足部动力学测试系统在运动生物力学中的应用进展

李奉玲，顾耀东，李建设

（1.宁波大学 体育学院，浙江 宁波 315211；2.浙江体育职业技术学院，浙江 杭州 311231）

0 前 言

足部动力学测量作为当今步态和姿态研究、下肢诊断和运动鞋设计等领域的支撑技术，其发展历经足印技术、足底压力扫描技术、测力板与测力台技术、压力鞋与鞋垫技术［1］。其中典型的应用是运动鞋的设计［2］，运动成绩的分析和损伤的预防［3］，提高平衡控制能力［4］，和疾病的 诊断［5］。最 近的创新应用也深入到了人体身份识别［6］，生物识别［7］，监测姿态分配［8］和康复支持系统［9］等方面。目前，在生物力学研究中运用最广泛的是比利时F-Scan测力鞋垫和德国NoveIEmed测力板和Pedar测力鞋垫［10］。设计足部动力学测试装置的关键要求是时空分辨率、采样频率、准确性、灵敏性和校准标准。测力传感器具有高效性、灵活性、可移动性和成本低的特点，为足部动力学测试系统的发展铺平了道路。脚是在运动中和外界环境接触的主要界面，即“足（鞋）-地界面”和“足-鞋界面”。当这一界面活动出现异常时，能尽早的诊断出足存在的问题，对于损伤的预防有重要作用。足部动力学特征可以作为评估脚是否健康的一个重要指标，因此测试足部动力学的测试系统必须具有精确性和可靠性的特征。

早期的足部动力学测试系统是从运动鞋演化而来的，Lavery等人［11］用足底压力峰值均值作为评价参数去检验运动鞋有和无粘弹性鞋垫时的效果。在此之前有很多其他足部动力学装置的研究，例如，Mueller［12］将足底压力应用到没有缓冲垫的运动鞋的设计之中。此外，Praet等人［13］和Queen等人［14］发现减小前脚掌足底神经压力的最有效的办法是使用不稳定鞋，并且已经证实不稳定底可减少第一和第五跖骨头压力，而跖骨头通常是高足弓内翻畸形病人溃疡的位置。对疾病的诊断，许多研究者主要集中在糖尿病人脚的溃疡问题上，这些问题主要是由于在脚底某些特殊区域过多的足底压力而导致的。值得注意的应用是在足球运动中的平衡训练［15］和在跑步中的足前掌的着陆［16］的运用。在老年人和平衡较弱群体的健康护理中，足底压力分布和其步态的稳定性息息相关，足底动力学信息可以用来提高老年人的平衡能力［17］。此外还有赵芳［18］对中老年人步态指标与衰老关系的研究等。基于以上的讨论，足部动力学测量的高效性和精确性对于科学设计的能力是至关重要的。

本文较完善地总结了近期国内外研究文献对于足部动力学测试系统及应用的论证，探讨了目前系统的优劣以及无线足部动力学测试系统的前景。

2 平板式足部动力学测式系统

测力板系统是由一个平台构建而来，是由一个装有一系列精确的压力传感器的矩阵结构模型嵌入在地板中，以测试正常步态的结构（如图1所示），可测量的参数包括:各点的压力、平均压力、接触面积以及压力中心位置（x／y坐标）。测力板系统能用在静态和动态的研究中，真实地测量出足部的压力，多元化的分析软件可对测量的压力数据进行详细全面的分析，并加以量化，如:步伐长度和宽度的改变，内翻足和外翻足的位置，足部接触地面的面积。其优点是由于其是固定的一个平台使得测力板容易使用，而其缺点是这要求受试者必须熟悉测力板环境以确保是自然的步态，一般来说局限于实验室条件下的研究。此外，精确读取脚接触的感测区数据是至关重要的［19］。局限性包括:空间，户内测量和受试者与测力板的接触适应能力。

3 鞋垫式足部动力学测试系统

鞋垫传感器是灵活的嵌入鞋内以此测量并反应足和鞋之间接触面的压力的装置（图1）。鞋垫式足部压力测试系统通过测量足部压力的变化，在步态分析、技术动作分析、运动损伤等研究领域拥有广阔的研究前景。可针对不同运动项目，测量运动不同时段的足底压力分布状况，从而可以进一步分析动作特点、合理性以及与运动损伤的关系等。测量系统测量量程、灵敏度、采样频率、数据存储量、测量精度、系统可靠性、系统稳定性、空间分辨率以及分辨率指标较高，尤其在重复测量性、精度上表现极为突出。在线方式时，系统采样时间为无限长，便携方式时，系统采样时间为1h。系统轻便，不妨碍人的自然行走。动态数据实时测量，软件功能强大，人机界面良好。这种系统的灵活性使得其在不同的步态研究和运动鞋设计及其他领域得到了广泛的应用［19］。同时此系统在矫正术的研究和运动鞋的设计的研究领域中得到了高度赞扬［20］，但是也存在着传感器有滑动可能性的弊端，因此，建议此类传感器应该适当的采取防滑措施，以确保结果的可能性。其局限性是，与测力板相比，会由于传感器数量较少而导致数据的空间分辨率较低。

图1 左:平板式足底动力学测试系统右:鞋垫式足底动力学测试系统

4 传感器式足部动力学测试系统

Zhu等人［21］用七个力敏感电阻器作为测试系统测试脚底压力分布，并且他们用它来区分走和慢慢移动中不同的压力［22］。Hausdorff等人［23］创建了一个可以用两个力敏感电阻器检测固定步态参数的脚转换器系统。Cleveland［24］研发了一种鞋垫无线系统，可以测试脚接触地的时间和每只脚的重量以及每只脚的压力中心。Yong［6］在研究中通过鞋垫压力传感器探讨了人类动态足底压力信息，比较了不同关键位置的压力，这个系统用有线转换传感器卡收集的数据，准确率达96%。另一个创新性的应用是将鞋垫系统测试三维压力用在高跟鞋研究中［25］。他们将尺寸是17mm×18mm×10mm压力范围大小有870kPa的传感器安置在拇趾底处，第一，第二和第四跖骨头以及后跟处。同时指出摩擦力会引起水泡，老茧和营养溃疡。如贴图2所示摩擦力峰值会出现在第二跖骨头处，这样的信息对于以后高跟鞋的设计有很好的参考价值。有线系统为各个领域的应用带来了利处，但在日常的监测中也存在着很多局限之处，有线系统也许会妨碍人的自然行走。因此，提议系统应该是具有可移动性并且系统应该采用无线装置。目前研究表明研发的系统似乎受限于传感器安置的数量上。

图2 可测摩擦力传感器在高跟鞋研究中的布置

Bamberg等人［26］因采用比较复杂的无线鞋垫足底动力学测试系统分析步态数据而备受关注，他们称之为步态鞋（图3）。在这个系统里，包括三个矩面型的加速计，三个矩面型的回转仪，四个力传感器，两个双向弯曲的传感器，两个动态压力传感器和顶端电传感器。微型控制器、转换器、天线和电源供应也都和鞋子连在一起。这个装置可以监测足跟着地，估算脚的方向和位置以及脚离地。Benocci等人［27］为分析步态和姿势而开发了无线系统。可佩带系统是利用水电细胞来测量足底动力学参数，惯性测量装置整合了一个三维的加速计和一个数字三维的回转仪。为了控制系统，安装一个MPS430的微型控制器和蓝牙。收集数据的传感器可以辨认受试者走的相位诸如摆动和站立，步幅和跨步周期，双支撑和单支撑等。

图3 可测量多个方向动力学的步态鞋

Yang等人［28］研发了一个高级的数字传感器，每只袜子上粘附四个圆形传感器，圆形传感器可以记录时空足底压力模式并用以估算脚底压力中心的偏离，五个回形类型的传感器装订在底面以记录下肢的运动，测试时将微型控制器和蓝牙设备安装在受试者的腰间。系统可以记录持续测量跨步周期、左／右步子、步调、行走速度和压力中心。Shu等人［29］与香港研究所依据压力传感器结构排列开发了鞋垫足底动力学测试分析系统。这些传感器结构排列整齐，材质柔软，轻，具有较高的压力敏感性。传感器通过聚合板与传导线相连再和鞋垫整合在一起，微型控制器和蓝牙设备固定在受试者的脚踝处。系统接口能与台式电脑、笔记本、智能手机相连接，能够计算的参数有压力均值、压力峰值、压力中心和压力中心转换速度，并能体现出静态和动态不同测量条件下的结果。测量足底动力学的穿戴式无线传感器系统的研发受到鼓励，它们的应用潜力特别是在生物医学领域中是毋庸置疑的，几乎所有现成的传感器，微处理器和无线转换器都因其体积大受试者穿戴不舒服而停止生产。无线足底压力测试系统已经被广泛地应用到很多领域包括康复、运动和日常步态监控等。比如，Crosbie和Nicol［30］表明作为脊髓损伤和糖尿病人康复的一部分，这对于有效的测试下肢外显迹象如足底压力面积、力的分布和与地面接触时的感觉是非常有用的。这些信息是提出更好的康复对策的根本。目前对于无线系统在康复领域的应用包括对下肢受伤负荷后的康复的监控以及为中风患者定制康复鞋等方面。Neaga等人［31］的“步态指导”系统（图4）是通过传感器元件、无线模型、一个电子附属物采集步长、步宽和压力等步态信息的装置，而步态信息则是为特殊的患者制定相应的康复对策的重要依据。Edgar等人［32］表明他们的系统能根据患者中风的姿势进行分类，在分类方面准确率达99%。这些系统都是无线的并且专门为协助存在移动问题的患者而设计的，然而系统包含微型控制器，蓝牙模型，加速传感器和鞋垫压力传感器，这些体积庞大的电子设备也许不适合监控受伤后患者的恢复治疗。

图4 针对病人的“步态指导”系统

在运动领域中值得注意的是Salpavaara等人［33］和Holleczek等人［34］的研究，他们研发的新型传感器，是用传统压层电容传感器模型和数字压力传感器制成。Salpavaara等［33］人的系统可以用来监控在投掷、跳和跑的各种运动中运动员的腿部的时间和动作，得到的数据可以作为改进运动训练的依据。系统包括一个电容数字交流器、微型控制器和一个瞬时比率器。Holleczek等人［34］研发的可穿戴的传感器袜（图5），相当于运动助理教练的角色，能够帮助滑雪者提高技能，在滑板运动中，导致损伤的一个重要原因是重量的错误转移，而这个系统则能分析动态过程中靴子内的重量分布状况，这类信息是判断重量转移是否正确的重要依据，然后针对使用者在真实的时间和运动后给予反馈，从而进行调整以完善他们的学习过程，减少运动中的损伤。这个系统包括三个完整的数字压力传感器、六个电容数字交流器和一个蓝牙模型。此系统中明显不足之处是所用传感器的数量，Salpavaara等人［33］用了五个传感器，Holleczek等人［34］仅用了三个，对于许多运动生物力学领域来说这是远远不够的。

图5 可测量重力分布的传感器袜

Saito［35］和 De Rossi［36］等人重点提出的无线鞋垫足底动力学测试系统是采用独特的压力传感器来测量足底压力。Saito等人［35］的装置包括带有七个压力敏感电容橡胶传感器的鞋垫，一个模拟数字交流器和一个无线转换器元件，每个传感器尺寸大约15mm＊10mm＊0.8mm，能测量压力范围为25-250kPa，七个传感器被安置在脚后跟、外侧脚中部、大拇趾、第一跖骨头、脚中部中心和前脚中心处。他们没有将微型控制元件附在鞋上以确保电子线路的灵敏，而是将处理单元装在系统的接受端，这样做的优势是可以降低能耗，使得电源监控长达20h，但其局限性是传感器的有限压力范围，无论男性还是女性，肥胖者能产生高达500kPa的压力峰值［37］，在运动领域，运动员产生的压力高达750kPa到1MPa［38］，而此传感器最高灵敏是250kPa。De Rossi等人［36］的系统包括64个硅胶面的光电传感器，4个模拟数字转换器，一个微型控制器和一个蓝牙模型，这个传感器的参数是12mm×12mm×5.5mm，在不损坏传感器的情况下可承受500kPa的载荷。此系统优点是传感器的分布可以覆盖整个脚部，体积大的电子板可以很好的隐藏在足弓的中部，电子板是由较薄的PCB制成，佩戴起来更舒适。不足之处是传感器在低压或高压时没有较好的线性，接收较为复杂的信号时，在处理中需确定一个较准确的压力作为代表，压力若超过1MPa则会损坏传感器。此外所有这些系统有一个共同缺陷，就是没有无线发射器，假若将无线发射器整合进去并且将较小的传感器安置在鞋子的内部，这将使日常生活更加舒适方便，更有利于诊断足部疾病。

5 总 结

本文对目前国内外报道的足部动力学测试系统做了一个较完善的总结，对平板式、鞋垫式和传感器式三种不同形式的足部动力学测试系统分别进行了优势与不足的比较分析。目前足部动力学测试系统，无论是在时空分辨率、采样频率、还是准确性和灵敏性上都足以满足现代足部生物力学研究的需要，且能够采集的参数也不断增多，但是为了能使运动生物力学研究领域不断深入，我们仍需要对目前的足部动力学测试系统进行改善提高。因此我们建议开发一种微型鞋垫，低能耗可穿戴的无线系统，采用微型机电压力传感器测试足部压力，表面是无线数字采集元件，也能够安置于鞋子内部，系统能够识别不同芯片上的无线系统类型，发射器必须和微型机电压力传感器共融，满足足部动力学测试要求，接收器接口必须能和数字记录器、笔记本和台式电脑接口相匹配以进行数据分析。

足部动力学测试技术作为当今步态研究中最先进的技术，我们期望随着新型设备的研发，能够在相应领域研究更加深入细致，特别是在帕金森综合征、偏瘫症、糖尿病等患者的步态研究中，能够为针对患者制造个性化的康复鞋提供可靠的数据。

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