日常活动锻炼的足底压力监测系统设计
附件I.:外文资料翻译译文
日常活动锻炼的足底压力监测系统设计
任吕平,李德裕,刘瑞,杨阳,钱军,杨松,濮方,牛海军
生物科学与医学工程,北京航空航天大学,北京I.00I.IXI.,中国
摘要:在本文中,我们描述了I.个可用于监测足底日常活动锻炼应力评估的压力的足底压力监控系统.系统实现参数的实时测量,传输,数据分析和存储.在前人研究的基础上,鞋垫包含V个力传感器,保证合理的精度,降低系统成本.使用蓝牙技术使系统实时通信,这不仅使设备简单方便,也给家庭日常活动状况带来了监测.
关键字:足底压力;蓝牙技术;可穿戴式系统监测
I..引言
这是众所周知的,在适当的运动中,应力起着维持人体健康的重要作用,但过量的锻炼可能有害健康.连续系统运动应激监测对运动功能和健康状况,运动适宜度评价应力和选择适当的运动模式是很有用的警告.
足底压力分布是I.个评价锻炼和健康状况的关键指标.足底压力可以反映人的身体状况[I.].随着时间的推移,我们通过观测足底压力分布和足部不同部位运动参数的变化,可以分析出足畸形的存在,辨认尸体姿态控制,和预测运动所带来的损伤.
力板,力平台和压力鞋垫是近年来涌现出的热门的足底压力测量系统[II].力板和力平台中由于有限的受力面积,所以常用于实验室.压力鞋垫系统可无限制地应用于不同的室内和室外.如今pedar-x(新,Inc.)和F(Tekscan,Inc.)是流行在鞋的压力测量中性能优越的设备.然而,这些测试系统方法是昂贵的,I.般要求专用的实验室.
我们的研究小组已经做了大量的简化现有的压力鞋垫工作,并且取得了良好的效果.本文中所研究的鞋的足底压力监测系统是以前的研究,以降低成本.同时,该系统具有由蓝牙实现的无线通信技术,使它更便于携带和发展.近年来,医学模式已经在治疗疾病监测上有 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
所改变.符合医学模式的发展趋势,我们所讨论的是低成本,低功耗,便携式和用户友好的系统,这将应用于监测足底压力的生活运动应激评价活动.
II.系统结构
该监测系统由III个功能部件组成:传感鞋垫,信号的采集和传输系统,配备蓝牙上位机.系统结构示于图I.:
第I.部分包括前测力传感器,信号滤波和放大电路.力传硬件坚持的鞋垫是非常薄的,所以主体的日常锻炼将不被打扰,硬件设计紧凑portable.I.VI-bit?CVIII0VI.FIVI.0单片机采集到I.V0Hz采样率的模拟信号,并将数据信号经I.II位A/D芯片转换后发送到上位机.由于无线收发器有这样I.个广泛的标准的无线接口启用,传感器数据可以通过蓝牙的任何处理单元实时发送.
信号可以实时显示,分析和保存.上位机可以配备蓝牙模块装置,如PC,PDA和智能手机.
图I.系统结构
III.硬件设计
A.传感器的选择和模拟电路
在该系统中使用的力传感器必须满足两个要求.
(I.)力灵敏度范围应适当.人的足底最大承载力约I.00公斤而最小承载力为接触面积约IIcm?×I.cm时×普通人的正常速度步行[?III?].考虑到可能出现剧烈的运动和高跟鞋的因素,所以最大的轴承力应有所增大.
(II)为了保证受试者穿着舒适,传感器必须选择非常薄的,灵活的.
采用Tekscan,Inc为选择系统的力传感器的Flexiforce传感器,Flexiforce是电阻减小所施加的负荷增加的传感器.力灵敏度范围是适当的,厚度为0.II0VIIImm,器件的上升时间是小于II0μ秒的,其优良的性能满足以上要求.
分压器是用来衡量力传感器的电阻的变化.电路实现如图II所示,其中包括低通滤波器部分.
图IIFlexiforce传感器原理图
结果表明,足部负荷可以通过从前人的研究[IV]的V个压力传感器而具有良好的估计和合理的精度压力数据.足底力可以通过回归估计水平行走和这V个压力数据方程区域得出这样的结论.
因此根据以往的结果V个力传感器的选择定位在鞋垫上.图III显示了确切的传感器的位置.水平的回归方程步行:
F=VI.VIVIIIX+I..IIIVIIVII×PVIIIII+II.IIVIII×PI.VII+I..III.IX×PVIIVIII+I..I.I.VII×PI.+0.IVIXII×PIXVI,
RII=0.IXVIVII(I.)
图IIIa传感器的位置(右足)在回归的要求模型(灰色).b鞋垫的照片与传感器编号.
B.单片机
选定的系统微控制器是通过集成产品制造,Inc的CVIII0VI.FIVI.0,该芯片具有强大的数据处理能力和丰富的外设.其嵌入式中的I.II位ADC转换速度达到II00kbps,符合V个通道压力数据采集的要求.其采样频率为I.V0Hz.硬件SMBus总线,IIIC,SPI,UART端口和IIIV端口的I/O都可以在这芯片上.微控制器通过蓝牙实现无线实时发送数据功能.
C.蓝牙模块
与其他无线通信技术相比,蓝牙技术具有许多特性,如语音和数据的应用程序运行在II.IV-II.IVVIIIVghz带中不需要申请,经营范围可达I.0m-I.00m(取决于蓝牙设备的类型).无线通信的蓝牙使用容易与许多常见的设备相组合,特别是笔记 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
本电脑和促进中的应用室内的或有限的环境的掌上电脑以及移动设置.
在这个应用程序中使用选定的蓝牙模块是lanwind公司的核心hc-0VI模块,该组件是蓝色coreIV蓝牙芯片,剑桥硅无线制造公司(CSR),这还要归功于其高密度封装技术,蓝牙芯片,电源供应,水晶,带通滤波器和相关外围电路整合为IIVIImm×I.III毫米的PCB板给了我们很大的帮助和启发.hc-0VI与主机通信通过UART(通用异步接收发送器)接口,也可通过AT命令操作,但其波特率应设置为I.I.VII00b／s.
IV.软件设计
A.单片机程序
CVIII0VI.FIVI.0编制程序在Keil软件上使用C语言平台,可以实时应用信号采集(V通道,I.V0Hz)和数据传输.
B.主机程序
电脑配备蓝牙适配器被选定为该系统接收端的数据.主机具有操作简单.界面
友好的程序的LabVIEWVIII.VI环境下设计.的功能框架和程序界面如图IV和图V所示.
图IV功能框架
图V程序界面
V.验证
为了保证测试系统的精度和可靠性,初步的实验是在I.个健康的年轻实验者身上(IIIV岁,身高I..VIIV米)并且被要求行走(正常行走在自我选择的速度)在水平地面上.同时,在相同的方式下主体的足底力数据收集依靠pedar-x鞋垫(采样率I.00赫兹,小说,慕尼黑,德国).图VI是在V个传感器区域两个系统图的比较图.
图VI两个系统比较图
用时间为横坐标和压力为纵坐标来完成所要求的标准曲线.根据图VI,这表明II个系统的结果(左:pedar-x;右:本文系统)有相似的趋势曲线.该系统可以提供定量的和可重复的结果.然而,还存有I.些不同的数值范围.这些差异主要可以归因于两个原因:I.)是鞋垫不同在健身脚和鞋垫之间造成不同程度的灵活性差异.II)两个系统中存在诸多的系统误差.
VI.讨论和结论
在实时传输,分析和保存足底压力信息的基础上我们提出了I.个无线的可穿戴式系统采样方法.该系统可以提供定量的可重复的结果.对于无线蓝牙技术的使用能够轻松联合普通设备促进在室内或有限的环境和移动环境中的应用程序的设备的使用.借鉴于以前的研究结果应用于该监控系统的设计.V个压力传感器可以准确估计足底力在日常生活中的动态运动和极大的降低设备成本.该系统具有低成本,低功耗,友好的便携式界面,其可应用于监测足底日常活动锻炼应力评估的压力.
随着数字医学技术的快速发展,数字医疗设备.新I.代远程医疗系统已引起人们很大的重视[V].在本文中,该系统可用于评价运动.健康的生活状态.未来的工作目标是为了提高用户在移动设置的步态分析独立性和连续性的培训.
参考文献
[I.]R.J.Abboud,D.I.Rowley,R.W.Newton,Lowerlimbmuscledysfunctionmaycontributetofootulcerationindiabeticpatients,"ClinicalBiomechanics,vol.I.V,Jan.II000,pp.IIIVII-IVV,doi:I.0.I.0I.VI/S0IIVIVIII-00IIIIII(IXIX)000IIIVIII-VIII.
[II]PhamH,ArmstrongDC,HarveyC,ScreeningTechniquestoIdentifyPeopleAtHighRiskforDiabeticFootUlceration,"DiabetesCare,vol.I.V,MayII000,pp.VI0VI-VII.I.,doi:I.0.IIIIIIIIVII/diacare.IIIII.V.VI0VI.
[III]WeiQihang,LuWenlian,FuZuyun,Anewsystemforfootpressuremeasurementandgaitanalysis,"ChineseJournalofBiomedicalEngineering,vol.I.IX,Jan.II000,pp.IIIII-IIIIX,doi:CNKI:SUN:ZSWY.0.II000-0I.-00IV.
[IV]QianYajun,PuFang,RenLvping,etal.OptimizationofSensorLayoutfortheWearableSystemofMonitoringFootLoadsinDailyLifeActivities[C].CHANGSHA:APCWCSII0I.I.:IIIIIV-IIIIVII.
[V]TENGXiao-fei,ZHANGYuan-ting,"M-Health:TrendsinWearableMedicalDevices,"ChineseJournalofMedicalInstrumentation,vol.V,May.II00VI,pp.IIIIII0-IIIIV0,doi:cnki:ISSN:I.VIVIII.-VIII.0IV.0.II00VI-0V-00III.
附件II:外文原文
日常活动锻炼的足底压力监测系统设计
任吕平,李德裕,刘瑞,杨阳,钱军,杨松,濮方,牛海军
生物科学与医学工程,北京航空航天大学,北京I.00I.IXI.,中国
摘要:在本文中,我们描述了I.个可用于监测足底日常活动锻炼应力评估的压力的足底压力监控系统.系统实现参数的实时测量,传输,数据分析和存储.在前人研究的基础上,鞋垫包含V个力传感器,保证合理的精度,降低系统成本.使用蓝牙技术使系统实时通信,这不仅使设备简单方便,也给家庭日常活动状况带来了监测.
关键字:足底压力;蓝牙技术;可穿戴式系统监测
I..引言
这是众所周知的,在适当的运动中,应力起着维持人体健康的重要作用,但过量的锻炼可能有害健康.连续系统运动应激监测对运动功能和健康状况,运动适宜度评价应力和选择适当的运动模式是很有用的警告.
足底压力分布是I.个评价锻炼和健康状况的关键指标.足底压力可以反映人的身体状况[I.].随着时间的推移,我们通过观测足底压力分布和足部不同部位运动参数的变化,可以分析出足畸形的存在,辨认尸体姿态控制,和预测运动所带来的损伤.
力板,力平台和压力鞋垫是近年来涌现出的热门的足底压力测量系统[II].力板和力平台中由于有限的受力面积,所以常用于实验室.压力鞋垫系统可无限制地应用于不同的室内和室外.如今pedar-x(新,Inc.)和F(Tekscan,Inc.)是流行在鞋的压力测量中性能优越的设备.然而,这些测试系统方法是昂贵的,I.般要求专用的实验室.
我们的研究小组已经做了大量的简化现有的压力鞋垫工作,并且取得了良好的效果.本文中所研究的鞋的足底压力监测系统是以前的研究,以降低成本.同时,该系统具有由蓝牙实现的无线通信技术,使它更便于携带和发展.近年来,医学模式已经在治疗疾病监测上有 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
所改变.符合医学模式的发展趋势,我们所讨论的是低成本,低功耗,便携式和用户友好的系统,这将应用于监测足底压力的生活运动应激评价活动.
II.系统结构
该监测系统由III个功能部件组成:传感鞋垫,信号的采集和传输系统,配备蓝牙上位机.系统结构示于图I.:
第I.部分包括前测力传感器,信号滤波和放大电路.力传硬件坚持的鞋垫是非常薄的,所以主体的日常锻炼将不被打扰,硬件设计紧凑portable.I.VI-bit?CVIII0VI.FIVI.0单片机采集到I.V0Hz采样率的模拟信号,并将数据信号经I.II位A/D芯片转换后发送到上位机.由于无线收发器有这样I.个广泛的标准的无线接口启用,传感器数据可以通过蓝牙的任何处理单元实时发送.
信号可以实时显示,分析和保存.上位机可以配备蓝牙模块装置,如PC,PDA和智能手机.
图I.系统结构
III.硬件设计
A.传感器的选择和模拟电路
在该系统中使用的力传感器必须满足两个要求.
(I.)力灵敏度范围应适当.人的足底最大承载力约I.00公斤而最小承载力为接触面积约IIcm?×I.cm时×普通人的正常速度步行[?III?].考虑到可能出现剧烈的运动和高跟鞋的因素,所以最大的轴承力应有所增大.
(II)为了保证受试者穿着舒适,传感器必须选择非常薄的,灵活的.
采用Tekscan,Inc为选择系统的力传感器的Flexiforce传感器,Flexiforce是电阻减小所施加的负荷增加的传感器.力灵敏度范围是适当的,厚度为0.II0VIIImm,器件的上升时间是小于II0μ秒的,其优良的性能满足以上要求.
分压器是用来衡量力传感器的电阻的变化.电路实现如图II所示,其中包括低通滤波器部分.
图IIFlexiforce传感器原理图
结果表明,足部负荷可以通过从前人的研究[IV]的V个压力传感器而具有良好的估计和合理的精度压力数据.足底力可以通过回归估计水平行走和这V个压力数据方程区域得出这样的结论.
因此根据以往的结果V个力传感器的选择定位在鞋垫上.图III显示了确切的传感器的位置.水平的回归方程步行:
F=VI.VIVIIIX+I..IIIVIIVII×PVIIIII+II.IIVIII×PI.VII+I..III.IX×PVIIVIII+I..I.I.VII×PI.+0.IVIXII×PIXVI,
RII=0.IXVIVII(I.)
图IIIa传感器的位置(右足)在回归的要求模型(灰色).b鞋垫的照片与传感器编号.
B.单片机
选定的系统微控制器是通过集成产品制造,Inc的CVIII0VI.FIVI.0,该芯片具有强大的数据处理能力和丰富的外设.其嵌入式中的I.II位ADC转换速度达到II00kbps,符合V个通道压力数据采集的要求.其采样频率为I.V0Hz.硬件SMBus总线,IIIC,SPI,UART端口和IIIV端口的I/O都可以在这芯片上.微控制器通过蓝牙实现无线实时发送数据功能.
C.蓝牙模块
与其他无线通信技术相比,蓝牙技术具有许多特性,如语音和数据的应用程序运行在II.IV-II.IVVIIIVghz带中不需要申请,经营范围可达I.0m-I.00m(取决于蓝牙设备的类型).无线通信的蓝牙使用容易与许多常见的设备相组合,特别是笔记 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
本电脑和促进中的应用室内的或有限的环境的掌上电脑以及移动设置.
在这个应用程序中使用选定的蓝牙模块是lanwind公司的核心hc-0VI模块,该组件是蓝色coreIV蓝牙芯片,剑桥硅无线制造公司(CSR),这还要归功于其高密度封装技术,蓝牙芯片,电源供应,水晶,带通滤波器和相关外围电路整合为IIVIImm×I.III毫米的PCB板给了我们很大的帮助和启发.hc-0VI与主机通信通过UART(通用异步接收发送器)接口,也可通过AT命令操作,但其波特率应设置为I.I.VII00b／s.
IV.软件设计
A.单片机程序
CVIII0VI.FIVI.0编制程序在Keil软件上使用C语言平台,可以实时应用信号采集(V通道,I.V0Hz)和数据传输.
B.主机程序
电脑配备蓝牙适配器被选定为该系统接收端的数据.主机具有操作简单.界面
友好的程序的LabVIEWVIII.VI环境下设计.的功能框架和程序界面如图IV和图V所示.
图IV功能框架
图V程序界面
V.验证
为了保证测试系统的精度和可靠性,初步的实验是在I.个健康的年轻实验者身上(IIIV岁,身高I..VIIV米)并且被要求行走(正常行走在自我选择的速度)在水平地面上.同时,在相同的方式下主体的足底力数据收集依靠pedar-x鞋垫(采样率I.00赫兹,小说,慕尼黑,德国).图VI是在V个传感器区域两个系统图的比较图.
图VI两个系统比较图
用时间为横坐标和压力为纵坐标来完成所要求的标准曲线.根据图VI,这表明II个系统的结果(左:pedar-x;右:本文系统)有相似的趋势曲线.该系统可以提供定量的和可重复的结果.然而,还存有I.些不同的数值范围.这些差异主要可以归因于两个原因:I.)是鞋垫不同在健身脚和鞋垫之间造成不同程度的灵活性差异.II)两个系统中存在诸多的系统误差.
VI.讨论和结论
在实时传输,分析和保存足底压力信息的基础上我们提出了I.个无线的可穿戴式系统采样方法.该系统可以提供定量的可重复的结果.对于无线蓝牙技术的使用能够轻松联合普通设备促进在室内或有限的环境和移动环境中的应用程序的设备的使用.借鉴于以前的研究结果应用于该监控系统的设计.V个压力传感器可以准确估计足底力在日常生活中的动态运动和极大的降低设备成本.该系统具有低成本,低功耗,友好的便携式界面,其可应用于监测足底日常活动锻炼应力评估的压力.
随着数字医学技术的快速发展,数字医疗设备.新I.代远程医疗系统已引起人们很大的重视[V].在本文中,该系统可用于评价运动.健康的生活状态.未来的工作目标是为了提高用户在移动设置的步态分析独立性和连续性的培训.
参考文献
[I.]R.J.Abboud,D.I.Rowley,R.W.Newton,Lowerlimbmuscledysfunctionmaycontributetofootulcerationindiabeticpatients,"ClinicalBiomechanics,vol.I.V,Jan.II000,pp.IIIVII-IVV,doi:I.0.I.0I.VI/S0IIVIVIII-00IIIIII(IXIX)000IIIVIII-VIII.
[II]PhamH,ArmstrongDC,HarveyC,ScreeningTechniquestoIdentifyPeopleAtHighRiskforDiabeticFootUlceration,"DiabetesCare,vol.I.V,MayII000,pp.VI0VI-VII.I.,doi:I.0.IIIIIIIIVII/diacare.IIIII.V.VI0VI.
[III]WeiQihang,LuWenlian,FuZuyun,Anewsystemforfootpressuremeasurementandgaitanalysis,"ChineseJournalofBiomedicalEngineering,vol.I.IX,Jan.II000,pp.IIIII-IIIIX,doi:CNKI:SUN:ZSWY.0.II000-0I.-00IV.
[IV]QianYajun,PuFang,RenLvping,etal.OptimizationofSensorLayoutfortheWearableSystemofMonitoringFootLoadsinDailyLifeActivities[C].CHANGSHA:APCWCSII0I.I.:IIIIIV-IIIIVII.
[V]TENGXiao-fei,ZHANGYuan-ting,"M-Health:TrendsinWearableMedicalDevices,"ChineseJournalofMedicalInstrumentation,vol.V,May.II00VI,pp.IIIIII0-IIIIV0,doi:cnki:ISSN:I.VIVIII.-VIII.0IV.0.II00VI-0V-00III.
附件II:外文原文
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