A Review in Detection and Monitoring Gait Disorders Using In-Shoe Plantar Measurement Systems
Julian Andres Ramirez-Bautista , Student Member, IEEE, Jorge Adalberto Huerta-Ruelas, Silvia Liliana Chaparro-Caacute; rdenas, Student Member, IEEE, and Antonio Hernaacute; ndez-Zavala
Abstract—Gait is an important part of our life, as it affects many daily activities. Special footwear is fundamental to ob- tain an ergonomic gait and to extract data for analysis. The plantar foot pressure can be employed to detect many kinds of disorders, suggest improvements in treatments, rehabili- tation tasks, patient monitoring, development of orthopedic devices, and other applications. In recent years, attention to this topic has grown and is reflected in many works issued in both commercial and academic groups, and has focused on the development of devices for foot plantar pressure measurement with applications in medicine, sports, and re- search. First works on this subject appeared around 1963 and have continuously evolved with emerging technologies. This paper reviews the reported developments in the field of footwear-embedded sensors for gait measurement, moni- toring, diagnosis, and analysis in rehabilitation. Future work is proposed to improve the field of measurement of the foot- print with electronic devices.
Index Terms—Biomedical measurement, foot-print dis- orders, instrumented footwear, instrumented insole, multi- sensory system, plantar pressure, pressure sensor, wear- able sensors.
- INTRODUCTION
LANTAR pressure measurement provides important infor- mation about the health of people, the human body struc- ture, and foot functionality [1]. Substantial advancements have been made in the development of measurement technologies for
P
Manuscript received February 5, 2017; revised April 26, 2017 and
July 19, 2017; accepted August 11, 2017. Date of publication August
30, 2017; date of current version December 29, 2017. This work was supported in part by the Instituto Politeacute; cnico Nacional and in part by the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologacute;ıa CONACYT, Meacute; xico. (Corre- sponding author: Antonio Hernaacute; ndez-Zavala.)
J. A. Ramirez-Bautista, S. L. Chaparro-Caacute; rdenas, and A. Hernaacute; ndez- Zavala are with the Department of Mechatronics, Centro de Investi- gacioacute; n en Ciencia Aplicada y Tecnologacute;ıa Avanzada, Instituto Politeacute; cnico Nacional, Quereacute; taro 76090, Meacute; xico (e-mail: julianramirez@ieee.org; silviachaparro@ieee.org; anhernandezz@ipn.mx).
J. A. Huerta-Ruelas is with the Department of Alternative Energies, Centro de Investigacioacute; n en Ciencia Aplicada y Tecnologacute;ıa Avanzada, Instituto Politeacute; cnico Nacional, Quereacute; taro 76090, Meacute; xico (e-mail: jhuertar
@ipn.mx).
Digital Object Identifier 10.1109/RBME.2017.2747402
plantar pressure to obtain systems to help understand general be- havior and/or pathologies by means of analysis of the pressure generated by the feet during human motion [2], [3].
Plantar foot measurement systems can be classified into three types: pressure platforms, imaging technologies, and in- strumented footwear systems. The latter appears to be the most efficient since they are flexible, mobile, and low cost [4], [5].
Foot pressure measurement by instrumented shoes has been an interesting area since 1963, when Bauman and Brand [6] described this equipment and method to evaluate footwear for patients with leprosy through plantar measurements with sim- ple devices. The measuring pressure systems were wired until 1997, when Lawrence and Schmidt [7] presented a wireless in-shoe force system for analyzing normal and paraplegic pa- tients. In recent times, both commercial and academic groups have been developing instrumented shoes with different types of sensor technologies, allowing wireless communication and low power consumption in simple systems for improving data acquisition. These advances have been made to achieve major social acceptation [8]. The inclusion of other types of sensors as gyroscopes, accelerometers, humidity, and temperature sensors makes these instrumented insoles a helpful tool to detect many diseases.
In-shoe pressure measurement systems have been widely used in clinical and research field to evaluate patients with structural disorders, foot illness, or early diagnosis pathologies [1]. Plan- tar pressure analysis let us estimate many parameters such as mean pressure, peak pressure, center pressure, and displace- ment speed of the center of pressure [9], allowing to determine balance analysis [10], [11], measuring of spatiotemporal gait [12], [13], and ground reaction forces (GRFs) [14] in sports and medicine. Those parameters are fundamental for detecting abnormalities such as the type of foot, cavus or flat [15], plano valgus, and clubfoot [16], but also for monitoring and diag- nosing many diseases such as insensible feet [17], Parkinson, peripheral neuropathy, frailty, dementia [18], and pressure peak in diabetic foot [19]. They are detectable when the inappropriate forces are present in the measuring [20].
In this paper, we review footwear-based wearable systems for gait analysis, starting from the simplest to the most advanced systems developed during the last years with the available
1937-3333 copy; 2017 IEEE. Personal use is permitted, but republication/redistribution requires IEEE permission.
See http://www.ieee.org/publications standards/publications/rights/index.html for more information.
technology. The review work includes the type of pressure sen- sors, their number and arrangement, power consumption, com- pactness, communications protocols, medical and research use, and future applications.
This paper is organized into five sections. Section II presents the instr
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使用鞋内足底测量系统检测和监测步态障碍的综述
Julian Andres Ramirez-Bautista , 学生会员 IEEE, Jorge Adalberto Huerta-Ruelas, Silvia Liliana Chaparro-Caacute; rdenas, 学生会员, IEEE, and Antonio Hernaacute; ndez-Zavala
摘要
步态是我们生活中的重要部分，因为它影响许多日常活动。特殊鞋类对于获得符合人体工程学的步态和提取分析数据至关重要。足底压力可用于检测多种疾病，建议治疗方法的改进，康复任务，患者监测，整形外科设备的开发以及其他应用。近年来，对这一主题的关注不断增长，并反映在商业和学术团体的许多着作中，并且侧重于开发足底压力测量设备，并将其应用于医学，运动和研究。关于这个问题的第一部作品出现在1963年左右，并且随着新兴技术的不断发展。本文回顾了鞋类嵌入式传感器在步态测量，监测，诊断和康复分析领域的发展情况。未来的工作是为了改善电子设备的测量领域而提出的。
关键词；生物医学测量，足迹故障，仪表鞋，仪表鞋垫，多感官系统，足底压力，压力传感器，可磨损传感器。
- 介绍
LANTAR压力测量提供了关于人体健康，人体结构和足功能的重要信息[1]在测量技术的发展方面取得了实质性的进展。
手稿于2017年2月5日收到; 2017年4月26日修订和
2017年7月19日; 接受2017年8月11日。出版日期8月
2017年3月30日; 目前版本的日期为2017年12月29日。这项工作得到了Instituto Polite#39;cnico Nacional的部分支持，部分得到了墨西哥Consejo Nacional de Ciencia yTecnolog#39;ıaCONACYT的支持。 （通讯作者：Antonio Herna#39;ndez-Zavala。）
JA Ramirez-Bautista，SL Chaparro-Ca#39;rdenas和A. Herna#39;ndez-Zavala与机电一体化系，Centro de Investi-gacio#39;n en Ciencia Aplicada yTecnolog#39;ıaAvanzada，Instituto Polite#39;cnico Nacional，Quere #39;墨西哥墨西哥76090（电子邮件：julianramirez@ieee.org; silviachaparro@ieee.org; anhernandezz@ipn.mx）。
JA Huerta-Ruelas是替代能源部，位于Quere#39;taro 76090，Me#39;xico Instituto Polite#39;cnico Nacional Centro de Investigacio#39;n en Ciencia Aplicada yTecnologıaAvanzada（电子邮件：jhuertar
@ ipn.mx）。
数字对象标识符10.1109 / RBME.2017.2747402
足底压力，以通过分析脚在人体运动过程中产生的压力来获得帮助理解一般行为和/或病理的系统[2]，[3]。
脚底足部测量系统可以分为三种类型：压力平台，成像技术和仪器化鞋类系统。 后者似乎是最有效的，因为它们具有灵活性，移动性和低成本[4]，[5]。
自从1963年Bauman和Brand [6]描述了这种设备和方法，通过足底测量和简单设备评估麻风病患者的鞋类时，仪器化鞋子的足部压力测量一直是一个有趣的领域。 直到1997年，测量压力系统才被连线，当时Lawrence和Schmidt [7]提出了一种用于分析正常和截瘫患者的无线鞋内力系统。 近来，商业和学术团体都在开发具有不同类型传感器技术的仪表鞋，允许在简单系统中进行无线通信和低功耗以改善数据采集。 这些进步已经取得了重大的社会接受[8]。 包括其他类型的传感器作为陀螺仪，加速度计，湿度和温度传感器，使这些仪器仪表鞋垫成为检测许多疾病的有用工具。
鞋内压力测量系统已被广泛用于临床和研究领域，以评估患有结构障碍，足部疾病或早期诊断病理的患者[1]。 足底压力分析让我们估计许多参数，如压力中心的平均压力，峰值压力，中心压力和位移速度[9]，从而可以确定平衡分析[10]，[11]，测量时空步态[12] ]，[13]和地面反作用力（GRFs）[14]在体育和医学。 这些参数对于检测诸如足部类型，腔或扁平[15]，跖外翻和马蹄足[16]等异常情况很重要，但也用于监测和诊断许多疾病，如不敏感的足部[17]，帕金森病，周围神经病，虚弱，痴呆[18]和糖尿病足压力峰值[19]。 当测量中存在不适当的力时，它们是可检测的[20]。
在本文中，我们回顾了基于鞋类的可穿戴系统用于步态分析，从最简单的系统开始，到最近几年使用现有技术开发的最先进的系统。 审查工作包括压力传感器的类型，数量和布置，功耗，紧凑性，通信协议，医学和研究用途以及未来的应用。
本文分为五个部分。 第二部分介绍了商业和学术情景下鞋类开发的仪器仪表。 第三节描述了用于鞋内系统的传感器技术。 第四节讨论了检测和监测疾病的应用。 第五部分介绍了有关该主题的讨论。 最后，我们的结论和未来研究的建议将在第六部分中介绍。
2.仪器仪表发展
通过利用压敏元件和陀螺仪等加速度计等惯性传感器，商业和学术团体正在开发长期用于现实生活中的人体工学和可穿戴系统。 为了达到这个目的，延长电池寿命的低功耗电子设备对于通过正常的日常工作来实现持续的操作非常重要。
测量足底压力和步态参数的主要要求如下。
柔性电子设备：允许测量电子设备获得准确信息的最佳位置。 此外，该设备可以更灵活和适应自然的人体运动[4]，[21]。
传感器放置：脚表面可以分成区域以获取更多相关数据来分析病理。 报告显示，脚底可分为15个不同的区域[4]。 因此，推荐传感器的最小数量是15，但它仅限于脚尺寸的变化，导致感兴趣压力点的位移[22]，[18]。
传感器尺寸：以前工作推荐的传感器尺寸为5 mm 5 mm [23]，[24]。 较大的传感器可能会低估峰值压力。 而对于较小的传感器，在步态过程中很难控制兴趣点的位移。 因此，建议在阵列中使用较小的传感器。
嵌入式电子产品：完全集成的微机电系统（MEMS）技术（传感器，通信，电池，存储等）成为一种很好的选择，因为用户感知不到奇怪的元素[21]，[25]，克服了限制测量自由运动。 以前的工作报告称，当系统连接到鞋子时，体重低于300克不会影响步态[4]。
低功耗：系统必须运行一整天，以获取足够的数据用于研究和/或持续监测患者[1]。
低成本：系统成本是一个重要因素，因为目前的系统效率高，舒适，但价格低廉，导致使用率低。
研究，运动和临床数据分析显然需要准确，舒适，高效和低成本的系统。 这一演变正在商业和学术团体中进行，取得了以下成果。
图1 图2
图1.鞋垫完全集成，对用户不显眼。 （a）Moti-con系统[26]。 （b）InsoleX系统[27]。
图2.与采集和通信系统连接到身体的鞋垫。 （a）F-Scan系统[28]。 （b）Dynafoot2系统[29]
- 商业系统
有完全集成的商业设备，如德国公司Moticon [26]，该公司开发，制造和销售传感器产品，用于医学和运动应用中的运动分析。 Moticon产品的特点是全集成设计，易于操作，每个鞋垫，三维（3-D）加速计传感器，无线通信，闪存和电源都配有13个电容传感器，全部集成到鞋垫中，如图1所示（一个）。 Sennotech [27]开发的中国InsoleX是一款高精度和高可靠性的可穿戴监控产品。 该鞋垫易于使用，并集成了30-1200 kPa范围内的约48个智能织物压力传感器（取决于鞋垫尺寸），3-D加速计，3-D陀螺仪，3-D指南针和无线通信等功能[见图1（b）]。
目前，这些鞋垫系统是唯一完全集成的两个鞋垫系统，但是其他系统的数据采集和通信系统与北美Tekscan [28]开发的F-Scan系统相连接[见图2（a）]。 这种鞋垫是最常用于研究和临床应用的鞋垫。 它集成了960个电阻式压力传感器和345-517kPa压力范围。 鞋垫非常薄（0.15毫米），电子模块有线连接到病人的腿部和腰部; 这个系统如图2（a）所示。 Dynafoot2系统
[29]是法国产品的足底压力测量和步态时空分析[见图2（b）]。 这款鞋垫整合了28-35欧尺尺寸的28个传感器和36-47欧尺尺寸的58个传感器。 通讯模块结构紧凑，与病人的鞋子相连，提供真正的活动自由。
还有其他的小型，便携式和无线系统，如Pedar-X鞋垫（Novel，Germany）[30]，最多有99个传感器。 脚步鞋（英国AMCUBE）[31]使用80个电容传感器。 Parotec Insole（德国Paromed）[33]集成了24到36个传感器和hydrocell技术，用于精确的数据采集，包括推进力和剪切力。
Medilogic鞋垫（Medilogic，德国）[35]和Orpyx LogR鞋垫（ORPYX，加拿大）[36]均采用每个鞋垫8个压力传感器制成。 西班牙巴伦西亚生物力学研究所开发的Biofoot / IBM [32]是一种商业产品，每个鞋垫平均有64个传感器（取决于尺寸）。 这些系统减少了康复或研究中心的空间限制，并为患者提供了自由活动。 表I显示了这些系统的总结。
表一
商业可用仪器表
B.学术系统
由于商业系统的高成本，学术界一直在开发具有新颖传感器技术的不同设备[38]，同时确定其最佳位置以从步态参数和足底压力获得主要特征[4]。 在这些系统中，它们集成了多达64个传感元件。 例如，Donati等人 [39]开发了一个由64个光电传感器组成的柔性基质组成的系统，由柔软的硅胶覆盖，称为压力传感器衬垫，如图3（a）所示。 该系统在精度，灵敏度，动态特性以及符合机械要求方面具有良好性能。Leemets等人 [40]为仪表鞋垫提供了一个轻便且坚固的传感器阵列系统。 该设置可以使用电阻式感应和电容式感应，但作者使用电容式设置，因为它证明是最可靠和一致的。 该系统由层组成[见图3（b）]。
图3.用于压力测量的传感器阵列的开发。
（a）Donati等人的光电系统 [39]。 （b）Leemets等人的多层系统 [40]。
图4.用商用传感器开发鞋垫。 （a）Guerra和Montes的电阻式鞋垫[41] （b）Macleod等人的阻抗系统 [12]。
图5.使用非传统感应元件开发鞋垫 （a）Corbellini等人的新型压阻微复合鞋垫 [38] （b）Tan等人的压阻栅格阵列 [10]
其他作者选择用Guerra等人的商用传感器来阐述他们的系统。 [15]，[41]，他们开发了一个带有15个电阻传感器FSR（力觉检测电阻）的系统，连接到Arduino板以获取数据。 这种设备的主要缺点是传感器是固定的，仅适用于28英尺尺寸和50千克体重的儿童。 该系统见图4（a）。 在[12]中，Macleod et al。 开发了一种低成本，低技术的替代方案，可以提供准确的测量结果，并且可以在临床研究中轻松使用[见图4（b）]。
文献报道的另一类系统是开发新型压阻微复合材料[38]，以获得低成本，小型化，高灵敏度，更好的测量范围，精确度和空间分辨率。 微复合材料基于尖锐的纳米结构铜微粒分散在有机硅橡胶基体中[见图5（a）]。
在[10]中，谭等人。 使用在两层电极之间插入的压阻栅格阵列形成压力感应内底。 如图5（b）所示，水平电极总共有15个元件，而垂直电极则为5个，由于它们的交叉部分，每个鞋垫共形成75个感应节点。
有很多学术努力来获得更好的系统，涵盖低成本，尺寸缩小，灵敏度，测量范围，准确性和空间分辨率等不同的有趣问题。 表II列出了这些发展的总结。 这篇综述旨在介绍自1963年以来发展起来的脚底测量系统的进展，并且还有很多工作要做，因为所有与健康相关的知识都是
科学界的重要话题。
3.压力传感器技术
文献报道了测量足底压力的不同传感元件，可分为以下几种。
A.电容式传感器
这种类型的传感器由两个导电板组成，这两个导电板由电介质弹性层隔开，其中距离根据施加的力而变化，产生电压变化[1]。 一些作品已经报道了这种技术[26,31,40,63]。
B.电阻式传感器
它们由导电聚合物制成，根据施加的力改变其阻力，即压力越高，阻力越低。 它是最常见的类型，并已用于多个作品[15]，[17]，[28]，[41]，[42]，[55]，[83] - [85]
C.光电传感器
这些传感器由一个光发射器和一个光电二极管接收器组成，由一个外部硅胶散装结构隔开。 施加负载时，盖板会自行变形，光线会被屏蔽，并且传感器会根据其输出电压成比例地变化。 这些类型的系统已经在[14]和[39]中报道。
D.压阻式和压电式传感器
压电和压阻传感器也是很好的选择，特别是因为这些设备可以使用基于MEMS技术的微型压力传感器来构造。 在[10]，[30]，[38]，[65]和[71]中报道了这种类型的技术。
E.其他技术
Xu等人使用了用不同技术开发的系统，如纺织传感器。 [
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