CN103383292B - 一种穿戴式尖足步态实时监测反馈报警的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于足底压力测量的穿戴式尖足步态实时监测反馈报警装置和方法。该装置主要包括：放置有压力（压强）传感器的鞋垫，信号采集传输以及便携式数据接收及处理终端。传感器固定在鞋垫上，信号采集传输模块及供电电池放置在鞋跟位置，为穿戴式设备。信号采集传输模块通过无线传输方式将采集到的信号发送给便携式数据处理终端（智能手机、平板电脑等）。数据处理终端对接收到的足底压力信号进行实时处理和波形显示。对尖足步态的检测方法分为三步：首先根据信号特征对步态周期进行划分，即找到两个相邻的步态周期之间的时间分割点，也就是前足抬起时刻；第二计算每个步态周期内的动态压力指数（足跟承重比）；最后将动态压力指数与设定的阈值进行比较，如果动态压力指数小于阈值，那么就判断当前步态为尖足步态，从而发出声音或震动等警报信号，提醒患者进行步态纠正。同时采集到的足底压力数据可以自动保存下来，发送给医生、家长等，作为康复进展的评价依据，同时也可以为制定下一步康复训练提供参考。

Description

一种穿戴式尖足步态实时监测反馈报警的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种穿戴式尖足步态实时监测反馈报警的装置和方法。更具体地说，它涉及一种基于足底压力测量的穿戴式尖足步态实时监测反馈报警装置及方法。

背景技术

尖足是痉挛型脑性瘫痪患者中非常常见的一种异常步态，主要表现为站立和走路过程中总是足尖着地，足跟落地不充分甚至不落地。尖足步态会导致走路稳定性差，容易发生跌倒，并且也会在一定程度上影响足跟的发育。长期有效的行走训练对于尖足步态的改善是非常重要的。此装置在行走训练过程中，对步态进行实时监测，一旦出现异常步态就发出声音反馈信号，提醒患者纠正步态，从而提高训练效率。由于患者年龄越小，步态越容易纠正，所以本发明主要是针对有尖足步态的儿童，辅助其进行行走康复训练。

目前，有人通过采集行走过程中足部运动的加速度信号对尖足步态进行实时监测，但是该装置只是对尖足步态进行监测，并没有反馈报警。另外，还有人通过在足跟放置一个足底压力开关的方法，对足跟触地进行识别，一旦发生足跟触地就发出声音信号。此装置可以正确的识别完全尖足步态，然而对于足跟可以触地，但是触地时间较短的轻中度尖足步态来说，就无法正确的识别。还有人用四个分别在大拇指、第一跖骨、第五跖骨以及足跟放置压力传感器的装置，通过有线传输方式将数据传送至电脑来进行处理，实现对尖足步态的实时监测和反馈报警。但是，电脑作为数据处理终端对该装置的应用场合有一定的限制，同时有线的传输方式对于孩子来说有一定的跌倒的危险。

因此，在本领域迫切需要一种装置，其能够实现以下功能中的一项或多项：

－通过穿戴式装置对尖足患者的特征信号进行实时采集；

－通过便携式数据接收处理终端，无线传输方式对采集到的信号进行实时处理分析，准确实时地对尖足步态进行识别，并反馈报警。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、成本低廉、对正常行走无干扰的装置和准确、可靠、简单的方法，对尖足步态进行实时监测和反馈报警，从而更大程度地发挥患者在康复训练中的主动作用，提高康复效率。

本发明的技术方案概述如下：整个装置包括一双固定有压力传感器的鞋垫、两个信号采集传输模块和一个便携式数据接收及处理终端。将薄膜压阻式压力传感器分别放置在第二第三跖骨及足跟中部，实时测量足底压力；信号采集传输模块是一个埋入鞋跟的电路板，可以将随压力变化的电阻信号转化为电压信号，将模拟信号转换为数字信号，并通过蓝牙模块发送至便携式数据接收及处理终端进行信号的实时接收、波形显示、保存以及尖足步态的识别。一旦检测到尖足步态就发出声音反馈信号，提醒患者进行步态修正。数据接收及处理终端可以是智能手机或者平板电脑等便携式设备。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

与在足跟放置一个足底压力开关的装置相比，用压阻式压力传感器代替足底开关，能更准确的对尖足步态进行识别。通过对足底压力进行定量测量，根据信号特征划分步态周期，计算动态足底压力指数（足跟冲量占足跟和前足冲量之和的百分比），然后对尖足步态进行识别。此装置不仅能对完全尖足步态进行识别，还能识别轻中度尖足。另一方面，也能通过动态足底压力指数以及尖足步态发生率对患者的尖足程度进行评价。

与在足跟放置加速度传感器的装置相比，增加了反馈报警功能。不仅仅能对尖足进行评价，同时还能用来辅助日常康复训练，提高患者的主观参与性，从而提高训练效率。

与在大拇指、第一跖骨、第五跖骨以及足跟放置压力传感器的装置相比，便携式的终端更适合用于儿童使用，使用环境没有过多的限制。另一方面，无线的传输方式可以消除潜在的跌倒风险。最后，减少了传感器数量，也使成本更低。

附图说明

图1是此发明的总体结构示意图。

图2是穿戴式尖足步态实时监测反馈报警装置装配示意图（左脚）。

图3是便携式数据接收及处理终端用户基本信息界面示意图。

图4是便携式数据接收及处理终端波形显示及操作界面示意图。

图1是根据本发明的一个***总体结构示意图。其装置主要包括鞋垫式足底压力测量***、信号采集传输模块以及便携式数据接收及处理终端。

图2是根据本发明的一个实施例的装置装配示意图。此为可穿戴式装置。信号采集传输模块以及给装置供电的可充电锂电池体积小巧，埋于鞋跟。

图3是根据本发明的一个实施例的便携式数据接收及处理终端用户基本信息界面示意图。主要包括用户姓名、性别、年龄、身高及体重等基本信息的录入及确认。

图4是根据本发明的一个实施例的便携式数据接收及处理终端显示及操作界面示意图。主要包括一个阈值输入模块，两个波形实时显示模块，一个开始按钮以及一个放置有传感器的鞋垫示意图模块。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

根据本发明的一个实施例，如图1所示，是此发明的总体结构示意图。患者穿上图2所示的鞋，鞋内有放置压力传感器（4）的鞋垫（2），传感器连接到信号采集传输模块（5）。信号采集传输模块主要包括一个微控制器C8051F410，一个多通道信号选择开关ADG1608，一个运算放大器OPA340，一个蓝牙模块HC06，一个电压转换器REG1117以及***电阻电容等。微控制器主要功能是控制实现整个信号的采集、编码及传输功能；多通道信号选择开关的作用是对两个通道的信号进行选择，以保证两路信号互不干扰的进行传输；轨对轨运算放大器作为电压跟随器使用，能够减小信号的失真与干扰；蓝牙模块实现对信号的无线传输。整个模块采用可充电锂电池（6）供电，体积小巧，操作方便简单。数据接收及处理终端采用便携式的设备，如智能手机，平板电脑等。主要实现对数据的接收、实时波形显示、保存、动态足底压力指数（足跟冲量占足跟和前足冲量之和的百分比）计算以及尖足步态的识别。该方法基于每一个步态周期内的动态足底压力指数对尖足步态进行判断。如果动态足底压力指数小于某一个阈值，则判断为尖足步态，发出声音反馈信号，提醒患者纠正步态。阈值可以根据患者自身的尖足程度方便的进行手动设置，原则上既要高于患者的平均动态足底压力指数，使训练有一定难度，同时又要保证患者自己有能力达到阈值的要求，避免一直报警。

根据本发明的一个实施例，如图2所示为此装置的装配示意图。信号采集传输模块采用可充电锂电池（6）供电，整个装置可以放置在鞋跟，非常轻便，对患者日常生活无干扰。（2）是放置有薄膜压阻式压力传感器（4）的鞋垫。传感器选用FSR-400（Interlink Electronics，美国），此传感器是薄膜压阻式压力传感器，厚度仅为0.35mm，感应面积为直径为5.08mm的圆，薄而柔软的特性使其对步态无影响。

根据本发明的一个实施例，在前足和后足区域各放置一个压力传感器。尖足步态的足底压力特征是足跟承重少，所以用足跟冲量占足跟和前足冲量之和的百分比即动态足底压力指数对尖足步态进行检测。为了计算足跟和前足的冲量，需要对前足和足跟的压力进行测量。为了降低成本，简化步态判断方法，在前足和足跟各放置一个传感器。用第二和第三跖骨处的压力代表前足压力，足跟中部的压力代表足跟压力。两个位置均是行走过程中的主要承重区，所以可以用这两个小区域的压力近似的分别代表前足和足跟压力。

根据本发明的一个实施例，便携式数据接收及处理终端主要实现数据的接收、实时显示以及处理。对于尖足的判断分为三步：首先对步态周期进行划分，即找到两个相邻步态周期的时间分割点；第二计算一个步态周期内的动态足底压力指数（足跟冲量占足跟和前足冲量之和的百分比）；第三将计算得到的动态足底压力指数与设定的阈值进行比较，小于阈值则判断为尖足步态，发出报警信号，否则判断为正常步态。通常来讲，一个步态周期是指从一次足跟触地开始到同一只脚下一次足跟触地为止。但是由于尖足患者的足跟触地异常，所以不能用足跟压力信号对步态进行分割。此装置中以前足抬起时刻作为步态周期的分割时刻。为了找到前足抬起时刻，首先计算前足压力的一阶微分，即两个相邻压力值的差值，负值代表前足压力减小的过程，及前足抬起的过程，正值则代表前足压力增大的过程。前足压力的一阶微分最小的时刻就是前足抬起最快的时刻，在这之后逐渐变大，最后趋于平稳的一个较小的值，这就是前足抬起时刻。通过实验，将前足压力的一阶微分前一时刻小于-2kpa，当前时刻大于-2kpa的时刻作为前足抬起时刻，即步态周期的分割点。两个前足抬起时刻之间就认为是一个完整的步态周期。计算一个步态周期之内的前足和足跟冲量，然后将计算得到的动态足底压力指数（足跟冲量占足跟和前足冲量之和的百分比）与阈值比较，如果小于阈值，则此步态为尖足步态，触发声音反馈信号，提醒患者自我修正步态，反之，则此步态为正常步态，不触发反馈信号，进入下一个步态周期的判断。

根据本发明的一个实施例，，如图3所示为便携式数据接收及处理终端显示及操作界面示意图。包含用户基本信息模块（9）和康复训练模块（10），通过用户基本信息模块（9）可录入病人的姓名（13）、性别（18）、年龄（14）、身高（17）及体重（15）；康复训练模块（10）包含一个阈值输入模块（7）、两个波形显示模块（8）以及放置有薄膜压阻式压力传感器的鞋垫示意图模块（12），能够对接收到的信号进行实时波形显示、保存及处理。阈值输入模块（7）内可以手动填入根据患者尖足程度个性化设定的阈值（0-100），默认为30；两个波形显示窗口（8）分别实时动态显示左右脚的前后足足底压力波形曲线，同一只脚的前后足压力曲线用不同颜色的曲线显示在同一个窗口内；开始按钮（11）及数据接收及信号采集传输电路板（5）上面的开关共同控制该装置的开始及结束。

使用时只需先手动输入阈值，打开信号采集传输模块上的拨动开关，并点击处理终端上的开始按钮，就可以自动开始数据传输以及实时显示、保存及处理。结束是只需再次点击开始按钮，并关闭拨动开关即可。

附图标号说明

鞋体1，鞋垫2，鞋底3，薄膜压阻式压力传感器4，信号采集传输模块5，可充电锂电池6，阈值输入模块7，波形显示窗口8，用户基本信息模块9，康复训练模块10，开始按钮11，放置有薄膜压阻式压力传感器的鞋垫示意图模块12，姓名输入模块（13），年龄输入模块（14），体重输入模块（15），身高输入用户基本信息确认模块（16），模块（17），性别输入模块（18）。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (9)

1.一种穿戴式尖足步态实时监测反馈报警装置，包括固定有传感器的鞋垫(2)、信号采集传输模块(5)和便携式数据接收及处理终端；其特征在于：所述鞋垫通过传感器(4)实时测量足底压力或压强；所述信号采集传输模块将采集到的信号通过无线方式发送给所述便携式数据接收及处理终端；所述便携式数据接收及处理终端接收采集到的信号，并进行实时波形显示和处理，对步态周期进行划分并对尖足步态进行识别，如果行走步态为尖足步态，则发出反馈信号，提醒患者对步态进行纠正；所述便携式数据接收及处理终端包含用户基本信息模块(9)和康复训练模块(10)；所述康复训练模块(10)包含一个阈值输入模块(7)、两个波形显示模块(8)以及鞋垫示意图模块(12)，能够对接收到的信号进行实时波形显示、保存及处理；根据步态周期划分结果以及前后足的足底压力计算每个步态周期内的前后足冲量，进而计算每个步态周期内的动态足底压力指数，即足跟冲量占足跟和前足冲量之和的百分比。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器(4)为薄膜压阻式传感器，分别放置在前足的第二和第三跖骨位置以及足跟中部位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述尖足步态实时监测反馈报警装置为穿戴式设备，信号采集传输模块(5)通过可充电锂电池(6)供电，埋于鞋跟，对步态无影响。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号采集传输模块将随压力变化的电阻信号转化为电压信号，并进行模/数转换输出数字信号，然后通过蓝牙模块将所述数字信号发送至所述数据接收及处理终端，所述数据接收及处理终端是智能手机或平板电脑。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据接收及处理终端通过用户基本信息模块(9)可录入用户的姓名(13)、性别(18)、年龄(14)、身高(17)及体重(15)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据接收及处理终端能够根据采集到的信号特征，找到相邻步态周期的时间分割点，即前足抬起时刻，从而对步态周期进行划分。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，将每个步态周期内的动态足底压力指数与阈值比较，如果该指数小于阈值，则当前步态为尖足步态，从而触发反馈信号，提醒患者进行步态纠正，提高康复效率。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述阈值可以根据患者尖足程度进行个性化设置，将相应的数值输入至操作界面上的阈值输入模块(7)即可。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置只需打开所述信号采集传输模块的开关以及数据接收及处理终端的开始按钮(11)即可开始工作。