柔性传感器在足底压力测量系统中的应用

高敏， 张一帆*， 洪成雨， 李毓陵， 高卫东

(1.东华大学 纺织学院,上海201620；2.上海大学 土木工程系,上海200444；3.江南大学 纺织服装学院，江苏 无锡214122)

随着柔性传感器技术和无线通信技术的迅速发展，传感器成为智能产品的研究热点。目前柔性传感器在纺织品上的应用越来越广泛，其柔性可穿戴智能纺织品也逐渐受到人们的关注。柔性传感器作为在柔性基底材料上直接键合低杨氏模量形成柔性、拉伸性好和绝缘耐腐蚀的薄导电材料[1]，按结构形式可分为压阻式、电容式、压电式和应变式[2]，其中应用最广、技术最为成熟的是压阻式。将柔性传感器与鞋制品相结合，可实现足底压力柔性监测。如将柔性足底压力测量系统放置在运动员的鞋垫中，可对其运动表现进行分析，并且可以预防损伤、控制平衡、诊断疾病等[3]。

目前常用足底压力测量系统受到有线、移动性和可穿戴等方面的限制，在远程足底压力监测方面有很大的局限性，但随着蓝牙、GPRS和Internet无线技术的发展，逐渐实现了足底压力远程实时监测。在此基础上无线鞋内足底压力测量系统还可稳定传输数据，这项技术已经应用于微型生物医学监测等其他用途。足底压力分布已被认为是评估各种足部问题的重要因素，在临床实践中，足底压力分布被广泛用于诊断足部病理[4-5]。文中针对国内外足底压力测试系统、足底压力分布的影响因素[6-8]及柔性传感器性能进行概述。

1 国内外常用的足底压力测试系统

足底压力分布测量系统从脚印法(Pedography)、足底压力扫描器(Sole Barograph)、测力板(Force Plate)逐渐发展为能定性测量足底压力大小的测力台(Force Platform)、压力鞋及压力鞋垫[9-11]等。目前国内外足底压力分布测量系统可分平台式和鞋式压力测试系统两种类型。

国内主要侧重于平台式压力测量系统的研究，常见的平台式测量系统，一般将200～1 000个微型压力传感器以矩阵形式组成足底压力测量平台。如袁刚等[12]用200 个压力传感器组成的 300 mm×150 mm的压力测量台，用于测量糖尿病足患者的足底压力。广州市派康运动医学有限公司研发了动态光学式足底测力系统，通过光学影像技术和传感器测出足底压力分布与人体姿态关系[13]。这些平台式测量系统由于测量区域比较小，且传感器在平台中排列需较多连接线，造成平台式测量系统比较笨重，不能置于鞋内，且不能满足步态足底压力测量，因此，在户外和运动测量中有很大的局限性。

国内常见的平台式足底压力采集仪如图1所示。该足底压力采集仪具有足部渐层式压力分布测量能力，测量范围为(350 mm×150 mm)×2(双脚测量)，足型尺寸测量精度为±1%，测量速度为实时测量。该足底压力采集仪能测量从刚站立到保持静态不动状态下各阶段的足底压力大小和足底压力分布影像，实现双脚静态足部压力分布数据显示，但其缺点是不能进行步态足底压力分析和户外运动状态下的足底压力分析。

图1 足底压力采集仪Fig.1 Plantar pressure collection instrument

国外对平台式足底压力监测系统进行优化，通过减小柔性基底材料的厚度和大小，增加传感器数量，使用喷墨印刷电路，减少传感器以矩阵形式在平台中的线路排列问题。在保证平台式压力测量系统轻薄可弯曲特性的同时，印刷电阻增加了平台式测量系统的长度，使得平台式测量系统在运动状态下也可进行足底压力测量。国外平台式压力测量系统[2]如图2所示。为了进一步扩大动态下足底压力测量范围，国外研究人员开始侧重于鞋式足底压力测量系统的研究，常见的鞋式足底压力测量系统主要是利用Pedar和F-Scan传感器制作，其实物如图3所示。

图2 平台式压力测量系统 Fig.2 Platform pressure measurement systems

图3 鞋式压力测量系统 Fig.3 Shoe pressure measurement systems

平台式足底压力测试系统主要是将传感器以矩阵的形式嵌入平板中，可用于静态和短程运动下的足底压力分布研究，但仅限于实验室研究。该系统的优点是足部与传感器充分接触，测量准确性较高，缺点是受空间的限制只能在室内测量。而压力鞋或鞋垫测量系统稳定，结构简单，可用于静态和远程运动下的足底压力分布研究。

为准确测量鞋式足底压力测量系统在自然状态下的足底压力，测试系统的准备需要注意：①移动性好。测试系统需要随人体移动，所以要求测试系统越小越好，研究表明[14]质量为300 g或更小的鞋附件不会对步态产生影响。②无线化。理想的足底压力测量系统是无线的，这是为了确保足底的舒适性和步态自然。③鞋与传感器的结合度好。这要求传感器柔软、灵敏且不改变足底压力的自然分布状态[15]。④成本低。所选传感器必须经济实惠。⑤低功耗。测量系统应该是低功耗的，且保证数据收集和记录的完整性。

2 影响足底压力分布的因素

2.1 性别

男女足部形状与大小不同的主要原因是足的外侧轮廓、足弓、跖骨和脚拇指有所差异，这些差异导致男性和女性站立时足部压力分布不同，通常男性足部与物体接触面积大于女性，因此，压力峰值与性别并没有关系[8]。MURPHY D F等[16]研究也发现足中处的足底压力大小与性别没有关系。由于所查文献中并没有分析足部其他区域的压力分布变化，所以性别对足部压力分布的影响需要进一步研究[16]。

2.2 体质量

HILLS A P等[17]研究了肥胖和非肥胖受试者站立和行走时的足底压力差异，结果显示肥胖受试者在行走时足底压力的峰值增加，因此可以初步判断体质量是影响足底压力分布的一个重要因素。体质量指数较高的人相比于非肥胖受试者足底与物体的总接触面积有所增加；同时研究显示，与非肥胖受试者相比，肥胖受试者的前足掌压力峰值以及与物体接触面积较高[9,18]。

2.3 年龄

HESSERT M J等[6]研究表明年轻人和老年人足底压力分布有显著差异。主要表现为老年人的足内侧压力普遍低于年轻人，但老年人随着年龄增长足外侧压力有增高趋势。BOSCH K等[19]研究显示相比年轻人，老年人的压力峰值有增高趋势，而足跟和前足的压力峰值有下降趋势。由于足中区域的足底与物体接触的时间更长，因此，年龄也是影响足底压力的一个因素。

2.4 步速

利用Emed-F和Emed-SF2压力板系统(Novel GmbH Munich Germany)分析了步速对足底压力的影响[20-22]。研究发现测试者慢走和快速行走时，足底压力都是增加的，但是快速行走时的增加幅度比较大，慢走时增加幅度比较小，最终，两种速度下的压力值会达到一个稳定值，这是由于人的体质量不会随着速度增加。BURNFIELD I M等[23]研究结果显示步速对足底压力的影响是很明显的，即使在慢速情况下足底压力的变化也很大。

2.5 足型

足型对足底压力分布有一定的相关性，研究表明[24-26]，在赤脚行走时，相比高足弓，偏平足患者的足底压力比较大。由于高足弓患者足弓变形比较小，所以前足压力较小。

2.6 鞋子类型

鞋子类型对足底压力分布也有影响，研究表明[23,27-28]，穿着跑步鞋的最大压力和压力峰值都高于普通运动鞋。对皮鞋、跑步鞋和赤脚的足底压力研究结果表明，慢走情况下穿着跑步鞋具有较小的足底压力分布。影响足底压力分布的因素见表1。

表1 影响足底压力分布的因素

2.7 其他因素

足底压力分布测量的准确性还受其他因素影响，如测量设备、测量区域、实验数据收集、测试时间、步行速度、测试者心理等[32]。这些因素在实验期间要进行标准化控制，以确保测量的准确性。足部关节的运动对了解足底压力分布有重要意义，为了准确测量足底压力，可增加测量区域实验次数，每个实验次数不得少于3次，以确保数据的准确性，实验之前应将实验的影响因素控制在误差允许范围内。

3 柔性传感器的性能要求

足底压力测量系统的柔性传感器要求必须要有合适的线性度、滞后性、传感尺寸、压力范围和温度敏感性[14-15,23]。 对于不同性能的柔性传感器，选择合适的应用范围非常重要。

3.1 滞后性

传感器的滞后性是指载荷从零点以单调递增的方式加载时与载荷从额定载荷以单调递减的方式卸载时，在相同载荷值条件下，传感器的输出值存在差值。通常以这个差值与柔性传感器满量程输出之比表示。当对传感器加载和卸载时，传感器的输出信号和输入信号不相等，这表示传感器的响应有滞后性，传感器不是线性输出，一般都会选择滞后性小的传感器[34]。

3.2 线性度

柔性传感器的线性度是传感器的静态特性，是指传感器的电阻与应变之间的线性关系。将一个相当于可变电阻的柔性传感器接入电路，对传感器施加压力，电路中电阻变化，导致电流和电压发生改变，电压与力呈现线性关系，表示传感器的电路处理过程简单，传感器对力的响应是线性的。高度线性关系需要非常简单的信号处理电路，反之亦然，因此有线性关系的传感器是最优的。

3.3 温度敏感度

根据热胀冷缩原理，传感器随着环境温度变化，示数会发生改变。传感器是由不同材料组成的，因为它们对温度变化的反应不同，根据人体体表温度， 在20～37 ℃范围内具有低温敏感度的传感器是首选[15]。

3.4 压力范围

不同用途的传感器需要有不同的压力范围， 最大压力是柔性传感器可以测量的上限，反之亦然。BEEBY S P[34]认为体质量为75 kg的人当前脚掌站立时，如果压力均匀分布，则每31.2 mm2足底面积的界面压力接近2.3 MPa。在实验中利用F-Scan鞋垫式测量系统，发现最大测量压力为0.1 MPa。同时URRY S[9]研究发现足底压力在某一瞬间高达3 MPa，因此足底压力测量系统需选用上限为3 MPa的传感器。

3.5 传感器的测量区域

柔性传感器的尺寸和位置也很重要，传感器的位置摆放如图4所示。大的传感器可能会降低压力峰值，因此建议使用5 mm×5 mm的小传感器[34]。

图4 传感器的摆放位置Fig.4 Placement of sensor position

3.6 采集频率

为了准确测量足底压力，根据人体走路和跑步的步频，将柔性传感器采集频率设置为200 Hz以上。通常认为这个频率可以对人体日常的步态活动进行采样。

3.7 蠕变和重复性

蠕变是柔性传感器受到长时间恒定载荷或应力的一种永久变形，低蠕变柔性传感器是足部压力测量的重点。重复性是指传感器在相同实验条件下，经多次相同载荷作用而产生与之对应的输出值，其输出曲线重合度越好，重复性就越好，误差也越小。重复性是保证传感器长时间稳定使用的重要因素，影响传感器重复性的因素有机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘等原因[34]。除了上述原因之外，传感器的压力范围和尺寸也是造成测量不准确的原因之一。

4 足底压力主要测量点

根据人体工学和解剖学，足底压力测量区域可以划分15个区域，足后部(1～3)，足中部(4～5)，跖骨(6～10)和脚趾(11～15)，具体如图5所示。受传感器尺寸、数据采集系统等因素的影响，目前足底压力测量系统只测量其中几个重要的区域[35]。

图5 足底压力测量区域Fig.5 Plantar pressure measurement areas

足底压力是人体重要的生理参数，平台式足底压力测量系统只局限于一步或数步的足底压力测量，但是生物医学监测的趋势是实时和现场测量，而鞋式足底压力测量系统则可以实现远程足底压力测量，这对于人们了解人体日常活动时的足底压力分布是至关重要的，同时也可以为运动员的步态分析提供理论依据。几种足底压力测量系统见表2。

表2 足底压力测量系统

5 结语

文中主要介绍了常见的足底压力测量系统，通过分析柔性传感器在足底压力测量系统中的适用性，从而优化足底压力测量系统，并对人体足底压力进行讨论分析。目前，足底压力测量系统还有很多需要改进的地方，如传感器采集系统的稳定性，如何实现无线足底压力实时监测，如何设计出符合人体工学的足底压力测量系统等，都需要研究人员进行更深层次的研究。

另外，柔性传感器在足底压力测量系统的应用也不够完善，不同类型的传感器价格和测量精确度存在明显差别。如果能够改善传感器精度、传感器滞后性以及提高线性度，足底压力测量的精确度将会有显著提高。同时，还可以完善足底压力测量区域，来提高足底压力的测量精度。随着无线智能技术的发展，无线足底压力测量系统将日趋成熟，为远程实时监测足底压力奠定了基础。