高敏， 張一帆*， 洪成雨， 李毓陵， 高衛(wèi)東

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海201620；2.上海大學(xué) 土木工程系,上海200444；3.江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫214122)

隨著柔性傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器成為智能產(chǎn)品的研究熱點(diǎn)。目前柔性傳感器在紡織品上的應(yīng)用越來越廣泛，其柔性可穿戴智能紡織品也逐漸受到人們的關(guān)注。柔性傳感器作為在柔性基底材料上直接鍵合低楊氏模量形成柔性、拉伸性好和絕緣耐腐蝕的薄導(dǎo)電材料[1]，按結(jié)構(gòu)形式可分為壓阻式、電容式、壓電式和應(yīng)變式[2]，其中應(yīng)用最廣、技術(shù)最為成熟的是壓阻式。將柔性傳感器與鞋制品相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)足底壓力柔性監(jiān)測。如將柔性足底壓力測量系統(tǒng)放置在運(yùn)動(dòng)員的鞋墊中，可對其運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)進(jìn)行分析，并且可以預(yù)防損傷、控制平衡、診斷疾病等[3]。

目前常用足底壓力測量系統(tǒng)受到有線、移動(dòng)性和可穿戴等方面的限制，在遠(yuǎn)程足底壓力監(jiān)測方面有很大的局限性，但隨著藍(lán)牙、GPRS和Internet無線技術(shù)的發(fā)展，逐漸實(shí)現(xiàn)了足底壓力遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上無線鞋內(nèi)足底壓力測量系統(tǒng)還可穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于微型生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測等其他用途。足底壓力分布已被認(rèn)為是評估各種足部問題的重要因素，在臨床實(shí)踐中，足底壓力分布被廣泛用于診斷足部病理[4-5]。文中針對國內(nèi)外足底壓力測試系統(tǒng)、足底壓力分布的影響因素[6-8]及柔性傳感器性能進(jìn)行概述。

1 國內(nèi)外常用的足底壓力測試系統(tǒng)

足底壓力分布測量系統(tǒng)從腳印法(Pedography)、足底壓力掃描器(Sole Barograph)、測力板(Force Plate)逐漸發(fā)展為能定性測量足底壓力大小的測力臺(Force Platform)、壓力鞋及壓力鞋墊[9-11]等。目前國內(nèi)外足底壓力分布測量系統(tǒng)可分平臺式和鞋式壓力測試系統(tǒng)兩種類型。

國內(nèi)主要側(cè)重于平臺式壓力測量系統(tǒng)的研究，常見的平臺式測量系統(tǒng)，一般將200～1 000個(gè)微型壓力傳感器以矩陣形式組成足底壓力測量平臺。如袁剛等[12]用200 個(gè)壓力傳感器組成的 300 mm×150 mm的壓力測量臺，用于測量糖尿病足患者的足底壓力。廣州市派康運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)有限公司研發(fā)了動(dòng)態(tài)光學(xué)式足底測力系統(tǒng)，通過光學(xué)影像技術(shù)和傳感器測出足底壓力分布與人體姿態(tài)關(guān)系[13]。這些平臺式測量系統(tǒng)由于測量區(qū)域比較小，且傳感器在平臺中排列需較多連接線，造成平臺式測量系統(tǒng)比較笨重，不能置于鞋內(nèi)，且不能滿足步態(tài)足底壓力測量，因此，在戶外和運(yùn)動(dòng)測量中有很大的局限性。

國內(nèi)常見的平臺式足底壓力采集儀如圖1所示。該足底壓力采集儀具有足部漸層式壓力分布測量能力，測量范圍為(350 mm×150 mm)×2(雙腳測量)，足型尺寸測量精度為±1%，測量速度為實(shí)時(shí)測量。該足底壓力采集儀能測量從剛站立到保持靜態(tài)不動(dòng)狀態(tài)下各階段的足底壓力大小和足底壓力分布影像，實(shí)現(xiàn)雙腳靜態(tài)足部壓力分布數(shù)據(jù)顯示，但其缺點(diǎn)是不能進(jìn)行步態(tài)足底壓力分析和戶外運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的足底壓力分析。

圖1 足底壓力采集儀Fig.1 Plantar pressure collection instrument

國外對平臺式足底壓力監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過減小柔性基底材料的厚度和大小，增加傳感器數(shù)量，使用噴墨印刷電路，減少傳感器以矩陣形式在平臺中的線路排列問題。在保證平臺式壓力測量系統(tǒng)輕薄可彎曲特性的同時(shí)，印刷電阻增加了平臺式測量系統(tǒng)的長度，使得平臺式測量系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下也可進(jìn)行足底壓力測量。國外平臺式壓力測量系統(tǒng)[2]如圖2所示。為了進(jìn)一步擴(kuò)大動(dòng)態(tài)下足底壓力測量范圍，國外研究人員開始側(cè)重于鞋式足底壓力測量系統(tǒng)的研究，常見的鞋式足底壓力測量系統(tǒng)主要是利用Pedar和F-Scan傳感器制作，其實(shí)物如圖3所示。

圖2 平臺式壓力測量系統(tǒng) Fig.2 Platform pressure measurement systems

圖3 鞋式壓力測量系統(tǒng) Fig.3 Shoe pressure measurement systems

平臺式足底壓力測試系統(tǒng)主要是將傳感器以矩陣的形式嵌入平板中，可用于靜態(tài)和短程運(yùn)動(dòng)下的足底壓力分布研究，但僅限于實(shí)驗(yàn)室研究。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是足部與傳感器充分接觸，測量準(zhǔn)確性較高，缺點(diǎn)是受空間的限制只能在室內(nèi)測量。而壓力鞋或鞋墊測量系統(tǒng)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，可用于靜態(tài)和遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)下的足底壓力分布研究。

為準(zhǔn)確測量鞋式足底壓力測量系統(tǒng)在自然狀態(tài)下的足底壓力，測試系統(tǒng)的準(zhǔn)備需要注意：①移動(dòng)性好。測試系統(tǒng)需要隨人體移動(dòng)，所以要求測試系統(tǒng)越小越好，研究表明[14]質(zhì)量為300 g或更小的鞋附件不會(huì)對步態(tài)產(chǎn)生影響。②無線化。理想的足底壓力測量系統(tǒng)是無線的，這是為了確保足底的舒適性和步態(tài)自然。③鞋與傳感器的結(jié)合度好。這要求傳感器柔軟、靈敏且不改變足底壓力的自然分布狀態(tài)[15]。④成本低。所選傳感器必須經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。⑤低功耗。測量系統(tǒng)應(yīng)該是低功耗的，且保證數(shù)據(jù)收集和記錄的完整性。

2 影響足底壓力分布的因素

2.1 性別

男女足部形狀與大小不同的主要原因是足的外側(cè)輪廓、足弓、跖骨和腳拇指有所差異，這些差異導(dǎo)致男性和女性站立時(shí)足部壓力分布不同，通常男性足部與物體接觸面積大于女性，因此，壓力峰值與性別并沒有關(guān)系[8]。MURPHY D F等[16]研究也發(fā)現(xiàn)足中處的足底壓力大小與性別沒有關(guān)系。由于所查文獻(xiàn)中并沒有分析足部其他區(qū)域的壓力分布變化，所以性別對足部壓力分布的影響需要進(jìn)一步研究[16]。

2.2 體質(zhì)量

HILLS A P等[17]研究了肥胖和非肥胖受試者站立和行走時(shí)的足底壓力差異，結(jié)果顯示肥胖受試者在行走時(shí)足底壓力的峰值增加，因此可以初步判斷體質(zhì)量是影響足底壓力分布的一個(gè)重要因素。體質(zhì)量指數(shù)較高的人相比于非肥胖受試者足底與物體的總接觸面積有所增加；同時(shí)研究顯示，與非肥胖受試者相比，肥胖受試者的前足掌壓力峰值以及與物體接觸面積較高[9,18]。

2.3 年齡

HESSERT M J等[6]研究表明年輕人和老年人足底壓力分布有顯著差異。主要表現(xiàn)為老年人的足內(nèi)側(cè)壓力普遍低于年輕人，但老年人隨著年齡增長足外側(cè)壓力有增高趨勢。BOSCH K等[19]研究顯示相比年輕人，老年人的壓力峰值有增高趨勢，而足跟和前足的壓力峰值有下降趨勢。由于足中區(qū)域的足底與物體接觸的時(shí)間更長，因此，年齡也是影響足底壓力的一個(gè)因素。

2.4 步速

利用Emed-F和Emed-SF2壓力板系統(tǒng)(Novel GmbH Munich Germany)分析了步速對足底壓力的影響[20-22]。研究發(fā)現(xiàn)測試者慢走和快速行走時(shí)，足底壓力都是增加的，但是快速行走時(shí)的增加幅度比較大，慢走時(shí)增加幅度比較小，最終，兩種速度下的壓力值會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，這是由于人的體質(zhì)量不會(huì)隨著速度增加。BURNFIELD I M等[23]研究結(jié)果顯示步速對足底壓力的影響是很明顯的，即使在慢速情況下足底壓力的變化也很大。

2.5 足型

足型對足底壓力分布有一定的相關(guān)性，研究表明[24-26]，在赤腳行走時(shí)，相比高足弓，偏平足患者的足底壓力比較大。由于高足弓患者足弓變形比較小，所以前足壓力較小。

2.6 鞋子類型

鞋子類型對足底壓力分布也有影響，研究表明[23,27-28]，穿著跑步鞋的最大壓力和壓力峰值都高于普通運(yùn)動(dòng)鞋。對皮鞋、跑步鞋和赤腳的足底壓力研究結(jié)果表明，慢走情況下穿著跑步鞋具有較小的足底壓力分布。影響足底壓力分布的因素見表1。

表1 影響足底壓力分布的因素

2.7 其他因素

足底壓力分布測量的準(zhǔn)確性還受其他因素影響，如測量設(shè)備、測量區(qū)域、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、測試時(shí)間、步行速度、測試者心理等[32]。這些因素在實(shí)驗(yàn)期間要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化控制，以確保測量的準(zhǔn)確性。足部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)對了解足底壓力分布有重要意義，為了準(zhǔn)確測量足底壓力，可增加測量區(qū)域?qū)嶒?yàn)次數(shù)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)次數(shù)不得少于3次，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將實(shí)驗(yàn)的影響因素控制在誤差允許范圍內(nèi)。

3 柔性傳感器的性能要求

足底壓力測量系統(tǒng)的柔性傳感器要求必須要有合適的線性度、滯后性、傳感尺寸、壓力范圍和溫度敏感性[14-15,23]。 對于不同性能的柔性傳感器，選擇合適的應(yīng)用范圍非常重要。

3.1 滯后性

傳感器的滯后性是指載荷從零點(diǎn)以單調(diào)遞增的方式加載時(shí)與載荷從額定載荷以單調(diào)遞減的方式卸載時(shí)，在相同載荷值條件下，傳感器的輸出值存在差值。通常以這個(gè)差值與柔性傳感器滿量程輸出之比表示。當(dāng)對傳感器加載和卸載時(shí)，傳感器的輸出信號和輸入信號不相等，這表示傳感器的響應(yīng)有滯后性，傳感器不是線性輸出，一般都會(huì)選擇滯后性小的傳感器[34]。

3.2 線性度

柔性傳感器的線性度是傳感器的靜態(tài)特性，是指傳感器的電阻與應(yīng)變之間的線性關(guān)系。將一個(gè)相當(dāng)于可變電阻的柔性傳感器接入電路，對傳感器施加壓力，電路中電阻變化，導(dǎo)致電流和電壓發(fā)生改變，電壓與力呈現(xiàn)線性關(guān)系，表示傳感器的電路處理過程簡單，傳感器對力的響應(yīng)是線性的。高度線性關(guān)系需要非常簡單的信號處理電路，反之亦然，因此有線性關(guān)系的傳感器是最優(yōu)的。

3.3 溫度敏感度

根據(jù)熱脹冷縮原理，傳感器隨著環(huán)境溫度變化，示數(shù)會(huì)發(fā)生改變。傳感器是由不同材料組成的，因?yàn)樗鼈儗囟茸兓姆磻?yīng)不同，根據(jù)人體體表溫度， 在20～37 ℃范圍內(nèi)具有低溫敏感度的傳感器是首選[15]。

3.4 壓力范圍

不同用途的傳感器需要有不同的壓力范圍， 最大壓力是柔性傳感器可以測量的上限，反之亦然。BEEBY S P[34]認(rèn)為體質(zhì)量為75 kg的人當(dāng)前腳掌站立時(shí)，如果壓力均勻分布，則每31.2 mm2足底面積的界面壓力接近2.3 MPa。在實(shí)驗(yàn)中利用F-Scan鞋墊式測量系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)最大測量壓力為0.1 MPa。同時(shí)URRY S[9]研究發(fā)現(xiàn)足底壓力在某一瞬間高達(dá)3 MPa，因此足底壓力測量系統(tǒng)需選用上限為3 MPa的傳感器。

3.5 傳感器的測量區(qū)域

柔性傳感器的尺寸和位置也很重要，傳感器的位置擺放如圖4所示。大的傳感器可能會(huì)降低壓力峰值，因此建議使用5 mm×5 mm的小傳感器[34]。

圖4 傳感器的擺放位置Fig.4 Placement of sensor position

3.6 采集頻率

為了準(zhǔn)確測量足底壓力，根據(jù)人體走路和跑步的步頻，將柔性傳感器采集頻率設(shè)置為200 Hz以上。通常認(rèn)為這個(gè)頻率可以對人體日常的步態(tài)活動(dòng)進(jìn)行采樣。

3.7 蠕變和重復(fù)性

蠕變是柔性傳感器受到長時(shí)間恒定載荷或應(yīng)力的一種永久變形，低蠕變?nèi)嵝詡鞲衅魇亲悴繅毫y量的重點(diǎn)。重復(fù)性是指傳感器在相同實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)多次相同載荷作用而產(chǎn)生與之對應(yīng)的輸出值，其輸出曲線重合度越好，重復(fù)性就越好，誤差也越小。重復(fù)性是保證傳感器長時(shí)間穩(wěn)定使用的重要因素，影響傳感器重復(fù)性的因素有機(jī)械部分的磨損、間隙、松動(dòng)、部件的內(nèi)摩擦、積塵等原因[34]。除了上述原因之外，傳感器的壓力范圍和尺寸也是造成測量不準(zhǔn)確的原因之一。

4 足底壓力主要測量點(diǎn)

根據(jù)人體工學(xué)和解剖學(xué)，足底壓力測量區(qū)域可以劃分15個(gè)區(qū)域，足后部(1～3)，足中部(4～5)，跖骨(6～10)和腳趾(11～15)，具體如圖5所示。受傳感器尺寸、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等因素的影響，目前足底壓力測量系統(tǒng)只測量其中幾個(gè)重要的區(qū)域[35]。

圖5 足底壓力測量區(qū)域Fig.5 Plantar pressure measurement areas

足底壓力是人體重要的生理參數(shù)，平臺式足底壓力測量系統(tǒng)只局限于一步或數(shù)步的足底壓力測量，但是生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測的趨勢是實(shí)時(shí)和現(xiàn)場測量，而鞋式足底壓力測量系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程足底壓力測量，這對于人們了解人體日?；顒?dòng)時(shí)的足底壓力分布是至關(guān)重要的，同時(shí)也可以為運(yùn)動(dòng)員的步態(tài)分析提供理論依據(jù)。幾種足底壓力測量系統(tǒng)見表2。

表2 足底壓力測量系統(tǒng)

5 結(jié)語

文中主要介紹了常見的足底壓力測量系統(tǒng)，通過分析柔性傳感器在足底壓力測量系統(tǒng)中的適用性，從而優(yōu)化足底壓力測量系統(tǒng)，并對人體足底壓力進(jìn)行討論分析。目前，足底壓力測量系統(tǒng)還有很多需要改進(jìn)的地方，如傳感器采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如何實(shí)現(xiàn)無線足底壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測，如何設(shè)計(jì)出符合人體工學(xué)的足底壓力測量系統(tǒng)等，都需要研究人員進(jìn)行更深層次的研究。

另外，柔性傳感器在足底壓力測量系統(tǒng)的應(yīng)用也不夠完善，不同類型的傳感器價(jià)格和測量精確度存在明顯差別。如果能夠改善傳感器精度、傳感器滯后性以及提高線性度，足底壓力測量的精確度將會(huì)有顯著提高。同時(shí)，還可以完善足底壓力測量區(qū)域，來提高足底壓力的測量精度。隨著無線智能技術(shù)的發(fā)展，無線足底壓力測量系統(tǒng)將日趨成熟，為遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測足底壓力奠定了基礎(chǔ)。