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干货|足底压力测试系统专业选购指南

过去几年,运动技术越来越多地从测量一般身体运动转变到测量脚部动作。由于脚踝以下的骨骼数占了人体的四分之一,因此足部复合体是一个很难评估的关节系统。

早期人们通过观察踩在柔软材料上所形成的脚印,根据脚印的深浅不同来理解足部的动力学机制,这也算是最早的足底压力测量。随着计算机和压力传感器的发展,足底压力信号的准确测量才得以实现,基于各种原理的足底压力测试系统也逐渐增多,如何在品类繁多的系统中选择最适合研究的设备是本文的目的。

什么是足底压力测试?

足底压力是人体在静止站立或者动态运动时,在自身重力的作用下,足底在垂直方向上受到的一个地面的反作用力。足底压力的大小与分布状况能直观反映人体腿、足结构、功能及整个身体姿势控制等信息。

足底压力测试技术则是运用压力测量仪器对人体在静止或者动态过程中足底压力的力学、几何学以及时间参数值进行测定,对不同状态下的足底压力参数进行分析研究,揭示不同的足底压力分布特征和模式。

足底压力测试有时会与力分析(由测力台测得)混淆,因为二者的数据相似,跳跃时测得的可视化图表看起来几乎相同,然而测试指标与测试要求上并不相同且各有特点。

测力台能够获取三维运动参数,可以测量出人体作用于测试台面的合力,但不能测量出作用于测试台面足底各部位的压力分布情况,适用于宏观力的测量;足底压力测试系统能够测量出足底各部位作用于地面的力,适用于微观的足底压力的测量,也更为便携。

Kistler测力台

足底压力测试系统主要分为两类:用于赤脚分析的压力测试平板和用于鞋内内部测量的压力测试鞋垫。

平板式足底压力测试系统

压力平板就是将传感器整合在平板内部,将平板事先铺好于地面,待测试者作用于该表面进行测量,可以用于静态、动态足底状况和身体平衡能力的分析。

压力平板尤其是走道式提供了足部接触平板的方向信息,例如脚在时间和空间中的着陆方式,适用于固定场景测试。其优势是内置的传感器数量多,测量数据更精确且使用寿命更长,经济效益高。

鞋垫式足底压力测试系统

压力鞋垫就是将传感器制成芯片放置于鞋垫内,其优势是小巧灵活,更便携,容易使用。适用于远距离、长时间的测试,经过多年开发,许鞋垫式测量系统已经发展到超薄和完全无线。

XSENSOR鞋垫式足底压力测试系统以其无线和轻薄便携的特点适用于众多运动任务测量

 足底压力常用分析指标

随着学界对人体足底压力研究的逐步深入,足底压力分析指标不断变化,其应用领域也各不相同,在大多数情况下,以下五个指标是较为常用和通用的。

足底压强:压强是分布在特定作用面上力量与该面积的比值,换句话说,压强是作用在与物体表面垂直方向上的每单位面积的大小。当压力一定时,受力面积越小,压力作用效果越显著;当受力面积一定时,压力越大,压力作用效果越显著。足底压强是研究防止足底局部相关组织承受过高及过长时间压力而引起该部位损伤的一个有效指标。

冲量:是指作用于物体的外力与外力作用时间的乘积,它表示了力在一定时间内对足底各区域连续作用所产生的积累效应。冲量是一个过程量。冲量的大小是疲劳积累的直接原因。

压力峰值:足底压力分布的主要指标之一为压力峰值,压力峰值可以反映出绝对蹬地力的大小,在技术动作中足底压力最大峰值压力区也是压力变化率最大区域,而压力变化率越大越容易受到损伤,运动训练中应加强防护。总的来说,利用压力峰值指标可以寻找个体化力量训练负荷中最佳负荷范围,增加训练负荷的有效性和合理性。

压力中心:压力中心(COP)是足底压力测试系统的特定测量值。COP是标识一只脚整个着地过程足底接触面压力中心运动轨迹的参数,其同样表示足部着地过程整体重心的移动轨迹。COP的转移面积根据相关文献介绍的方法计算得出,一般认为其面积近似为圆形。在步态分析中,COP的位移速率体现了在异常步态中人体的压力中心移动的快慢,很好地反映了异常步态的特征。

区域评估:是压力曲线的分段分析,通过计算和时间段估计关节动作或足部力学。

足底压力测试应用方向

应用于生物力学研究,对运动员进行足底压力定量评估,评价下肢用力的合理性,以及身体用力的协调性,从而提高运动表现,降低损伤风险;

通过对患者动态和静态监测,通过足底压力步态分析的数据与曲线鉴别,为制定整体健康恢复计划提供客观依据;

对糖尿病人群的足底压力变化进行监测,发现糖尿病足高危人群,对溃疡高风险人群通过专业的分析软件提供矫治鞋垫干预措施进行早期防护、跟踪随访,减少截肢率;

可对扁平足、高弓足、跟外翻、拇外翻、足底筋膜炎等足部疾病进行诊断辅助;

矫形器、矫形鞋垫等矫形设备的设计;

运动鞋的开发和设计;

市面上的先进系统

足底压力测试系统按照使用的压力传感器的类型可以分为:压阻式、电容式、应变式等等,这里选择了较为常见的压阻式和电容式进行介绍。

PODOMED足底压力平板

PODOMED足底压力平板采用压阻式传感器原理测量采集足底压力数据,压阻式压力传感器具有量程广、高性价比等特点。

系统可以快速、精确探测足着地、站立、走路的姿态及稳定性,实时反馈足部负载和姿态平衡,既可测量静态负载分布测试又能进行动态压力分布测试,持续记录动态走路或跑步的压力变化,提供详细的步态周期数据和足底压力分布特征。目前被广泛应用于生物力学基础研究、生物特征识别取证、骨科、康复科、矫形外科、整脊、康复训练评估、鞋/器材研发评估、动物步态研究等领域。

功能特点:

  • 提供静态、动态、稳定性足底压力测试;
  • 压力感应类型:压阻式传感元件;
  • 压力量程:150N/cm2;
  • 压力传感器密度:4个/cm²;
  • 采样频率:500 Hz;
  • 压力测量板为一体式高度设计,可嵌入地板或硬质地面中使用,与地面完全一平,没有任何高出地面的突起;
  • 配有2个USB接口,且两个接口分布在设备的横向与纵向两侧,每个接口都可以连接电脑进行数据传输,无需外接电源;
  • 采用USB接口连接电脑无需外接电源,且USB线拔取后压力板无任何外置连线;
  • 系统支持升级网络摄像头同步使用,支持视频解析软件功能拓展;
  • 系统支持多块压力板连接在一起使用;
  • 系统支持与步态分析传感器(IMU)一起使用。

XSENSOR足底压力测试系统

XSENSOR足底压力分布测试系统采用电容式传感器原理测量采集足底压力数据,电容式压力传感器具有低功耗、高精度的特点。

对于需要准确、可靠的足底压力数据的足部临床医生和产品设计师而言,XSENSOR 足底压力测试系统是十分高效的,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。

其足底压力柔性垫测试系统得益于超薄外形和便携式人行姿态传感器可在任何地方捕获动态的高分辨率步态数据,配套的软件提供了许多用于分析压力数据的高级功能,如完整性的数据分析和图像记录。紧凑耐用的设计使其成为医院或实验室的理想选择。

功能特点:

  • 电容式传感技术;
  • 采样率高达 150 fps;
  • 软件功能丰富,可快速设置;
  • 轻薄灵活,可折叠,易于携带;
  • 可应用于临床使用;
  • 显示2D和3D压力图像,提供完整的足部压力统计和平衡测量。

鞋垫式足底压力测试系统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。智能动态感应功能可显示准确的足底压力、负荷和运动数据,以帮助生物力学专业人士优化人体性能。

每只鞋垫均带有230个动态高分辨率传感器,可提供精确的足底压力和负荷数据,以进行高级运动和性能分析;传感器(鞋垫)轻薄、灵活、耐用,可以应用于任何体育活动的动态足底压力获取,同时电子配件(数据 采集单元)也非常轻便,几乎不会对被试的运动产生影响,即使是在高速运动场景下。

功能特点:

  • 精度高重复性好,压力传感器精度可以稳定维持在 +/-5% 误差以下;
  • 包含230个动态高分辨率传感器;
  • 低侵入性;
  • 高速数据采集;
  • 灵活的数据采集与存储,实时无线数据传输及本地数据存储,8GB内存,电池续航 8 小时;
  • 数据可视化;
  • 采样率高达 150 fps;
  • 测试准备时间短(< 5min),软件界面友好。

压力分布测试系统对于合适的专业人士来说是一场革命,像任何工具一样,通过测试平板或鞋垫式系统测量的数据,大大降低和缩短了专业人士的测试负担和时间,使运动表现和运动医学最终有了正确的信息,从而获得更好的结果。

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