【论文导读】设计一种具有流动性的用于步态评估的智能鞋垫

一、背景

本文设计并开发了一种智能鞋垫,它被用来评估老年人的慢性疾病比如中风、痴呆、帕金森、癌症、糖尿病等,同时也可以作为疾病康复的依据。这种ICT解决方案通过传感器可以在一个相对自由的环境中检测足底压力。这些传感器包括32个压电传感器、1个测量方向的三轴加速器、1个温度传感器和用于控制鞋垫开关的压力传感器。鞋垫使用两块柔性的PCB板用来保护传感器,同时提供了舒服穿戴体验。

1 人口老龄化是一个全球性的问题。各地老龄化人口比例不断增加。以英国为例,65+的老龄人口比例从1956年的11.4%增长到2006年的15.7%,预测2026年会达到20.6%。人口结构的变化会给人类健康和社会服务带来前所未有的压力。

2 随着人们年龄增长,步态会随着身体结构和功能的变化而改变,一般人会在65岁会有重大变化,到了85岁几乎所有人都会变化。各种慢性病像中风,帕金森等会对步态产生很大影响,中风,帕金森,老年痴呆等长期的慢性疾病会在很大程度上改变步态,所以检测步态的能力对于评估和指导康复至关重要。

3 运动障碍导致的老年人跌倒会导致老年人行动不便、住院,和隔离导致他们生活质量下降增加社会负担,一些报道甚至说有1/3的老人每年在家至少跌倒一次。可以利用步态数据来预测老年人在什么时候可能跌倒,进而减少类似事故。

4 目前一些主流的量化步态数据的方法包括基于视频的捕捉方法、压力板、机械测角仪、电磁追踪系统。它们共同的问题是需要特定的环境、成本高。最近的发展方向是可穿戴设备(ActivePal,MiniMod, Xsense MT9,Nike+ foot pod, Walkinginsense),他们都集成了加速计和陀螺仪,前三种共同缺点是造价高昂,主要用于研究和诊所使用,穿戴不方便。Nike+虽然造价低,但是只为运动员使用,而且原始数据数据无法获得。Walinginsense数据可以获得但是受众是健康人群,使用比较复杂。有些需要在脚踝或鞋的外部绑一些器件,会给人造成不安的感觉。因此本文面向老人和一些慢性病患者提出一种测量方便,造价低,持续测量,非入侵的智能鞋垫产品。

二、系统介绍

a) System Design Requirements

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b) System Specifications

  • 系统由两个传感器整列组成每个脚各一个并且集成处理和通信模块
  • 传感器工作的压力范围是15kPa-1000kPa,识别的最小变化是5%
  • 系统可容纳200个排列的电容节点,并且分为男款和女款(UK size 6 和size 9)
  • 数据传输模块使用蓝牙完成(LMX9834),数据实时传输。
  • 数模转化模块(ADC)的转换速率12bits。
  • 数据处理压力数据和加速计数据,加速计最大支持6g。

 

c) System Architecture

图片3图片4

  • Sensors+SCC+ADC
  • IMU
  • Power management
  • Communication

 

d) Packaging and System testing setup

考虑到我们服务的是老年人和病人,因此鞋垫的封装和穿戴的舒适程度被我们置于了很高的优先级。具体做法是采用了多层结构的设计,并且使用柔软的泡沫材料来能提供舒适的体验同时又能保护电路鞋垫收集到的原始数据手记后传输到电子表格中以备以后分析。

 

三、 future work

  • 开发系统配套的软件系统,使用收集到的数据生成特征集来为后续的步态分析使用。
  • 使用此平台应用到中风康复治疗中。找出中风康复自我管理中最重要的特征集。
  • 其他应用包括为运动员提供成绩评估,预防不当步态导致的运动损伤。

四 、结论

本文设计了一套智能鞋垫系统,它能用来记录温度,脚底压力,加速度和脚部运动角度。这要目的是提供一个非侵入的、无处不在的硬件平台。此系统使用轻松的获取数据并传输到云端,提供了一个强大的并且低价的研究平台。

 

Mustufa, YS Ashad, et al. “Design of a smart insole for ambulatory assessment of gait.” 2015 IEEE 12th International Conference on Wearable and Implantable Body Sensor Networks (BSN). IEEE, 2015.

 

 

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