下的足底動態(tài)壓力特征，即運動過程中足的動力學行為。它已逐漸成為臨床研究中診斷病理足與足部康復評定的一種重要的生物力學方法。本研究在現有藍牙和控制模塊的工作基礎上，通過壓力傳感電路設計以及編制Windows Mobile系統(tǒng)手機藍牙通信軟件，實現了足底壓力數據的實時無線傳輸。并通過對正常步行以及跑步時的壓力數據采集，初步驗證了該系統(tǒng)的足底壓力監(jiān)測功能。該方法使得足底壓力實時監(jiān)測更具實用性，為進一步拓展相關研究奠定了基礎。

圖6 手機屏幕顯示的跑步(左)與正常步行(右)交替時壓力數據曲線Fig.6 Pressure stress curve switching during running displayed on mobile phone (left) and normal walking (right)

致謝：

作者感謝中國科學院科技助殘基金及清華-裕元醫(yī)學科學研究基金資助。

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Mobile Phone Platform for Wireless Monitoring of Human Dynamic Plantar Pressure

【 Writers 】Wang Hao1, Han Meng1, Liu Jing1,2
1 Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190
2 Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing, 100084

Plantar pressure, Wireless monitoring, Mobile phone, Windows Mobile, Bluetooth

R319

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.06.004

1671-7104(2010)06-0403-05

2010-07-05

劉靜，E-mail: jliubme@tsinghua.edu.cn

【 Abstract 】This paper constructed a plantar pressure sensing system based on Bluetooth communication of mobile phone with embedded Windows Mobile system. With the MCU (Microprocessor Control Unit) and Bluetooth module, the pressure sensor and the data acquisition circuit was designed and integrated, with software developed under Visual Studio 2008 environment. The real-time monitoring of human dynamic plantar pressure signal, and transferring, displaying and storing the recorded data on a mobile phone were achieved. This method offers an important measure to acquire human gait information via a pervasive and low cost way.