王宏程， 郎潤男， 王芳芳， 徐豐羽， 申景金

(1. 南京郵電大學 自動化學院 人工智能學院， 江蘇 南京 210023；2. 南通大學 紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019)

日常運動過程中，足部作為重要的運動功能器官，其狀態(tài)能夠反映人體運動模式[1]。若病人的足前部力量偏弱，則身體質(zhì)量會更多地施加于足外沿和足跟部，造成病人足-地面反力異常[2-3]，因此，可通過監(jiān)人體足-地面反力實現(xiàn)對人體的運動模型乃至健康狀態(tài)的監(jiān)診[4]。目前，足底壓力主要通過測力板或壓力鞋墊進行測量[5-6]。其中，國外研發(fā)的足底壓力測量系統(tǒng)，如瑞士KISTLER公司研發(fā)的測力板具有很高的測量精度和實時性，但其價格昂貴、不易攜帶[7]；德國Novel公司研發(fā)的足底壓力測量系統(tǒng)，使用校準困難且耗時長，校準后易受外界環(huán)境影響造成漂移，整體儀器同測力板一樣售價較高。因此，研制價格較低、集成度更高和使用更簡便的壓力測量鞋墊受到人們的廣泛關注。

國內(nèi)研究人員基于聚偏氟乙烯(PVDF)壓電材料[8]、LabVIEW[9]和單片機[10]等技術進行了足底壓力測量系統(tǒng)的研制，實現(xiàn)了簡單的壓力測量和顯示[11]。Rouhani等[12]通過在實驗對象的腳趾、前腳掌和后腳掌部分安裝三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器來進行足-地面反力(GRF)的預測。Jung等[13]提出了2種預測三軸GRF信號的足-地接觸模型，第1種模型只需要關節(jié)運動學數(shù)據(jù)來估計三軸GRF 信號，而第2種模型需要關節(jié)運動學和足部壓力數(shù)據(jù)。Sim等[14]提出利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(WNN)和主成分交互信息(PCA-MI)估算三軸GRF信號，他們用快、正常、慢3種不同的步態(tài)，結合具有99個壓力傳感器的鞋墊型足底壓力測量裝置和2個AMTI公司的測力板分別測量足底壓力和用于參考的三軸GRF信號。上述文獻中的壓力鞋墊測量系統(tǒng)，大都采用有線或局部無線數(shù)據(jù)傳輸方式完成簡單的壓力數(shù)據(jù)采集和顯示，不適用基于足底壓力的遠程診療。為此，本文運用Zigbee和Access技術，設計了可實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線遠程傳輸?shù)膲毫π瑝|，同時通過多元線性回歸算法把測量的足底壓力轉化為足-地面反力，極大地方便了醫(yī)生對病情的診斷。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 壓力傳感器選型與布局

為保證不同運動模式下足底壓力測量的精度，所選用的壓力傳感器應具有較好的柔順性、較薄的厚度，以較好地貼合足底形狀[15]，因此決定使用FSR402電阻式壓力傳感器，其量程為0～20 N，是質(zhì)量輕、體積小、引腳長、性價比高的超薄型電阻式壓力傳感器。FSR402傳感器將施加于傳感器薄膜區(qū)域的壓力轉換成電壓值的變化,從而獲得壓力信息。壓力越大，電阻越低，輸出電壓越高。一般情況下，F(xiàn)SR402傳感器的輸出電壓和施加壓力之間存在如下指數(shù)關系，

f=aebv+cedv

(1)

式中：f為壓力值，N；v為電壓值，V；a、b、c、d為待確定參數(shù)。為確定a,b,c,d的值，對每個FSR402傳感器進行標定實驗。將FSR402傳感器同Arduino Uno相連接，通過其讀出輸出電壓值，再將FSR402置于萬能測力機的平臺上，通過對FSR402施加0～20 N的力，得到其對應的電壓輸出值，并采用式(1)對電壓和壓力進行擬合，如圖1所示。經(jīng)過實驗得出：a的取值范圍為0.024 58～0.086 33；b的取值范圍為0.712 8～1.336；c的取值范圍為6.264×10-13～2.998×10-9；d的取值范圍為4.814～6.714。

圖1 電壓與壓力曲線圖Fig.1 Voltage-pressure curve

壓力傳感器的數(shù)量和布局位置直接影響系統(tǒng)性能，傳感器數(shù)目過少會降低足底壓力分布的整體測量精度，而數(shù)目過多會增加系統(tǒng)加工和數(shù)據(jù)采集的難度，降低整體的可靠性[16]?；谏锪W可知，在不同運動狀態(tài)下，足弓和腳跟部位壓力分布模式較為單一[17]，而足前掌與運動狀態(tài)關系密切，壓力分布較為復雜[18-19]；因此，為達到較好的監(jiān)診效果，壓力鞋墊在足弓和腳跟區(qū)域的傳感器密度較低，前腳掌區(qū)域的傳感器分布密度較高。壓力傳感器的整體布局如圖2所示，前腳掌、足弓、足跟分別放置7個、2個和3個傳感器。傳感器位置選擇完成之后，將壓力傳感器放置到乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)材質(zhì)鞋墊上對應的位置中去，壓力傳感器與采集模塊之間采用扁平的杜邦線連接，在鞋墊表面均勻地涂上一層美國Ecoflex00-10硅膠溶液，待其凝固后鞋墊與其就緊密貼合在一起，保證了穿著的舒適度并且可對其進行刷洗。

圖2 壓力傳感器整體布局Fig.2 Overall layout of pressure sensor

1.2 信號處理與傳輸模塊

為獲得穩(wěn)定的壓力數(shù)字信號提高壓力信號的分辨率，在數(shù)模轉換模塊ADS1118之前通過放大器進行放大。另外，為減少外部因素造成的FSR402傳感器測量的波動，在信號處理模塊加入低通濾波電路。通過MAX8515A穩(wěn)壓模塊和MCP6004放大器設計如圖3所示信號放大電路。

圖3 信號放大電路圖Fig.3 Signal amplification circuit diagram

Zigbee屬于功耗較低的無線通信技術，可實現(xiàn)近距離的無線連接與組網(wǎng)。本系統(tǒng)的信號傳輸模塊選用CC2530作為構建Zigbee無線通信網(wǎng)絡的核心芯，如圖4所示。在發(fā)射端的電路中，使用5 V直流電源供電。接收模塊功能是將各個發(fā)射子系統(tǒng)節(jié)點上的數(shù)據(jù)接收并通過串口將其發(fā)送到PC上進行處理。為實現(xiàn)多個壓力鞋墊的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)采用星形拓撲結構Zigbee網(wǎng)絡。其中，與PC端串口通信的全功能器件FFD，在Zigbee網(wǎng)絡中承載協(xié)調(diào)器的功能。

圖4 無線傳輸硬件圖Fig.4 Wireless transmission hardware picture

通過將所有硬件模塊集成到一塊PCB板中，大大減小了數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊的體積，便于人們的日常使用。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 主程序設計

根據(jù)程序預期實現(xiàn)目標及硬件方案，可將主程序分為4個模塊程序來實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)采集處理程序、無線數(shù)據(jù)傳輸程序、數(shù)據(jù)幀儲存程序、后處理顯示程序。其中：數(shù)據(jù)采集處理程序負責將數(shù)模轉換接口的數(shù)據(jù)進行讀取，獲得12路的壓電數(shù)據(jù)并儲存，根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送的編號順序、幀序來進行數(shù)據(jù)幀的生成；無線數(shù)據(jù)傳輸程序則是負責傳輸節(jié)點之間的建立與維系同步工作，進行網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)幀的傳輸；數(shù)據(jù)幀儲存程序?qū)⒗脭?shù)據(jù)庫儲存由無線網(wǎng)絡發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并以時序編號保存；后處理顯示模塊負責從數(shù)據(jù)庫中拉取數(shù)據(jù)幀，從數(shù)據(jù)幀中分理出12路壓力數(shù)據(jù)與時序序號進行圖形化顯示。

2.2 數(shù)據(jù)采集處理程序

第1步：數(shù)模-進制轉換。首先發(fā)送選通信號來進行12路壓力傳感器的選通，對選通來的數(shù)模轉換接口信息進行讀取，每個循環(huán)包括12次讀取的小循環(huán)，將12路數(shù)據(jù)依次按比例轉換為十進制3位整數(shù)并存儲至存儲芯片中，保存第1路信號的地址值。

第2步：存儲相關數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)后面的存儲單元中寫入本鞋墊編號、時序值，使用首位地址將12數(shù)據(jù)循環(huán)相加后求出平均值，寫入隨后的地址單元。

第3步：使用串口發(fā)送12路數(shù)據(jù)。使用典型的串口發(fā)送程序按地址位先發(fā)送編號、時序值、平均值，再使用首地址依次發(fā)送12路數(shù)據(jù)，完成1幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸程序

第1步：設計數(shù)據(jù)保存讀取方式。根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)需實現(xiàn)無線發(fā)射終端與無線接收模塊(即Zigbee協(xié)調(diào)器)之間的通信，協(xié)調(diào)器連接到本地終端與PC間的串口通信。數(shù)據(jù)最后在本地終端打開串口進行數(shù)據(jù)的讀取和保存。

本系統(tǒng)中遠程終端(RFD)獲取的數(shù)據(jù)通過與協(xié)調(diào)器之間的通信可以保存到數(shù)據(jù)庫中，利用此方案降低了數(shù)據(jù)保存的難度，也大大簡化了PC端的人員操作。由此可直接利用PC端的Microsoft Access數(shù)據(jù)庫功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸、讀寫與保存。

第2步：利用協(xié)調(diào)器初建傳輸網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器在整個系統(tǒng)中是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的創(chuàng)建者，其主要功能是負責創(chuàng)建1個具有唯一網(wǎng)絡ID及信道的網(wǎng)絡并不斷搜尋該網(wǎng)絡范圍內(nèi)的新節(jié)點，使其允許加入該網(wǎng)絡中。協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡流程圖如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡流程圖Fig.5 Flow chart of coordinator creating a network

由圖5可知，協(xié)調(diào)器通過不斷地周期發(fā)送各種數(shù)據(jù)幀來搜索是否有符合要求的終端節(jié)點，在該系統(tǒng)中所設置的網(wǎng)絡ID為0×1234,信道為0×0B；只有其他終端的網(wǎng)絡相關設置與協(xié)調(diào)器一致時，才會被允許加入該網(wǎng)絡中。協(xié)調(diào)器成功創(chuàng)建網(wǎng)絡后，用戶可通過操作PC軟件開始終端采集任務。

2.4 數(shù)據(jù)幀儲存格式設計

第1步：設計測量鞋墊編號。本設計需同時監(jiān)診多位患者的多雙壓力鞋墊。為區(qū)別不同的鞋墊，采用數(shù)據(jù)幀第1位可設為1位十進制數(shù)，用來區(qū)別不同鞋墊。

第2步：設計時序序號。在測量中還需時間位來記錄時間信息，規(guī)定每0.5 h上傳1次數(shù)據(jù)，考慮到加入鞋墊標號可以只通過1次數(shù)據(jù)庫遍歷就可以找到所需編號特定時間的壓力數(shù)據(jù)，提升查詢速度及效率，同時也可做為編號位的校驗碼使用，即可以設置3位十進制數(shù)據(jù)：其中第1位表示鞋墊傳感器的標號；第2、3位則可表示近日以來的時序數(shù)據(jù)。

第3步：設計特殊信息位?？紤]到壓力數(shù)據(jù)精簡及讀取效率，在1幀數(shù)據(jù)中加入平均位，放于時間位后，其值為12路傳感器數(shù)據(jù)的平均值。平均位中的平均值包含所測足部的很多信息，如此時被監(jiān)診者有無運動、雙足的身體重心分配受力情況；還可通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計出有無偏足傾向，以便及時接受進一步診斷；對于孤居老人也可及時發(fā)現(xiàn)長時間的無運動情況，及時進行救助；也有助于發(fā)現(xiàn)12路數(shù)據(jù)的錯位，作校驗碼使用。12路的數(shù)據(jù)則按照默認順序排列，左右鞋墊編號相互對稱，以3位十進制整數(shù)存儲；1幀中不設停止位。

數(shù)據(jù)幀格式為：第1位鞋墊編號；第2位時序編號；第3位壓力中心平均值；第4～15 位12路壓力數(shù)據(jù)。

2.5 數(shù)據(jù)儲存及后處理顯示程序

第1步：設計選擇數(shù)據(jù)庫。Microsoft Access 2010 數(shù)據(jù)庫功能較為齊全、具有強大的兼容性和拓展性，但是考慮到Access數(shù)據(jù)庫的遠程訪問功能不能滿足系統(tǒng)性能的要求，所以選擇了Microsoft SQL Server 2012完成數(shù)據(jù)的集體升遷功能，實現(xiàn)了Access數(shù)據(jù)庫與SQL Server數(shù)據(jù)庫的連接與數(shù)據(jù)的上傳更新。

第2步：圖形化顯示程序的設計。為實現(xiàn)足底壓力數(shù)據(jù)的圖形化顯示，設計了基于LabVIEW后處理顯示模塊。圖6為圖形化顯示界面圖。

圖6 圖形化顯示界面圖Fig.6 Graphical display interface diagram

在LabVIEW環(huán)境中，使用Database工具包對SQL數(shù)據(jù)庫進行讀寫等操作。LabVIEW后處理顯示模塊可實現(xiàn)如下2個主要功能。

1)無線傳輸模塊的步進查詢功能。該功能可實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的步進回放，并可對不同足進行選擇查看。步進顯示及不同足選擇功能的控制由雙層循環(huán)與事件觸發(fā)實現(xiàn)。幀步進顯示會按時間次序進行演示，數(shù)據(jù)庫相關數(shù)據(jù)一次性讀入內(nèi)存中，若需刷新數(shù)據(jù)可使用刷新鍵重新將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。切換不同足時會重新讀取該足相關信息，具有刷新的功能。

2)無線傳輸模塊的實時監(jiān)診功能。該功能可在允許的延遲時間內(nèi)，實現(xiàn)足底壓力信號的實時傳輸。在程序中使用雙緩沖池結構來解決讀寫的時序協(xié)調(diào)問題。完成寫入1張表時向此表寫入完成識別標符，當讀取模塊讀取完成并將表交還給寫入模塊時，清除第1行寫入完成標符，以防止在無線傳輸丟包率過大時信號讀取模塊過度跟進。寫入指針與讀取指針移動速度設為相同值。使用雙緩沖池結構可大大增加系統(tǒng)對無線傳輸丟包現(xiàn)象的容錯能力。

3 足-地面反力的預測

3.1 逐步多元線性回歸算法

在生物步態(tài)力學中，足-地面反力通常被用來作為人體行走狀態(tài)的功能性指標。行走過程中，地面的世界坐標系和鞋墊的局部坐標系不能保持一致，因此，足-地面反力不是足底壓力的簡單求和。本文將采用多元線性回歸算法將分析足底壓力和足-地面反力之間的關系。根據(jù)多元線性回歸算法，可一般性地表達為

(2)

式中：G為足-地面反力，N；pi為第i個傳感器的壓力，N；γi和βi為回歸系數(shù)。正如文獻[20]所指出的，如果pi之間存在密切相關項，則多元線性回歸方程(式(2))將產(chǎn)生很大的誤差。獨立變量的篩選一直是線性回歸算法的一個重要研究方向。

采用逐步回歸的方式篩選變量，首先計算12個變量的偏回歸平方和，選出其中偏回歸平方和最大的變量進行F檢驗，檢驗其顯著性。如果其顯著性滿足要求就將其加入方程，接著進行下一個變量的檢驗，觀察其顯著性，每增加1個變量之后都要對之前加入的變量再次進行顯著性檢驗，重復以上步驟直到?jīng)]有變量需要增加或者刪除，就結束變量的篩選。從中選出最優(yōu)回歸子集，變量入選和剔除的顯著水平分別設為0.1 和0.15， 從而可以選出最主要的影響因素。

3.2 足-地面反力模型

邀請10名成年健康男性(體重為50～70 kg，身高為168～180 cm)，采用F-SCAN足底壓力系統(tǒng)(Tekscan)和自制壓力鞋墊分別對足-地面反力和足底壓力分布進行測量。實驗過程中，F(xiàn)-SCAN系統(tǒng)置于水平地面，自制壓力鞋墊放入被測者鞋內(nèi)，如圖7所示。同時，二者采用相同的采樣頻率對數(shù)據(jù)進行采集，保證數(shù)據(jù)在時間上的一致性。

基于測量數(shù)據(jù)，通過MatLab中編寫的逐步多元線性回歸算法，得到如下足-地面反力模型：

(3)

式中，f2、f3、f8、f9分別為傳感器2、3、8、9的壓力值。

可以看到，G與傳感器2、3、8、9的關系密切，這是由于人體在行走時腳掌和腳后跟區(qū)域為主要的受力區(qū)域。

圖7 實驗圖Fig.7 Experimental diagram

3.3 模型驗證與分析

為驗證所建立模型的正確性，另外邀請2名成年男性進行實驗。把所測得的足底壓力數(shù)據(jù)代入式(3)中預測足-地面反力，并與測量值進行對比，如圖8所示。

圖8 驗證實驗1和2Fig.8 Verification experiment 1(a) and 2(b)

通過驗證實驗可以看出，基于壓力鞋墊壓力值的預測值和測量值之間的相對誤差為0.248 8%和0.731 8%，位于工程實際應用可接受的范圍之內(nèi)。在曲線的上升部分和下降部分擬合較好，誤差較小，在中間部分擬合的誤差較大。產(chǎn)生這種情況的原因是FSR402傳感器在壓力較小時測量精度較高，當壓力增大到10 N以上時其測量精度就會降低；產(chǎn)生誤差的另一個原因是足部與鞋墊之間的黏彈性。在部分區(qū)域，預測力為負值的原因是由于人體足部抬起時，人體皮膚與鞋墊之間的黏著力，所以會給鞋墊一個向上的力，此時地面反應力為負值。

4 結束語

本文采用FSR402傳感器設計了足底壓力鞋墊，并基于Zigbee技術實現(xiàn)了壓力的數(shù)據(jù)無線傳輸。將數(shù)據(jù)幀按格式寫入Access數(shù)據(jù)庫中，之后利用SQL數(shù)據(jù)庫完成共享操作，實現(xiàn)了對壓力鞋墊的遠程測量。在數(shù)據(jù)傳輸中，設計了特殊的數(shù)據(jù)幀格式，便于監(jiān)測病人的狀態(tài)；在數(shù)據(jù)處理中采用逐步多元線性回歸算法提高了預測的準確性，并得出腳掌和腳后跟部位的壓力測量對作用力預測的影響較大的結論。

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