关于足下垂患者足底压力精准检测系统设计与研究

引言

1.1 研究背景与意义

足下垂是常见的神经肌肉障碍，表现为踝关节背屈功能减弱。脑卒中后，此症状的发生率约为 20%[1]，其他原因如腰椎疾病和外伤也可能导致足下垂。患者行走时，常因足尖拖地而采取异常步态。这种步态改变了足底与地面的接触和负荷分布，导致足跟触地期缩短、前足压力增加和足外侧缘负荷集中。这些异常压力分布是导致足部疼痛、胼胝体形成、应力性骨折和溃疡的关键因素[2]。

1.2 国内外研究现状

目前临床和科研中使用的足底压力检测手段，如平板式测力台、F-Scan 或Pedar 系统，在足下垂患者的应用上存在局限性；一些系统传感器密度低，难以精确捕捉足下垂患者足部畸形或不完全接触导致的局部高压微小区域；这些系统对步态周期中关键事件的精准识别和与下肢运动学数据的同步分析能力有限[3] ；多数商业系统缺乏针对足下垂特征性压力异常的专用量化指标和评估模型[4]。

二、系统设计

2.1 系统总体架构

本系统由模块化设计构成，核心部分包括：

数据采集层：包括高密度柔性压力传感鞋垫、足踝部 IMU 传感器（含三轴加速度计和三轴陀螺仪）、信号调理电路。

数据传输层：利用基于蓝牙5.0 的低功耗、高速无线传输模块。

数据处理与分析层：嵌入式前端处理单元（用于实时步态事件检测）、后端PC 分析软件（实现压力分布可视化、参数计算、模型评估）。

2.2 高精度压力传感子系统

2.2.1 传感器选型与布局：

使用 FlexiForce A401 型号的压敏传感器阵列，每鞋垫有 128 个感应点（16x8阵列），分辨率为 4 点 /cm² ，量程 0-100N/cm² ，灵敏度高，优化用于足底压力测量 [5]。

2.2.2 信号采集与处理：

设计定制的多路复用采集电路支持 128 通道高速轮询采样，最高可达200Hz ，通常工作在 100Hz 。它包含 24 位高精度 ADC 和可编程增益放大器，以减少噪声并提高信噪比。

2.3 软件分析与评估平台

数据可视化：实时展示足底压力云图、COP 轨迹线、压力- 时间曲线。

足下垂特征量化模型：基于健康成人足底压力数据库构建统计模型，自动计算患者数据偏离程度，并生成异常热力图和量化报告。

三、研究方法

3.1 系统标定与验证

静态标定：对传感单元进行线性度、重复性、迟滞性标定，量程内线性度佳（ R²>0.99 ），重复性误差 <3% ，迟滞 <5% 。

动态验证：5 名志愿者使用本系统与实验室级测力台对比，分析vGRF 曲线、峰值大小及时相一致性。vGRF 曲线相关系数 >0.95 ，峰值力误差 <5% ，关键事件时间差 <20ms ，符合临床精度。

3.2 临床试验

招募 15 名足下垂患者（脑卒中 10 例，腓总神经损伤 5 例）及 15 名健康对照者，均知情同意。

受试者穿嵌有本系统鞋垫的测试鞋，在 10 米步道上以舒适速度行走，采集6 次有效步态数据。使用高速摄像机记录步态，验证事件识别准确性。

四、结果

4.1 系统性能

本系统经过标定与验证试验，显示出良好的静态精度和动态可靠性，适合足底压力生物力学研究。

4.2 足下垂患者足底压力特征

与健康组相比，足下垂患者后足负荷显著降低，前足负荷异常集中，COP轨迹异常，且患侧与健侧不对称性明显。

五、结论

本研究开发的足下垂患者足底压力检测系统，利用高密度柔性传感阵列、多模态数据同步采集、智能步态事件识别和量化评估模型，有效解决了现有技术在检测足底压力异常方面的不足。临床试验表明，该系统能精确捕捉足下垂特征性的足底压力分布变化，并且测量精度远超传统系统。此外，其评估模型与临床功能评价具有良好的相关性。该系统为足下垂的深入研究、精准评估、个性化康复干预及客观疗效评价提供了可靠的技术工具，具有重要的临床应用和推广价值。

参考文献

[1] 丁桂珍， 王彤. 脑卒中后足下垂的康复研究进展 .^⋆ 中国康复医学杂志*，2021， 36（5）： 635-640.

[2] Perry J， Burnfield JM. *Gait Analysis： Normal and Pathological Function*. 2nd ed. Thorofare， NJ： SLACK Incorporated; 2010.

[3] Wahab Y， Bakar N， et al. A Review on Plantar Pressure Measurement System： Technological Advancement and Challenges. *IEEE Sensors Journal*， 2022， 22（8）： 7340-7353.

[4] Chen WP， Ju CW， Tang FT. Effects of ankle-foot orthoses on ankle and foot kinematics in patients with stroke. ⋆_Am J Phys Med Rehabil*， 2006， 85（1）： 19-26.

[5] Tekscan Inc. *F-Scan System： Research Specifications*. South Boston， MA： Tekscan Inc; 2021.

作者简介：苏泽鹏（ 2005- ），男，汉族，平遥人，在读生，主要从事技术研发设计。