詳解足底壓力測試在運動中的原理與應用

本期干貨我們將從足底壓力測試從起源和詞源入手，介紹足底壓力測試技術的基礎知識，解釋與之相關的基本的生物力學概念，并介紹XSENSOR步道式與鞋墊式壓力測試系統(tǒng)是如何在運動應用中發(fā)揮作用的。
 
Catalog目錄
1、介紹
足底壓力測試的發(fā)展歷程
負重運動學
 
2、什么是足底壓力分布測試技術？
傳感器類型
傳感器特點
技術規(guī)格
 
3、基礎生物力學：力與壓強
什么是人體運動？
基礎生物力學：動力學和運動學
了解力（壓強）與時間曲線
質(zhì)量中心（COM）與壓力中心（COP）
 
4、硬件和軟件：步道式和鞋墊式壓力測試系統(tǒng)
步道式和鞋墊式壓力測試系統(tǒng): 概述
步道式壓力測試系統(tǒng)：特性和規(guī)格
鞋墊式壓力測試系統(tǒng): 特性和規(guī)格
Xsensor軟件：測量與分析
兩種設備在運動應用中使用方法的差異
 
5、結(jié)論
 
1、足底壓力測試
足底壓力測試背后的技術，被稱為足壓測量法或足底照相術，已經(jīng)被應用了數(shù)十年。
在臨床上，該技術主要被用于分析患有肢體畸形以及有病理步態(tài)患者的足底壓力分布情況和步態(tài)情況。在實驗研究上，該技術獲得的數(shù)據(jù)會作為一種生物力學變量，與運動捕捉和表面肌電圖等其他技術結(jié)合分析足底壓力測試背后的技術，被稱為足壓測量法或足底照相術，已經(jīng)被應用了數(shù)十年。
 
同時，足底壓力測試技術也被集中應用在為糖尿病患者定制矯形器以及管理峰值壓力，幫助糖尿病患者減輕或預防壓力性損傷。
 
在實驗研究中，足底壓力測試主要被作為一種整合方法。相比于測力臺和運動捕捉系統(tǒng)，許多臨床醫(yī)生會更樂意使用足底壓力測試技術。
在過去，生物力學研究采用的是還原論方法，比如研究運動是如何發(fā)生的（運動學）和為什么會發(fā)生（動力學），而很少會關注運動學和動力學是如何通過足部功能表現(xiàn)出來的。
 
2、什么是足底壓力分布測試技術
足底壓力測試技術是測量位于腳底和腳趾之間的一組特定傳感器上的壓力。
首先，讓我們看看這些系統(tǒng)在測量什么樣的數(shù)據(jù)和指標。有兩種方式，直接測量或間接測量：    
考慮到這一點，我們來看看這些系統(tǒng)背后的技術。技術因素可以分為以下三類：

• 技術特性：指在給定系統(tǒng)中實際使用的傳感器。
• 傳感器特性：指與測量精度有關的具體參數(shù)。
• 傳感器類型：指與數(shù)據(jù)的管理、質(zhì)量和傳輸相關的一系列特性。

   
傳感器類型
用于足底壓力測試的傳感器有不同的類型。我們將重點討論最常用的兩種：電容式和電阻式。
 
電容式傳感器又稱電容傳感器，其特點是由兩塊帶電的導電材料制成的薄板。兩片薄板之間有一層絕緣彈性層（稱為介電層）隔開，一旦施加外力，介電層就會彎曲，導致兩片薄板壓縮。壓縮會縮短兩片薄板之間的距離，同時電容增大，電壓的變化就是所測量的值。  
電阻式傳感器由封裝在兩個電極之間的導電薄膜制成。
 
這類傳感器中最常用的是力感電阻器（FSR），它由導電聚合物層制成，在施加壓力時電阻會減小，從而導致通過電阻傳感器的電流增加。相比于電阻式傳感器，電容式傳感器的主要優(yōu)點是可以對足底壓力進行精確的定量評估，因為校準曲線是為矩陣中的每個傳感器制定的。  
例如，XSENSOR 壓力測試系統(tǒng)就使用了電容式傳感器。
 
傳感器特性

• 要確定壓力傳感傳感器的精度水平，需要考慮三個主要參數(shù)：滯后性、非線性和非重復性。
• 傳感器的總體精度可定義為在受控條件下傳感器測量值與理想值的最大偏差。
• 滯后性是指傳感器在穩(wěn)定加載和卸載時輸出信號的差異。
• 非線性是測量曲線與參考直線的最大偏差；它是傳感器對施加壓力的反應，顯示了信號處理電路的簡單程度。
• 非重復性是指對同一壓力進行的不同后續(xù)測量時輸出信號的變化程度。
• 較小的非重復性誤差（即高重復性）是足底壓力測量系統(tǒng)的基本特征。

   
3、力與壓強
動力學和運動學都是物理學中研究物體運動的領域。在分析運動并描述運動發(fā)生的原因和方式時，我們需要了解它們之間的區(qū)別。
動力學關注運動本身的根本原因（為什么會發(fā)生運動）；而運動學則關注描述人體運動（運動如何發(fā)生），運動學專注于不涉及力的數(shù)字描述。
在這種情況下，力（F）和壓強（p）都需要從動力學的角度來看待。
力和壓強是兩個互補的指標，可深入了解人體表現(xiàn)的各個方面，并有助于預防損傷和個性化訓練。
在物理學術語中，力（F）代表一個矢量，意味著它有大小和方向；另一方面，壓強（p）是一個標量，因為它只由一個代表其大小的數(shù)字來定義。力被定義為直線推力或拉力，通常用磅（lbs）或牛頓（N）表示，它是兩個物體之間相互作用的結(jié)果。  
壓強的定義是力除以作用面積；以帕斯卡（Pa）為單位，相當于每平方米一牛頓（N/m）。它是作用在給定表面上的法向力與受力面積之間的比值。
壓強沒有特定的方向，即使改變作用力表面的方向，也會引起法向力（與接觸物體表面成直角的作用力）的變化，但不會引起壓強的變化，壓強將保持不變。
 
4、力（壓強）與時間曲線
運動會隨著時間的推移而發(fā)生，因此了解什么是力-時間曲線（或壓強-時間曲線）、如何正確解釋它以及如何識別運動的不同階段非常重要。
 
該圖可以分析力隨時間(沖量)作用的力學效應，以及通過動量(和速度)的變化來力-時間曲線是一種圖形表示，其中施加的力（以牛頓為單位）繪制在 x 軸上，時間（通常以秒為單位）繪制在 y 軸上。
 
應用于運動的不同階段的。動量可定義為剛體所具有的總體運動量，用"質(zhì)量與質(zhì)心速度的乘積"來衡量。
由于沖量和動量是由于動量平衡沖量關系而相互關聯(lián)的兩個變量，因此正確分析力-時間圖對于理解性能與速度和加速度的關系以及它們與運動階段（即步態(tài)和跑步周期）的關系至關重要。
 
動量平衡沖量關系指出"物體的動量變化等于該方向合力的沖量"，這意味著需要一個很大的沖量才能產(chǎn)生相應的大的動量變化。  
力與時間的關系在競技體育中變得尤為重要，在較短的時間內(nèi)產(chǎn)生較多力的能力或在較長時間內(nèi)產(chǎn)生恒定力的能力可以成為成功的決定因素。
 
參考資料
[1]Xsensor.Ebook.Intro to Plantar PressureMapping in Sport