正常行走足底压力测定与临床作用

正常行走足底压力测定与临床作用

作者：黄海晶王志彬金鸿宾

【摘要】［目的］应用自行制作的微型压力传感器进行正常行走足底压力测定与临床实测。［方法］作者将微型压力传感器组装成测力鞋，采用视频计算机处理的方式，动态采集、分析一个步态周期全过程的足底压力分布，同时结合临床病人分析足底压力的病理变化规律。［结果］在正常组行走过程中，前足承担体重的49%，中足与后足共同负担体重的51%，而在病理状态下，人体行走出现动态失衡，引起足部负重的病理改变。［结论］通过动态分析足底压力的正常分布与病理改变，明确病因并为临床治疗提供借鉴。

【关键词】足底压力微型压力传感器步态分析

Measurement and clinical application of normal plantar pressure∥

Abstract：［Objective］To develop a mini pressure sensor(MPS) for measurement of plantar pressure(PP) and to evaluate its clinical application.［Method］The MPS was installed in the shoes,and computer was used to accumulate and analyze the change of PP in whole walking stage.Pathologic changes of PP in clinical patients were also analyzed by MPS.［Result］In normal walking,the PP of forefoot was 49% of body weight(BW) and of midfoot and heel was totally 51% of BW,but at pathologic state,the equilibrium of walking was dynamically disrapted inducing a pathologic changes of foot bearing.［Conclusion］Self developed MPS for measuring PP is help for dynamic analysis of normal PP and is valuable to recognize the pathologic distribution of PP in pathological state and to provide a guide for treatment.

Key words：plantar pressure; mini pressure sensor; gait analysis

步行是人类最基本的运动之一，人体的生理、病理甚至精神状态的各种变化都会不同程度地影响到步态〔1、2〕。创伤与多种骨科疾患都可以造成患者的异常步态〔3、4〕。

目前常用的步态参数测定方法有2种：一种是对行走过程拍摄电影技术图片进行分析，以获得运动学基本参数，多用于关节角度的变化分析〔5〕。另一种是被测者与测定装置直接联系在一起，直接测定出动力学基本参数，多见于人体步态负重力学的分析〔6〕。

目前测力鞋的应用使后者的研究大为简便。为了探求行走的生物力学原理，作者自行制作了微型压力传感器并组装成测力鞋测定装置对临床病人进行了动态实测。

1 材料与方法

1.1 实验对象

选取正常健康男性受试者10名，年龄23～58岁，平均33.7岁，体重56～72 kg，平均65.6 kg。在临床生物力学测试中选取2名患者，其中膝部腘绳肌损伤1例，足下垂的病人1例。

1.2 传感器的制作与工作原理

1.2.1 随着生物力学的发展，实验工作已经成为专门的学科，为了测试人体助行带的生物力学参数，作者制作了应变片式微型压力传感器，表面为4片电阻应变片对称黏贴在弹性薄板上，薄板底部也黏贴有同样4片电阻应变片，总共8片电阻应变片组成全桥（图1）。

微型压力传感器工作原理为，传感器表面为一测压板，足底压力作用在测压板上，测压板通过中心的圆珠将压力传递到弹性薄板上，引起弹性薄板的变形。通过黏贴在弹性薄板上的应变片测试到弹性薄板的变形（应变），通过标定从而得到足底压力的大小（图2）

1.2.2 系统硬件技术指标

足底压力分布测量的仪器采用了DSPS 1000型集成化动态信号采集分析系统，该系统将微机、动态信号测量仪和数据采集集成一体，全部硬件实现程控化，具有测试精度高、抗干扰能力强、体积小等特点。该系统可以对大容量、多通道的动态信号自动进行数据采集和分析，测试系统如图3所示。每个传感器量程为20 kg，测量分辨率为0.015 kg左右，采样率：125 Hz，采样时间：25 s，传感器频率响应：0～1 000Hz。

图1微型压力传感器内部构造（略）

图2测量电桥（略）

图3动态信号采集系统示意图（略）

1.2.3 系统工作原理

本足底压力分布测量系统共使用了6个微型压力传感器，分别置于受试者的第1跖骨头、第2、3跖骨头、第4、5跖骨头、足内侧弓、足外侧弓以及足跟的实测部位上。这样正常受试者与患者可以通过脚踏测力鞋来稳步完成负重活动。通过压力传感器、DSPS 1000动态信号采集系统组成的测力系统就能准确地测量和记录人体运动过程中发出的力学信息。

1.2.4 系统软件结构

（1）实时数据采集模块:该模块主要是采集患者在步行过程中动态足底压力数据。当传感器出现压力时，计算机开始测试实验数据，并按帧（1 024数据点／帧）自动存储所有的测试数据。为保证数据分析的统一性，多个传感器的测试数据分通道按帧同步进行采集和存储，并将测试的数据保存为一个数据文件。（2）数据存贮模块:将患者足底压力数据和患者的相关资料自动存贮和保存，并可以将保存的数据文件分通道按帧以图形曲线的形式显示，便于查询和分析测试结果。

1.3 实验步骤

进入室内先由操作人员讲解测试要点和方法，并观看演示，将测试鞋制成受试者足等大尺寸测试，将鞋内传感器导线于受试者足外侧引出接电子计算机。按要求穿上满布传感器的应力测试鞋往返平步行走3～4次，正常组左右侧足不限，随机选定，测试组选定患足。

1.4 统计学处理

根据实验资料要求，选用t检验及方差分析检验方法，以P＜0.05为差别有显著性。所有统计过程采用SPSS 10.0统计软件包，在电子计算机上进行。

2 实验结果

2.1 正常组行走测定