不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體足底壓力分布及分析

高敏， 張一帆*， 洪成雨

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200444)

對(duì)于醫(yī)學(xué)診斷與康復(fù)治療、生物力學(xué)、運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)以及制鞋業(yè)等領(lǐng)域而言，人體步態(tài)的測(cè)量及分析是十分重要的理論基礎(chǔ)[1]。監(jiān)測(cè)足底壓力分布可以為分析人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供理論幫助，主要體現(xiàn)在醫(yī)療方面對(duì)足部疾病的診療和預(yù)防，及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的鑒定、痊愈以及療效評(píng)定等。

常見(jiàn)的足底壓力測(cè)量系統(tǒng)主要有壓力板和壓力鞋，這兩種測(cè)量系統(tǒng)都是利用傳感器技術(shù)、嵌入技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)完成。壓力板主要應(yīng)用于體育活動(dòng)中足部的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)荷研究，如足球運(yùn)動(dòng)員和芭蕾舞者的運(yùn)動(dòng)分析；此外，壓力板也被用于外科治療的評(píng)估，如慢性踝關(guān)節(jié)疾病患者以及糖尿病足潰瘍患者的足底壓力分析[2-3]。壓力鞋可用于遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)足底壓力分布研究，如對(duì)被測(cè)者在室外或其他較大范圍的室內(nèi)場(chǎng)所運(yùn)動(dòng)時(shí)的足底壓力分析，測(cè)試結(jié)果更接近人體真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[4]。其中，英國(guó)的Walkinsense系統(tǒng)、美國(guó)的F-Scan系統(tǒng)、比利時(shí)的R-Scan系統(tǒng)以及德國(guó)的Novel-Pedar系統(tǒng)是壓力鞋的典型代表[5- 6]。

應(yīng)用于足底壓力測(cè)量的傳感器主要有聚偏氟乙烯樹(shù)脂(PVDF)壓電薄膜式足底壓力傳感器和柔性紡織用傳感器，但前者由于電阻性的存在，容易受到溫度、濕度的影響；后者經(jīng)過(guò)多次踩壓會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)滯后、線性度變差的現(xiàn)象，造成較大實(shí)驗(yàn)誤差。文中選用Flexi force傳感器對(duì)足底壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)采集測(cè)試者的足底壓力，對(duì)足底壓力分布集中度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的足底壓力分布特征進(jìn)行全面分析。

1 Flexi force壓力傳感器的選用

Flexi force壓力傳感器是一種超薄、撓性印刷電路，傳感有效區(qū)域是傳感器末端直徑為1.5 cm的圓，其可彎曲和測(cè)力特性常被用于測(cè)量物體表面的壓力[1]。傳感器和電路設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1(a)為薄膜壓力傳感器，其由3層組成，上、下層是壓敏聚酯薄膜，中間層是油墨，由黏合劑黏合而成，其中中層的油墨粒子為亞微米級(jí)。薄膜壓力傳感器為可變電阻，當(dāng)傳感區(qū)域沒(méi)有壓力時(shí)，阻值會(huì)非常高(>1 MΩ)；當(dāng)有力作用在傳感器區(qū)域時(shí)，中層亞微米級(jí)粒子接觸導(dǎo)電電極，從而改變傳感器的電阻[7-9]。傳感器的電路如圖1(b)所示，該電路又稱電流-電壓轉(zhuǎn)換器，是一種最簡(jiǎn)單的電路，可提供與Flexi force電導(dǎo)成正比的輸出電壓。

圖1 傳感器和電路設(shè)計(jì)Fig.1 Diagram of the sensor and circuit

Flexi force壓力傳感器相比其他傳感器有更好的性能，厚度小、柔韌性強(qiáng)，幾乎能夠測(cè)量所有平面接觸面之間的壓力，其線性、靈敏度和溫度靈敏度等性能優(yōu)良[10]。人體正常步行頻率一般為 1.7～2.0 Hz，高速運(yùn)動(dòng)頻率不會(huì)超過(guò)5.0 Hz[1]，而Flexi force薄膜壓力傳感器的采集頻率為30 Hz，能充分滿足不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下數(shù)據(jù)的采集。

2 測(cè)量點(diǎn)的確定

研究表明，人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要是足跟和前足掌承受身體的重量，所以本次實(shí)驗(yàn)選擇腳拇指、第1跖骨、第5跖骨和足跟為測(cè)量點(diǎn)，鞋墊和顯示界面如圖2所示。圖2(a)為鞋墊實(shí)物，傳感器的位置可以根據(jù)腳碼大小調(diào)整，保證測(cè)量的精確。測(cè)量過(guò)程中將傳感器和采集盒連接，通過(guò)Microsoft C#編程在電腦界面顯示采集盒采集的數(shù)據(jù)，圖2(b)為電腦顯示界面。

圖2 鞋墊和顯示界面Fig.2 Insole and display interface

為了檢測(cè)壓力鞋墊的測(cè)量效果，對(duì)10名無(wú)足部疾病和拇指外翻現(xiàn)象且腳為37碼(235 mm)的志愿者進(jìn)行足底壓力測(cè)量，測(cè)量位置為腳拇指、第1跖骨、第5跖骨和足跟。10名測(cè)試者的BMI值見(jiàn)表1，每名測(cè)試者站在壓力鞋墊上依次做出靜止站立、身體重心下降屈膝、以1 km/h的速度步行和以4 km/h的速度跑步的動(dòng)作，其中靜止站立時(shí)間為20 s，步行和跑步主要選取一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)。測(cè)試鞋墊在鞋子中的剖面如圖3所示。

表1 測(cè)試著的BMI值

圖3 鞋墊在鞋子中的剖面Fig.3 Sectional view of the insole in the shoe

測(cè)試者穿上帶有壓力鞋墊的鞋子，保持站立狀態(tài)，同時(shí)打開(kāi)電腦界面的數(shù)據(jù)采集按鈕，得到足底各個(gè)傳感器測(cè)量的壓力數(shù)據(jù)。由于每個(gè)人的身高、體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)習(xí)慣存在差異，所以測(cè)得數(shù)據(jù)存在明顯差異。10名測(cè)試者的各測(cè)量部位壓力如圖4所示。從圖4(a)可以看出，足跟處的壓力最大，第1跖骨和第5跖骨壓力比較接近，壓力最小的為腳拇指處，這很有可能是由于腳拇指與傳感器的接觸面積較小，而足跟和第1跖骨、第5跖骨以足弓為活動(dòng)關(guān)節(jié)，承受了身體的大部分質(zhì)量所致。圖4(b)中為了明顯區(qū)分足底壓力分布的差異性，將腳拇指、第1跖骨和第5跖骨的壓力數(shù)據(jù)與足跟的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行比值處理，發(fā)現(xiàn)腳拇指是承受壓力最小的部位，足跟和前足掌是重要的受力部位。

圖4 測(cè)量部位壓力Fig.4 Pressure measurement at the measurement site

圖5展示了被測(cè)者在屈膝過(guò)程中，足底壓力分布變化，主要表現(xiàn)在重心下移過(guò)程中，足跟和第5跖骨處的壓力下降，足跟壓力的下降幅度比第5跖骨大；與之相反，第1跖骨和腳拇指的壓力出現(xiàn)上升現(xiàn)象，第1跖骨的壓力增加幅度比腳拇指大。結(jié)果顯示人體在重心下降過(guò)程中足底壓力分布會(huì)發(fā)生明顯改變，這主要是由于屈膝造成重心下降與偏移，在足弓的作用下足跟處的力向前足掌內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移，前足掌外側(cè)(第5跖骨)壓力會(huì)有略微下降趨勢(shì)。圖6顯示了站立和屈膝狀態(tài)下測(cè)量點(diǎn)的壓力變化情況，重心下降過(guò)程中，腳拇指和第1跖骨的壓力分別增加11.9，17.16 N，腳拇指的壓力增加超過(guò)原來(lái)的兩倍，表明在重心下降過(guò)程中，腳拇指承擔(dān)的壓力急劇增加，這顯示了人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腳拇指發(fā)揮著平衡緩沖的作用；而第5跖骨和足跟壓力減小，分別減小1.99，7.06 N，減小的比較少，說(shuō)明人體姿態(tài)發(fā)生變化的過(guò)程中，足跟和第5趾骨依然發(fā)揮不可替代的作用。

圖5 站立和屈膝兩種動(dòng)作的足底壓力變化Fig.5 Change of plantar pressure in different postures

圖6 兩種姿態(tài)下測(cè)量點(diǎn)的壓力變化Fig.6 Pressure changes at the measurement point in two poses

步行和跑步狀態(tài)下的足底壓力如圖7所示。從圖7(a)可知第5跖骨最先達(dá)到壓力峰值，說(shuō)明在步行過(guò)程中，第5跖骨最先接觸地面；整個(gè)壓力數(shù)據(jù)顯示足跟處的壓力仍保持最大數(shù)據(jù)，但是對(duì)比站立狀態(tài)的足底壓力，各測(cè)量點(diǎn)的壓力值均有上升趨勢(shì)。圖7(b)可以看出隨著速度增加，前足掌接觸地面的順序無(wú)明顯變化，但足跟最晚接觸地面，且壓力值仍是所有測(cè)量點(diǎn)中最大的；相比靜止站立狀態(tài)和步行狀態(tài)下的足底壓力，跑步狀態(tài)下各測(cè)量點(diǎn)的足底壓力值均有上升趨勢(shì)，這是由于人體與地面接觸的瞬間會(huì)產(chǎn)生沖擊力，造成壓力值的增加。對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可以看出，跑步過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)的壓力值變化比步行狀態(tài)更有規(guī)律，其主要是由于步行過(guò)程腳底與地面接觸過(guò)程比較緩慢。

圖7 步行和跑步狀態(tài)下的足底壓力Fig.7 Plantar pressure map under walking and running conditions

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)一款基于3D打印和Flexi force傳感器的壓力鞋墊，針對(duì)10名被測(cè)者在靜止站立、屈膝和步行、跑步狀態(tài)下的足底壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

1)靜止站立和屈膝狀態(tài)下足底各測(cè)量點(diǎn)的壓力會(huì)因?yàn)樯眢w姿態(tài)和人體重心的移動(dòng)產(chǎn)生變化，主要表現(xiàn)為隨著人體重心下降，腳拇指和第1跖骨的壓力分別增加11.9，17.16 N；第5跖骨和足跟壓力呈減小趨勢(shì)，分別減少1.99，7.06 N，表明了人體重心下降過(guò)程中足底壓力從足后部向足前部轉(zhuǎn)移。

2)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的足底壓力比靜止站立時(shí)大，主要是由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下足底與地面接觸會(huì)產(chǎn)生沖擊力， 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的足底壓力圖可以清晰反映出運(yùn)動(dòng)

過(guò)程中足底各部位與地面接觸順序，但是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的足底壓力大小與分布受到運(yùn)動(dòng)速度和接觸過(guò)程的影響。