基于足底壓力和關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，

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

0 引言

隨著中國社會的發(fā)展與進(jìn)步，人口老齡化已經(jīng)成為了一個(gè)不可忽視的社會性問題。在老年人常見的疾病之中，中風(fēng)有著極高的發(fā)病率。同時(shí)，其留下殘疾性后遺癥的幾率也高達(dá)75%[1]。幸存的患者還常常面臨著偏癱等后遺癥，如下肢運(yùn)動功能殘疾等。偏癱步態(tài)是腦卒中致殘最常見的臨床表現(xiàn)之一，對患者步態(tài)進(jìn)行檢測分析，是治療師評估患者病情，制定康復(fù)計(jì)劃的重要依據(jù)。

目前，采集患者步態(tài)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(shù)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?yàn)橛兄w積小，安裝操作方便且受試者活動范圍大的特點(diǎn)，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(shù)的三維步態(tài)分析系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)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(shù)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(tài)采集系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了一種融合慣性傳感器、薄膜壓力傳感器及無線傳輸技術(shù)的患者步態(tài)檢測系統(tǒng)，利用放置于鞋墊內(nèi)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(guān)節(jié)運(yùn)動角度變化信息，并結(jié)合無線傳輸技術(shù)，使系統(tǒng)具有較好的舒適性、便攜性、可擴(kuò)展性[8-9]。

圖1 步態(tài)檢測系統(tǒng)總體框圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

步態(tài)檢測系統(tǒng)總體分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理部分。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集部分包括采集電路、單片機(jī)及無線收發(fā)模塊和慣性傳感器模塊。數(shù)據(jù)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(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸部分。數(shù)據(jù)傳輸部分分為NRF24L01通信模塊及藍(lán)牙通信模塊，負(fù)責(zé)將所采集的壓力信息及運(yùn)動角度信息傳輸至數(shù)據(jù)處理部分。足底壓力信息通過NRF24L01通信模塊進(jìn)行傳輸，慣性傳感器采集的關(guān)節(jié)運(yùn)動信息通過藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)處理部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的處理及顯示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(jìn)行放大，經(jīng)由微控制器AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，并利用微控制器與NRF24L01模塊進(jìn)行通信。NRF24L01模塊通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中，該傳感器的外圍驅(qū)動電路較為簡單，可以很好地應(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)

薄膜傳感器可以將傳感器表面壓力的變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，薄膜傳感器檢測電路用于實(shí)現(xiàn)薄膜傳感器的電阻值變化轉(zhuǎn)換為可用于AD轉(zhuǎn)換的電壓信號。信號檢測電路采用運(yùn)放構(gòu)成的放大電路實(shí)現(xiàn)薄膜傳感器信號轉(zhuǎn)換，并將電信號傳送至微控制器以進(jìn)行電壓信號的AD轉(zhuǎn)換。

根據(jù)人體正常行走時(shí)，足底壓力主要分布在前腳掌內(nèi)側(cè)、大腳趾、腳后跟、腳弓外側(cè)等處的分布特點(diǎn)[10]，選定在足底4個(gè)主要受力點(diǎn)采集壓力信息，分別是腳跟部，第二、四節(jié)跖骨以及第五趾骨處。信號檢測電路用于實(shí)現(xiàn)四路并行足底壓力信息的采集，單側(cè)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(shè)計(jì)進(jìn)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(jù)運(yùn)算放大器的原理可得到傳感器電阻與電壓之間的函數(shù)關(guān)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(shí)際應(yīng)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(jī)AD轉(zhuǎn)換的電壓要求。

2.1.2 AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸

足底壓力采集模塊利用微控制器的A/D 轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)薄膜傳感器電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。STC15是一款低成本、低功耗和高效能的微控制器，內(nèi)部集成了8個(gè)10位的AD轉(zhuǎn)換器，具有豐富的接口資源，適合應(yīng)用于便攜式設(shè)備中。使用STC15系列微控制器作為足底壓力采集模塊的AD轉(zhuǎn)換單元，其采樣精度可達(dá)到10位，采樣頻率最大達(dá)到300 KHz，能夠滿足系統(tǒng)需求。同時(shí)，完成壓力信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換后，還可以利用STC15單片機(jī)較豐富的接口資源與無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)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(diǎn)，對于便攜設(shè)備是一種很好的選擇。NRF24L01無線傳輸模塊最大通信距離可達(dá)到100米，可接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)6個(gè)，傳輸速率為2 Mbps，能夠滿足系統(tǒng)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求和可擴(kuò)展性的要求。

同時(shí)，NRF24L01模塊還結(jié)合了增強(qiáng)型Shock BurstTM技術(shù)，外部單片機(jī)或控制器可以直接通過SPI接口實(shí)現(xiàn)對NRF24L01內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)交換。NRF24L01無線傳輸一次最多可發(fā)送32字節(jié)數(shù)據(jù)，且內(nèi)部硬件自動對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)打包處理，如添加數(shù)據(jù)協(xié)議頭、數(shù)據(jù)尾以及CRC校驗(yàn)等，實(shí)際使用中較為方便。并且，NRF24L01還提供了開發(fā)封裝庫，開發(fā)較為簡單，大大降低了無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)難度。因此，選擇NRF24L01無線模塊不僅可以滿足系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的需要，還可以幫助系統(tǒng)快速搭建，縮短開發(fā)周期。

2.2 運(yùn)動信息采集系統(tǒng)

運(yùn)動信息采集模塊包括7個(gè)WB慣性傳感器及藍(lán)牙集線器。運(yùn)動信息采集模塊整體框圖如圖4所示。7個(gè)WB慣性傳感器安裝在人體的特定位置，在人體運(yùn)動時(shí)，采集、記錄人體下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動的關(guān)節(jié)角度。由于WB慣性傳感器自帶藍(lán)牙通訊，因此，利用藍(lán)牙集線器接收7個(gè)慣性傳感器的數(shù)據(jù)。藍(lán)牙集線器通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。

圖4 運(yùn)動信息采集系統(tǒng)框圖

WB傳感器，又稱為LPMS-B(life performance research motion Sensor) 九軸數(shù)據(jù)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(diǎn)。該傳感器具有3軸加速度計(jì)，3軸陀螺儀，3軸地磁傳感器，內(nèi)部硬件通過卡爾曼濾波器算法對姿態(tài)信息進(jìn)行高精度計(jì)算，直接輸出傳感器運(yùn)動姿態(tài)的四元數(shù)信息，系統(tǒng)采樣頻率高達(dá)500 Hz，內(nèi)部集成了藍(lán)牙通信模塊，無線藍(lán)牙通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

WB傳感器的主要作用是對人體運(yùn)動姿態(tài)信息進(jìn)行采集，得出人體下肢運(yùn)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(yùn)動姿態(tài)四元數(shù)數(shù)據(jù)，并利用四元數(shù)轉(zhuǎn)換歐拉角算法，可以方便地得到人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度。

在康復(fù)醫(yī)學(xué)上，髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動能力是由大腿相于腰部的運(yùn)動姿態(tài)來進(jìn)行評定的；大腿膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動能力是由小腿相對于大腿的運(yùn)動姿態(tài)來進(jìn)行評定的；踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動能力是由足部相對于小腿的運(yùn)動姿態(tài)來進(jìn)行評定的。為獲取人體下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度，需分別采集腰部、大腿部、小腿部、腳部的運(yùn)動姿態(tài)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(shù)轉(zhuǎn)換算法

四元數(shù)這一概念是由愛爾蘭數(shù)學(xué)家哈密頓于1843年提出的。四元數(shù)由一個(gè)實(shí)數(shù)單位1和3個(gè)虛數(shù)單位i,j,k組成的含有4個(gè)元的數(shù)：

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

式中，w是標(biāo)量，v是矢量。

歐拉證明了一個(gè)旋轉(zhuǎn)序列等價(jià)于單個(gè)旋轉(zhuǎn)。因此三維坐標(biāo)系總的任意角位移都能表示為繞單一軸的單一旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)方位用這種形式來描述時(shí)稱作軸——角描述法。設(shè)為旋轉(zhuǎn)軸，定義其為單位長度，為繞軸旋轉(zhuǎn)的量，則軸——角對定義了一個(gè)角位移：繞指定的軸旋轉(zhuǎn)角。

四元數(shù)能被解釋為角位移的軸——角對方式[11]。

(2)

表示旋轉(zhuǎn)的四元數(shù)，可轉(zhuǎn)換為矩陣得：

(3)

然后轉(zhuǎn)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(biāo)軸的的角度。

通過慣性傳感器獲取四元數(shù)信息，可以方便地通過轉(zhuǎn)換算法，得到人體關(guān)節(jié)運(yùn)動的角度信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

步態(tài)檢測系統(tǒng)需要同時(shí)接收足底壓力采集模塊及運(yùn)動信息采集模塊的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，如存儲、顯示、算法實(shí)現(xiàn)等。步態(tài)檢測系統(tǒng)軟件分為足底壓力采集軟件和上位機(jī)軟件。

足底壓力采集軟件負(fù)責(zé)足底壓力信息的采集、傳輸。上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)接收、處理足底壓力及關(guān)節(jié)運(yùn)動信息，并顯示及存儲。另外，運(yùn)動信息采集模塊通過藍(lán)牙集線器與上位機(jī)直接通信，運(yùn)動信息采集模塊的信息傳輸由藍(lán)牙集線器完成，因此，關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的數(shù)據(jù)處理在上位機(jī)進(jìn)行。

3.1 足底壓力采集軟件設(shè)計(jì)

鞋墊上的薄膜傳感器的壓力變化經(jīng)過放大電路后，由STC15單片機(jī)實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波，并通過NRF24L01無線通信模塊傳輸至上位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。足底壓力采集軟件用于控制STC15單片機(jī)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換、處理以及數(shù)據(jù)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

步態(tài)檢測系統(tǒng)通過串口與PC機(jī)通信，將足底壓力采集模塊及運(yùn)動信息采集模塊的數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成數(shù)據(jù)存儲及顯示。上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)采用C++ Builder實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)軟件處理流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，針對設(shè)計(jì)要求進(jìn)行系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)。在足底壓力變化測量實(shí)驗(yàn)過程中，將足底壓力檢測鞋墊放置于鞋內(nèi)，同時(shí)將7個(gè)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(tài)走路，實(shí)時(shí)獲取足底壓力變化及關(guān)節(jié)運(yùn)動角度變化情況的數(shù)據(jù)。同樣為了控制每次實(shí)驗(yàn)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(shí)，實(shí)時(shí)采集足底壓力數(shù)據(jù)，因左右兩側(cè)足底壓力數(shù)據(jù)具有對稱性，圖7僅列出右側(cè)壓力信息。

圖7 右側(cè)足底壓力數(shù)據(jù)波形

足底壓力采集模塊可以實(shí)現(xiàn)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(tài)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(gè)受力點(diǎn)所受到的壓力是以一定規(guī)律呈現(xiàn)周期性變化的，根據(jù)對這些變化的分析可以初步得出在某一時(shí)刻被測者足部所處的位置以及其步態(tài)情況。

4.2 關(guān)節(jié)運(yùn)動信息采集測試

在實(shí)驗(yàn)中，獲取人體各部位WB傳感器采集的四元數(shù)信息，通過轉(zhuǎn)換算法可以獲取人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)角度。如圖8所示。

圖8 多行走周期運(yùn)動角度變化信息

圖中數(shù)據(jù)較好反映了人體步態(tài)行走過程中，人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)運(yùn)動角度的周期變化情況。使用WB傳感器，并結(jié)合四元數(shù)轉(zhuǎn)換算法，能夠快速獲取下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動角度的變化信息。可以在偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練中，為治療師判斷患者運(yùn)動能力、制定康復(fù)計(jì)劃提供有效的依據(jù)。

5 結(jié)束語

針對目前步態(tài)檢測系統(tǒng)中存在的一些問題，設(shè)計(jì)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(yùn)動信息的檢測系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了足底壓力檢測電路的電路硬件設(shè)計(jì)，慣性傳感器數(shù)據(jù)的獲取，無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠完成8路足底壓力信號的采集與實(shí)時(shí)顯示、存儲，以及患者關(guān)節(jié)運(yùn)動角度信息的獲取，能夠進(jìn)行穿戴式足底壓力檢測和人體步態(tài)分析，在實(shí)際的偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練中有較好的實(shí)用性，以及在未來的康復(fù)訓(xùn)練量化評價(jià)系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。