足部動力學測試系統在運動生物力學中的應用進展

李奉玲，顧耀東，李建設

（1.寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211；2.浙江體育職業技術學院，浙江 杭州 311231）

0 前 言

足部動力學測量作為當今步態和姿態研究、下肢診斷和運動鞋設計等領域的支撐技術，其發展歷經足印技術、足底壓力掃描技術、測力板與測力臺技術、壓力鞋與鞋墊技術［1］。其中典型的應用是運動鞋的設計［2］，運動成績的分析和損傷的預防［3］，提高平衡控制能力［4］，和疾病的 診斷［5］。最 近的創新應用也深入到了人體身份識別［6］，生物識別［7］，監測姿態分配［8］和康復支持系統［9］等方面。目前，在生物力學研究中運用最廣泛的是比利時F-Scan測力鞋墊和德國NoveIEmed測力板和Pedar測力鞋墊［10］。設計足部動力學測試裝置的關鍵要求是時空分辨率、采樣頻率、準確性、靈敏性和校準標準。測力傳感器具有高效性、靈活性、可移動性和成本低的特點，為足部動力學測試系統的發展鋪平了道路。腳是在運動中和外界環境接觸的主要界面，即“足（鞋）-地界面”和“足-鞋界面”。當這一界面活動出現異常時，能盡早的診斷出足存在的問題，對于損傷的預防有重要作用。足部動力學特征可以作為評估腳是否健康的一個重要指標，因此測試足部動力學的測試系統必須具有精確性和可靠性的特征。

早期的足部動力學測試系統是從運動鞋演化而來的，Lavery等人［11］用足底壓力峰值均值作為評價參數去檢驗運動鞋有和無粘彈性鞋墊時的效果。在此之前有很多其他足部動力學裝置的研究，例如，Mueller［12］將足底壓力應用到沒有緩沖墊的運動鞋的設計之中。此外，Praet等人［13］和Queen等人［14］發現減小前腳掌足底神經壓力的最有效的辦法是使用不穩定鞋，并且已經證實不穩定底可減少第一和第五跖骨頭壓力，而跖骨頭通常是高足弓內翻畸形病人潰瘍的位置。對疾病的診斷，許多研究者主要集中在糖尿病人腳的潰瘍問題上，這些問題主要是由于在腳底某些特殊區域過多的足底壓力而導致的。值得注意的應用是在足球運動中的平衡訓練［15］和在跑步中的足前掌的著陸［16］的運用。在老年人和平衡較弱群體的健康護理中，足底壓力分布和其步態的穩定性息息相關，足底動力學信息可以用來提高老年人的平衡能力［17］。此外還有趙芳［18］對中老年人步態指標與衰老關系的研究等。基于以上的討論，足部動力學測量的高效性和精確性對于科學設計的能力是至關重要的。

本文較完善地總結了近期國內外研究文獻對于足部動力學測試系統及應用的論證，探討了目前系統的優劣以及無線足部動力學測試系統的前景。

2 平板式足部動力學測式系統

測力板系統是由一個平臺構建而來，是由一個裝有一系列精確的壓力傳感器的矩陣結構模型嵌入在地板中，以測試正常步態的結構（如圖1所示），可測量的參數包括:各點的壓力、平均壓力、接觸面積以及壓力中心位置（x／y坐標）。測力板系統能用在靜態和動態的研究中，真實地測量出足部的壓力，多元化的分析軟件可對測量的壓力數據進行詳細全面的分析，并加以量化，如:步伐長度和寬度的改變，內翻足和外翻足的位置，足部接觸地面的面積。其優點是由于其是固定的一個平臺使得測力板容易使用，而其缺點是這要求受試者必須熟悉測力板環境以確保是自然的步態，一般來說局限于實驗室條件下的研究。此外，精確讀取腳接觸的感測區數據是至關重要的［19］。局限性包括:空間，戶內測量和受試者與測力板的接觸適應能力。

3 鞋墊式足部動力學測試系統

鞋墊傳感器是靈活的嵌入鞋內以此測量并反應足和鞋之間接觸面的壓力的裝置（圖1）。鞋墊式足部壓力測試系統通過測量足部壓力的變化，在步態分析、技術動作分析、運動損傷等研究領域擁有廣闊的研究前景。可針對不同運動項目，測量運動不同時段的足底壓力分布狀況，從而可以進一步分析動作特點、合理性以及與運動損傷的關系等。測量系統測量量程、靈敏度、采樣頻率、數據存儲量、測量精度、系統可靠性、系統穩定性、空間分辨率以及分辨率指標較高，尤其在重復測量性、精度上表現極為突出。在線方式時，系統采樣時間為無限長，便攜方式時，系統采樣時間為1h。系統輕便，不妨礙人的自然行走。動態數據實時測量，軟件功能強大，人機界面良好。這種系統的靈活性使得其在不同的步態研究和運動鞋設計及其他領域得到了廣泛的應用［19］。同時此系統在矯正術的研究和運動鞋的設計的研究領域中得到了高度贊揚［20］，但是也存在著傳感器有滑動可能性的弊端，因此，建議此類傳感器應該適當的采取防滑措施，以確保結果的可能性。其局限性是，與測力板相比，會由于傳感器數量較少而導致數據的空間分辨率較低。

圖1 左:平板式足底動力學測試系統右:鞋墊式足底動力學測試系統

4 傳感器式足部動力學測試系統

Zhu等人［21］用七個力敏感電阻器作為測試系統測試腳底壓力分布，并且他們用它來區分走和慢慢移動中不同的壓力［22］。Hausdorff等人［23］創建了一個可以用兩個力敏感電阻器檢測固定步態參數的腳轉換器系統。Cleveland［24］研發了一種鞋墊無線系統，可以測試腳接觸地的時間和每只腳的重量以及每只腳的壓力中心。Yong［6］在研究中通過鞋墊壓力傳感器探討了人類動態足底壓力信息，比較了不同關鍵位置的壓力，這個系統用有線轉換傳感器卡收集的數據，準確率達96%。另一個創新性的應用是將鞋墊系統測試三維壓力用在高跟鞋研究中［25］。他們將尺寸是17mm×18mm×10mm壓力范圍大小有870kPa的傳感器安置在拇趾底處，第一，第二和第四跖骨頭以及后跟處。同時指出摩擦力會引起水泡，老繭和營養潰瘍。如貼圖2所示摩擦力峰值會出現在第二跖骨頭處，這樣的信息對于以后高跟鞋的設計有很好的參考價值。有線系統為各個領域的應用帶來了利處，但在日常的監測中也存在著很多局限之處，有線系統也許會妨礙人的自然行走。因此，提議系統應該是具有可移動性并且系統應該采用無線裝置。目前研究表明研發的系統似乎受限于傳感器安置的數量上。

圖2 可測摩擦力傳感器在高跟鞋研究中的布置

Bamberg等人［26］因采用比較復雜的無線鞋墊足底動力學測試系統分析步態數據而備受關注，他們稱之為步態鞋（圖3）。在這個系統里，包括三個矩面型的加速計，三個矩面型的回轉儀，四個力傳感器，兩個雙向彎曲的傳感器，兩個動態壓力傳感器和頂端電傳感器。微型控制器、轉換器、天線和電源供應也都和鞋子連在一起。這個裝置可以監測足跟著地，估算腳的方向和位置以及腳離地。Benocci等人［27］為分析步態和姿勢而開發了無線系統。可佩帶系統是利用水電細胞來測量足底動力學參數，慣性測量裝置整合了一個三維的加速計和一個數字三維的回轉儀。為了控制系統，安裝一個MPS430的微型控制器和藍牙。收集數據的傳感器可以辨認受試者走的相位諸如擺動和站立，步幅和跨步周期，雙支撐和單支撐等。

圖3 可測量多個方向動力學的步態鞋

Yang等人［28］研發了一個高級的數字傳感器，每只襪子上粘附四個圓形傳感器，圓形傳感器可以記錄時空足底壓力模式并用以估算腳底壓力中心的偏離，五個回形類型的傳感器裝訂在底面以記錄下肢的運動，測試時將微型控制器和藍牙設備安裝在受試者的腰間。系統可以記錄持續測量跨步周期、左／右步子、步調、行走速度和壓力中心。Shu等人［29］與香港研究所依據壓力傳感器結構排列開發了鞋墊足底動力學測試分析系統。這些傳感器結構排列整齊，材質柔軟，輕，具有較高的壓力敏感性。傳感器通過聚合板與傳導線相連再和鞋墊整合在一起，微型控制器和藍牙設備固定在受試者的腳踝處。系統接口能與臺式電腦、筆記本、智能手機相連接，能夠計算的參數有壓力均值、壓力峰值、壓力中心和壓力中心轉換速度，并能體現出靜態和動態不同測量條件下的結果。測量足底動力學的穿戴式無線傳感器系統的研發受到鼓勵，它們的應用潛力特別是在生物醫學領域中是毋庸置疑的，幾乎所有現成的傳感器，微處理器和無線轉換器都因其體積大受試者穿戴不舒服而停止生產。無線足底壓力測試系統已經被廣泛地應用到很多領域包括康復、運動和日常步態監控等。比如，Crosbie和Nicol［30］表明作為脊髓損傷和糖尿病人康復的一部分，這對于有效的測試下肢外顯跡象如足底壓力面積、力的分布和與地面接觸時的感覺是非常有用的。這些信息是提出更好的康復對策的根本。目前對于無線系統在康復領域的應用包括對下肢受傷負荷后的康復的監控以及為中風患者定制康復鞋等方面。Neaga等人［31］的“步態指導”系統（圖4）是通過傳感器元件、無線模型、一個電子附屬物采集步長、步寬和壓力等步態信息的裝置，而步態信息則是為特殊的患者制定相應的康復對策的重要依據。Edgar等人［32］表明他們的系統能根據患者中風的姿勢進行分類，在分類方面準確率達99%。這些系統都是無線的并且專門為協助存在移動問題的患者而設計的，然而系統包含微型控制器，藍牙模型，加速傳感器和鞋墊壓力傳感器，這些體積龐大的電子設備也許不適合監控受傷后患者的恢復治療。

圖4 針對病人的“步態指導”系統

在運動領域中值得注意的是Salpavaara等人［33］和Holleczek等人［34］的研究，他們研發的新型傳感器，是用傳統壓層電容傳感器模型和數字壓力傳感器制成。Salpavaara等［33］人的系統可以用來監控在投擲、跳和跑的各種運動中運動員的腿部的時間和動作，得到的數據可以作為改進運動訓練的依據。系統包括一個電容數字交流器、微型控制器和一個瞬時比率器。Holleczek等人［34］研發的可穿戴的傳感器襪（圖5），相當于運動助理教練的角色，能夠幫助滑雪者提高技能，在滑板運動中，導致損傷的一個重要原因是重量的錯誤轉移，而這個系統則能分析動態過程中靴子內的重量分布狀況，這類信息是判斷重量轉移是否正確的重要依據，然后針對使用者在真實的時間和運動后給予反饋，從而進行調整以完善他們的學習過程，減少運動中的損傷。這個系統包括三個完整的數字壓力傳感器、六個電容數字交流器和一個藍牙模型。此系統中明顯不足之處是所用傳感器的數量，Salpavaara等人［33］用了五個傳感器，Holleczek等人［34］僅用了三個，對于許多運動生物力學領域來說這是遠遠不夠的。

圖5 可測量重力分布的傳感器襪

Saito［35］和 De Rossi［36］等人重點提出的無線鞋墊足底動力學測試系統是采用獨特的壓力傳感器來測量足底壓力。Saito等人［35］的裝置包括帶有七個壓力敏感電容橡膠傳感器的鞋墊，一個模擬數字交流器和一個無線轉換器元件，每個傳感器尺寸大約15mm＊10mm＊0.8mm，能測量壓力范圍為25-250kPa，七個傳感器被安置在腳后跟、外側腳中部、大拇趾、第一跖骨頭、腳中部中心和前腳中心處。他們沒有將微型控制元件附在鞋上以確保電子線路的靈敏，而是將處理單元裝在系統的接受端，這樣做的優勢是可以降低能耗，使得電源監控長達20h，但其局限性是傳感器的有限壓力范圍，無論男性還是女性，肥胖者能產生高達500kPa的壓力峰值［37］，在運動領域，運動員產生的壓力高達750kPa到1MPa［38］，而此傳感器最高靈敏是250kPa。De Rossi等人［36］的系統包括64個硅膠面的光電傳感器，4個模擬數字轉換器，一個微型控制器和一個藍牙模型，這個傳感器的參數是12mm×12mm×5.5mm，在不損壞傳感器的情況下可承受500kPa的載荷。此系統優點是傳感器的分布可以覆蓋整個腳部，體積大的電子板可以很好的隱藏在足弓的中部，電子板是由較薄的PCB制成，佩戴起來更舒適。不足之處是傳感器在低壓或高壓時沒有較好的線性，接收較為復雜的信號時，在處理中需確定一個較準確的壓力作為代表，壓力若超過1MPa則會損壞傳感器。此外所有這些系統有一個共同缺陷，就是沒有無線發射器，假若將無線發射器整合進去并且將較小的傳感器安置在鞋子的內部，這將使日常生活更加舒適方便，更有利于診斷足部疾病。

5 總 結

本文對目前國內外報道的足部動力學測試系統做了一個較完善的總結，對平板式、鞋墊式和傳感器式三種不同形式的足部動力學測試系統分別進行了優勢與不足的比較分析。目前足部動力學測試系統，無論是在時空分辨率、采樣頻率、還是準確性和靈敏性上都足以滿足現代足部生物力學研究的需要，且能夠采集的參數也不斷增多，但是為了能使運動生物力學研究領域不斷深入，我們仍需要對目前的足部動力學測試系統進行改善提高。因此我們建議開發一種微型鞋墊，低能耗可穿戴的無線系統，采用微型機電壓力傳感器測試足部壓力，表面是無線數字采集元件，也能夠安置于鞋子內部，系統能夠識別不同芯片上的無線系統類型，發射器必須和微型機電壓力傳感器共融，滿足足部動力學測試要求，接收器接口必須能和數字記錄器、筆記本和臺式電腦接口相匹配以進行數據分析。

足部動力學測試技術作為當今步態研究中最先進的技術，我們期望隨著新型設備的研發，能夠在相應領域研究更加深入細致，特別是在帕金森綜合征、偏癱癥、糖尿病等患者的步態研究中，能夠為針對患者制造個性化的康復鞋提供可靠的數據。

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