【踝关节康复训练装置实验设计与结果分析案例6500字】

踝关节康复训练装置实验设计与结果分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1239踝关节康复训练装置实验设计与结果分析案例 197171.1实验准备 2238651.1.1实验设备 271051.1.2实验器材 3221781.1.3测试者基本情况 462091.2实验设计 4152441.2.1实验环境 572711.2.2实验方案 5204991.2.3客观测试指标 6202251.2.4主观评价 8282421.3实验数据采集 10159341.4实验数据处理 11323331.5实验数据分析 11169891.3.1单个样本在不同角度使用不同装置足压数据前后对比 11282611.3.2不同角度全部样本足压数据整体受力分布对比 12130061.5主观数据分析 14144681.6显著性差异分析 151.1实验准备1.1.1实验设备FS-INS-W99足底压力传感器是拥有99个相互独立感应区，采用15行7列感应区布局，共计22条接口引线，接口引线采用1mm间距、22Pin、0.3mm厚度插拔接口。感应区的输出电阻随外部压力的变化而发生相应变化的柔性薄膜压力传感器。该足底压力传感器由综合机械性能优异的聚酯薄膜、高导电材料和纳米级压感材料组成。底层是柔性薄膜和复合其上的导电层，顶层是柔性薄膜和复合其上的压感材料。两者通过双面胶贴合，并隔离上下两层的感应区域。当感应区受压时，底层彼此分离的线路导通，感应区的输出电阻随着压力不同发生相应变化。本次实验采用的是FS-INS-W99-V1足底压力测试系统，该设备有99个相互独立感应区，采用15行7列感应区布局，当感应区受压时，底层彼此分离的线路导通，感应区的输出电阻随着压力不同发生相应变化。设备主板将鞋垫的压力信息经过矩阵算法计算后，将数据通过2.4G无线接收器传输到主机上，如图1.1所示。图1.1足底压力传感器及其数据传输方式1.1.2实验器材实验器材一为图1.2所示，自制踝关节康复训练装置。图1.2自制踝关节康复训练装置实验器材二为实验对比参照组，选用市面上功能、性能、价格相对等并应用较广的装置——德度光电科技研发的DDXL-H-02踝关节康复运动器，如图1.3所示。图1.3德度DDXL-H-02踝关节康复运动器1.1.3测试者基本情况1）年龄一般情况下，年龄也是影响本实验压力数据采集的因素。由于实验要求被试者处于长约一个半小时的静止状态，处于多动时期的儿童所测数据准确度会存在一定偏差，数据不可用概率较大。再者，年龄偏小的儿童以及年龄较大的人员产生的主观舒适度对比年轻人的主观舒适度前者舒适度相比于后者较差。为保证实验的有效性，本次实验受试人员选择年龄段在22-26周岁的在校大学生。2）性别踝关节损伤的发生与性别无关，即不论男性还是女性都有可能发生因运动意外失稳而产生的踝关节损伤。为验证实验通用性，本次实验共招募受试人员30人，其中男性18人，女性12人。3）身高、体重与鞋码人体的身高和体重也是压力实验中压力分布与压力数据大小的影响因素，但这种差异从实验结果趋同的角度来说可增加实验结果的可信度。故本次实验受试人员的身高范围为150-182cm，体重范围42-86kg，鞋子尺码（中国标准）范围34-44，接受测试时踝关节健康且未受损伤。1.2实验设计足底压力分析在康复医学、鞋品制造与优化设计等多个领域都有广泛运用[64]。目前应用较多的足底压力测试技术有单点压力测试技术、力板压力测试技术、压力鞋与鞋垫测试技术等[65]。足底压力测试实验可以从足部压力反馈中推理出很多人体生理信息[66]。研究表明，人机界面（足底与接触面）压力大小可以反映穿戴式设备人因工程学的优良程度。人体足部姿态在穿戴装置的尺寸、关节角度、结构硬度等参数发生改变时会进行自适应调整，从而导致足底压力分布状态的改变。穿戴式装置影响舒适度的因素主要跟接触面压力大小、压力分布方式、摩擦触感等方面相关。在同等穿戴条件下，足底压力越小、压力分布越均匀，则说明该穿戴设备舒适度越高，从人机工程学角度评估更优。所以足底压力是一个反馈穿戴状态的很直观的参考[67]。1.2.1实验环境实验在机械学院实验室内进行，实验室的温度保持在18±1℃区间内，相对湿度保持在40±10%区间内，室内风速＜2.5m/s。1.2.2实验方案实验主要目的是研究自制踝关节康复训练装置与对照踝关节康复训练装置在测试者使用过程中足底压力分布于压力值大小的变化，以验证自制装置在使用过程中较对照装置总体足底压力更小，压力值变化波动更稳定，更符合踝关节生理结构及其运动机理。实验方案如下：1）测试人群。本实验选择年龄区间在22-26周岁，踝关节健康未受伤的人群。2）测试时间。为了更好的完成受试者穿戴不同装备时足底压力数据的采集，通过两名受试人员分析，受试人员在穿戴装备并调整到某一个指定实验角度时，踝关节需要1-2分钟进行角度适应，在此期间所收集数据存在一定波动，此后的2-3分钟内除不可控原因（喷嚏、体颤等）产生的波动外，所收集数据波动较小，可收集到较稳定的数据。因此本实验不同装置的每个角度数据收集时间为5分钟。实验中两个装置各需收集7个角度的足底压力数据，每个受试人员分别需要穿戴两个实验设备并分别进行35分钟的压力试验。为保证受试者在使用不同装置时踝部状态相同，受试者在使用实验装置前都要在沙发上静坐10分钟，保证消除外部因素对踝部状态带来的影响，故每个实验人员的实验时长为90分钟。3）测试人群状态。由于踝关节康复训练装置的适用人群为踝部损伤人群，在进行康复训练时体态多为坐姿。故受试人员在进行实验时采用正坐姿态。4）测试用袜。本实验踝关节康复训练装置在使用时需褪去鞋具，在足部穿戴袜子的情况下进行。为保证不同受试者在受试时不会因袜子的材质、款式、厚度差异而对压力试验造成影响。受试者在受试前穿戴统一采购的中筒纯棉袜。5）实验内容。每位测试者都将进行两组实验，分别为实验一、实验二。实验一：实验者用左脚穿戴DDXL-H-02踝关节康复运动器。佩戴好足压检测装置，将训练装置角度分别调整为0°、内翻10°（+10°）、内翻20°（+20°）、内翻30°（+30°）、外翻10°（-10°）、外翻20°（-20°）、外翻30°（-30°）。每个角度保持静止状态5分钟，并采集记录足压数据。实验二：实验者用左脚穿戴本课题设计踝关节训练装置。佩戴好足压检测装置，将训练装置角度分别调整为0°、内翻10°（+10°）、内翻20°（+20°）、内翻30°（+30°）、外翻10°（-10°）、外翻20°（-20°）、外翻30°（-30°）。每个角度保持静止状态5分钟，并采集记录足压数据。通过以上五点实验预期设计指导本课题实验方案。30名受试者分别使用自制装置与对照装置进行不同角度的足底压力数据采集，分析受试者使用不同装置足底压力分布与足压数据大小变化，从而验证自制装置在人体生理结构与使用舒适度方面的优势。1.2.3客观测试指标图1.1为FS-INS-W99-V1足底压力测试系统测试受试者在穿戴实验装置时，受试者足底压力信号采集。采集到的数据导出为excel表格，如图1.4所示。图1.4FS-INS-W99-V1测试软件RPPS-99Senllinec界面截图图1.5压力信号原始数据1.2.4主观评价本实验的主观评测主要针对受试者在穿戴装置时的主观穿戴舒适程度评价。舒适度是一个比较模糊的概念，但舒适度通常用来反应一个人的主观感受。主观舒适度更多的是反映人的一个心理状态，影响其主观判断的信号多起源于外界人机坏境的刺激，经人体的感觉器官传入中枢神经系统，再通过一系列的生理反应使之作用于人体的肌肉腺体等反应器官，从而趋使身体做出相应反应[68]。在反应期间中枢神经系统将其感受与过往经验进行对比，从而得出是否舒适这一概念，这是一个大脑的主观判断，即主观舒适度评价。主观舒适性受生理、心理、环境等多方面因素的影响，是一个复杂的概念。穿戴设备的舒适性评价是一个重要的评价指标，因此对受试人员进行主观舒适性评测是十分重要的。疼痛数字评价量表（Numericalratingscale,NRS）是一种在临床上较为常用的测试身体不适感的工具。其疼痛评分由0到10，共11个数字来描述疼痛强度，数字越大表示疼痛程度越严重[69]。NRS具有较高可信度与效度，易于记录[70]。如表1.1所示，0为无痛，1-3为轻度疼痛，4-6为中度疼痛，7-9为重度疼痛，10为剧痛。受试人员会根据自身生理情况进行打分，来表示自身的舒适程度。表1.1NRS疼痛数字评价表等级012345678910感受无痛轻度疼痛中度疼痛重度疼痛剧痛本实验测试为受试者在使用两不同踝关节康复训练装置的同一角度时的舒适度对比以及使用两不同踝关节康复训练装置时的总体舒适度对比。因此本实验的主观量表在疼痛数字评价量表的基础上进行一些改进，如表1.2所示。等级012345678910感受无痛轻度疼痛中度疼痛重度疼痛剧痛自制装置0°＋10°＋20°＋30°－10°－20°－30°对照装置0°＋10°＋20°＋30°－10°－20°－30°表1.2主观舒适度量表受试人员完成每组实验（即单个装置的某一实验角度）需要进行5分钟，受试人员在每组实验进行到第四分钟的时候填写一次主观量表，对自己的使用舒适度进行打分。最后进行统计分析使用不同装置舒适度对比。1.3实验数据采集1）确认实验装置正常运行。将FS-INS-W99足底压力传感器连接电池组，并启动电脑连接信号传输装备，用手指轻压足压传感器，确认其开始正常工作。2）实验前进行穿物统一处理。为保证不同受试者在受试时不会因袜子的材质、款式、厚度差异而对压力试验造成影响。受试者在受试前穿戴统一采购的中筒纯棉袜。3）固定传感器。将压力传感器放置在受试者足底与实验穿戴装置的接触面上，并确将其固定，确保其在实验过程中不会出现脱落、滑移等状况。4）连接测试。将传感装置固定好并保证电脑可收集到数据后，进行测试观察电脑上收集到的足底压力数据是否稳定可靠。1.4实验数据处理通过FS-INS-W99-V1足底压力测试系统收集到的足底压力数据是一种未经过过滤和处理的足压信号叠加，所收集到的足压数据被导出在excel文件中，作为后续数据处理的原始数据。将实验收集到的数据导入到MATLAB-2020a中进行数据分析，具体实验分析代码见附录1。为方便实验实施与统计，将自制踝关节康复训练装置与德度DDXL-H-02踝关节康复运动器分别命名为自制装置与对照装置。1.5实验数据分析1.3.1单个样本在不同角度使用不同装置足压数据前后对比对受试者在同一个角度，两个不同设备的压力值进行数据处理分析。如图1.6所示，为随机抽样5个单个样本分别在0°、内翻10°（+10°）、内翻20°（+20°）、内翻30°（+30°）、外翻10°（-10°）、外翻20°（-20°）、外翻30°（-30°）时使用两个实验设备压力数据的大小对比，横坐标与纵坐标分别代表对照设备与自制设备的压力数据数值大小，由于每次测量足部受力数据点都存在一定差异，无法用两个设备相对应数据点数据进行对比，但为了对比两者的受力情况，将测量的两组数据由大到小重新排序，根据排序顺序逐点进行比较。数据点在参照线下方，则受试者使用自制设备相比对照设备受力小，反之为自制设备相比对照设备受力大。图1.6中可以看出，受力小的时候自制明显较优，当受力增加时，两者近乎趋同。分析其中原因，受力大的数据来自于足部与设备的主要接触面，主要接触面所承受重量大小与测试者的自身体重（或腿重）有关，所以呈现出大受力值趋同现象。但在其余一些（辅助）受力处，自制设备可以有效缓解这些受力，而对照设备依旧会产生较大的受力，所以受力小的时候自制明显较优。图1.6单个样本在不同角度使用不同装置足压数据前后对比（随机抽样5个）1.3.2不同角度全部样本足压数据整体受力分布对比对自制装置与对照装置不同角度全部样本整体足压数据受力分布进行分析。30个样本分别在0°、内翻10°（+10°）、内翻20°（+20°）、内翻30°（+30°）、外翻10°（-10°）、外翻20°（-20°）、外翻30°（-30°）时剔除均值小于1的数据点的平均受力值域分布情况如图1.7所示。图中红点虚线μ1、μ2分别表示在对照装置与自制装置两个实验装置上30个实验样本在不同角度足压数据整体受力平均值。图1.7不同角度全部样本足压数据整体受力分布对比由图1.7可知，自制装置相对于对照装置受力值小的数据点更多，在0-200区间分布更广，在受力值大的区域数据大小及分布数量趋同。分析其原因，受力大区域数据大小及分布数量趋同如上文所说与被测试者自身体重（或腿重）有关。而自制装置受力小的数据点更多，在0-200区间分布更广，是由于被测试者在使用装置时其他（辅助）受力处所受压力更小、更平均导致。实验所得足底总压力数据均值对照表如表1.3所示，可以看出，自制装置与对照装置相比在外翻10°（-10°）、外翻20°（-20°）、外翻30°（-30°）时，检测到的平均足底压力更小；在内翻10°（+10°）、内翻20°（+20°）、内翻30°（+30°）时，检测到的平均足底压力两者较为相似。整体来看，足底总压力数据均值波动范围如表1.4所示，自制装置与对照装置相比穿戴平均压力数据值在不同内外翻角度变化时波动较小。从而得出结论，自制装置与对照装置相比，在使用过程中总体足底压力更小，压力值变化波动更稳定，更符合踝关节生理结构及其运动机理。表1.3足底总压力数据均值对照表实验角度（°）足底总压力均值/（-）自制对照+30207.31203.25+20206.80198.20+10212.90211.280201.17213.24-10201.27228.71-20217.40231.26-30219.14239.81表1.4足底总压力数据均值波动范围自制/（-）德度/（-）以0°为基准+17.97-11.04~+26.57总计17.9741.611.5主观数据分析实验采用的主观量表为疼痛数字评价量表，分为0-10共11个刻度，分别代表无痛至剧痛间的不同感受。受试人员完成每组实验（即单个装置的某一实验角度）需要进行5分钟，受试人员在每组实验进行到第4分钟的时候填写一次主观量表，对自己的使用舒适度进行打分。每个受试人员在进行完实验后共会进行14次数据填写，即收到14组主观舒适度数据。对所有受试人员的14组主观舒适度数据求平均值，并对两实验装置同一角度的主观舒适度进行比较，得到表1.5及图1.8所示数据。表1.5主观舒适度平均值实验角度（°）0+10+20+30-10-20-30对照0.831.502.503.301.572.573.43自制0.530.831.502.270.871.602.23图1.8主观舒适度平均值由主观舒适度量表可知，主观舒适度平均值约小舒适度越好，由表1.5及图1.8的数据可以看出，自制装置的主观舒适度较对照装置主观舒适度平均值更小，主观舒适度评价更好，分析原因应是自制踝关节康复训练装置的内外翻复合运动的运动轨迹相比对照康复训练装置单一轴向内外翻运动轨迹更符合人体踝部肌肉关节运动机理，所以自制设备得到了更好的舒适度评价。1.6显著性差异分析为了进一步验证改良设备是否减缓了足底的受力情况，本文进行了统计学显著性检验。从图1.7可以看出，实验测量到的足压信号表现出明显的负偏分布，这使得难以用统计学上常规的，以正态分布为基础的显著性检验法来检验改良设备是否有显著提升。曼-惠特尼U检验又称“曼-惠特尼秩和检验”，是由H.B.Mann和D.R.Whitney于1947年提出的。它假设两个样本分别来自除了总体均值以外完全相同的两个总体，目的是检验这两个总体的均值是否有显著的差别，可以看作是对两均值之差的参数检验方式的T检验或相应的大样本正态检验的代用品[71]。因此，本文采用了曼-惠特尼U检验法（非参数检验法），并提出假设：H0:对照设备和改良设备测得的两组足压数据的均值无显著差异；H1:改良设备测得的足压数据的均值小于对照设备测得的足压数据的均值；在显著性水平为0.05的情况下，通过MATLAB函数‘ranksum’求得不同实验角度下对应的检验p值（如表1.6所示）。其中，改良设备有显著提升的角度（即p<0.05的角度）为-10°、-20°、-30°。由表1.6可知，在统