糖尿病溃疡足压力测量软件平台设计与分析.docx
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糖尿病溃疡足压力测量软件平台设计与分析
糖尿病溃疡足压力测量软件平台设计与分析
摘要
由于生活水平的提高,越来越多的人患有糖尿病。
随着病情的发展,在这些患者当中,有的会并发足部溃疡,严重的情况下会发展到需要截肢手术治疗[1]。
糖尿病足会破坏人的循环系统和神经系统,造成人痛觉的丧失,从而导致足部压力分布的改变[2,3]。
足部压力异常与足底溃疡的发生率具有显著的相关性,适合于高压力、足畸形的鞋袜可以显著降低溃疡发生发展和溃疡的复发[1,3-5]。
因此,开发出一套可以反应足部压力分布的系统,用于检测患者压力的改变,能为足部产品的设计提供重要依据。
本文参考国外足底压力分布测量产品RSscan的软件平台footscan[6],自主开发了一套软件系统,包含数据显示、病人信息的存储、图像信息的存储等功能,还创造性地将语音识别的经典算法DanymicTimeWarping(DTW)应用到系统中,用于自动分辨出由于测量方式不当产生的异常测量图片,替代传统人工剔除的烦琐操作,也为筛选图片提供了更加科学的依据。
最后还将上海六医院提供的一批800多例的病人数据,从性别、年龄、体重等方面进行了统计分析。
本文开发的系统针对溃疡足足底压力的测量设计,具有操作简单,实用性强的特点,为足底压力分布课题的继续研究打下了基础。
关键字:
糖尿病溃疡足,足底压力分布,压力显示,DTW
ABSTRACT
Withtheimprovementoflivingstandards,especiallywithtoday’sinsulinandinappropriatediet,manypeoplehasdiabetes,whichaffectedpeople’snormallife.Thediabeticfootwilloccurresultsininfection,amputationorevendeathbydamagingpeoples’sbloodflowandnerves[1].Thelossoffeelingwillresultsinalossoffeedbacktocontrolthefootperssuredistribution[1-2]Itisproposedthathighfootpressureconcentrationcanbeavoidedbyusingsomefootproduct[3].Soitispracticaltodevelopasystemtoshowthedistributionoffootpressure,providingthebasisfordesigningthefootproductpreventinghighpressure.
ReferencetothesoftwareplatformFOOTSCANofforeignproductRSscan[4],thissystemincludspressuredisplay,patients’basicandpressureinformationstoring.Especially,WeuesdtheDTWalgorithmwidelyusedinspeechrecogniztiontoclassfiysomeadnormalmeasurements.Thismethodshowsgreatconviencestoreplacethetediousmanuloperationandalsoprovidesamorespecificstandardtoexcludesomeinappropriatemeasurements.
Thissystemforfootulcersplantarpressuremeasurementshasfriendlyuserinterfaceandimportantpracticalvalue.Itlaysafoundationforthefutureworkoftheresearchinthisfield.
Keywords:
diabeticfoot,ulcers,plantarpressuredistribution,pressureshows,DTW
第一章前言
一.1研究背景
自20世纪80年代以来,各国糖尿病患者患病数量在极具地增加,据设在澳大利亚墨尔本的国际糖尿病研究所在2003年的研究报告,估计全球已诊断糖尿病人数达到1.94亿,预测到2025年将达3.33亿,增加72%,这就意味着全球6.3%的人患有糖尿病[1],而糖尿病足病是糖尿病严重的并发症,大约1/6的糖尿病患者患有足溃疡[2],严重的情况下会发展到需要截肢手术治疗的程度,不仅给病人带来了很大的身体伤害,也给社会造成了很大的经济负担[7,8]。
一.1.1.糖尿病溃疡足形成原因
一种或多种的危险因素结合在一起会引发足溃疡,就其最主要的诱发原因主要有以下两个:
1.周围神经病变
糖尿病周围神经病变(DPN)是导致糖尿病足(DF)发生的最常见的危险因素,即糖尿病最常见的致病原因。
外周神经会作用于人的肌肉、感觉神经系统,导致患者对痛觉和振动、压力、触觉的感觉的消失[1-3],这是引起足溃疡的重要因素。
由于这些感觉的消失,患者就会对损伤的刺激或者外伤的感觉迟钝或者全然不知,而周围神经病变同时会影响到运动和自主神经,导致足部肌肉萎缩,从而使跖骨弯曲畸形进而导致步态异常,引起压力分布的改变和局部压力的增加。
由于保护性感觉消失,即便有外伤也感受不到,足部不该承受压力的地方长时间受到高压,又会使得溃疡发展加重。
溃疡往往就是由于这些外在的因素作用于失去感觉的不敏感足而引起[1,9-11]。
2.糖尿病周围血管病变
周围血管病变(PVD),通常情况下与轻微的外伤和损伤的刺激有关,这会导致缺血性溃疡发生。
而周围血管病变和神经病变通常会同时在一个患者身上出现,这就更易使皮肤血流减少[1,11]。
由于大血管病变,如果此时皮肤表面又存在压力时,血管的闭塞就更易发生。
闭塞性微血管病变未必是足溃疡发生的直接原因,但如果一有外伤、脓毒性血栓的发生或感染引起的轻微的水肿都可能导致已有的病变的末端动脉闭塞[9,12,13],进而引起趾部感染,一旦溃疡发生感染,造成感染足,截肢的危险就大大增加。
一.1.2.糖尿病溃疡与足底压力
正常人的足底压力主要分布在第一趾,第二跖骨头和足跟区域,其他部位不会承担体重的压力[10]。
而糖尿病患者随着病情的发展,足底压力的分布会逐渐改变,一些原本没有受过压力的部位开始承受体重,此时如果长期穿着不合适的鞋袜,压力会对这些区域反复刺激,导致足底毛细血管闭塞,局部的血液循环也会遭到破坏,进而导致鸡眼,破溃的出现,甚至出现不可收拾的局面。
由此可见,压力的异常与足部溃疡的发生有显著的相关性[14-17]。
糖尿病并发周围神经病变者,前足压力增加,前后足足底压力比值(F/R)增高的现象仅出现在有严重周围神经病变者中,随着神经病变的程度增加,压力的分布越不平衡[18]。
一旦溃疡发生,如果溃疡上的机械力负荷得不到解除,即使血液供应充足,也无法治愈。
国内外出现了许多与压力相关的糖尿病溃疡足的防治研究,针对足部的高压部位采取应对措施,如减压鞋垫、保护鞋等产品的研制[15,19-25],可以达到缓解溃疡部分压力的作用。
足部减压产品的设计需要以足底压力的分布为依据,这就需要压力测量系统的帮助。
压力测量系统能反应出接触面的压力测量值的大小,提供压力分布的细节。
通过压力分布的反应,可以及时地监测到病人足底的高压区域,进而就可以针对这些区域做保护措施,防止溃疡的继续发展和恶化。
早在上个世纪末,足底压力分布的测量技术[26]的重要应用价值就得到了人们的重视被研究和应用。
传感器技术和计算机技术的飞速发展更加推动了足底压力测量在多个领域的研究和应用,人们对它的研究也不断深化,出现了多种产品。
市面上对压力测量的系统的种类也多种多样。
按照测量传感器的种类可以分为电阻式、电容式、压电式。
从测量装置上可以将传感器直接放在测量平台上,也可以置于鞋内,做成鞋状[15,27,28]。
一.1.3.足底压力分布测量技术种类
足底压力测量的发展主要经历了足印技术、足底压力扫描技术、力板、测力台技术、压力鞋与鞋垫技术等阶段[29]。
脚印法是利用石膏、泥、橡胶或泡沫等易产生形变的特点制成表面光滑的垫子,根据人足在上面行走留下的足印和痕迹,可以对足底的压力及分布做出定性的分析和判断。
这种方法简单易行,结果直观,缺点是无法反应出具体的压力值,可靠性不高,实用性不强,现在已不再使用。
足底扫描仪则是基于光学原理,将光源安置在玻璃的两端,玻璃上放置橡胶弹性垫,当足踏上弹性垫的时候,光会在玻璃内全反射,受压的弹性垫即可在玻璃上产生一个清晰的足印象,由于压力和影像的光强度正比,这样就可以根据光强度定性地分析足底压力及分布。
此方法可以实时检测足底压力的分布,具有空间分辨率较高的特点,但和脚印法一样,都只能做定性分析,足底压力的大小只能根据图像的深浅变化作大致的判断。
随着换能器和传感器的发展,力板与测力台、压力鞋和鞋垫也发展了起来。
力板与测力台可以准确地测得足或鞋底接触部位的压力,但对“足-鞋界面”的受力情况的评定却显得力不从心,这是因为力板与测力台的面积较小,通常只能测量人体在站立时或者一个单步行进中的压力参数。
压力鞋与鞋垫则克服了这个缺点,将传感器的利用率提高,将压阻材料或压电晶体材料的微型力传感器嵌入到鞋或鞋垫内,由于鞋或鞋垫与足底帖服,就能实时测量多步行进过程中“足-鞋界面”压力的连续参数,并进行实时监测和反馈。
一.1.4.足底压力分布测量的国内外研究进展
尽管足底压力分布测量技术起源很早,但是真正对于压力进行研究还是开始于20世纪50年代。
国外对此领域的研究已经相对成熟,市场上有形形色色的产品诞生,主要代表技术有:
比利时RSscan公司的鞋垫式测试系统,德国Novel公司的Emed测力板系统和Pedar测力鞋垫系统、美国Tekscan公司的F-Scan测力鞋垫系统,瑞士的Kistler测力台。
美国Tescan系统可以对接触面进行静态和动态测量,以二维、三维图像的形式实时显示足部压力分布的轮廓以及数据,并且配有的存储功能可以方便用户随时查看测力信息。
德国Novel公司足底压力分布测量系统能准确测量并显示其表面承受的压力,也是以静态和动态两种方式显示,并配有多元化的分析软件,便于医生或者患者对压力数据进行全面详细地分析。
比利时的RSscan公司的平板测力系统可用于赤足或者穿鞋时不同运动状态的分析,并配备了各种兼顾医疗和研究的软件,它的鞋垫式测量系统也可以用于多种特殊的场合,如站立,走路,跑步,滑雪等。
国内的足底压力分布测量技术的研究就滞后了很多,从上个世纪80年代起,随着人们对于步态研究的日益重视,足底压力分布测量技术得到了迅速和广泛的应用,也取得了一些成果。
但目前国内仍然处于研发阶段,市面上的产品都是代理的国外的产品,如北京三捷经贸公司代理德国Novel系统,北京奥泰格公司代理美国Tekscan测量系统。
一.2项目的提出及研究意义
随着生活水平的提高,越来越多的人患有糖尿病,而作为其并发症的糖尿病溃疡足,不仅给病人带来身体的伤害,同时也带来了很大的经济负担[1]。
尤其是截肢会导致住院和康复时间的延长,家庭和社会负担也需要增加。
在糖尿病的低位远端截肢中,85%是由足溃疡开始的。
仅在美国,每年就有超过80000糖尿病患者下肢截肢。
所以对于足溃疡有预防和护理作用的足部产品需求显得十分迫切。
足底压力增高可用于预测糖尿病足溃疡,是足溃疡发生的独立危险因素,国外对足底的高压也进行了多方面的深层次的研究,足部产品的设计需要以足底压力的分布为依据,尤其是对高压部位的关注,因此开发一个能监测足底压力分布的系统具有极高的实用意义。
国内的研究起步较晚,国外的产品价格十分高昂,致使很少有医院配有压力分布监测的系统,这就给溃疡足的检测发生以及监测其发展程度带来了麻烦。
因此研发一套具有自主知识产权的压力分布测量系统,对于提高我国此项技术,弥补这方面的不足,具有重要的理论和实用意义。
基于以上分析,本文提出了设计一套足底压力分布的实时显示系统,结合国外产品的优点,同时满足自己的需求,对足底压力进行实时动态与静态显示,能给溃疡足足部产品的设计带来帮助。
一.3本文主要工作
本课题的的主要内容有:
1.系统参考国外产品RSScan的软件平台footscan,设计79
48个采集点,采用图像直观的方式显示足底过大的受力区域。
2.搭建糖尿病足病人数据库,有序地存储病例信息和压力数据。
在图像数据库的基础上开发应用文件,实现对数据库中信息的录入,修改和查询。
3.针对实际测量中的情况,会出现由于测量失误而造成的异常测量数据,通常在测量过程中会人工剔除这些异常数据。
本文提出一种自动分类剔除该种数据的方法,替代传统的人工剔除的烦琐操作,同时为测量过程中筛选保留数据提供一个更加科学的标准。
4.对上海六医院提供的800多例的病人数据进行统计分析,探讨糖尿病患者的足底压力分布特点,以及从年龄、性别、病情方面对病人进行分类,挖掘出有用信息,为该课题的后续研究和建立足底压力异常的矫正系统打下基础。
第二章足底压力测量平台软件设计
压力分布的显示主要在PC机上实现,本章从用户需求的角度出发,设计了压力显示的方式和数据库的结构,并针对每一个功能模块的实现进行具体的介绍。
二.1软件系统框架设计
为了满足软件所需的数据的真实性和多样性,本文软件采用的数据是利用matlab依据真实足底压力的分布规律产生的,具体包括每个通道的压力数据和整个扫描过程中的动态数据。
再利用程序将这些模拟数据读入到系统内存中,提供给软件运行时的操作。
整个压力测量软件设计主要分为两个部分:
数据显示部分和信息存储部分。
显示的数据主要有两种来源:
一种是实时的压力数据,用于观察当前测量的压力分布;另一种是从数据库中得到的数据,用于对已有的数据进行统计分析。
数据库部分包括对病人基本信息的存储,包括病人的联系方式,以及基本生理参数的记录,压力数据的存储。
在数据存取部分,我们会利用算法对数据做一个筛选,去掉一些效果不好的数据,从而提高存取数据的质量。
整个系统主要框架由图2-1所示:
图二-1软件框架设计
二.2数据的产生
为了观察软件的实现效果,数据是必不可少的元素。
我们根据足部压力产生的规律,同时参照FootScan的传感器分布结构,利用matlab产生了79
48个采样点的压力数据。
首先需要模拟每个传感器采集到的压力数据,将每个传感器作为一个通道,如图2-2所示,通道(x,y)表示横坐标为x,纵坐标为y的传感器,通过设定x和y就可以设置任意一个传感器采集到的压力数据。
图中显示了通道为(15,10)的传感器采集到的压力数据。
图二-1Matlab下每个采样通道数据模拟
每一次各个传感器的采样形成一个图层,将行进过程中所有采样整合起来就是一次完整的测量过程。
通过每一个图层的产生函数,可以得到某一个时刻所有传感器采集到的数据。
图2-3就显示了第19个采样时刻得到的数据。
图二-2Matlab下每次采样数据模拟
将所有时刻的数据整合到一起就是一次完整的测量过程,如图2-4所示:
图二-3Matlab下完整测量过程数据模拟
二.3足底压力分布的可视化实现
本系统涉及到数据库操作和图形显示等需要采用高效的编程开发工具进行开发,当今世界上流行很多优秀的编程语言,例如Delphi,VisualBasic,VisualC++等。
各种编程语言有不同特点,鉴于VisualC++编写工程具有高效性和灵活性的特点,本系统采用该种语言进行编写。
二.3.1.RGB显示
为了能在脚部区域上显示出压力的差异,需要用不同颜色块的方式表示出压力的大小。
这里需要对压力进行配色,不同的压力值用不同的颜色来呈现,并且能够反应出压力的变化情况。
而要使得配色更加合理和符合现实情况需要对颜色做一个深入的了解。
2.1.1.1颜色的视觉特性以及颜色的基本定义
由于人眼中的椎体和杆体细胞分别执行不同的视觉功能,因而能够产生明视觉和暗视觉。
同时,人眼对不同波长的可见光的感知程度是各不相同的。
在不同的光谱位置,同样功率的辐射表现为不同的明暗程度。
对于不同波长的单色光而言,要产生相同的视觉响应,所需的辐射通量是各不相同的。
在明视觉条件下,人眼最明暗的光的波长为
=555nm。
实验表明,可见光波长范围内的单色光和适当比例的多色光混合能产生大部分自然界中人眼能辨别的颜色。
事实上,在视场中,有许多心理因素会对视觉系统对当前景色的主观判断产生影响。
这些因素主要分为以下三种[30]:
1.色彩对比效应
当不同的颜色位于相邻区域时,视觉系统感知的色彩会发生变化。
若在一块白色背景下放置一张白纸,如果用眼睛注视白纸中心几分钟,白纸上会出现绿色。
这种现象就是在色彩对比中产生的,通常来说,每种颜色都会在其周围诱导出补色。
2.明暗对比效应
当在相邻区域中观察两种对比非常强烈的颜色时,视觉系统感知的亮度会发生偏移。
如在白色背景下的灰色纸片看上去发黑,而在黑色背景下同一个灰色纸片则会显得发亮。
这种现象称为明暗对比效应。
3.颜色适应效应
当人眼受到强刺激作用时,会使感受到的颜色饱和度产生变化。
若对某一颜色适应后再观察其他颜色,后者会发生变化,带有原观察色补色的成分。
因而,从心理生理学角度,颜色可由色彩,明度和饱和度决定,其中色彩饱和度是单色光中掺入白光多少的度量。
2.1.1.2RGB颜色模型
在实际生活中,纯的单色光很难找到的,通常我们所感知到的颜色都是混合色。
从生理学的角度看,由于眼睛中含有三种不同类型的椎体细胞,因此对任意三种颜色进行适当混合就可以产生白光条件。
但前提是这三种颜色中任意两种的组合都不能产生第三种颜色。
这三种颜色称为三原色[30,31]。
RGB颜色模型的三原色定义为红色、绿色、蓝色。
RGB颜色模型能贴近真实地绘制出图形,在CRT监视器和图形刷新设备中广泛地使用。
该模型是采用笛卡尔直角坐标系来定义颜色空间,三个坐标轴分别对应合成颜色的红色、绿色、蓝色三分量。
在该空间中,任一点所代表的颜色可由从坐标原点到该点的向量来表示。
其中坐标原点代表黑色。
若取单位向量分别表示红色、绿色、蓝色三原色,则RGB模型的可见颜色子空间构成了一单位正方体,其纯黑色定义为(0,0,0),纯白色定义为(1,1,1)。
二.3.2.配色方案
为了将压力值用颜色深浅表示出来,需要将压力转换为对应的色彩。
在RGB色彩空间,图像深度与色彩的映射关系主要有真彩色、伪彩色和调配色。
这里因为压力数据是针对有限量的传感器,压力的范围也比较小,而我们只关心压力异常高的部位,所以伪彩色就可以满足我们的要求,所以主要应用伪彩色的配色方案。
为了尽可能地让颜色反应出压力的大小,并且符合我们视觉习惯,配色的时候特别注意了颜色的过渡。
本系统将图像等级划分为256,如果用灰度影像来表示,则0为黑色,255为白色。
由于前面提到的人眼具有补色等心理因素,会把距离较近的几个点合为一种色彩。
如果我们用红、绿、黄的顺序来反应压力由大到小,这样如果当红色和绿色的点离的很近的时候,就会有一条黄色的颜色带出现,就会在视觉上产生错觉。
所以,在颜色搭配上,我们选用适应人眼对色彩分辨特性的棕、红、橙、黄、绿、天蓝、蓝、深蓝色的顺序来表示压力值从大到小,背景和压力值为0点的压力为白色。
压力数据范围主要分布在0-300,而300是属于异常的高压,一般人的压力不会达到这么大的数值,观察已有的测量数据主要集中0-120
,一般足部压力集中在0-70
的范围内,如果超过70
,就属于高压部分,需要引起关注,这部分我们用棕色来表示,为了仔细观察这些点的压力值,当鼠标移动到这些点的上方单击,就可以出现对应的压力值,便于分析。
而0-70
范围内的压力为了区分各个区域的压力渐变情况,我们按照每10
作了一个颜色的区分,RGB配色如下:
0-10
:
从深蓝色过渡到蓝色,RGB值从(0,0,128)过渡到(0,0,255);
10-20
:
从蓝色过渡到浅蓝色,RGB值为(0,0,255)到(0,255,255);
20-30
:
从浅蓝色过渡到浅绿色,RGB值为(0,255,255)到(0,255,128);
30-40
:
从浅绿色过渡到绿色,RGB值为(0,255,128)到(0,255,0);
40-50
:
从绿色过渡到黄色,RGB值为(0,255,0)到(255,255,0);
50-60
:
从黄色过渡到橙色,RGB值为(255,255,0)到(255,128,0);
60-70
:
从橙色过渡到红色,RGB值为(255,128,0)到(255,0,0);
70
以上的区域:
从红色过渡到棕色,RGB值为(255,0,0)到(128,0,0);
二.3.3.足底扫描数据RGB显示
在颜色搭配完成之后,就将压力值与颜色对应起来,利用颜色深浅来区别压力的大小,鼠标移动到颜色块上,会出现具体的压力值,这样就方便定性判断和定量判断压力分布情况。
测量平台完成一次扫描后,将各个传感器的每次采样值做叠加平均,就得到扫描的静态图像,用于观察压力的分布以及各个区域的压力水平。
界面中会分别呈现出左右脚的压力分布,软件为每位病人保存左右脚各5组数据,可以人为地选择测量效果较好的图片进行保存,如图2-5所示:
图二-1左右足压力分布图
为了反映扫描中足部的压力变化,还需要将整个扫描过程图形化。
软件中的动态扫描(图2-2)就是将各个时间的采样描绘出来,体现各个时刻压力的变化。
为了能够观察到任意扫描时刻的静态图,软件设计了抓取图片的功能,通过输入时间,就可以抓取该时刻的图片。
为了进一步满足我们观察最大压力值的需要,这里特别地将一次扫描操作完成之后,各个传感器在扫描过程中最大的采样值绘制出来,如图2-6所示。
图二-2各个采样点的最大采样值图像
需要将采集信号实时地显示出来,如果直接在屏幕上动态绘画的话,会出现闪烁现象,为了客服这个问题,采用的是先在内存绘图,然后拷贝到屏幕,从而实现动态绘图不闪烁。
这相当于用两块画布,首先设置兼容区域,这就相当于屏幕后边的画布,一般为当前绘图窗口的大小,再创建兼容DC,就是在内存的绘图设备,还需建立兼容的位图,把位图选入兼容DC就可以画图了,每次画图前先用白色画刷现刷新这个兼容DC,这就相当于刷新原来的背景。
接着完成绘图的操作,画完再将兼容DC的图拷贝到屏幕上来,就实现了图像的去抖动。
CRectRectCompatible;//设置兼容区域,一般为当前窗口大小
CDCDCCompatible;//建立兼容DC,即后面那块画布
CBitmapBitmapCompatible;//建立兼容位图,要想在兼容DC上画图,必须给它一副图
DCCompatible.SelectObject(&BitmapCompatible);//把位图选到兼容DC中,这样才可以开始画
最后用BitBlt函数把兼容DC的内容拷贝到pDC,完成前后交替,这样就图形显示就不会抖动。
dc.BitBlt(RectCompatible.left,RectCompatible.top,RectCompatible.Width(),RectCompati
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