2009 Second International Conference on Computer and Electrical Engineering

Application of Force Sensing Resistor (FSR) in Design of Pressure Scanning System for Plantar Pressure Measurement

2009 Second International Conference on Computer and Electrical Engineering

Dr. N. K. Rana

Department of Instrumentation Engineering, Rajiv Gandhi Institute of Technology, Andheri (W), Mumbai-400053, India

Email: ranank@rediffmail.com

Abstract:

This paper aims at development of low cost dynamic foot pressure scanner. To estimate the peak pressure points on the foot sole, a study was conducted on a healthy male group. In all, 8 subjects were placed for observation on EMED (from Novel Inc.) foot mat system at different clinics. The data, thus recorded, was analyzed using Novel- Win-Mask software and it is concluded that, on a single pressure head for a normal person, the deviation from mean value is not too much. Hence in case of a normal foot, the peak pressure points are heel, 1st, 3rd, 5th Meta tarsal head (MTH) and toe. Although 5 points for plantar pressure analysis look sufficient but one can add few more points to provide a complete coverage of pressure distribution on shoe sole. Using this data, shoe sole of different sizes were developed with 8 force sensing resistors (FSR) placed in each sole. The sole was connected to multi- channel Biopac MP100 data acquisition system (DAS) through an amplifier circuit. The USB interface is provided between DAS and the computer system. The data recording and analysis was performed using data acquisition software Acq. 3.7.3. The developed system is flexible and portable for field studies and also advantageous due to large memory size, dynamic recording of pressure and no fear of foot step modification. The data analysis can provide early information regarding diabetic foot ulceration and also could be used for shoe sole design.

Key Words: FSR, Diabetic foot, plantar pressure, peak pressure points, data acquisition.

I. INTRDUCTION

The growth rate in the number of diabetic patients is very high in all regions/ countries through out the world and it is threatening. Millions of people are suffering with this disease, spending billions of dollars every year. Depending on the severity of the diabetes, at a later stage of the natural disease progression, neuropathic and vascular changes occur in these patients. Sensory neuropathy will result in a progressive loss of sensation in the lower extremities, often resulting in ulceration at locations of high plantar pressures. Ulceration frequently results in partial or total amputation of the foot. Various studies have proven the

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978-0-7695-3925-6/09 $26.00 copy; 2009 IEEE DOI 10.1109/ICCEE.2009.234

usefulness of pressure distribution measurements for the prescription of therapeutic footwear [1]. As soon as modern pressure distribution instrumentation became available, a number of research groups realized the potential of this technology for the diagnosis and treatment of the diabetic foot. A number of publications have described the value of plantar pressure analysis for the understanding of diabetic foot function as well as the possibilities for therapeutic intervention. Many studies have investigated therapeutic footwear for the diabetic foot, especially various designs of rocker bottom shoes. A good review about the possibilities and limitations of plantar pressure measurements for the diagnosis and therapy of the diabetic foot has been published. Therefore plantar pressure measurement has become an integral part of diabetic foot analysis. There are several methods tried by researchers for plantar pressure measurement with their advantages and limitations.

Individuals with peripheral sensory neuropathy in diabetes mellitus, the presence of ulcers on the plantar surface of the foot can be devastating. One of the primary means by which to reduce the incidence of ulceration is through the early identification of individuals at risk of developing foot lesions. Studies have examined the relationship between ulceration and areas of high plantar pressure. While it has been shown that regions of high pressure are associated with ulceration, diabetic individuals may develop ulcer at pressure levels which are not commonly considered to be harmful. A number of publications have described the value of plantar pressure analysis for the understanding of foot disorders as well as the possibilities for therapeutic intervention. Tai et al used F-scan in-shoe system (from Tekscan Inc.) for study of center of pressure [2], a study to find the absolute pressure at various points using micro-EMED in-shoe system by Cavanagh et al [3], a detailed study was performed by Begg et al [4] to measure the ground reaction force using Kistlerrsquo;s force plate and Muellera et al [5] investigated plantar pressure distribution in case of diabetic foot using F-scan.

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This study aims at development of in shoe plantar pressure recording system using force sensing resistors during normal waking condition. A system for dynamic pressure recording was desirable to find the plantar pressure during walking. Methods and material used for the development of the system are discussed in the next section. Section III deals with the results obtained and analysis of the results. The paper concludes with the findings of the study in section IV.

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METHODS AND MATERIALS

Before development of foot pressure scanning system, a study was conducted on a healthy male group (non-diabetic) on EMED foot mat system at different clinics to estimate the location and the numbers of sensors to be placed per sole. The data, thus recor

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力传感电阻（FSR）在压力测量系统设计中的应用

N. K. Rana博士

印度孟买400053安德里（W）仪器工程系拉吉夫甘地理工学院

电邮：ranank@rediffmail.com

摘要：

本文旨在开发低成本动态足底压力扫描仪。估计脚底的峰值压力点，对健康的男性组进行了研究。总共有8名受试者被安置在不同诊所的EMED（来自Novel Inc.）足垫系统上观察。使用Novel-Win-Mask软件对数据进行了分析，得出结论，在一个普通人的单个压力头上，平均值的偏差不会太大。因此，在正常脚的情况下，峰值压力点为脚跟，第1，第3，第5跖骨头（MTH）和脚趾。虽然足底压力分析的5分看起来足够，但是还可以添加更多点来提供鞋底压力分布的完整覆盖。使用这些数据，开发了不同尺寸的鞋底，其中每个鞋底放置8个力感测电阻（FSR）。唯一通过放大器电路连接到多通道Biopac MP100数据采集系统（DAS）。 USB接口在DAS和计算机系统之间提供。数据记录和分析使用数据采集软件Acq进行。 3.7.3。开发的系统是灵活和便携式的现场研究，并且由于大的存储器大小，动态记录压力和不担心脚步修改也是有利的。数据分析可以提供有关糖尿病足溃疡的早期信息，也可用于鞋底设计。

1绪论

所有地区/国家的糖尿病患者数量增长率均高于世界，正在威胁。数百万人患有这种疾病，每年花费数十亿美元。根据糖尿病的严重性，在自然疾病进展的后期阶段，这些患者发生神经病变和血管变化。感觉神经病变将导致下肢感觉进行性进行性丧失，常常导致足底压力高的部位发生溃疡。溃疡经常导致部分或全部截肢。各种研究证明了这一点

压力分布测量对治疗鞋类处方的有用性[1]。一旦现代压力分布仪器可用，一些研究小组就意识到了这种技术用于诊断和治疗糖尿病足的潜力。一些出版物描述了足底压力分析的价值，以了解糖尿病足功能以及治疗干预的可能性。许多研究已经调查了糖尿病足的治疗鞋，特别是摇椅底鞋的各种设计。已经出版了关于糖尿病足诊断和治疗的足底压力测量的可能性和局限性的良好综述。因此足底压力测量已成为糖尿病足分析的重要组成部分。研究人员通过几种方法尝试了足底压力测量的优点和局限性。

患有糖尿病周围感觉神经病变的患者，足底足底溃疡的存在可能是破坏性的。减少溃疡发生率的主要手段之一是通过早期识别发生足部病变风险的个体。研究已经研究了溃疡与高足底压力区域之间的关系。虽然已经显示出高压区域与溃疡有关，但是糖尿病患者可能在通常被认为是有害的压力水平下出现溃疡。许多出版物已经描述了足底压力分析的价值，以了解脚部障碍以及治疗干预的可能性。 Tai等人使用F扫描鞋内系统（来自Tekscan Inc.）研究压力中心[2]，该研究使用Cavanagh等人使用微型EMED鞋内系统在各个点找到绝对压力[ 3]，Begg等人[4]进行了详细的研究，以使用奇石乐力板测量地面反作用力，而Muellera等[5]利用F-scan测量了糖尿病足的足底压力分布。

本研究旨在开发在正常醒来状态下使用力感测电阻的鞋底压力记录系统。用于动态压力记录的系统需要在步行期间找到足底压力。下一节将讨论用于系统开发的方法和材料。第三节处理结果和结果分析。本文的结论与研究结果在第四节。

1.材料与材料

在开发足部压力扫描系统之前，对不同诊所的EMED足垫系统的健康男性组（非糖尿病）进行了研究，以估计每个鞋底放置的传感器的位置和数量。分析记录的数据，进行压力分布。将整个区域划分为5个区域，并计算每个区域的平均压力（千帕斯卡）与标准偏差（S.D.）。这些区域被指定为脚跟，MTH（Meta Tarsal Head）1，MTH3，MTH5和Toe。在脚跟305plusmn;25KPa，第一MTH 257plusmn;25KPa，第二MTH 270plusmn;23KPa，第三MTH 63plusmn;17KPa，脚趾235plusmn;24.5KPa下观察到平均压力值（具有标准偏差）。尽管足底压力分析显示5分，但可以继续进行，但有些患者解剖不正常。具有先天畸形的患者，例如平的或高拱形的脚，马蹄足和额外的手指或脚趾，可能会改变压力点。在这些情况下，压力测量的5分可能不能清楚地表明压力分布异常。因此，需要增加传感器的数量以覆盖鞋底上的更多区域。另外还有三点可以完全覆盖鞋底下的压力分布。因此，决定每个鞋底使用8个传感器。三个传感器除了现有的5个点被放置在拱的两个位置，剩下的最后在中间脚趾。这将覆盖较大的鞋底区域，以更好的精度提供压力分布。在这种情况下，不同的鞋底是不同尺寸的脚需要的，因此需要开发各种标准尺寸的鞋底以覆盖较大数量的主体。

在研究的指导下，使用力感测电阻（FSR）设计了一个内置压力扫描器。选择FSR是因为它提供的优势。该传感器比电容式和电动传感器便宜。很薄因此，鞋底对于患者也不会产生任何不适，也不会由于局部隆起而产生额外的压力。力传感电阻（FSR）是一种聚合物厚膜（PTF）器件，随着施加到活性表面上的力的增加，电阻降低。其灵敏度优化用于电子设备的人体触摸控制。 FSR输出的上升和下降时间为

顺序为1到2毫秒。 FSR响应大致遵循逆幂律定律特征[6]。圆形FSR与1平方厘米面积和

使用0.5mm厚度，因为其尺寸最适于将多个传感器放置在脚底上以覆盖整个区域。由Interlink Electronics开发并由其提供的FSR的规格为：尺寸范围（0.5 x

0.5厘米至51times;61厘米），装置厚度（0.20至1.25毫米），力灵敏度范围（lt;100克至gt; 10公斤），力分辨率（优于0.5％满刻度），开启力（20克至100 g），脱机电阻（gt; 1M卸载，未插件）和设备上升时间（1-2 m。sec）。

A.传感器测试

50号 的传感器是从Interlink Electronics（专有项目）进口的，其中三个采用计算机化的Instron UTM机器进行了测试。 在10N的步骤中以0.1mm / min的恒定速度对高达100N（牛顿）的力进行测试。 使用数字万用表记录电阻变化。 将得到的结果绘制在线性刻度上。 虽然施加的力是在牛顿，但是为了在整个工作中容易使用一个单位，值被转换成kPa，此后将使用相同的单位。 相对于施加力的电阻变化绘制在线性刻度上，并且图示于图1。1.1。 该图表明，在整个压力范围内，FSR的响应是非线性的。 这表明FSR是非线性器件。

B电路设计

为此应用设计了具有单位增益放大器的简单分压电路。该电路围绕四运动放大器LM-324设计。分频电路和放大器的设计方式是使电路的输出随施加压力的增加而增加，即使电阻反向变化。此运算放大器是单一源设备，并在Interlink Electronics的用户注释中推荐。这是一个补偿补偿运算放大器，并提供高输入阻抗。八个相同的放大器并入单个板上，用于并行处理从8个压力位置感测的足底压力数据。采用放大器增益50进行数据采集，提供最大plusmn;10 V不饱和输出，这证实了最大的200 mV输入信号可以应用于Biopac数据采集模块。因此，应用最大压力（1000 kPa）时，数据处理卡应提供最大200 mV输出。包括串联电阻以优化所需的压力灵敏度范围并限制通过FSR的电流。在施加的全部压力范围内，维持通过FSR的1mA电流的最大极限。使用ORCAD对电路的各种值进行了仿真。经过多次模拟，观察到补偿电阻的最佳值为8.2kOmega;。将这些结果绘制在如图1所示的线性标度上。 1.2，并且观察到该图表示在较高压力范围内具有非线性的改善的响应。因此，忠实的数据观察需要非线性补偿。

C非线性补偿

一个理想的线性传感器是为所有输入和输出值的因果关系而成正比的。典型的换能器通常是非线性的，但通常足够的线性以在有限的感兴趣的范围或范围内有用。然而，有许多明确的非线性关系的例子，包括对数和其他数学函数，在实现传感器线性化方面有用[7]。连续函数拟合允许转换独立输入变量和相关输出变量之间的经验关系。实际的实现需要使用适合于感兴趣的传感器特征的非线性关系来形成线性化的输出函数[8]。

有用的关系包括自然规律，如1 / X，log X，最优分段线性近似和多项式表达式，如二次方程[9]。通过如式（1.1）所示的二次线性化函数，FSR在0至1000kPa范围内线性化为直线响应。试验系数用FSR输出信号斜率和0 kPa截距的满量程的三分之一和三分之二解决[10]。方程式（1.1）的解决方案为先前记录的压力值的全范围提供了线性化的输出压力，并且用于找到足底压力的真实值。

Y = AX BX2 C ----------------------------（1.1）

哪里：

Y是压力的应用值X是以伏特A为单位的测量输出，B为斜率系数

C为截距值，为0 kPa。

三分之一的压力= 300 kPa，测量输出为3.5 V

300 = A（3.5） B（3.5）2 ------------------（1.2）

对于三分之二的压力，压力= 600kPa，测量输出= 6.95V

600 = A（6.95） B（6.95）2 ---------------（1.3）

系数A和B通过求解方程（1.2）和（1.3）得到，值为：

A = 86.34kPa / V，B = 0.18kPa / V2

绘出如此获得的线性化输出数据，并在全压范围内观察到线性，如图1所示。 1.3。该图表明可以应用该方法来找出施加压力和获得的输出之间的线性关系

因为在进行线性化之后，获得的数据本质上是线性的。使用二次方程和所得到的系数A和B的值，在将其用于分析之前，将使用各种受试者的记录数据进行线性化。

系统开发

随着要放置在鞋底中的传感器数量的确定和传感器的位置，鞋的开发就开始了。将传感器放置在指定位置，并仔细地粘贴到软橡胶板（衬垫）上。传感器组件被夹在两个这样的板之间用于保护。将颜色施加到针对传感器位置识别的各种压力头上的脚底，最后通过踩到橡胶板上，在板上产生印象。在橡胶鞋底上识别传感器的位置，因此放置传感器。传感器的布线使用薄带电缆完成，不会干扰传感器的放置。所有传感器最后连接到可拆卸的16针连接器，以进一步连接到数据处理卡。两个橡胶板彼此粘合，对另一（左）鞋也进行相同的处理。该橡胶板和传感器组件单元连接到脚底。开发了多种尺寸（6至9）的鞋子，以覆盖成年人口的大范围脚部。开发的鞋底固定在鞋底的底部进行实验和信号记录。为了这个目的而使用易于承受的鞋子，使其适合于类似脚尺寸的不同主体。这些鞋底通过信号处理电路连接到数据采集系统，用于数据记录。这样开发的系统与用于记录和信号处理的数据采集装置集成。传感器和如此开发的鞋底的放置如图1所示。 1.4。

全系统与数据采集单元BIOPAC MP100集成，并连接到计算机系统。该系统被设计为与BIOPAC数据采集系统相匹配，8位数据采集单元可用于信号记录。记录系统的框图如图1所示。 1.5。与传感器（2.7V）施加的激励电压与数据采集单元提供的增益一致。增益和激励电压的固定方式是读取压力为10mV / kPa。要求受试者在平面上移动已知距离（2-3个步态周期）以便于比较和均匀的压力分布记录。

3结果与讨论

测试了开发的系统对各种受试者的足底压力分布。 包括男性和女性在内的所有62个受试者均由印度孟买技术学院，孟买医院和全印度物理医学研究所

康复，孟买。 受试者总数25例，正常对照组25例; 糖尿病组25例，糖尿病12例，神经病变组。 从受试者之一获得的结果示于图1。1.6。

考虑到步态训练时间，前三项试验被排除在数据提取之外，并且还给予稳定肌肉活动的时间。从计算的RMS信号获得EMG数据，并且通过从试验中取平均三个连续步骤进行归一化，以最小化误差和步长变化的影响。对于脚压数据，遵循类似的方案，并且通过对于时间尺度参数或振幅参数采用三个连续步骤的平均值来获得最终值。从原始信号中提取数据，并对提取的数据进行统计分析。

脚压（P）已被证明受到受试者的体重[11]的影响，因此压力归一化是参照受试者的体重（W）进行的。由此获得的压力称为正常足底压（NPP）。

P * 100

NPP = ------------ ----------------------------（1.4）W

哪里，

P是给定点的峰值压力，单位为千帕斯卡（kPa）。

W =牛顿（N）对象的体重。乘以100是将分数转换为整数。

NPP单位表示为kPa / N。

所有8个压头的NPP结果分析总结如表1.1所示。该表强调了脚底压力在每个步骤中的统计参数，记录在鞋底下方8个压力点[12]。该表包括三个不同（N，D和DN）组的受试者数量（n），样本平均值和标准偏差（plusmn;SD）。

从图中可以看出，三组之间NPP值各不相同，因此需要进一步分析。进行分析，以使用ANOVA检验来发现不同组的各种压头上脚底压力幅度的变化。试图接受或拒绝足底压力振幅的零假设。后来进行Scheffe试验，发现压力振幅差异有统计学意义[13]。进行该分析以评估在任何组中的鞋底下是否存在异常的压力分布。

压力幅度的人口平均值对于脚跟，MTH1和MTH5的压力有显着差异，但其他头部的压力值却不同，但不显着。进行进一步分析以确定在脚跟，MTH1和MTH5处的压力值振幅具有显着差异的组。图中显示了各种头部的压力，其中显着差异。 1.8表示DN组的后跟，MTH1和MTH5压力较高。在跟踪下观察到的N组和DN组压力平均值差异为11.44 kPa / N，D组和DN组之间的压力平均值差为11.11kPa / N。这意味着DN组的耐力比N组和D组高。 DN组与N组，D组比较，中，重度MTH1和MTH5的压力较高。

IV.CONCLUSION

在E

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