基于足底壓力和關節運動信息的步態檢測系統設計

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(1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004； 2.桂林電子科技大學 信息科技學院，廣西 桂林 541004；3.深圳市老年醫學研究所，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著中國社會的發展與進步，人口老齡化已經成為了一個不可忽視的社會性問題。在老年人常見的疾病之中，中風有著極高的發病率。同時，其留下殘疾性后遺癥的幾率也高達75%[1]。幸存的患者還常常面臨著偏癱等后遺癥，如下肢運動功能殘疾等。偏癱步態是腦卒中致殘最常見的臨床表現之一，對患者步態進行檢測分析，是治療師評估患者病情，制定康復計劃的重要依據。

目前，采集患者步態信息的主要手段為視頻圖像分析及足底壓力測量。足底壓力的測量技術主要分為測力板、測力臺、測力鞋墊等[2]。測力板及測力臺體積較大，使用不便，且測試范圍受限，而測力鞋墊因為有著體積小，安裝操作方便且受試者活動范圍大的特點，可以很好克服測力板及測力臺方式的不足[3-4]。

近年來，融合視頻圖像處理及足底壓力測量等多方面技術的三維步態分析系統已經投入實際使用。但其高昂的使用成本，較大的占地面積，較高的操作技術門檻使得在使用中仍然受到較大的限制[5-7]。

針對目前步態采集系統存在的問題，設計了一種融合慣性傳感器、薄膜壓力傳感器及無線傳輸技術的患者步態檢測系統，利用放置于鞋墊內的薄膜傳感器采集患者足底壓力信息，慣性傳感器采集患者關節運動角度變化信息，并結合無線傳輸技術，使系統具有較好的舒適性、便攜性、可擴展性[8-9]。

圖1 步態檢測系統總體框圖

1 系統結構設計

步態檢測系統總體分為數據采集、數據傳輸、數據處理部分。系統總體框圖如圖1所示。數據采集部分用于采集薄膜壓力傳感器及慣性傳感器的信息，數據采集部分包括采集電路、單片機及無線收發模塊和慣性傳感器模塊。數據采集部分將所采集的薄膜壓力傳感器及慣性傳感器信息通過無線傳輸發送至數據傳輸部分。數據傳輸部分分為NRF24L01通信模塊及藍牙通信模塊，負責將所采集的壓力信息及運動角度信息傳輸至數據處理部分。足底壓力信息通過NRF24L01通信模塊進行傳輸，慣性傳感器采集的關節運動信息通過藍牙通信模塊進行傳輸。數據處理部分負責數據信息的處理及顯示。

2 硬件電路設計

2.1 足底壓力采集模塊

足底壓力采集模塊包括薄膜傳感器、信號檢測電路、微控制器。壓力采集模塊整體如圖2所示。薄膜傳感器用于采集足底壓力信息，通過信號檢測電路將壓力信號進行放大，經由微控制器AD轉換模塊實現數模轉換，并利用微控制器與NRF24L01模塊進行通信。NRF24L01模塊通過串口將數據傳輸至上位機，由上位機進行相應的處理。

圖2 壓力采集模塊整體框圖

測力鞋墊所選用的薄膜壓力傳感器是南京丹陌電子科技有限公司的RFP 薄膜壓力傳感器。RFP 薄膜壓力傳感器為圓形，直徑21 mm，長度約5 cm。該薄膜壓力式傳感器體積小巧，柔軟度高，具有較好的線性度和精度(±3%)。在實際應用中，該傳感器的外圍驅動電路較為簡單，可以很好地應用于足底壓力的測量。RFP 薄膜壓力傳感器為壓阻式傳感器，薄膜傳感器表面壓力的變化會引起傳感器電阻值相應的變化，通過測量壓力傳感器電阻的變化情況可以獲取傳感器表面壓力值的變化信息。

2.1.1 薄膜傳感器信號檢測電路設計

薄膜傳感器可以將傳感器表面壓力的變化轉化為電阻值的變化，薄膜傳感器檢測電路用于實現薄膜傳感器的電阻值變化轉換為可用于AD轉換的電壓信號。信號檢測電路采用運放構成的放大電路實現薄膜傳感器信號轉換，并將電信號傳送至微控制器以進行電壓信號的AD轉換。

根據人體正常行走時，足底壓力主要分布在前腳掌內側、大腳趾、腳后跟、腳弓外側等處的分布特點[10]，選定在足底4個主要受力點采集壓力信息，分別是腳跟部，第二、四節跖骨以及第五趾骨處。信號檢測電路用于實現四路并行足底壓力信息的采集，單側足底壓力需要采集四路壓力信號，則雙腳一共需要采集八路的壓力信號。由于各路壓力信號的檢測使用相同的硬件電路，下面針對單路電路的設計進行介紹。單路信號檢測電路原理如圖3所示。

圖3 檢測電路原理圖

根據運算放大器的原理可得到傳感器電阻與電壓之間的函數關系:

(1)

其中：Uout是輸出的電壓信號，Ut是外界參考電壓，Rf是參考電阻，選用1 kΩ或10 kΩ電阻，Rm是薄膜壓力傳感器的電阻。實際應用中，選擇Ut為-5 V，且Rm電阻大于Rf電阻。因此，信號檢測電路的輸出電壓在+5 V以下，滿足單片機AD轉換的電壓要求。

2.1.2 AD轉換及數據傳輸

足底壓力采集模塊利用微控制器的A/D 轉換模塊實現薄膜傳感器電信號的模數轉換。STC15是一款低成本、低功耗和高效能的微控制器，內部集成了8個10位的AD轉換器，具有豐富的接口資源，適合應用于便攜式設備中。使用STC15系列微控制器作為足底壓力采集模塊的AD轉換單元，其采樣精度可達到10位，采樣頻率最大達到300 KHz，能夠滿足系統需求。同時，完成壓力信息的模數轉換后，還可以利用STC15單片機較豐富的接口資源與無線通信模塊進行數據傳輸。

NRF24L01無線傳輸模塊是一種高速、便捷的無線傳輸模塊，其有著使用簡單、功耗低、傳輸速度快的特點，對于便攜設備是一種很好的選擇。NRF24L01無線傳輸模塊最大通信距離可達到100米，可接網絡節點數最多可達6個，傳輸速率為2 Mbps，能夠滿足系統傳輸的實時性要求和可擴展性的要求。

同時，NRF24L01模塊還結合了增強型Shock BurstTM技術，外部單片機或控制器可以直接通過SPI接口實現對NRF24L01內部參數的設置以及數據交換。NRF24L01無線傳輸一次最多可發送32字節數據，且內部硬件自動對傳輸數據進行相應的數據打包處理，如添加數據協議頭、數據尾以及CRC校驗等，實際使用中較為方便。并且，NRF24L01還提供了開發封裝庫，開發較為簡單，大大降低了無線傳輸網絡的開發難度。因此，選擇NRF24L01無線模塊不僅可以滿足系統傳輸數據的需要，還可以幫助系統快速搭建，縮短開發周期。

2.2 運動信息采集系統

運動信息采集模塊包括7個WB慣性傳感器及藍牙集線器。運動信息采集模塊整體框圖如圖4所示。7個WB慣性傳感器安裝在人體的特定位置，在人體運動時，采集、記錄人體下肢各關節運動的關節角度。由于WB慣性傳感器自帶藍牙通訊，因此，利用藍牙集線器接收7個慣性傳感器的數據。藍牙集線器通過串口與上位機進行通信。

圖4 運動信息采集系統框圖

WB傳感器，又稱為LPMS-B(life performance research motion Sensor) 九軸數據無線傳輸型姿勢傳感器，WB具有體積小、易穿戴、精度高的特點。該傳感器具有3軸加速度計，3軸陀螺儀，3軸地磁傳感器，內部硬件通過卡爾曼濾波器算法對姿態信息進行高精度計算，直接輸出傳感器運動姿態的四元數信息，系統采樣頻率高達500 Hz，內部集成了藍牙通信模塊，無線藍牙通訊方式實現數據傳輸。

WB傳感器的主要作用是對人體運動姿態信息進行采集，得出人體下肢運動信息。將WB傳感器安裝在人體特定部位，可以獲取到該部位的運動姿態四元數數據，并利用四元數轉換歐拉角算法，可以方便地得到人體下肢關節的運動角度。

在康復醫學上，髖關節的運動能力是由大腿相于腰部的運動姿態來進行評定的；大腿膝關節的運動能力是由小腿相對于大腿的運動姿態來進行評定的；踝關節的運動能力是由足部相對于小腿的運動姿態來進行評定的。為獲取人體下肢髖關節、膝關節、踝關節的運動角度，需分別采集腰部、大腿部、小腿部、腳部的運動姿態信息。因此，WB傳感器安裝部位選擇為患者腰部、大腿部，小腿部，腳部。

2.3 四元數轉換算法

四元數這一概念是由愛爾蘭數學家哈密頓于1843年提出的。四元數由一個實數單位1和3個虛數單位i,j,k組成的含有4個元的數：

Q=[w(x,y,z)]=w+xi+yi+zk=w+v

式中，w是標量，v是矢量。

歐拉證明了一個旋轉序列等價于單個旋轉。因此三維坐標系總的任意角位移都能表示為繞單一軸的單一旋轉。當一個方位用這種形式來描述時稱作軸——角描述法。設為旋轉軸，定義其為單位長度，為繞軸旋轉的量，則軸——角對定義了一個角位移：繞指定的軸旋轉角。

四元數能被解釋為角位移的軸——角對方式[11]。

(2)

表示旋轉的四元數，可轉換為矩陣得：

(3)

然后轉換為ZYX順序的歐拉角得：

(4)

(5)

(6)

其中：Mij表示M矩陣第i行第j列的元素，EulerX,Eulery,EulerZ是以ZYX順序繞坐標軸的的角度。

通過慣性傳感器獲取四元數信息，可以方便地通過轉換算法，得到人體關節運動的角度信息。

3 系統軟件設計

步態檢測系統需要同時接收足底壓力采集模塊及運動信息采集模塊的數據，并對這些數據進行相應的處理，如存儲、顯示、算法實現等。步態檢測系統軟件分為足底壓力采集軟件和上位機軟件。

足底壓力采集軟件負責足底壓力信息的采集、傳輸。上位機軟件負責接收、處理足底壓力及關節運動信息，并顯示及存儲。另外，運動信息采集模塊通過藍牙集線器與上位機直接通信，運動信息采集模塊的信息傳輸由藍牙集線器完成，因此，關節運動信息的數據處理在上位機進行。

3.1 足底壓力采集軟件設計

鞋墊上的薄膜傳感器的壓力變化經過放大電路后，由STC15單片機實現AD轉換及數字濾波，并通過NRF24L01無線通信模塊傳輸至上位機數據處理部分進行數據處理。足底壓力采集軟件用于控制STC15單片機實現采集數據的AD轉換、處理以及數據傳輸，足底壓力采集處理流程如圖5所示。

圖5 足底壓力采集流程圖

3.2 上位機軟件設計

步態檢測系統通過串口與PC機通信，將足底壓力采集模塊及運動信息采集模塊的數據傳輸至PC機進行數據處理，完成數據存儲及顯示。上位機界面的設計采用C++ Builder實現。上位機軟件處理流程如圖6所示。

圖6 上位機軟件流程圖

4 系統測試

系統設計完成后，針對設計要求進行系統測試實驗。在足底壓力變化測量實驗過程中，將足底壓力檢測鞋墊放置于鞋內，同時將7個WB傳感器安裝在受試者身上，左右腳踝、小腿、大腿及腰部，令被測對象穿著鞋子以正常步態走路，實時獲取足底壓力變化及關節運動角度變化情況的數據。同樣為了控制每次實驗的變量，令被測對象均以恒定速率行走。

4.1 足底壓力信息采集測試

受試者正常行走時，實時采集足底壓力數據，因左右兩側足底壓力數據具有對稱性，圖7僅列出右側壓力信息。

圖7 右側足底壓力數據波形

足底壓力采集模塊可以實現足底壓力的有效采集，可以較好反映行走過程中足底壓力的變化。人體步態行走周期分為腳跟著地、腳掌著地、腳尖著地、腳跟離地、腳掌抬起、腳尖抬起。人類在正常行走過程中各個受力點所受到的壓力是以一定規律呈現周期性變化的，根據對這些變化的分析可以初步得出在某一時刻被測者足部所處的位置以及其步態情況。

4.2 關節運動信息采集測試

在實驗中，獲取人體各部位WB傳感器采集的四元數信息，通過轉換算法可以獲取人體髖關節、膝關節及踝關節角度。如圖8所示。

圖8 多行走周期運動角度變化信息

圖中數據較好反映了人體步態行走過程中，人體髖關節、膝關節及踝關節運動角度的周期變化情況。使用WB傳感器，并結合四元數轉換算法，能夠快速獲取下肢各關節運動角度的變化信息。可以在偏癱患者的康復訓練中，為治療師判斷患者運動能力、制定康復計劃提供有效的依據。

5 結束語

針對目前步態檢測系統中存在的一些問題，設計了一種基于足底薄膜壓力傳感器及慣性傳感器的檢測患者運動信息的檢測系統。實現了足底壓力檢測電路的電路硬件設計，慣性傳感器數據的獲取，無線通信系統的設計。實驗結果表明：所設計的系統能夠完成8路足底壓力信號的采集與實時顯示、存儲，以及患者關節運動角度信息的獲取，能夠進行穿戴式足底壓力檢測和人體步態分析，在實際的偏癱患者康復訓練中有較好的實用性，以及在未來的康復訓練量化評價系統中有著良好的應用前景。