足底压力分布综合分析系统的开发与应用.doc

摘要摘要近三十年来基于足底压力分布的研究蓬勃发展并且已经深入应用到多个领域如步态分析、足疾临床诊断、个性化制鞋等。目前主流的足底压力测试仪器一般为国外公司的产品存在着价格昂贵、功能单一等问题因此迫切需要开发一种低成本、高精度、适用范围广的国产测试仪器。本文设计开发了一种基于阵列传感系统的低成本足底压力测试、分析系统并且研究了足底压力分布中的数据处理方法最后就基于足底压力测试的几个应用做了详细介绍。文中首先分析了本系统的测试原理、基本需求和技术指标然后设计了系统的总体解决方案。系统的设计和开发分硬件和软件两部分进行硬件部分由阵列传感器子系统、数据采集子系统两个部分组成阵列传感器子系统又由传感器阵列和扫描驱动电路组成。软件部分主要分为采集监控与数据保存、数据预处理、数据库管理、数据分析四个子模块。其中数据分析模块是软件部分的重点主要的数据处理算法都在该部分实现。在数据分析部分详细介绍了软件中数据预处理、足底脚型边缘提取、足疾临床诊断的算法和软件实现。最后就基于足底压力的个性化制鞋做了初步的探讨。关键词足底压力均值滤波边缘检测足疾诊断个性化制鞋一一苎—。曲。——第章绪论第章绪论足底压力分布的研究背景生物力学的研究范围包括整个人体足部生物力学的研究是其中重要的一部分。对不同运动状态下如站立或行走足底各部位与地面之间的压力及其时间参数进行测量并对测量数据进行分析可以获取人体在各种体态和运动状态下的生理、病理力学参数及机能参数揭示不同的足底压力分布特征和模式对临床医学诊断、疾患程度测定、术后疗效评价、生物力学及康复研究均有重要意义。目前足底压力分布的研究已广泛应用于很多领域如运动生物力学、竞技体育科研、步态识别、临床足疾诊断、康复医学、个性化工业设计等领域。针对足部的生物力学研究的兴起是以下几个方面因素共同作用的结果。医疗康复领域对足底压力分布的研究需求。在糖尿病的诊疗方面随着糖尿病治疗手段和水平的不断改进医学工作者发现糖尿病患者的神经病变和足部溃疡与足底的压力分布特征有相关的特异性关系足底压力分布特征的检测给糖尿病并发症的诊断提供了有力的诊疗手段在智能化假肢设计中压力分布测量也已经成为假肢设计中不可缺少的一种辅助手段诸多病因引起足部损伤的始动因素是人站立和行走过程中足底承受压力分布不均病变区域承受压力相对集中足底局部压力升高因此早期对相关疾病患者足底压力水平进行客观评价具有较大的临床意义。个性化的工业设计是未来市场发展的方向基于足底压力分布的个性化足底特征参数体系的建立是个性化制鞋的重要依据。随着人们生活水平的提高和对足底保健的日趋重视鞋子的美观装饰性已经不是人们关心的唯一指标鞋的舒适性显得更加被人们重视。穿着不合适的鞋子可能会致使足部发生畸形严重影响足部健康尤其对运动员的危害更为严重运动员这一人群对个性化设计的功能鞋的需求比较突出设计不合理或穿着不匹配的鞋子会严重影响运动员的足部健康和运动能力的发挥。步态识别是目前身份识别领域的研究热点足底压力检测是步态识别中重要的信息获取手段。目前的身份识别技术主要基于声音、签名、步态、指纹、掌纹、掌形、人脸、虹膜、等这些识别技术可以说是各有优缺点但基于足底压力分布特征的身份识别具有非侵入性、非接触性、不易察觉与不易伪装对分辨率的要求不高适用于远距离、隐蔽式的测量成为身份识别领域内的一大研第章绪论究热点。此外压力分布测试技术在工业设计与控制等其他领域内的发展也是足底压力分布测试技术发展的一个推动因素。在汽车行业中研究座椅的舒适性需要测量人体对座椅的压力分布为提高轮胎的性能需要测量轮胎与地面的接触轮廓和压力分布为确保车门的密封性需要测量车门密封垫在关门时的受力分布医疗领域中牙科医生要诊断病人的牙齿咬合状况需要测量病人上下牙齿间的咬合力大小和分布等等。由此可知在运动生物力学蓬勃发展的大背景下基于足底压力分布的生物力学研究已经广泛深入到多个研究领域成为一项重要的研究课题。足底压力分布研究的发展历史年率先对足底压力进行了较科学的研究但当时试验所得到的只是足部的外形轮廓而非足底压力模型。真正系统地进行足底压力分析并用于临床始于世纪年代近二、三十年来发展迅速足底压力分析已进入动静结合由肉眼观察转化为计算机精确量化分析由平面图像转化为二维、三维仿真模拟的阶段。根据足底压力测定的发展过程及使用技术可将其分为脚印法、直接形像化技术、力板及多负载单元、压力鞋及鞋垫等脚印法是人足在煅石膏、泥、橡胶、纸等易变形物质上留下的足印或痕迹足底各部位的压力大小只能根据足印的形态及深浅作大致判断。脚印法简单易行但只能记录足底的压力峰值测不出瞬时压力只能定性测量无法定量测量适用于对准确度要求不高的场合。直接形象化技术是在一块玻璃的两端安置光源玻璃上放置橡胶等弹性垫当脚踩在弹性垫后由于光在玻璃内全反射受压的弹性垫即可在玻璃下产生一清晰的