Inimese jalatalla rõhu mõõtesüsteem

Inimese jalatalla rõhu mõõtesüsteem (IJRM) on süsteem, mida kasutatakse eelkõige jalatalla ja pinna kokkupuutel tekkinud igapäevase rõhu uurimiseks. Selline informatsiooni kogumise viis on tähtis, et diagnoosida jalalabaprobleeme, vormida jalanõusid vastavalt inimese jalale ja ennetada vigastusi. IJRM võimaldab saada usaldusväärseid ja täpseid andmeid.[1]

Vajadus mõõtesüsteemi järeleRedigeeri

Rahvusvahelise Diabeediliidu (International Diabetes Federation IDF) andmetel mõjutab suhkurtõbi 371 miljonit inimest üle maakera ning umbes 187 miljonit neist ei pruugi teada, et nad on haiged [2][3]. 30–60 protsendil diabeetikutest esineb probleeme jalgadega, millel on soontega seotud või neuroloogiline iseloom [4][5]. Diabeetilise neuropaatia kõige sagedasemat tüüpi nimetatakse perifeerseks neuropaatiaks. See kahjustab perifeerseid närve, mis lähtuvad seljaajust ning suunduvad lihastesse, siseelunditesse ja näärmetesse. Perifeerne neuropaatia rikub nende tundlike ja motoorsete närvide tööd. Neuropaatia kõige sagedasemad tunnused on tundlikkuse kadu, eriti käelabades ja pöidades. Diabeetiline neuropaatia võib viia selleni, et pöianahk kaotab tundlikkuse, aga ka võime tunda valu, soojust või külma. Kui neid väikseid vigastusi mitte ravida, võib haav muutuda paranematuks nakkuslikuks haavandiks, mis võib viia jäsemete amputeerimiseni. Neuropaatia võib viia pöia raskete deformeerumisteni ja varvaste kõverdumiseni. Diabeetikute jaoks on väga oluline rakendada vajalikud meetmed pöidade igasuguste kahjustuste ärahoidmiseks.[4]

Mõõtetulemuste erinevusRedigeeri

Jalad toimivad keha stabilisaatorite ja löögijõu neelajatena ning neil on tähtis roll keha tasakaalu säilitamisel. Liikumisel muutub jala asend sisse- ja väljapöördumise tõttu ning jalg reageerib pingele ja survele tundlikult. Iga inimese jalal on ainulaadse kujuga pöid ja labajala tallavõlv, mis on normaalne, kõrge või lamenenud. Jala muudavad haruldaseks ka selle suurus ja jõud. Iga inimese jalg jätab maha ainulaadse jälje. Mõõtetulemused erinevad, kuna jalataldade geneetika ja liikumine erinevad. [6]

MõõtmiskeskkonnadRedigeeri

Mõõtmiskeskkonnad jagunevad eelkõige kaheks alamkategooriaks: platvormi süsteemid ja saapasisesed süsteemid.

PlatvormisüsteemRedigeeri

See koosneb õhukesest plaadist, milles on rõhu mõõtmiseks palju iseseisvalt mõõtvaid andureid, mis moodustavad maatriksi. Igaüks saab tulemuseks rõhu ühes punktis, millest saadakse pilt rõhu jaotusest igas punktis terves jalastallas.[1]

Süsteemi piirangud:[7][8]

  1. Ei saa kasutada igapäevastes tegevustes ehk on eelkõige ruumis kasutamiseks.
  2. Ruumimahukas võrreldes saapasisese süsteemiga.

Saapasisene süsteemRedigeeri

Saapasisene süsteem on üliõhuke, painduv ja kompaktne. Selliseid süsteeme pakuvad nii Nike, F-Scan System, Adidas kui ka teised. Erinevus platvormi süsteemiga on see, et teda saab kasutada ka välitingimustes.[1]

Süsteemi piirangud:

1) Tööaeg on lühike, sest toiteallikaks on aku.

Anduri valikRedigeeri

Anduri võimekuse võtmeaspektideks on lineaarsus, hüsterees, temperatuuritundlikkus, töötamissagedus, mõõteruum ja -vahemik [9][10][11].

Hüstereesi saab kindlaks määrata, jälgides väljundsignaali, kui andur on laetud või laadimata olekus. Kui rakendatud rõhk kasvab laadides või kahaneb tühjenemisel, siis kaks erinevat tagasisidet on saadud.

Lineaarsus kirjeldab, kui täpsed on rõhuanduri andmed eri rõhkude rakendamisel. Väljundsignaali andmete rõhule vastavus ei ole alati sirge, vaid pigem kõver. Mida sirgem on joon, seda täpsemad on andmed. Kõvera esinemisel kasutatakse eri meetodeid, kuidas paremini väljund- ja sisendsignaal paremini vastandada.[1][12][13]

Temperatuuritundlikkus – andureid ümbritseva temperatuuri muutumisel võivad rõhutulemused olla väga erinevad ehk mõõdetud rõhk ei vasta alati tegelikkusele. Eelkõige oleneb see valmistatud materjalist, sest temperatuur mõjub igale materjalile erinevalt. Eelistatakse andureid, mis on madala temperatuuritundlikkusega ehk töötavad temperatuurivahemikus 20–37 °C [10].

Mõõtevahemik – mõõtetulemused peavad jääma vahemikku, kus maksimaalne rõhk ei ületa rakendatud rõhku. Vastasel juhul on mõõdetud tulemused väärad ja lisaks sellele võib maksimaalse rõhu ületamine anduri lõhkuda. Katsetes saadakse rõhud tavaliselt 1,9 megapaskalit, kuid mõnes uuringus on maksimaalne olnud ka 3 megapaskalit [14]. Võrdlusena on toodud 75 kilogrammi kaaluv terve inimene, kes seisab ühel päkal. Kui rõhk on võrdselt jagunenud, siis 31,2 ruutmillimeetrile rakendub 2,3 megapaskalit.

 
Rõhuanduri paigutus

Mõõteruum – sarnaselt mõõtevahemikuga on anduri mõõteruum kriitiline. Täpne mõõdetava pinna suurus annab paremaid tulemusi. Liiga suur anduri mõõteruum võib alahinnata rõhku tipp-punktis.[15]

Töötamissagedus – soovitatav igapäevase jalutuskäigu sageduseks on 200 hertsi, mis tähendab mõõtmist iga 0,005 sekundi tagant [14].

Rõhuandurite liigidRedigeeri

Rõhuandurite väljundiks on elektriline signaal, mis on võrdeline mõõdetud rõhuga. Tänapäeval on kasutuses mitmesuguseid rõhuandureid ning neist tuntumad on need, mis põhinevad mahtuvusel, takistusel ja piesoefektil.

Mahtuvuslikud anduridRedigeeri

Mahtuvus kirjeldab, kuidas reageerivad pingemuutusele kaks juhtivat elektroodi, on teineteisest tühja alaga eraldatud. Tühja ala moodustab kokkusurutav ja mittejuhtiv materjal. Pinge rakendamisel tekib tühja alasse elektriväli, kus ühel pool on positiivsed ja teisel pool negatiivsed osakesed. Mahtuvuslikud andurid kasutavad seejärel pinget, et panna laengud liikuma. Raskuse rakendamisega surutakse tühja ala kokkupoole ja osakeste vaheline pind väheneb. Kondensaatori mahtuvus suureneb. Anduri juurde on lisatud multivibraator, mis kondensaatori mahtuvusest muundab digitaalseks ruutsignaaliks.[1][16][17]

Takistuslikud anduridRedigeeri

 
Takistuslik andur

Ohmi seadusest I = U/R, kus I on voolutugevus, U on pinge ja R on takistus.[18] Sellist füüsikalist seost kasutavad takistuslikud andurid. Tavaolekus on takistuslikel anduritel kõrge takistus. Andurid koosnevad kolmest kihist: juhtiva materjaliga kiht, aktiivala, kus on peal elektroodid, ning tavaolekus neid kahte eraldav rõngakujuline vahekiht (vt takistusliku anduri pilti). Vastavalt andurile avaldunud survele puutuvad kokku juhtiva ja aktiivala pinnad. Väheneb anduri takistus ning suureneb voolutarve. Voolutarbe muutusest avaldub, kui palju rõhku rakendati andurile.[19][20][21]

Piesoelektrilised anduridRedigeeri

Sellistes andurites kasutatakse andurimembraaniga ühendatud ühe või mitme piesokristalli piesoelektrilist efekti. Kui membraan nihkub, siis piesokristall tekitab laengu, mis sõltub membraanile rakendatud rõhust [22]. Piesoefektil põhinevatel anduritel on kõrge näivtakistus, mispärast on nad müra suhtes väga tundlikud. Sellist süsteemi kasutatakse IJRM-i puhul vähe.[1]

Jalatalla suhtlus väliste seadmetegaRedigeeri

Väliste seadmetega suhtlemiseks saab tänapäeva tehnoloogiast kasutada Bluetoothi või Wi-Fit. Lisaks on võimalus kasutada ka kaabelühendust, kuid selline variant ei sobi, sest see toob süsteemi lisajuhtmeid võtab jalatalla ruumi, kus on juba andurid ja ülejäänud elektroonika. Bluetoothi ja Wi-Fi võrdlus:[23]

Tabel 1. Bluetoothi ja Wi-Fi võrdlus
Bluetooth Wi-Fi
Sagedus 2,4 GHz 2,4–5 GHz
Hind madal kõrge
Turvalisus ebaturvaline turvaline
Ühendamise ulatuvus 5–30 meetrit 32–90 meetrit, antenniga rohkem
Voolutarve väike suur
Latentsusaeg 200 ms 150 ms
Andmeedastuskiirus 25 Mbit/s 250 Mbit/s

Eelistatakse Bluetoothi eelkõige väikese voolutarbe pärast. Mida vähem elektriseade voolu võtab, seda pikemalt saab teda kasutada. Akud võtavad palju ruumi, on rasked ja piiratud kasutusajaga. Seetõttu tuleb valida seadmeid, mis on üsna väikese voolutarbega. Lisaks on ka Bluetoothi integraalskeemid/mikrokiibid odavad, kergesti kasutatavad ja väikese pindalaga. Andmeedastuskiirus on Wi-Fil parem, kuid kui andmed ulatuvad üldjuhul megabaitidesse ja Bluetooth suudab ühe sekundi jooksul saata mõne megabaidi, siis edastatakse andmed välistesse seadmetesse väga kiirelt.[17]

ViitedRedigeeri

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 A. H. A. Razak, A. Zayegh, R. K. Begg, Y. Wahab. "Foot Plantar Pressure Measurement System". 23 July 2012. Failitüüp: pdf. Inglise. w
  2. "IDF diabetes atlas sixth edition". International diabetes federation.
  3. M. Castillo. "371 million people have diabetes globally, about half undiagnosed". November 14, 2012, 12:10 PM. CBS News. Inglise.
  4. 4,0 4,1 E. C Eesti OÜ. "Diabeet ja Teie jalad". Failitüüp: html. Eesti.
  5. B. C. Callaghan, A. A. Little, E. L. Feldman,R. AC. Hughes. "Enhanced glucose control for preventing and treating diabetic neuropathy". 6 June 2014. Failitüüp: html. Inglise.
  6. Jalalaba uuringud aitavad ennetada vigastusi, Jooksja, 2013, http://sport.delfi.ee/news/liikumine/spordimeditsiin/jalalaba-uuringud-aitavad-ennetada-vigastusi?id=66047706 
  7. "Novel Quality in Measurement". 1 January 2012. Failitüüp: html. Inglise.
  8. "Zebris Medical GmbH". 1 January 2012. Failitüüp: html. Inglise.
  9. B.S. Benbasat, A.Y. Scarborough, D.M. Krebs, D.E. Paradiso, J.A. Gait analysis using a shoe-integrated wireless sensor system. IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed. 2008, 12, 413–423.
  10. 10,0 10,1 N. Lee, R. Goonetilleke,Y. Cheung,G. So, a flexible encapsulated MEMS pressure sensor system for biomechanical applications. J. Microsyst. Technol. 2001, 7, 55–62.
  11. L. Hua, T. Wang, Y. Li, Q. Feng, D. Tao In-shoe plantar pressure measurement and analysis system based on fabric pressure sensing array. IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed. 2009, 14, 767–775.
  12. "Pressure Point 3: Linearity Measurements for MEMS Pressure Sensors". Failitüüp: pdf. Inglise.
  13. RDP. Electronics Ltd. "Understanding Linearity". Failitüüp: html. Inglise.
  14. 14,0 14,1 S. Urry, Plantar pressure-measurement sensors. Meas. Sci. Technol. 1999, 10, doi:10.1088/ 0957-0233/10/1/017
  15. Luo, Z.; Berglund, L.; An, K. Validation of F-Scan pressure sensor system: A technical note.
  16. Lion Precision. "Capacitive Sensor Operation and Optimization". 2012. Failitüüp: html. Inglise.
  17. 17,0 17,1 A. Kume. "Sensortalla juhtplaadi v.2.0 arendamine ja testimine". 2015. Tartu: Tartu Ülikool. Failitüüp: pdf. Eesti.
  18. "Ohm's Law". Failitüüp: html. Inglise.
  19. Hans. "Force Sensing Resistors". Failitüüp: html. Inglise.
  20. "Sensors". Stanfordi Ülikool. Failitüüp: html. Inglise.
  21. M. Appo. "Robotmannekeeni kattele rõhutundlikkuse lisamise võimaluste uurimine". 2015. Tartu: Tartu Ülikool. Failitüüp: pdf. Eesti.
  22. E. Brindfeldt, U. Lepiksoo. "Andurid". Tallinn: Tallinna Tööstushariduskeskus. Failitüüp: html. Eesti.
  23. I. Paul. "Wi-Fi Direct vs. Bluetooth 4.0: A Battle for Supremacy". 2014. PCWorld. Failitüüp: html. Inglise.