關(guān)鍵詞: 步態(tài)分析；生物力學(xué)；步態(tài)壓力測(cè)量；腳壓系統(tǒng)
摘　要：根據(jù)人體步態(tài)分析的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)并研制了一套體積小巧，功耗低，能實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量參數(shù)豐富，結(jié)果直觀，人機(jī)界面友好的足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件包括由壓力傳感器陣列制成的鞋、信號(hào)調(diào)理單元、主電路單元三大部分。系統(tǒng)軟件具有數(shù)據(jù)采集、文件管理、信號(hào)處理、步態(tài)特征參量提取及分析等多種功能。其圖形豐富，操作簡(jiǎn)便，是一套人機(jī)界面友好的專用軟件。此系統(tǒng)與三維運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)和三維測(cè)力臺(tái)子系統(tǒng)可以共同組成一套完整的、功能齊全的人體步態(tài)分析系統(tǒng)。
　分類號(hào)：Q66; R318.01
A NEW SYSTEM FOR FOOT PRESSURE MEASUREMENT
　AND GAIT ANALYSIS
Wei Qihang　Lu Wenlian　Fu Zuyun
　（Department of E.E, Graduate School of Academia Sinica, Beijing 100039）
　Lu Shibi
　（PLA General Hospital, Beijing 100853）
　ABSTRACT：A new system was described for foot pressure measurement and gait analysis. The system consisted mainly of a pair of specially made shoes, force sensors, data acquisition circuit, an interface and a microcomputer. The function of software included data acquisition, files management, signal processing and gait parameters abstraction, etc. The unit carried by subjects was portable and of low-power. The system was easy to use and the measurement result easy to understand. Such a system, combined with the 3D kinematics analysis subsystem and force plates, formed an advanced gait analysis system.
　Keywords：Gait analysis; Biomechanics; Pressure measurement; Foot pressure▲
　0　引言
　步行是人類最基本的運(yùn)動(dòng)之一，步行的姿態(tài)可分為不同的類型。人體的生理功能、病理力學(xué)甚至精神狀態(tài)的各種變化都會(huì)不同程度地影響人體的步態(tài)。因此，檢測(cè)人體行走時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、受力狀態(tài)等與生物力學(xué)有關(guān)的物理量，從而進(jìn)一步分析獲得人體各部位(特別是關(guān)節(jié))的受力狀態(tài)，以及機(jī)械功、代謝能量消耗等情況是非常必要的。人體步態(tài)分析系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱步態(tài)儀正是這種測(cè)量的技術(shù)手段和設(shè)備［1］。它的研制在醫(yī)療、體育、康復(fù)、人類學(xué)、宇航、人機(jī)工程、工業(yè)等諸方面均有重要的科學(xué)意義及應(yīng)用價(jià)值。
　人體是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，要全面地弄清此系統(tǒng)在步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的生物力學(xué)問(wèn)題需要多方面的手段，涉及多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，步態(tài)分析正是一個(gè)新興的跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，一門(mén)綜合性的高科技。我們?cè)诖罅空{(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)步態(tài)分析研究的主要內(nèi)容，研制了一套人體步態(tài)信息分析系統(tǒng)，它能提供步態(tài)分析所需的大部分參數(shù)。系統(tǒng)的構(gòu)成包括三個(gè)子系統(tǒng)：足底壓力分布測(cè)量子系統(tǒng)；三維運(yùn)動(dòng)分析子系統(tǒng)；和三維測(cè)力臺(tái)子系統(tǒng)。這三個(gè)子系統(tǒng)可以同步測(cè)量，亦可以分別單獨(dú)工作。
　三個(gè)子系統(tǒng)同步測(cè)量，可以進(jìn)行關(guān)節(jié)受力分析、代謝分析等生物力學(xué)方面的各種分析，本文主要討論第一個(gè)子系統(tǒng)即足底壓力分布測(cè)量子系統(tǒng)的研制。
　關(guān)于足底壓力分布測(cè)量技術(shù)的研究，國(guó)外已進(jìn)行了二十多年［2］。其中壓力鞋及鞋墊最為先進(jìn)，能實(shí)時(shí)測(cè)量連續(xù)的步態(tài)壓力分布，其所用的傳感器大致有兩類?D壓阻晶體及壓電晶體。在發(fā)表的國(guó)外文獻(xiàn)中［3～5］，傳感器有直接貼于足底的，有貼于鞋底的，也有做成鞋墊置于鞋內(nèi)的，還有做成鞋狀的。所用傳感器數(shù)目有1個(gè)的，2個(gè)的(分別置于足底前后部分)，也有6～16個(gè)的，主要置于足底的有關(guān)解剖區(qū)域。總之，到目前為止，壓力鞋及鞋墊技術(shù)仍處于研制開(kāi)發(fā)階段。
　足底壓力分布測(cè)量子系統(tǒng)要測(cè)量的基本參數(shù)是人體站立或步行時(shí)足底與支撐面之間的壓力分布狀態(tài)。我們經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和比較，選用了多個(gè)國(guó)產(chǎn)微型力傳感器，將它們按足底解剖區(qū)安裝在鞋子上。又從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選IC芯片及電路，使其能滿足測(cè)量的精度及實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，由此自行設(shè)計(jì)和研制了一套體積小巧，功耗低，引線少，適合臨床步態(tài)分析使用的足底壓力測(cè)量系統(tǒng)。
　1　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)
　足底壓力測(cè)量子系統(tǒng)主要由微型壓力傳感器陣列，電路單元，PC計(jì)算機(jī)及其軟件組成。
　1.1　傳感器和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)：
　不言而喻，足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)是要測(cè)量出人體站立或步行時(shí)足底壓力的分布，即足底與支撐面之間的力分布狀態(tài)，從而計(jì)算出足底合力大小和位置，以及步態(tài)時(shí)間參數(shù)等其他特征參數(shù)。因此力傳感器是本系統(tǒng)的主要組成部分之一。
　(1)力傳感器　由于本系統(tǒng)主要用于步態(tài)分析的研究或臨床應(yīng)用，因此要求系統(tǒng)除滿足測(cè)量量程、靈敏度、測(cè)量精度、分辨率等指標(biāo)要求外，還應(yīng)滿足重復(fù)性好、性能穩(wěn)定、系統(tǒng)輕便小巧、不妨礙人體步行動(dòng)作，不改變足底壓力的自然分布狀態(tài)等要求。這樣傳感器的選擇至關(guān)重要。一般的力傳感器種類很多，如電位器式、電容式、壓阻式、壓電式等，其絕大多數(shù)體積太大，不適用于測(cè)量足底壓力。我們經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和比較，最后選用國(guó)產(chǎn)的微型力傳感器，其內(nèi)部采用高靈敏度的半導(dǎo)體擴(kuò)散式硅壓阻敏感元件，并組成惠斯登電橋的四個(gè)橋臂；在外力作用下，四臂全橋電路作差動(dòng)變化，從而輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)。此傳感器的特點(diǎn)是：穩(wěn)定性好(零位飄移＜1%/h),體積小(20mm×7mm×8mm)，精度高(非線性度0.2～0.6%F.S)，靈敏度高(滿量程輸出100mv左右)，抗沖擊力強(qiáng)，具有溫度補(bǔ)償?shù)取Ｎ⑿土鞲衅鞯碾娐愤B接方式的示意圖如圖1所示。其電壓輸出為

　K?D靈敏系數(shù)，E?D電源電壓， ?D電阻變化率。
　力傳感器的量程是由系統(tǒng)的測(cè)量量程確定。系統(tǒng)的測(cè)量量程指標(biāo)取決于體重、步行速度及傳感器的安置結(jié)構(gòu)。正常人以常速行走時(shí)足底受力不超過(guò)100kg，行走時(shí)足底與支撐面的最小接觸面積約為2cm×1cm，此時(shí)受力最大。當(dāng)傳感器的敏感受力面積為0.5cm×0.5cm,且處于最大受力區(qū)域內(nèi)，則傳感器受力的最大值為

　此為極限情況，在大多數(shù)情況下，力值分布于0～10kg之間，綜合考慮后，力傳感器的量程定為20kg。
　本系統(tǒng)要求各傳感器性能同一，但由于工藝問(wèn)題，即使是同一批生產(chǎn)的傳感器，其技術(shù)指標(biāo)也存在個(gè)體差異，因此我們對(duì)每個(gè)傳感器都進(jìn)行了嚴(yán)格的調(diào)零和量程校準(zhǔn)。
　傳感器的力與輸出電壓呈線性關(guān)系，我們采用擬合精度高的最小二乘法進(jìn)行擬合；其擬合方程為
y=b+kx
　　式中y為輸出量，x為輸入量，b為y軸上的截距，k為直線的斜率。若實(shí)際校準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)為n個(gè)，第i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)yi與擬合直線上相應(yīng)值之差為
Δi=yi-(b+kxi)
　根據(jù)最小二乘法原理，應(yīng)使 為最小。將 分別對(duì)k和b求偏導(dǎo)，并令其等于零時(shí)，解出k和b的表達(dá)式為

代入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)次數(shù)，即可求出k和b，從而得到相應(yīng)的最小二乘法擬合的直線方程。然后再依次測(cè)出輸出一輸入校準(zhǔn)值與理論擬合直線上相應(yīng)值之間的最大偏差±Δmax，則傳感器的非線性誤差為

　其中VFS為滿量程的輸出電壓，測(cè)試結(jié)果表明所有傳感器的非線性度＜0.8%FS。
　(2) 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)　在人體解剖學(xué)上，人腳可劃分若干個(gè)解剖區(qū)域，如圖2所示。

1：腳跟后側(cè)
　2：腳跟內(nèi)側(cè)
　3：腳跟外側(cè)
　4，5：腳中部
　6～10：第1至第5跖骨頭11～15：第1至第5趾
　　在步行、站立等運(yùn)動(dòng)中，這些解剖區(qū)域支撐著人體大部分重量，并調(diào)節(jié)著人體的平衡；測(cè)量這些部位的力可以獲取下肢乃至全身的生理、結(jié)構(gòu)及功能等方面的大量信息。本足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)制成鞋狀。左右兩只鞋各用8個(gè)微型壓力傳感器，傳感器被鑲嵌在鞋底里，其受力點(diǎn)與鞋面平齊；當(dāng)人體站立或步行時(shí)，傳感器的受力點(diǎn)作為鞋的支撐面與足底緊接。8個(gè)微型力傳感器分別置于第一至第五跖骨頭以及腳跟的解剖區(qū)上。放置傳感器的精確位置應(yīng)根據(jù)腳的長(zhǎng)度、寬度、腳型、骨骼分布狀態(tài)等進(jìn)一步確定。本文的傳感器位置分布適合于足長(zhǎng)為24～26cm的情況。為了合理分配整個(gè)系統(tǒng)的走線，減小噪聲干擾，系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。
　1.2　系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)
　系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由多路開(kāi)關(guān)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換電路、編碼器、電平轉(zhuǎn)換電路和時(shí)序控制電路等組成。
　傳感器空載時(shí)，輸出為零電平；當(dāng)受力后輸出為正比于受力大小的電壓信號(hào)(信號(hào)范圍在0～100mV)，每只鞋公用一個(gè)放大器。然后每只鞋的輸出信號(hào)接至低電平模擬多路開(kāi)關(guān)，分時(shí)放大到0～5V范圍，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)按RS-232C協(xié)議進(jìn)行編碼，組成完整的異步通信數(shù)據(jù)格式。在短距離范圍時(shí)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)TTL/EIA電平轉(zhuǎn)換，由電纜直接輸入微機(jī)的內(nèi)存；若在長(zhǎng)距離范圍內(nèi)，可經(jīng)調(diào)制信號(hào)無(wú)線傳輸至微機(jī)，實(shí)時(shí)處理后以多種方式輸出。
　圖4中前級(jí)多路開(kāi)關(guān)和每只鞋的公用放大器構(gòu)成信號(hào)調(diào)理單元，其余電路部分安裝在一起構(gòu)成一個(gè)主單元。兩個(gè)信號(hào)調(diào)理單元分別近靠著兩只壓力鞋，信號(hào)調(diào)理單元和電路主單元之間用電纜線連接，如圖3所示。

　(1)信號(hào)調(diào)理單元　本單元采用能精確處理微伏級(jí)信號(hào)的模擬多路開(kāi)關(guān)MUX器件-AD7507，它為多個(gè)傳感器提供多通道切換，并公用一個(gè)放大器。
　放大器選用儀用放大器AD521，其具有很高的共模抑制比(高達(dá)120db)，所以抗干擾性能好，適合測(cè)量一定距離的差模信號(hào)。并且通過(guò)調(diào)整它的兩個(gè)增益電阻Rg和Rs，可使放大器在0.1～1000范圍內(nèi)取得任意增益值。
　這單元的設(shè)計(jì)不但能保證測(cè)量精度，而且緊湊，靈巧輕便，適合整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)要求。
　(2)A/D轉(zhuǎn)換電路　本系統(tǒng)采用8bit串行數(shù)據(jù)輸入輸出型芯片AD0831，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μs,DIP封裝，由片選端觸發(fā)A/D啟動(dòng)。與并行輸入輸出的A/D轉(zhuǎn)換器相比，此芯片能使系統(tǒng)體積更小巧，輸出引線大為減少。
　對(duì)人體行走時(shí)足底受力進(jìn)行頻域分析，發(fā)現(xiàn)98%的信號(hào)低于10Hz,99%的信號(hào)低于15Hz。考慮到每個(gè)局部傳感器上可能測(cè)得的高頻分量，所以本系統(tǒng)采樣率定為92Hz。
　　(3)信號(hào)傳輸　電路主單元與計(jì)算機(jī)之間采用異步通信，并且工作于單工方式(由電路單元發(fā)送信號(hào)，微機(jī)接收信號(hào))，因此只需用兩根導(dǎo)線連接(一根信號(hào)線，一根地線)，通常不妨礙受試者的步行動(dòng)作。
　左、右鞋上共16個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)編號(hào)為0～15，它們輸出的信號(hào)經(jīng)多路開(kāi)關(guān)切換，分時(shí)送入微機(jī)。用Reset鍵控制采樣的起始，第一個(gè)采到的數(shù)據(jù)為第0號(hào)傳感器輸出，第二個(gè)采到的數(shù)據(jù)為1號(hào)傳感器輸出，以此類推，直至15號(hào)傳感器。然后下一周期開(kāi)始，循環(huán)往復(fù)，并將每一周期定義為一幀。為減少傳輸錯(cuò)誤概率，我們將標(biāo)準(zhǔn)的異步通信數(shù)據(jù)格式加以修改，定義一位幀同步位。當(dāng)檢測(cè)到同步位，表示一幀的開(kāi)始。這樣，若某幀中傳輸出錯(cuò)，錯(cuò)誤可控制在此幀之內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)到下一幀同步位，說(shuō)明下一幀的第一個(gè)數(shù)據(jù)到來(lái)。
　數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需先將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232C的EIA電平，這通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送速度為20Kbit/s，傳輸距離為50m，因此能滿足步態(tài)分析需要。
　(4)數(shù)據(jù)輸入/輸出　數(shù)據(jù)I/0是通過(guò)微機(jī)上異步通訊適配器RS232來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用最簡(jiǎn)單的單工工作方式，因此只使用了RS232的兩個(gè)引腳(信號(hào)地端和接收數(shù)據(jù)端)，因此只需二根傳輸線，毫不妨礙步行。
　(5)時(shí)序控制及編碼　時(shí)序控制及編碼單元的功能包括：產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生模擬多路開(kāi)關(guān)地址，產(chǎn)生觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換的定時(shí)信號(hào)、幀同步信號(hào)、系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)以及編碼產(chǎn)生完整的異步通信數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)信號(hào)。
　除了信號(hào)調(diào)理單元外，這些時(shí)序控制和編碼電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路都放置于一個(gè)主單元中。為了減少引線及電磁干擾，使調(diào)理單元到主單元的引線盡可能短，主單元應(yīng)附著在人體上，隨人體步行而移動(dòng)。因此，本系統(tǒng)采用4節(jié)電池供電；兩節(jié)15V疊層電池供模擬開(kāi)關(guān)及儀用放大器使用，2節(jié)6V疊層電池供傳感器及其它IC芯片使用。相應(yīng)地，電路所有芯片都采用CMOS型，以降低功耗。
　整個(gè)系統(tǒng)樣機(jī)如圖5所示。由于采用了上述優(yōu)化結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)體積很小(電路板面積＜10cm×7cm)。

　2　系統(tǒng)硬件達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)
　1　分辨率：每只傳感器量程為20kg，測(cè)量分辨率為0.078kg。
　2　測(cè)量點(diǎn)數(shù)：左右兩只鞋，每只鞋安裝8個(gè)傳感器。
　3　采樣率：92Hz。
　4　采樣時(shí)間：10s。
　5　傳輸速率：傳輸波特率為19.2Kbit/s。
　6　傳感器頻率響應(yīng)：0～1000Hz。
　7　傳感器零漂：＜1%/h。
　8　精度估計(jì)：引起整體系統(tǒng)測(cè)量誤差的因素包括以下各個(gè)方面：
　　①傳感器非線性誤差：

　其中ef為非線性度，Δmax為輸出-輸入校準(zhǔn)值與理論擬合值的最大偏差，VFS為傳感器滿量程輸出平均值。
　根據(jù)上述計(jì)算，本系統(tǒng)采用的力傳感器非線性度皆＜0.8%。
　②集成模擬多路開(kāi)關(guān)引入的誤差　主要由兩項(xiàng)性能參數(shù)引起誤差，導(dǎo)通電阻和池漏電流。因我們所采用的多路開(kāi)關(guān)的池漏電流僅只有≤0.3nA，故可忽略不計(jì)。而導(dǎo)通電阻(Ron)，即訪問(wèn)通道的輸出和輸入之間的電阻，引起的誤差為

　其中Ri為次級(jí)輸入阻抗，ΔRon為溫度因素引起導(dǎo)通電阻的變化，Rs為傳感器輸出阻抗。
　對(duì)于本系統(tǒng)，計(jì)算得E(%)≤0.03%。
　③量化誤差：　因采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，故量化誤差＜0.2%。
　④傳感器零漂＜1%h。
　綜合上述情況，系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)2%。
　3　系統(tǒng)軟件
　　根據(jù)步態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析的需要，系統(tǒng)軟件應(yīng)具有多方面的功能：數(shù)據(jù)采集、文件管理、信號(hào)處理、步態(tài)特征參量提取及分析等功能；并且應(yīng)易與硬件接口，應(yīng)具有豐富的圖形和具有易于維護(hù)與擴(kuò)展的友好的用戶界面。
　3.1　GAIT系統(tǒng)軟件
　GAIT系統(tǒng)軟件是我們編制的，滿足上述功能的軟件包，是提供用戶應(yīng)用的軟件包。此軟件用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)和編制，其特點(diǎn)是人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)便，實(shí)時(shí)處理，功能完善，圖形豐富且視覺(jué)效果好，是一個(gè)專業(yè)化的用戶界面，已達(dá)到實(shí)用水平。
　GAIT系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境是：286SX16以上微機(jī)，配以VGA顯示適配卡，和DOS操作系統(tǒng)。GAIT所有功能用二級(jí)下拉式菜單進(jìn)行組織及驅(qū)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。
　GAIT系統(tǒng)軟件的主屏頂部提供了主菜單條，有6種選擇：
　Syst:幫助清單，清除內(nèi)存。
　File:數(shù)據(jù)讀盤(pán)，存盤(pán)，顯示，打印及繪圖。
　Aqui:數(shù)據(jù)采集。
　Proc:預(yù)處理，F(xiàn)FT處理。
　Gait:所有傳感器力-時(shí)間曲線立體疊加顯示；
　所有傳感器力-時(shí)間曲線分別顯示；
　所有傳感器力-時(shí)間曲線疊加顯示；
　所有傳感器力的三維顯示；
　雙腳每幀合力-時(shí)間曲線；
　壓力圖象及合力位置變化過(guò)程；
　每步態(tài)周期合力軌跡分析；
　步態(tài)時(shí)間參數(shù)；
　每個(gè)步態(tài)周期的峰值壓力分析。
　Out:輸出檢測(cè)及分析結(jié)果報(bào)告。
　Quit:退出主菜單，返回DOS系統(tǒng)。

　3.2　基本功能的實(shí)現(xiàn)
　　系統(tǒng)軟件的基本功能是數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，高層功能為步態(tài)特征參數(shù)提取。本文主要討論前者。
　3.2.1　數(shù)據(jù)采集
　系統(tǒng)設(shè)計(jì)采集16個(gè)力傳感器的10s數(shù)據(jù)，因此每個(gè)傳感器在10s內(nèi)共采集920個(gè)采樣值。我們開(kāi)辟一組二維數(shù)組X［i］［j］來(lái)存貯這些原始數(shù)據(jù)，另一組數(shù)組f［i］［j］存貯預(yù)處理后的數(shù)據(jù)。在這兩組數(shù)組中i(0～15)表示左右足的傳感器序號(hào)，j(0～919)代表所采集的幀序列號(hào)。
　數(shù)據(jù)采集是通過(guò)異步通訊控制器來(lái)接收主單元傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)。程序設(shè)計(jì)基本步驟如下：
　①設(shè)定通訊的規(guī)程，如波特速率，奇偶校驗(yàn)方式，停止位的數(shù)目，數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度等；
　②采用查詢方式，讀取通訊線路的狀態(tài)，判斷是否已進(jìn)行了通訊；
　③接收一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)；
　重復(fù)上述②和③，直至通訊完畢。
　3.2.2　數(shù)據(jù)預(yù)處理
　通過(guò)采集所獲得的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行下述二部分的預(yù)處理：
　①電平值的轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)采集所得到的是力傳感器輸出經(jīng)放大，A/D轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，為了獲取步態(tài)分析所需的步態(tài)特征參數(shù)，必須將這些數(shù)字信號(hào)折算成力傳感器的輸出電平，并又根據(jù)每個(gè)傳感器的擬合直線計(jì)算出相應(yīng)的受力值。
　②數(shù)據(jù)的濾波和平滑處理：實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)常會(huì)不同程度地混有噪聲的干擾。為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的可靠性，我們對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)字濾波處理。本文采用一階滯后數(shù)字濾波法，其輸入和輸出關(guān)系的公式如下：
y(j)=(1-α)x(j)+αy(j-1)　　　　(j=0,1,…，n)
　α=τ/(τ+t)
　其中τ為濾波時(shí)間常數(shù)；t為采樣周期；j為所采集數(shù)據(jù)的幀序列號(hào)，則x(j),x(j+1)為某傳感器某時(shí)刻前后輸出的采集值。
　適當(dāng)選擇數(shù)α，即可濾掉相應(yīng)頻率的干擾。
　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中經(jīng)常也會(huì)受到一些隨機(jī)干擾，這就會(huì)給數(shù)據(jù)處理結(jié)果帶來(lái)誤差。為了消除隨機(jī)干擾的影響，提高觀察數(shù)據(jù)的可靠性，這就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理。本文軟件中分別設(shè)計(jì)了兩種平滑處理方法，一種是三點(diǎn)平均平滑法，另一種是中值平滑濾波法。
　三點(diǎn)平均平滑法是將三點(diǎn)等距的數(shù)據(jù)(某時(shí)刻的采樣值與其前后時(shí)刻的采樣值)進(jìn)行平均后替換該點(diǎn)的數(shù)據(jù)。其公式為：
y(j)=［x(j-1)+x(j)+x(j+1)］/3　　　(j=0,1,…，n)
　而中值平滑濾法是對(duì)三點(diǎn)等距的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，取其中值替換該點(diǎn)的數(shù)據(jù)。其公式為：
y(j)=mid［x(j-1),x(j),x(j+1)］　　　(j=0,1,…，n)
　這兩種平滑法都能較好地消除隨機(jī)干擾的影響。上述預(yù)處理后的數(shù)據(jù)被存入磁盤(pán)，可供進(jìn)一步提取步態(tài)特征參數(shù)及步態(tài)分析所用。
　4　總結(jié)
　本文介紹了我們自行設(shè)計(jì)和研制完成的足底壓力測(cè)量子系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括了一套雙腳足底負(fù)重解剖點(diǎn)受力測(cè)量的硬件系統(tǒng)和一套人機(jī)界面友好的專用軟件。
　我們將這系統(tǒng)作了初步的臨床實(shí)驗(yàn)測(cè)試(有關(guān)該子系統(tǒng)的步態(tài)特征參數(shù)提取和臨床應(yīng)用將于另一文中給以報(bào)道)，通過(guò)對(duì)正常人和病人的初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，本文所研制的子系統(tǒng)是可行的，能滿足步態(tài)分析的需求。與國(guó)外類似系統(tǒng)相比較，本子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案新穎，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、輕便，由于采用了計(jì)算機(jī)采集、分析、處理和顯示等高技術(shù)，系統(tǒng)能進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，自動(dòng)化程度高，易于操作，結(jié)果直觀成本適中，因此本子系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)實(shí)用前景。■
　基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目