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足底压力测量技术的发展现状与应用领域

导语

步行是人体基本运动之一，在步行过程中，任何步行的动作都要通过人体足部与地面的相互作用来完成，通过分析足底压力的变化和足底力学的分布特征，可以揭示人体的步态规律，进而对足部健康做出预测和评价。本文将详细介绍足底压力分布的概念、发展以及具体的应用方向。

什么是足底压力分布？

人体的足是由26块骨，33个关节和126根韧带、肌肉和神经如同网状一样分层构成的一个复杂结构。它的基本功能主要是支撑人体体重：缓冲、吸收冲击力；产生向前的推力以及帮助调节、维持人体的平衡。人体在静止站立或者动态行走时，在自身重力的作用下，足底在垂直方向上受到一个地面的反作用力，这个力就是足底压力。人体的足相对于整个身体来讲是相当小的一个部分，但是人体的每一步行走，足底所受到的压力是巨大的，这种压力大概超过人体体重的50%。就人们日常生活而言，平均每人每天大概有4个小时在依靠其双脚行走8000至10000步。这就意味着一个人的足底每天都要累计承受几百吨的压力，这是一个令人吃惊的数字。当人体足部结构发生一些病变或功能障碍以及当人体运动状态发生变化时，足底压力和压强分布都会发生相应的改变。

足部结构图

足底压力采集系统，是通过力学传感器矩阵将第一趾骨、第二到第四趾骨、第一跖骨、第二跖骨、第三跖骨、第四跖骨、第五跖骨、足弓、足跟等足部受力位置的足底压力信号转换成电信号，然后通过信号处理模块的放大滤波之后，经由模数转换模块转变为数字信号，并通过串口通信将数据上传到系统软件中。系统软件将采集来的数据进行处理并保存为相应格式文件。

同时，软件对数据进行提取、处理、以及生成曲线图、直方图的功能，直观地呈现出易于接受的图形化界面，便于进行分析。因此，通过对人体在静止或动态过程中的足底压力和压强分布的研究，可以揭示步态的运动性特性和动力性特征。

足底压力测试系统的分类

关于足底压力的研究可以追溯到19世纪末，起初是采用传统足印图来进行分析，主要是根据沙地表面留下的足印深浅度来进行足底压力分析。此种方法加以创新又衍生出了利用石膏、泥浆、硅胶、或泡沫等经过人工处理的柔性材料来检测足底情况。上述方法简便易行，能大致定性的反映足底压力分布情况，但很难进行定量分析。随着现代科学技术的发展，足底压力检测技术的发展有了很大的突破，目前的检测方法主要包括：足印检测、光学可视化检测、测力平板、足压鞋垫以及足压平板成像检测等。这些检测手段精度高，操作简便，可重复性强，能较真实地反映足底压力的分布与变化，在足底压力测试方面起到了很大的主导作用。

足底压力数据的采集，最关键的环节是传感器的设计。足底压力数据采集传感器是获取人体足底与其支撑平面之间垂直应力作用下的压强信息，并将这些信息按照一定的比例相关系数转化为电学相关物理量的一种仪器。压力传感器按结构形式可分为：电容式、压阻式、应变式、压电式等等。目前市面上常用的测量和评价足底压力及压力分布的系统主要有鞋内系统和平台系统。平台系统主要是测力台和测力平板，鞋内系统主要包括智能袜品和足底压力测量鞋垫。

电容式传感器示意图

压电式传感器示意图

测力台是最早用来测量和评估足底压力的仪器之一，它由压电传感器和面板组成。在测量过程中，将足底压力转换成方便测量的电信号，根据定量校准和计算公式，将输出的机械指标量化。例如美国产某种较先进的三维测力台，能够对关节在设定角度下运动时肌肉功能进行定量测试，具有测试安全和数据稳定准确的优点，在运动员选材、运动能力诊断、合理安排力量训练和伤病康复等方面的研究中广泛应用。总的来说测力台优点是精确度高，采集的数据可靠，缺点是具有一定的电延迟性，不利于进行动态、实时测量和评价，不能精确测量足底压力分布。

Kistler便携式测力台用于步态研究

测力平板是标准化电容式传感器测量技术。平板由上千个传感器构成，可测量的参数较多。但不足之处在于只能测量一维数据，其测量的精确度和可靠性稍逊于测力台，因此在实际应用中，实验人员通常采用测力平板与其它测试仪结合使用，以获得人体更为准确的数据信息。

鞋垫式足底压力测试系统是一种可穿戴设备，它是由感应鞋垫、数据传输电子元件和软件组成的集成系统。这种系统可以放置于鞋内，对足部与鞋的接触特性作出评价，对设计具有特殊功能的各种类型的鞋有较高的实用价值。更重要的是，鞋内系统可以连续记录运动中的足部压力、时间等参数并可以稳定传输数据，测量结果更加贴近人体真实运动状态。

鞋垫式足底压力测试系统XSENSOR X4

XSENSOR X4是市场上技术领先的鞋垫式足底压力测试系统，该系统采用了高分辨率和高精度的电容式压力传感器，兼具大量程、高精度和可靠性好等特点，且简单易用。数据采集单元体积小巧，既可本地存储又可以实时通过无线蓝牙方式将数据传送至PC端，满足几乎所有的应用场景。

足压与步态分析软件X4 Foot&Gait

XSENSOR还配备功能强大的足压与步态分析软件X4 Foot&Gait，该软件提供完整的数据记录和分析功能，包括数据的实时浏览，存储和分析，可显示2D和3D压力图像，并提供完整的脚和压力统计信息以及步态测量值。

足底压力测试系统的应用

足病诊断与治疗

在临床上，足底压力测试系统主要被用于分析患有肢体畸形以及有病理步态患者的足底压力分布情况和步态情况。比如为糖尿病患者定制矫形器以及管理峰值压力，帮助糖尿病患者减轻或预防压力性损伤。

随着足底压力测量技术对足部疾病的诊断和治疗更深入的研究，马蹄足、高弓足、扁平足等足部畸形的足底压力分布规律亦将彻底揭开，这将大大促进相关足疾治疗，并对鉴定假肢的安装质量和帮助肢残人步行等方面提供大量的支持。

步态评定

足底压力分布测试系统可细致研究行走、跑步、纵跳等动作的足着地缓冲、全脚支撑、前足蹬伸、足趾离地等各个阶段的时间特点、受力特点、压力中心移动特点等，是精确研究步态表现的理想工具，可广泛用于科研、临床等领域的步态规律特征。

运动医学与竞技体育

在运动医学和竞技体育领域，足底压力分布系统也具有广泛的应用前景。通过对运动员足底压力数据的监测和分析，教练和医生可以及时发现运动员的足部问题，预防运动损伤的发生。同时，该系统还可以帮助运动员调整运动装备、提高竞技表现。

尤其在很多体育运动项目中，运动员的运动技术动作和足底对接触面的作用力及其分布有着更为密切的关系，如举重项目，跳水，射击和射箭，竞走、短跑、跳高和跳远等。采用足底压力分布测试系统，我们可以研究运动员在走、跑、跳过程中足底各区峰值压强特点、压力-时间变化特点、压力中心移动特点以及分析走、跑、跳过程中足底各区压力分布规律，从而得出运动员在落地、缓冲和蹬伸过程中足底压力分布特征，来研究运动技术动作是否合理，为运动训练中预防足部运动损伤及运动鞋的设计等提供科学依据。

鞋类设计与定制

足底压力测试技术可以用于评估足部与鞋的接触特性，对设计具有特殊功能的各种类型的鞋有较高的实用价值。足底压力测量可以为揭开“足-鞋”之间的作用力分布特征提供帮助，进而可探索足病的成因和机制，指导人们健康穿鞋及为制鞋工业的健康设计带来了技术支持。足底压力检测在“足-鞋”领域的研究，有助于揭示足部疾病的成因，指导人们健康穿鞋，给鞋类设计和制鞋工业带来了技术支持。