陳足嬌，張 睿，卓雯雯，張龍琳,2，周 莉,2

(1.西南大學(xué) 蠶桑紡織與生物質(zhì)科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市生物質(zhì)纖維材料與現(xiàn)代紡織工程技術(shù)研究中心，重慶 400715)

足底壓力是指人體站立或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，體重通過(guò)足部作用于地面，地面同時(shí)會(huì)對(duì)足底產(chǎn)生一個(gè)大小相等、方向相反的作用力，這個(gè)作用力可用來(lái)評(píng)估人體下肢的功能及疲勞情況，常常應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、足疾評(píng)估、疾病嚴(yán)重程度測(cè)定等領(lǐng)域[1-2]。如壓力測(cè)試板、測(cè)試臺(tái)等足底壓力測(cè)量系統(tǒng)，采集到的足底壓力數(shù)據(jù)常被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)測(cè)量、疾病診斷中[3-4]。這些傳統(tǒng)的壓力測(cè)量設(shè)備體積大、靈活性小，不能滿足對(duì)足底壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。相反，壓力監(jiān)測(cè)襪、監(jiān)測(cè)鞋的適應(yīng)性強(qiáng)、空間局限性小，可實(shí)時(shí)采集和分析人體足底壓力信息，為步態(tài)研究、鞋業(yè)制造、仿真機(jī)器人等領(lǐng)域提供可靠的數(shù)據(jù)。這類可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域，需要在生物力學(xué)、紡織、電子、無(wú)線傳輸?shù)葘W(xué)科的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行研究分析。

本文從生物力學(xué)的角度，分析人體足部的生理結(jié)構(gòu)及足部的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，探究足底壓力監(jiān)測(cè)襪與足底壓力監(jiān)測(cè)鞋相關(guān)的傳感元件及工作原理。通過(guò)分析人體足部運(yùn)動(dòng)，探究足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特征點(diǎn)的選取原則；并分析該系統(tǒng)在摔倒監(jiān)測(cè)、疾病診斷與治療、數(shù)據(jù)資源共享等方面的應(yīng)用；最后，討論了可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用以及現(xiàn)階段存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。

1 人體足部運(yùn)動(dòng)力學(xué)

1.1 人體足部生理結(jié)構(gòu)

人體足部由28塊功能各異的骨骼、33個(gè)關(guān)節(jié)以及130多根韌帶、肌肉群、神經(jīng)系統(tǒng)組成，是一個(gè)復(fù)雜且獨(dú)立的生理系統(tǒng)[5]。根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能的不同，可將骨骼分為跟骨、跗骨、跖骨、趾骨和足弓，如圖1所示。跟骨體積較大，是人體主要的承壓骨骼；跗骨體積短小，控制足部的翻轉(zhuǎn)、扭動(dòng)；跖骨是主要的承壓骨骼，同時(shí)吸收和緩沖運(yùn)動(dòng)過(guò)程中地面對(duì)足底的沖擊力；趾骨短小靈活，是調(diào)節(jié)人體平衡的關(guān)鍵[6]。跖骨和跗骨間的拱起結(jié)構(gòu)是足弓，可調(diào)節(jié)身體平衡，具有緩沖、過(guò)渡、蹬伸三大功能[7]。

圖1 人體足部骨骼結(jié)構(gòu)圖

1.2 足底壓力的來(lái)源

從生物力學(xué)的角度出發(fā)，探究在外力和內(nèi)部肌力作用下生物體的受力情況及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以更好地分析人體足底壓力的產(chǎn)生原因及作用機(jī)制。站立時(shí)，在豎直方向上，地面對(duì)足底施加一個(gè)向上的反作用力，此時(shí)足底壓力均勻地分布在足底，如圖2(a)所示。行走時(shí)，身體自然前傾，足底與地面的接觸呈周期性，除豎直方向的反作用力外，還有水平方向的分力及摩擦力，共同輔助人體前進(jìn)，此時(shí)足底壓力峰值集中在跖骨區(qū)域，如圖2(b)所示。奔跑時(shí)，雙腳交替著地，足底接觸地面時(shí)跖骨與趾骨區(qū)域的壓力最大，如圖2(c)所示。不論人體處于何種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量及分析足底壓力的大小與分布特征，便能評(píng)估下肢骨骼和肌群的功能，以達(dá)到預(yù)防下肢勞損的目的。

圖2 人體不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的足部受力分析圖

1.3 足部運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析

步頻是指單位時(shí)間內(nèi)左右腿循環(huán)交換的次數(shù)，是生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域重要的研究對(duì)象，影響足底壓力的循環(huán)變化。金曼[8]指出，人站立時(shí)的頻率為0 Hz，自然步行的頻率為1.7～2.0 Hz，極限步頻可達(dá)到5.0 Hz。人行走時(shí)，地面的反作用力有規(guī)律地壓迫足底，可穿戴壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器能夠接收足底的循環(huán)應(yīng)力，并按一定的頻率輸出壓力信號(hào)。材料的回彈性能可直接影響壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此，研發(fā)可穿戴壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)必須考慮材料的響應(yīng)頻率與人體步頻的匹配性，確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集足底壓力信號(hào)，避免出現(xiàn)信號(hào)遲滯現(xiàn)象。

2 可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

早期的足底壓力測(cè)量方法為足印法，即人站在橡膠、沙子等材料上，留下足跡，通過(guò)足印的形態(tài)特征來(lái)分析足底壓力信息[9]。當(dāng)前，壓力監(jiān)測(cè)襪、壓力監(jiān)測(cè)鞋等已實(shí)現(xiàn)對(duì)足底壓力數(shù)據(jù)的采集、處理與無(wú)線傳輸。其信號(hào)采集模塊均由壓力傳感器構(gòu)成，行走時(shí)足底壓迫傳感器，使其瞬間產(chǎn)生電信號(hào)，腳上抬時(shí)電信號(hào)迅速下降并趨于零。傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)降噪等處理，由無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到終端進(jìn)行可視化數(shù)值轉(zhuǎn)換處理[10]。

壓力監(jiān)測(cè)襪與壓力監(jiān)測(cè)鞋的主要區(qū)別在于：前者在編織時(shí)，采用一體成形工藝，將導(dǎo)電紗線與普通紗線相互交織，編織成含有若干壓力傳感器模塊的智能可穿戴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。后者則直接將柔性壓力傳感器置入鞋墊中，通過(guò)細(xì)導(dǎo)線將信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理與輸出模塊相連接，制成集成化的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。壓力監(jiān)測(cè)襪對(duì)足部的包裹性較好，因此其測(cè)量精度高，能迅速響應(yīng)足底壓力的變化；而壓力監(jiān)測(cè)鞋的功能附加性更好，便于負(fù)載后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與輸出模塊，不影響穿著舒適性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效采集與傳輸。

2.1 壓力監(jiān)測(cè)襪

壓力監(jiān)測(cè)襪是指將導(dǎo)電纖維或紗線制成的壓力傳感器模塊整合到襪子的特征位置，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)，具有一定力學(xué)性能和壓力響應(yīng)性能的可穿戴壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?？椢飩鞲衅魇菈毫ΡO(jiān)測(cè)襪的關(guān)鍵部分，由導(dǎo)電纖維或紗線按一定的規(guī)律織造而成，包括針織物傳感器和機(jī)織物傳感器。其靈敏度與導(dǎo)電纖維的種類、復(fù)合方式以及織物的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.1.1 紡織用導(dǎo)電纖維

導(dǎo)電纖維是指標(biāo)準(zhǔn)條件下(溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為65%)，電阻率小于1×107Ω·cm的纖維[11]。根據(jù)導(dǎo)電成分的不同，可將其分為金屬導(dǎo)電纖維、碳黑導(dǎo)電纖維和有機(jī)導(dǎo)電纖維。

金屬導(dǎo)電纖維是由金屬直接拉成細(xì)絲或?qū)⒔饘倭Ｗ油扛苍诰埘ダw維表面制成，如不銹鋼纖維、鍍銀纖維等。拉絲法制備的金屬導(dǎo)電纖維質(zhì)量大、可紡性和染色性較差；涂覆法制備的纖維柔軟性、可紡性良好，但涂層牢度差、不耐摩擦和水洗，因此未被廣泛應(yīng)用于紡織領(lǐng)域[12]。碳黑導(dǎo)電纖維包括碳纖維、碳黑涂覆纖維和碳黑復(fù)合纖維，具有強(qiáng)度高、耐熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)電性能優(yōu)于不銹鋼纖維，且可迅速逸散紗線間相互摩擦而產(chǎn)生的電荷；然而，由于其顏色較深、分散能力差等缺點(diǎn)，限制了其在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用。有機(jī)導(dǎo)電纖維由導(dǎo)電聚合物直接紡成絲或復(fù)合加工而成，常見(jiàn)的導(dǎo)電聚合物有聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等。將導(dǎo)電聚合物涂覆到普通聚酯纖維表面而制成的復(fù)合導(dǎo)電纖維具有良好的導(dǎo)電性能、優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能，在功能性紡織品領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[13]。

2.1.2 織物傳感器

織物傳感器是指將導(dǎo)電纖維直接織入針織物或機(jī)織物，利用織物的回彈性響應(yīng)足底不同部位循環(huán)應(yīng)力的一種傳感元件。當(dāng)其受足底壓迫時(shí)，紗線的相對(duì)位置偏移，引起傳感器電阻或電容變化，以此響應(yīng)外界應(yīng)力的作用。信號(hào)處理模塊將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、降噪、放大等處理，最終結(jié)合無(wú)線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)輸出到PC端儲(chǔ)存與顯示。

將導(dǎo)電紗線看作導(dǎo)線，導(dǎo)電針織物就如同一個(gè)復(fù)雜的并聯(lián)電路，當(dāng)織物中線圈受力發(fā)生偏移時(shí)，引起電路中電阻的改變，如圖3所示[11]。針織物傳感器電阻的計(jì)算公式為

圖3 針織物單位線圈的等效電路圖

式中：R為導(dǎo)電紗線的電阻，Ω；ρ為導(dǎo)電紗線的電阻率(導(dǎo)電系數(shù))，Ω·m；l為導(dǎo)電紗線的長(zhǎng)度，m；A為導(dǎo)電紗線的橫截面積，m2。導(dǎo)電紗線電阻率一定時(shí)，其電阻與其長(zhǎng)度成正比，與其橫截面積成反比。

機(jī)織物傳感器的壓力響應(yīng)原理與針織物傳感器不同，是根據(jù)電容器原理來(lái)響應(yīng)外界應(yīng)力的變化，如圖4所示。在機(jī)織物傳感器中，2個(gè)相對(duì)的電極由紗線組成，2個(gè)電極之間的介電組織由外層絕緣涂層構(gòu)成。當(dāng)織物傳感器受到外力壓迫時(shí)，2個(gè)電極的間距和相對(duì)面積發(fā)生改變，引起電容的變化。該類傳感器電容的計(jì)算公式為

圖4 機(jī)織物壓力傳感器感應(yīng)原理圖

式中：C為機(jī)織物傳感器的電容，F(xiàn)；ε為介電組織的介電常數(shù)；S為2個(gè)電極之間的相對(duì)面積，m2；d為2個(gè)電極之間的距離，m。介電組織的介電常數(shù)一定時(shí)，機(jī)織物傳感器的電容量與2個(gè)電極之間的相對(duì)面積成正比，與2個(gè)電極之間的距離成反比。

李思明等[14]將含有不銹鋼粒子的粘膠導(dǎo)電纖維與錦綸，通過(guò)一體成形工藝制備出含有3塊針織物傳感器的壓力監(jiān)測(cè)襪，并通過(guò)導(dǎo)電纖維將各傳感器與數(shù)據(jù)處理設(shè)備連接。當(dāng)織物傳感器受到力的作用時(shí)，織物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏移、回彈，進(jìn)而引起信號(hào)變化。相反，機(jī)織物傳感器的回彈性小，靈敏度不如針織物傳感器，且存在信號(hào)遲滯的問(wèn)題，因此不適合應(yīng)用在壓力監(jiān)測(cè)襪中。

此外，也可將聚合光纖嵌入到襪子的特征部位，結(jié)合加速度傳感器，采集受試者的運(yùn)動(dòng)信息和步態(tài)[15]，如圖5所示。雖然光纖傳感器的質(zhì)量小、反應(yīng)靈敏，但在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，響應(yīng)溫度、壓力、磁場(chǎng)等外界環(huán)境因素難以控制，故光纖傳感器在實(shí)際應(yīng)用中還存在難以控制的問(wèn)題。

圖5 壓力監(jiān)測(cè)襪及足底壓力數(shù)據(jù)圖

2.2 足底壓力監(jiān)測(cè)鞋

足底壓力監(jiān)測(cè)鞋是將信息采集模塊、信號(hào)處理與輸出模塊集成到鞋體之中的可穿戴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它能迅速采集和分析人體足底的壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換程序?qū)毫?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視化圖像或曲線，以此分析和評(píng)價(jià)人體足部的各項(xiàng)功能和受力特征，最終達(dá)到實(shí)時(shí)采集和反饋人體步態(tài)信息的目的。足底壓力監(jiān)測(cè)鞋的結(jié)構(gòu)示意與工作原理，如圖6所示。

圖6 壓力監(jiān)測(cè)鞋的結(jié)構(gòu)示意圖與工作原理圖

2.2.1 信息采集模塊

信息采集模塊通過(guò)將柔性壓力傳感器嵌入鞋墊中，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體足底壓力信號(hào)的采集。它是可穿戴足底壓力測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，所用傳感器應(yīng)具有良好的柔韌性、延展性、重復(fù)性以及穩(wěn)定性，且不能妨礙人體運(yùn)動(dòng)。常用的傳感器包括壓阻式柔性傳感器、電容式柔性傳感器、壓電式柔性傳感器，其按一定的數(shù)學(xué)規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為可輸出的電信號(hào)，響應(yīng)足底壓力的變化[16]，傳感器的響應(yīng)原理如圖7所示。

圖7 3種柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

壓阻式柔性傳感器受力時(shí)，彈性基質(zhì)中導(dǎo)電粒子間的距離變短并發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，引起材料電阻的變化，電阻隨外界作用力的大小發(fā)生改變[17]。壓阻式柔性傳感器所用的壓阻材料可以是纖維、紗線或織物，因此該類傳感器可廣泛應(yīng)用于可穿戴技術(shù)領(lǐng)域。然而，這類傳感器使用時(shí)需結(jié)合信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，因此其?duì)數(shù)據(jù)處理設(shè)備的要求較高，系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜。電容式柔性傳感器的構(gòu)成與機(jī)織物傳感器類似，均含有2個(gè)相對(duì)的電極和介電層，電極可以是紗線、織物、金屬片或?qū)щ姳∧さ?。電容式柔性傳感器響?yīng)速度快、靈敏度高，被廣泛應(yīng)用于服裝點(diǎn)觸技術(shù)(織物鍵盤)；當(dāng)手指在“織物鍵盤”上點(diǎn)觸、滑動(dòng)時(shí)，織物傳感器便會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)響應(yīng)“觸控命令”[18]。壓電式柔性傳感器受力形變時(shí)，會(huì)瞬間產(chǎn)生電荷來(lái)響應(yīng)外界應(yīng)力，典型的壓電材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，將PVDF壓電傳感器嵌入鞋墊中，可響應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)足底壓力的變化[19]。壓電式柔性傳感器靈敏度高、響應(yīng)范圍廣，在心肺檢測(cè)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，但其電荷量與感應(yīng)面積成正比，面積較小時(shí)，電信號(hào)偏弱，需要構(gòu)建電路放大器對(duì)其進(jìn)行處理。

2.2.2 信號(hào)處理與輸出模塊

信號(hào)處理與輸出模塊是足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得穩(wěn)定、精確的壓力數(shù)字信號(hào)的關(guān)鍵，由信號(hào)處理、無(wú)線傳輸和數(shù)據(jù)顯示3個(gè)程序組成。

信號(hào)處理程序包括信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、信號(hào)放大器。其中，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路適用于壓阻式柔性傳感器的足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其將電阻信號(hào)按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。調(diào)整好的電壓信號(hào)被傳輸至濾波電路，通過(guò)低通濾波抑制高頻的信號(hào)，除去數(shù)據(jù)中的噪聲與雜波。降噪后的電壓信號(hào)傳送至電路放大器，目的是將微弱的電壓信號(hào)按一定規(guī)律同比例放大，便于后續(xù)分析[20]。經(jīng)多重處理的信號(hào)傳輸至微處理器進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換、暫存和打包。

無(wú)線傳輸程序由無(wú)線藍(lán)牙或WiFi實(shí)現(xiàn)，無(wú)線發(fā)送終端將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)的無(wú)線接收模塊，完成信息傳遞工作。上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在Microsoft Access或Microsoft SQL Server等常用的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)無(wú)線接收模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳與更新。最后，數(shù)據(jù)顯示程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。首先在LabVIEW平臺(tái)預(yù)先設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)讀寫程序與數(shù)模轉(zhuǎn)換程序，使數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送至平臺(tái)[21]。然后由數(shù)模轉(zhuǎn)換程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，并以圖表的形式呈現(xiàn)出來(lái)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)足底壓力的目的。

然而，現(xiàn)階段壓力監(jiān)測(cè)鞋在實(shí)際使用過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，如能夠響應(yīng)的壓力范圍較小、數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸距離短等;同時(shí)，由于人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中呈現(xiàn)出復(fù)雜性，傳感模塊還不能采集彈跳、舞蹈等足底壓力突變的不規(guī)則動(dòng)作,因此，壓力采集模塊性能的提高與實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，是現(xiàn)階段需要解決的問(wèn)題。

3 足部壓力測(cè)量特征位置的選擇

不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，人體足部的承壓骨骼有所不同，因此，測(cè)量足底壓力時(shí)要對(duì)足底進(jìn)行區(qū)域劃分，便于選取適當(dāng)?shù)奶卣魑恢弥萌雺毫鞲衅鳌鞲衅鞯臄?shù)量及位置影響數(shù)據(jù)的精度，如F-Scan與Pedar壓力測(cè)試鞋墊，每片鞋墊嵌入近千個(gè)傳感器，采集的壓力數(shù)據(jù)精確。然而，當(dāng)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器數(shù)量過(guò)多時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載過(guò)高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本增加、數(shù)據(jù)冗余，因此，必須探究足底壓力特征位置的選取原則，利用最少的特征位置獲取較為全面而精確的信息。

現(xiàn)有研究中，足底壓力特征位置的選取通常是基于生理解剖學(xué)或?qū)嶒?yàn)經(jīng)驗(yàn)，如在鞋墊內(nèi)選取多個(gè)特征位置置入柔性壓力傳感器，用來(lái)識(shí)別人體正常行走或減重行走；或?qū)⒆愕讋澐譃槿舾蓞^(qū)域，探究不同人群的步態(tài)特征，如扁平足患者[22-23]。在日常生活中，足部的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，探究人體步態(tài)信息時(shí)必須考慮不同動(dòng)作下足底壓力的變化。林芳富等[24]讓受試者穿上足底壓力測(cè)量鞋，運(yùn)用“倒鐘擺模型”(在站立條件下，身體前后來(lái)回?cái)[動(dòng)到極限位置)，測(cè)量受試者足底壓力的分布，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)表明：主要承壓區(qū)域?yàn)樽阒?、跖骨以及極限區(qū)域(大拇趾和足跟)；其次，對(duì)現(xiàn)有研究中足底壓力特征位置的選取進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)與疊加處理，得出相關(guān)性最高的5個(gè)區(qū)域：拇趾、第1跖骨、第5跖骨、足中外側(cè)以及足跟區(qū)域；因此，在測(cè)量足底壓力分布時(shí)，要將拇趾、跖骨、足中外側(cè)以及足跟區(qū)域設(shè)置為特征位置，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)以較少的特征位置獲得有效步態(tài)信息。

圖8 特征位置選取方法與疊加處理

當(dāng)前，針對(duì)足底壓力特征位置選取方法的研究較少，此類研究主要存在以下2個(gè)方面的問(wèn)題：1)只探討了受試者站立時(shí)不同姿態(tài)的足底壓力分布，沒(méi)有考慮人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性；2)在“倒鐘擺模型”實(shí)驗(yàn)中，前傾和后仰的動(dòng)作難以達(dá)到極限位置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠精確。

4 足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 摔倒檢測(cè)系統(tǒng)

有研究表明，美國(guó)有30%的老年人(65歲及以上)每年會(huì)發(fā)生1次跌倒，日本老年人務(wù)農(nóng)時(shí)的跌倒事故占總事故的11.6%[25-26]，因此，監(jiān)測(cè)老年人的行為，可對(duì)摔倒事故及時(shí)救援，有效降低傷亡率。通過(guò)將柔性壓力傳感器、軸向加速器等元件整合到運(yùn)動(dòng)鞋體中，可制成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受試者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的可穿戴摔倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。足底壓力和加速度突變時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)警報(bào)，若穿著者沒(méi)在規(guī)定的時(shí)間里取消警報(bào)，系統(tǒng)將自動(dòng)請(qǐng)求第三方平臺(tái)對(duì)穿著者進(jìn)行及時(shí)救援[27]?？纱┐鞅O(jiān)測(cè)系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，但由于穿著環(huán)境的復(fù)雜性與多變性，目前無(wú)線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?，只能在?shí)驗(yàn)室中取得較好的效果。

4.2 足疾診斷與治療

全球老年人糖尿病患病率持續(xù)上升，65-76歲以上老人的患病率高達(dá)20%,美國(guó)疾病控制與預(yù)防相關(guān)部門2011年數(shù)據(jù)顯示，約8.3%的美國(guó)人患有糖尿病[28-29]。足底壓力分布特征可有效地反映糖尿病患者足部潰瘍程度，利用壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定糖尿病患者的足底壓力數(shù)據(jù)，對(duì)其受力情況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，以此提供合理治療方案和采取科學(xué)有效防護(hù)措施。糖尿病患者和健康者步行時(shí)的足底壓力分布特征有所不同，前者足底主要承壓區(qū)域由足跟逐漸轉(zhuǎn)向跖骨，增加了跖骨區(qū)域潰瘍的概率[30]，因此，可以根據(jù)糖尿病患者的足底壓力特征來(lái)研制緩壓鞋墊，以降低壓力峰值和足底潰瘍的發(fā)生率[31]。

4.3 足底壓力分布特征數(shù)據(jù)庫(kù)

步態(tài)是個(gè)人特有的行為習(xí)慣，是高區(qū)分度的生物特征[32]，其主要參數(shù)是足底壓力分布特征，可以反饋人體足底的受力特點(diǎn)和個(gè)性化特征[33]。足底壓力分布特征數(shù)據(jù)庫(kù)是收集大量足底壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)存和管理的一種數(shù)據(jù)處理方式。通過(guò)可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可收集大量的足底壓力信息，建立特征數(shù)據(jù)庫(kù)，解決壓力數(shù)據(jù)匱乏、壓力分布特征存在地區(qū)差異性、數(shù)據(jù)資源共享困難等問(wèn)題。步態(tài)特征識(shí)別作為一項(xiàng)生物識(shí)別技術(shù)，可應(yīng)用在刑事偵察方面，將未知足印與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析足印者的個(gè)體特征，可提高偵查效率[34]。此外，足底壓力數(shù)據(jù)還可應(yīng)用在人體體態(tài)矯正[35]、疾病治療[36-37]、智能假肢[38]等領(lǐng)域的研究當(dāng)中。

5 結(jié)束語(yǔ)

可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是足底壓力測(cè)量技術(shù)與紡織服裝領(lǐng)域的融合，通過(guò)傳感元件采集足底壓力信息，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)與無(wú)線傳輸技術(shù)將其發(fā)送到上位機(jī)，能夠?qū)崟r(shí)反饋?zhàn)愕讐毫π畔ⅲ虼?，可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)研究、鞋業(yè)制造、智能機(jī)器人、疾病監(jiān)控及診斷等領(lǐng)域。現(xiàn)階段可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍存在信號(hào)響應(yīng)遲滯、材料使用壽命短、壓力響應(yīng)范圍較小、無(wú)線傳輸距離短等問(wèn)題，例如，運(yùn)動(dòng)過(guò)程足部變化呈現(xiàn)的復(fù)雜性，傳感模塊在采集彈跳、舞蹈等動(dòng)作的足底壓力時(shí)，容易出現(xiàn)信號(hào)失真的情況；因此，現(xiàn)階段可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要從增強(qiáng)材料性能、增強(qiáng)無(wú)線傳輸技術(shù)2個(gè)方面來(lái)解決，以促進(jìn)其朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

可穿戴足底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及生物力學(xué)、紡織材料、電子通信等領(lǐng)域，以新型紡織材料為基礎(chǔ)，借助電子通信等技術(shù)，克服壓力測(cè)試板、測(cè)試臺(tái)等系統(tǒng)靈活性差、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，使足底壓力的遠(yuǎn)程傳輸成為可能。隨著可穿戴技術(shù)的發(fā)展，可穿戴壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)不僅可應(yīng)用在制造業(yè)與醫(yī)療領(lǐng)域，還會(huì)助力人工智能與人體信息數(shù)字化的進(jìn)程，具有良好的應(yīng)用前景。

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