下肢癱瘓人群智能監(jiān)測鞋設計開發(fā)

摘 要：針對下肢癱瘓人群在外出活動或者康復訓練中無法準確感知下肢痛覺、腳踝扭傷后不能及時發(fā)現(xiàn)的問題，設計了帶有防護功能的智能監(jiān)測鞋。通過對足踝生理結(jié)構(gòu)和損傷機制的研究，總結(jié)歸納出足踝活動閾值，利用MPU6050姿態(tài)傳感器對用戶的足踝活動進行實時監(jiān)測；并設計手機APP對監(jiān)測狀態(tài)進行反饋；通過對足踝處壓力值的重新分配設計了彈性護踝，將護踝與鞋子一體化創(chuàng)新設計以此實現(xiàn)智能監(jiān)測鞋的防護性能和監(jiān)測性能。智能監(jiān)測鞋能對用戶的腳踝起到一定的防護和受傷警示作用，在下肢癱瘓人群日常生活和康復訓練中起到了積極作用。

關鍵詞：智能服裝；姿態(tài)傳感器；智能警示；護踝鞋

中圖分類號：TS941.12 文獻標識碼：A 文章編號：2095－414X（2024）03－0070－06

0 "引言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的數(shù)據(jù)，全球有超過250萬下肢癱瘓患者，造成下肢癱瘓主要是脊髓損傷、腦部疾病和損傷、肌肉和神經(jīng)疾病、外傷意外事故或先天缺陷癱瘓影響神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)功能，包括感覺、肌肉控制和協(xié)調(diào)能力，這些功能的下降會導致關節(jié)的穩(wěn)定性下降^[1]等。對于癱瘓患者，保持關節(jié)的穩(wěn)定性非常重要。踝關節(jié)扭傷是最常見的扭傷之一，其中74%的踝關節(jié)扭傷患者會出現(xiàn)持續(xù)的殘余癥狀^[2]。踝關節(jié)作為連接小腿和腳部的關節(jié)，在人體坐姿狀態(tài)或行走時不易觀察其狀態(tài)，尤其是癱瘓人群在日常使用輪椅或康復訓練中容易造成腳踝扭傷，且癱瘓人群肢體自愈能力差，易導致病情惡化^[3]。智能監(jiān)測鞋可以實時監(jiān)測癱瘓人群腳部狀態(tài)，對扭傷情況及時反饋，并帶有護踝功能，可以減少癱瘓人群足踝受傷概率。

目前關于監(jiān)測姿態(tài)服裝的研究主要采用傳感器監(jiān)測人體狀態(tài)并通過無線傳輸模塊傳達到信號接收設備。如李帥等^[4-6]通過慣性傳感器監(jiān)測頸椎和胸椎狀態(tài)判斷人體坐姿，結(jié)合貼片電動機對坐姿進行矯正提醒。王樂樂等^[7-8]用傾斜角加速度傳感器對用戶身體姿態(tài)進行監(jiān)測判斷用戶是否摔倒，若系統(tǒng)監(jiān)測到用戶摔倒智能芯片可以實現(xiàn)快速報警，并將用戶的位置信息發(fā)送到緊急聯(lián)系人手機上。王夢琦^[9]結(jié)合人體腿部不同位置的變化信號，制備了基于姿態(tài)傳感器的可拆卸式傳感器，可以監(jiān)測蛙泳時人體腿部的動作變化。由此可見，目前關于姿態(tài)監(jiān)測服裝有了一定程度的發(fā)展，但大多數(shù)產(chǎn)品使用單一傳感器監(jiān)測人體某一部位的姿態(tài)，姿態(tài)識別不準確，容易造成系統(tǒng)誤判，且大部分只是將傳感器簡單地放置在現(xiàn)有的服裝上，沒有將傳感器與服裝進行結(jié)合設計，實用性不強。

因此，本文建立了基于雙姿態(tài)傳感器的智能監(jiān)測系統(tǒng)，將智能監(jiān)測模塊與鞋子進行結(jié)合，設計了APP進行數(shù)據(jù)反饋和腳部狀態(tài)顯示，并根據(jù)癱瘓人群護踝需求和監(jiān)測硬件與產(chǎn)品結(jié)合問題對鞋子款式進行創(chuàng)新設計。這種設計方案在物理提高足踝穩(wěn)定性的同時對足部狀態(tài)進行實時監(jiān)測，在癱瘓病人日常生活及康復訓練中起到了積極作用。

1 "足踝生理結(jié)構(gòu)和踝關節(jié)損傷機制

踝關節(jié)由脛骨、腓骨下端的關節(jié)面和距骨滑車組成，也稱為距骨小腿關節(jié)，三者為主要的活動骨關節(jié)^[10]。踝韌帶結(jié)構(gòu)由下脛腓韌帶、內(nèi)側(cè)韌帶和外側(cè)韌帶組成。韌帶能夠使骨關節(jié)相互連接和運動，同時對抗足外翻、足內(nèi)翻和后足外翻等作用，踝韌帶在踝關節(jié)結(jié)構(gòu)中對保持穩(wěn)定起著重要作用^[10]。人體足踝運動是復雜的組合運動，包括背屈、屈曲、內(nèi)翻和外翻。相關實驗指出足踝伸屈運動可以視為具有一個特定的旋轉(zhuǎn)中心，在運動中受關節(jié)面支撐，韌帶產(chǎn)生拉力，可以通過機械連桿機構(gòu)模擬伸屈運動規(guī)律^[11]。

當踝關節(jié)受到扭轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、伸張或屈曲等力量時，踝關節(jié)周圍的肌肉、韌帶和骨骼會發(fā)揮作用來維持關節(jié)的穩(wěn)定性，如果這些組織受到損傷，就會影響踝關節(jié)的穩(wěn)定性，導致踝關節(jié)扭傷和其他損傷。足踝的耐受限度取決于多個因素，包括骨骼結(jié)構(gòu)、肌肉強度和柔韌性等。根據(jù)查閱相關資料總結(jié)^[12-13]，踝關節(jié)運動范圍為20°的背伸運動、40°的跖屈運動；內(nèi)翻30°，外翻20°；以踝關節(jié)為軸心腳掌的左右旋轉(zhuǎn)，跗骨關節(jié)內(nèi)收30°，向外展為30°。

人體的骨骼存在一定的個體差異，尤其是在特殊人群之間，但是足踝運動的主要特征在基本結(jié)構(gòu)和形態(tài)保持不變的情況下會保持一致^[14]。癱瘓患者下肢長期無法充分活動，會導致肌肉和韌帶逐漸縮短變硬，鄰近的韌帶也會受到影響，使癱瘓部位的關節(jié)變僵，限制肌肉和韌帶的活動范圍^[15]。因此與普通人相比，足踝運動耐受角度更小。在監(jiān)測系統(tǒng)中，將各個耐受角度縮減5°，設置耐受限度背伸運動15°，跖屈運動35°，內(nèi)翻25°。外翻15°，內(nèi)收25°，外展25°，如圖1所示。

2 "智能監(jiān)測鞋整體研發(fā)方案

智能服裝是服裝工藝、信息傳感技術、通信技術和人工智能等領域的有機結(jié)合^[16]。智能服裝不僅要感知外部環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)的變化，而且要通過反饋機制實時地對這種變化做出反應。因此，智能監(jiān)測鞋的設計不僅需要探索在系統(tǒng)功能上的參數(shù)設計，也要根據(jù)癱瘓人群對穿鞋的需求進行功能和款式設計創(chuàng)新。

本文智能鞋的研發(fā)分為腳踝姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)和款式開發(fā)兩個方面。姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過腳踝上下的兩個姿態(tài)傳感器提供實時數(shù)據(jù)，由藍牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP，再由軟件對數(shù)據(jù)進行判定，若數(shù)據(jù)超過閾值，系統(tǒng)則會通過手機聲音震動對用戶進行提醒。用戶可以在APP端通過虛擬三維模型查看腳部狀態(tài)，及時對下肢狀態(tài)進行調(diào)整，降低受傷概率?？钍介_發(fā)包括對護踝功能的設計和鞋子整體設計，將硬件監(jiān)測模塊、護踝和鞋子進行創(chuàng)新結(jié)合，使其在具備功能的同時更加方便癱瘓人群穿脫。整體設計方案如圖2所示。

3 "智能監(jiān)測鞋系統(tǒng)設計

3.1 "硬件系統(tǒng)設計

智能監(jiān)測硬件系統(tǒng)分為左腳和右腳兩個部分，每部分都成一個獨立的硬件系統(tǒng)，分別由STM32F103C8T6微控制器、兩個GY-521MPU- 6050慣性傳感器、HC-06主從一體藍牙、開關和電源組成。如圖3所示，系統(tǒng)中，慣性傳感器1放置在腳踝下面，慣性傳感器2放置在腳踝上面，通過對兩個傳感器之間角度的判定對用戶足踝狀態(tài)進行實時監(jiān)測，STM32微控制器將數(shù)據(jù)采集后通過串口發(fā)送到藍牙模塊，再由藍牙HC-06將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP。為方便后期軟件更新和系統(tǒng)升級，由手機APP對數(shù)據(jù)進行判定。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

STM32微控制器尺寸22mm×53mm，供電電壓2.0V-3.6V，支持低功耗模式，擁有USB、CAN、2個ADC和9個通信接口，性能穩(wěn)定，處理速度快。GY-521MPU-6050慣性傳感器尺寸20mm×15mm，搭載三軸陀螺儀和三軸加速度計，供電電源3-5V，角速度全格感測范圍為±250°、±500°、±1000°與±2000°/SEC（DPS），可準確追蹤快速與慢速動作。HC-06主從一體藍牙尺寸35mm×15mm，輸入電壓3.6-6V，接口電平3.3V，可以直接連接各種單片機，空曠地有效距離10m，引出接口包括VCC、GND、TXD、RXD、KEY引腳、藍牙連接狀態(tài)引出腳。硬件監(jiān)測系統(tǒng)電路圖如圖5所示。

3.2 "軟件系統(tǒng)設計

APP軟件系統(tǒng)設計包括數(shù)據(jù)接收與3D顯示以及數(shù)據(jù)判斷與危險報警兩個部分。當APP通過藍牙接收到用戶腳部狀態(tài)數(shù)據(jù)時，通過計算后會將數(shù)據(jù)在手機界面以三維的形態(tài)顯示出來，方便用戶查看。當系統(tǒng)監(jiān)測到用戶腳部可能處于不正常狀態(tài)時，手機會彈出危險報警對話框，并伴隨聲音震動提醒用戶查看腳部狀態(tài)，若用戶在20秒內(nèi)沒有點擊取消，系統(tǒng)會再次通過手機聲音震動對用戶提示，二次提醒延時20秒后APP會自動向監(jiān)護人發(fā)送短信，以確保用戶的安全。

APP首頁通過藍牙連接與產(chǎn)品進行配對使用，連接藍牙后即可進入實時狀態(tài)界面，界面中人體腳部以三維狀態(tài)顯示以方便用戶查看。APP配備論壇交流功能，用戶可在論壇中發(fā)帖交流。在用戶界面中用戶可以根據(jù)個人喜好對APP色彩、設備名稱等進行個性化設置。APP界面如圖6所示。

3.3 "姿態(tài)監(jiān)測算法

如圖7所示，傳感器1被放置腳踝下方，傳感器角度會跟隨腳踝的變化進行變化，以此達到對腳踝監(jiān)測的目的。人體腳踝曲率會在x₁、y₁軸發(fā)生變化，因此引入z₁軸傾斜角度θ來反應腳踝角度變化范圍，分別用θx和θy表示x軸和y軸上的彎曲角度。不管腳踝角度如何變化，θ值都會跳動。因此姿態(tài)角θ可以作為判斷人體姿態(tài)的參考量。其定義為：

在智能監(jiān)測鞋系統(tǒng)中需要對踝關節(jié)變化引起的姿態(tài)角θ變化和其他關節(jié)引起的姿態(tài)角θ變化進行區(qū)分。因此，將傳感器1放置在踝關節(jié)下方，引入傳感器2放置在踝關節(jié)上方。

兩個傳感器原始為平行狀態(tài)，傳感器2為傳感器1提供角度參考。當兩個傳感器同時檢測到角度發(fā)生變化，且兩個傳感器之間的角度沒有超過設置閾值時，系統(tǒng)則判定為其他關節(jié)變化引起的姿態(tài)角θ發(fā)生變化。當傳感器1與傳感器2同時變化或傳感器1單獨變化，二者之間的角度超過閾值，此時無論傳感器2處于何種角度，系統(tǒng)都會判定是由踝關節(jié)變化引起的姿態(tài)角θ變化，若角度超出閾值，則判定為腳踝可能處于不正常狀態(tài)，觸發(fā)手機報警提示。根據(jù)前期研究，對z₁軸相對旋轉(zhuǎn)角度閾值設置+25°，-25°；x₁軸相對旋轉(zhuǎn)角度設置+15°，-35；y₁軸相對旋轉(zhuǎn)角度設置+25°，-15°，左右腳取反。

MPU6050傳感器模塊采集小腿和腳部運動角度，通過串口傳輸?shù)絊TM32微控制器中，微控制器接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行姿態(tài)運算，通過藍牙將運算數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C端口，手機APP對數(shù)據(jù)進行判斷，如果判斷出用戶腳踝角度超過正常閾值，則會通過手機聲音震動進行提示。姿態(tài)識別算法實現(xiàn)流程圖如圖8所示。

4 "智能監(jiān)測鞋護踝功能和款式設計

4.1 "智能監(jiān)測鞋護踝設計

從足踝運動損傷機制來看，限制足踝運動角度范圍是一種有效的護踝產(chǎn)品設計方法，護踝產(chǎn)品可以有效減少踝關節(jié)扭傷的情況^[17]?，F(xiàn)有的踝護具主要分為彈性類和支撐類兩種。彈性類護具可以根據(jù)壓力需求纏繞在人體關節(jié)部位，主要用于運動時的關節(jié)防護，穿戴方便、舒適透氣；支撐類護具采用柔性、半剛性或剛性材料制作，對關節(jié)的固定性更強，主要用于足踝部位受傷后恢復使用^[11]585-591。且有研究表明適當壓力的服裝可以有益于消除肌肉疼痛、肌肉損害和炎癥^[18]，因此在智能監(jiān)測鞋的設計中采用彈性類護具。

彈性護踝的款式設計重點應考慮兩個方面：第一提高護踝拉力和壓力，輔助韌帶發(fā)揮作用，第二要在人體壓力舒適范圍內(nèi)約束足踝角度范圍^[19]。彈性護踝在足踝表面產(chǎn)生壓力，受足踝表面形態(tài)相關的特征影響，考慮人體的舒適壓力，分析織物在足踝的壓力區(qū)，對較小壓力區(qū)域添加支撐材料，通過壓力傳遞提高與人體接觸部位的壓力值使彈性護踝壓力均勻分布^[20]。

如圖9所示，彈性護踝壓力極大區(qū)域主要在后腳跟，極小區(qū)域主要在內(nèi)側(cè)腳踝突出后下部分、外側(cè)腳踝突出后下部分、跖骨上部和足弓四個部位。為提高彈性護踝整體壓力，極大壓力區(qū)域采用后腳跟的鏤空設計，以減少最大壓力。極小壓力區(qū)域位于腳踝的兩側(cè)，內(nèi)側(cè)三角韌帶、外側(cè)副韌帶、距腓后韌帶和跟腓韌位于其中，這些側(cè)韌帶的薄弱性使得它們在足踝內(nèi)翻的過程中容易受傷。因此，在設計彈性護踝時需要特別考慮這些極小壓力部位。在腳踝左右側(cè)嵌入硅膠襯墊，提高該部位的壓力，使腳踝處的壓力重新分配到周圍，加大極小壓力區(qū)壓力，同時足踝兩側(cè)的硅膠襯墊在彈性織物拉力的作用下可以緊貼踝關節(jié)，在一定程度限制也踝關節(jié)的運動。為進一步增強對踝關節(jié)限制，在足踝后區(qū)和腳掌兩側(cè)設置低彈性區(qū)域。護踝款式設計及壓力測試圖如圖10所示。在CLO3D中進行壓力模擬測試，

壓力區(qū)間在3kPa～8.3kPa，參考服裝舒適性壓力不超過9kPa^[11]585-591，壓力適中。

4.2 "智能監(jiān)測鞋款式設計

鞋子整體設計不僅要考慮智能監(jiān)測模塊、護踝功能與鞋子的結(jié)合，還要具備易穿脫的功能。

4.2.1 "傳感器、護踝與鞋子的結(jié)合

如圖11（a）所示，傳感器1、電源及其其他硬件模塊置入鞋底，傳感器2放置在護踝內(nèi)側(cè)上方，兩傳感器之間使用導電紗線連接。電源充電口和開關在腳后跟部位，為防止涉水設計充電口口塞。如圖9（b）所示，將護踝與鞋子連接成一個整體，設計護后腳跟部位保護腳跟以免在用戶活動時造成不必要的磨損。

4.2.2 "穿脫設計

護踝穿脫采用在前面用魔術貼固定，即方便穿脫，也可以保證護踝緊貼踝部，適當對踝部加壓，保證腳踝上方的傳感器運動準確性。護后腳跟部位與鞋面通過彈性帶連接，連接通過魔術貼固定，進一步增加鞋子的穩(wěn)定性。

5 "結(jié)語

本文針對下肢癱瘓人群輪椅外出、日常生活或康復訓練時無法準確感知下肢狀態(tài)腳踝扭傷后不能及時發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合電子信息技術、傳感技術、紡織科學、服裝設計等多個交叉學科，設計了帶有防護功能的智能監(jiān)測鞋。通過對醫(yī)學、生物力學等方面的文獻的查閱，總結(jié)出正常人體踝關節(jié)運動范圍為背伸20°、跖屈40°；內(nèi)翻30°，外翻20°；內(nèi)收30°，外展30°。智能監(jiān)測系統(tǒng)中，通過放置在小腿內(nèi)側(cè)和腳底雙傳感器對用戶腳踝角度進行實時監(jiān)測并通過藍牙將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至手機APP端口，系統(tǒng)通過手機APP對用戶進行危險提示，并可以實時查看腳部三維狀態(tài)。為進一步防止用戶腳踝受傷，通過對足踝形態(tài)與彈性護踝壓力分析總結(jié)彈性護踝極大壓力區(qū)主要在后腳跟，極小壓力區(qū)域主要在內(nèi)側(cè)腳踝突出后下部分、外側(cè)腳踝突出后下部分、跖骨上部和足弓四個部位，通過極大壓力區(qū)鏤空，極小壓力區(qū)加入硅膠襯墊的方式增加整體壓力值，設計了鞋靴一體式護踝。將智能監(jiān)測模塊對鞋子款式進行創(chuàng)新設計，將傳感器、護踝和鞋子三者進行結(jié)合，為方便穿脫和調(diào)節(jié)壓力大小，采用魔術貼進行固定。智能監(jiān)測鞋實用性強，能有效輔助下肢癱瘓人群日?；顒雍涂祻陀柧??？紤]到市場產(chǎn)品的多元需求，在未來還需要進行更深入的研究以繼續(xù)完善產(chǎn)品。

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Design and Development of Intelligent Monitoring Shoes for Paraplegic

WANG Yan，LI Yue

（School of Fashion Design， Wuhan Textile University，"Wuhan Hubei 430073，"China）

Abstract："In order to solve the problem that people with lower limb paralysis cannot accurately perceive pain in lower limbs during outdoor activities or rehabilitation training， and cannot timely detect ankle sprain， intelligent monitoring shoes with protective function are designed. Dual attitude sensors are used to monitor the user's ankle， and the ankle guard is designed by redistributing the pressure value at the ankle. The sensor， ankle guard and shoes are combined with innovative design to increase the protection while monitoring the user's ankle. The results show that the monitoring accuracy of intelligent monitoring shoes in stationary and slow walking state is 100% and 98%， which plays a certain protective role on the user's ankle， and also plays a positive role in the daily life and rehabilitation training of lower limb paralysis.

Key"words："smart clothing; attitude sensor; intelligent warning; ankle shoes

（責任編輯：李強）

引文格式：王妍，李月. 下肢癱瘓人群智能監(jiān)測鞋設計開發(fā)[J]. 武漢紡織大學學報，2024，37（3）：70-75.

WANG Yan，LI Yue. Design and Development of Intelligent Monitoring Shoes for Paraplegic[J]. Journal of Wuhan Textile University，2024，37（3）：70-75.

*通信作者：李月（1970-），女，副教授，博士，碩士生導師，研究方向：服裝數(shù)字化與制版技術

作者簡介：王妍（1999-），女，碩士研究生，研究方向：服裝數(shù)字化與制版技術.

基金項目：武漢紡織大學服裝數(shù)字化工程技術中心基金項目（161027）.