本發(fā)明涉及人體運動信號的健康診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有健康診斷功能的可穿戴式智能鞋墊。

背景技術(shù)：

人體運動的信號是一種基于時間和空間反饋，主要受神經(jīng)和運動系統(tǒng)共同控制人體運動的非線性行為，屬于一種特異性的生理信號。人們的年齡變化、身體健康程度和精神狀態(tài)的改變等，都會對步態(tài)有不同程度的影響?？梢哉J為步態(tài)信號從一個方面反映出了人體的運動功能、健康狀況和病態(tài)特征等信息。步態(tài)疾病會極大地影響人們的生活質(zhì)量，且其隨著年齡的增長顯著增加，文獻中指出，60-69歲中的老年人，步態(tài)障礙者占10％左右，而80歲以上的步態(tài)疾病患者將超過80％。2012年的聯(lián)合國報告指出，全球超過60歲的人口占11.5％，到2050年老年人口將會翻倍，中國和歐洲將更為嚴重。老年人中常見的步態(tài)疾病，如帕金森癥、亨廷頓舞蹈癥和肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等，其臨床表現(xiàn)包括運動遲緩、肌肉僵硬、靜止性震顫、睡眠障礙、精神異常、自主神經(jīng)功能障礙、感覺障礙等，都會引起步態(tài)異常，且這些神經(jīng)衰退性疾病的發(fā)病機制尚未完全明確，可能與環(huán)境因素、社會因素、遺傳因素、藥物因素和患者因素等有關(guān)，因此基于異常步態(tài)對神經(jīng)衰退性疾病進行早期檢測和識別具有重要深遠的意義。雖然目前醫(yī)學(xué)上有很多檢測診斷的技術(shù)手段，如抽血化驗、表面肌電圖信號處理、ct、核磁共振、基因測試、腰椎穿刺等，但這些手段通常比較麻煩，并且伴隨一定程度的創(chuàng)傷。

目前，常用的步態(tài)分析特征參數(shù)有步態(tài)周期(同一只腳的后跟連續(xù)兩次觸地的時間)和步態(tài)壓力，前者的采集方式主要是視覺圖像技術(shù)，實驗設(shè)備昂貴，場地局限，受環(huán)境因素影響大，步驟復(fù)雜。后者是通過鞋墊式壓力傳感器獲得，簡單精度高。

異常步態(tài)的檢測可以看作是步態(tài)的辨識與分類，由于步態(tài)數(shù)據(jù)的隨機性、非線性和耦合性等特點，對其進行辨識具有一定的難度。而且步態(tài)疾病患者步速慢，行走障礙，采集的數(shù)據(jù)量少，會影響辨識的準確性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供了一種具有健康診斷功能的可穿戴式智能鞋墊，可以對帕金森癥、亨廷頓舞蹈癥、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等異常步態(tài)和健康正常步態(tài)信號進行分析處理識別，滿足數(shù)據(jù)點少的局限，同時實現(xiàn)了腳底不同部位壓力信號之間的耦合聯(lián)系，提高步態(tài)識別的精度和效率，有效分析人體運動健康狀況。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種具有健康診斷功能的可穿戴式智能鞋墊，包括：鞋墊基層1和設(shè)置在鞋墊基層1中的第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5、控制電路6、信號傳輸電路7和供電裝置8。第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5分別置于腳尖、第一跖趾關(guān)節(jié)、第四跖趾關(guān)節(jié)和腳后跟對應(yīng)的位置，第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5的信號輸出和控制電路6的輸入連接，控制電路6的輸出和信號傳輸電路7的輸入連接，供電裝置8與控制電路6連接為其供電。

所述的控制電路6包括主芯片9和存儲器10，主芯片9的信號輸入和第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5的信號輸出連接，主芯片9的第一輸出和存儲器10連接，主芯片9的第二輸出和信號傳輸電路7的輸入連接；所述的信號傳輸電路7由藍牙模塊11、藍牙天線12和wifi模塊13、wifi天線14兩種傳輸方式中的至少一種組成，藍牙模塊11的輸入和主芯片9的第二輸出連接，藍牙模塊11的輸出與藍牙天線12的輸入連接；wifi模塊13的輸入和主芯片9的第二輸出連接，wifi模塊13的輸出與wifi天線14的輸入連接；所述的供電裝置8包括充電口15、充電電池16和電源管理模塊17，充電口15與充電電池16的輸入連接為其充電，充電電池16的輸出與電源管理模塊17的輸入連接，電源管理模塊17的輸出和主芯片9的電力輸入連接。

所述的控制電路6設(shè)置在腳弓下方的位置。

所述的信號傳輸電路7設(shè)置在鞋墊基層1上與前腳掌邊緣相對應(yīng)的位置。

所述的充電電池16和電源管理模塊17設(shè)置在腳弓對應(yīng)的位置附近，充電口15設(shè)置于鞋墊后跟邊緣。

所述的第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5是無源的，柔性壓力傳感器的加工工藝包括pvdf薄膜的清洗、濺射電極、薄膜的裁剪、邊緣處理和附加基底；在30-50℃條件下，選用鋁濺射電極，附加的基底是聚酰亞胺(pi)，厚度為50-100μm。

所述的主芯片9集成了多元多尺度符號熵的數(shù)據(jù)分析方法，根據(jù)腳底的多個壓力信號分析人體的運動情況、步態(tài)特點和健康狀況，具體為：

假設(shè)多元時間序列{xk,i}ⁿi＝1,k＝1,2,···,p,p表示這組時間序列變量個數(shù)，n是每個變量序列的數(shù)目，其每個變量序列的平均值為對多元時間序列粗?；纬啥喑叨葦?shù)據(jù)，假設(shè)尺度因子ε，粗?；Y(jié)果為：

選取的符號模式是二進制，即δ＝2，得到的符號序列元素為0或1，即：

其中θ是閾值，取截斷序列長度l，時間延遲τ，得到符號子序列：

其中n為符號序列的長度，將符號子序列轉(zhuǎn)化為十進制元素：

再將符號元素{wk,i}進行香農(nóng)熵(shannonentropy)計算：

該香農(nóng)熵的值易受隨機誤差和系統(tǒng)誤差影響，計算其改進香農(nóng)熵：

其中m為符號序列中出現(xiàn)的不同字的總數(shù)，即m＝δ^l；c是符號序列中可能出現(xiàn)的不同字的數(shù)目，當符號序列中出現(xiàn)的不同字的概率相等，則改進香農(nóng)熵最大值為csemax(l,ε)；

最后，歸一化改進香農(nóng)熵為：

ncse(l,ε)＝cse(l,ε)/csemax(l,ε)(7)

不論l、ε和δ取何值，ncse的值都在0到1之間變化，對異常步態(tài)和健康正常人的步態(tài)壓力信號進行多元多尺度符號熵分析計算；

將健康正常人的特征熵值分別與異常步態(tài)的熵值進行獨立樣本t檢驗得到對應(yīng)的p值，若p≤0.05，健康正常人的步態(tài)與異常步態(tài)有顯著的差異性，辨識區(qū)分；p值越小，辨識度越好。

本發(fā)明的有益效果為：

柔性壓力傳感器2、3、4、5將腳底不同部位的多個壓力信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，控制電路6將電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的壓力信號存儲起來，并根據(jù)主芯片9集成的多元多尺度符號熵方法處理分析這些數(shù)據(jù)，最后通過信號傳輸電路7將分析結(jié)果發(fā)送到外部接收設(shè)備，實現(xiàn)了腳底不同部位壓力信號之間的耦合聯(lián)系，利用較少的數(shù)據(jù)點非侵入式準確且高效的分析異常步態(tài)和健康人的步態(tài)。本發(fā)明制作簡單，舒適性好，集成度高，方便遠程監(jiān)測人體健康。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中控制電路6、信號傳輸電路7和供電裝置8的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是主芯片9的多元多尺度符號熵方法流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

參照圖1，一種具有健康診斷功能的可穿戴式智能鞋墊，包括：鞋墊基層1和設(shè)置在鞋墊基層1中的第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5、控制電路6、信號傳輸電路7和供電裝置8。第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5分別置于腳尖、第一跖趾關(guān)節(jié)、第四跖趾關(guān)節(jié)和腳后跟對應(yīng)的位置，將壓力信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5的信號輸出和控制電路6的輸入連接，控制電路6的輸出和信號傳輸電路7的輸入連接，供電裝置8與控制電路6連接為其供電。

參照圖2，所述的控制電路6包括主芯片9和存儲器10，主芯片9的信號輸入與第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5的信號輸出連接，主芯片9的第一輸出和存儲器10連接相互傳輸信號，根據(jù)第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5的壓力電信號得到各個測力點的壓力，將測力點的壓力數(shù)據(jù)存儲備份到存儲器10，防止丟失，主芯片9的第二輸出和信號傳輸電路7的輸入連接，控制電路6為信息處理和存儲的核心，為了避免其受到過大的壓力而損壞，將其設(shè)置在腳弓下方的位置。信號傳輸電路7由藍牙模塊11、藍牙天線12和wifi模塊13、wifi天線14兩種傳輸方式中的至少一種組成，其耗電低、信號傳輸穩(wěn)定，藍牙模塊11的輸入和主芯片9的第二輸出連接，藍牙模塊11的輸出與藍牙天線12的輸入連接；wifi模塊13的輸入和主芯片9的第二輸出連接，wifi模塊13的輸出與wifi天線14的輸入連接，信號傳輸電路7將主芯片9分析的步態(tài)結(jié)果傳輸?shù)酵獠啃盘柦邮赵O(shè)備，信號接收設(shè)備可以是醫(yī)療系統(tǒng)和手機app等，為了避免其受到過大的壓力和減小人體阻礙無線信號的傳輸，信號傳輸電路7設(shè)置在鞋墊基層1上與前腳掌邊緣相對應(yīng)的位置。供電裝置8包括充電口15、充電電池16和電源管理模塊17，充電口15可為usb口，與充電電池16的輸入連接為其充電，充電電池16的輸出與電源管理模塊17的輸入連接，電源管理模塊17的輸出和主芯片9的電力輸入連接，為了避免其受到過大壓力，將充電電池16和電源管理模塊17設(shè)置在腳弓對應(yīng)的位置附近，充電口15設(shè)置于鞋墊后跟邊緣，充電口15與外電路連接給充電電池16充電，通過電源管理模塊17給控制電路6和信號傳輸電路7供電。

所述的第一柔性壓力傳感器2、第二柔性壓力傳感器3、第三柔性壓力傳感器4、第四柔性壓力傳感器5是無源的，不需要額外供電，柔性壓力傳感器的加工工藝包括pvdf薄膜的清洗、濺射電極、薄膜的裁剪、邊緣處理和附加基底，附加基底可以保護柔性pvdf薄膜，并使其受力均勻，提高柔性壓力傳感器的靈敏度和輸出電壓。在30-50℃條件下，選用鋁濺射電極，附加基底是聚酰亞胺(pi)，厚度為50-100μm，可以保護柔性pvdf薄膜，并使其受力均勻，提高柔性壓力傳感器的靈敏度和輸出電壓。

參照圖3，所述的主芯片9集成了多元多尺度符號熵的數(shù)據(jù)分析方法，根據(jù)腳底的多個壓力信號分析人體的運動情況、步態(tài)特點和健康狀況。該方法可以計算帕金森癥、亨廷頓舞蹈癥、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等異常步態(tài)和健康正常人的步態(tài)信號特征熵值，健康正常人的步態(tài)信號熵值比異常步態(tài)大，復(fù)雜度大，具體為：

熵值可以用來衡量一個系統(tǒng)的復(fù)雜度，假設(shè)多元時間序列{xk,i}ⁿi＝1,k＝1,2,···,p,p表示這組時間序列變量個數(shù)，n是每個變量序列的數(shù)目，其每個變量序列的平均值為對多元時間序列粗?；纬啥喑叨葦?shù)據(jù)，假設(shè)尺度因子ε，粗粒化結(jié)果為：

選取的符號模式是二進制，即δ＝2，得到的符號序列元素為0或1，即：

其中θ是閾值，取截斷序列長度l，時間延遲τ，得到符號子序列：

其中n為符號序列的長度，將符號子序列轉(zhuǎn)化為十進制元素：

再將符號元素{wk,i}進行香農(nóng)熵(shannonentropy)計算：

該香農(nóng)熵的值易受隨機誤差和系統(tǒng)誤差影響，計算其改進香農(nóng)熵：

其中m為符號序列中出現(xiàn)的不同字的總數(shù)，即m＝δ^l；c是符號序列中可能出現(xiàn)的不同字的數(shù)目，當符號序列中出現(xiàn)的不同字的概率相等，則改進香農(nóng)熵最大值為csemax(l,ε)；

最后，歸一化改進香農(nóng)熵為：

ncse(l,ε)＝cse(l,ε)/csemax(l,ε)(7)

不論l、ε和δ取何值，ncse的值都在0到1之間變化，對多組帕金森癥、亨廷頓舞蹈癥、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等異常步態(tài)和健康正常人的步態(tài)壓力信號進行多元多尺度符號熵分析計算。

將健康正常人的特征熵值分別與帕金森癥、亨廷頓舞蹈癥、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等異常步態(tài)的熵值進行獨立樣本t檢驗得到對應(yīng)的p值。若p≤0.05，健康正常人的步態(tài)與異常步態(tài)有顯著的差異性，辨識區(qū)分。p值越小，辨識度越好。

本發(fā)明提供的具有健康診斷功能的可穿戴式智能鞋墊，可采集腳底多部位步態(tài)壓力信號并用所提方法對其分析處理，實現(xiàn)了腳底不同部位壓力信號之間的耦合聯(lián)系，利用較少的數(shù)據(jù)點非侵入式準確且高效的分析異常步態(tài)和健康人的步態(tài)。該智能鞋墊制作簡單，成本低，舒適性好，集成度高，方便遠程監(jiān)測人體健康。

以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。