融合FBG鞋垫与IMU数据的多模态可穿戴传感方法用于古典舞蹈负荷与表现监测

《Sensors and Actuators A: Physical》：A Multimodal Wearable Sensing Approach Combining FBG Insole and IMU Data for Workloads and Performance Monitoring in Classic Dance

　　

研究人员提出了一种结合光纤布拉格光栅（FBG）鞋垫与惯性测量单元（IMU）数据的多模态可穿戴传感方法，用于古典舞蹈中的负荷与表现监测。该方法集成基于3D打印的FBG智能鞋垫与IMU，对古典舞蹈进行全面监测。系统可同时评估足底压力及胫骨方向等运动学参数。通过应用数据融合策略，研究人员得以估计关键的内部生物力学负荷，包括胫股关节压缩力（FTFJ）与髌股关节压缩力（FPFJ）。该技术能够有效区分技术执行质量，结果表明技术错误可使垂直地面反作用力（vGRF）和膝关节负荷加倍。研究还识别出压力中心（CoP）位移和接触时间（CT）等性能指标，可作为损伤预防和疲劳监测的客观工具。

运动表现分析依赖技术手段对关键生理和生物力学参数进行定量、连续、无创监测，然而这类技术在古典舞蹈等表演艺术中的应用仍相对有限。古典芭蕾以极端的关节活动度和重复冲击负荷为特征，舞者常面临跖骨、踝、膝和髋关节的过度使用损伤风险。目前芭蕾训练负荷的量化往往依赖主观感受或训练时长，缺乏基于客观生物力学测量的手段，因此亟需一种能够在真实训练场景中同时捕获外部机械负荷和运动质量的可穿戴监测系统。

针对这一需求，研究人员提出并验证了一种多模态可穿戴传感框架，将基于光纤布拉格光栅（FBG）的智能鞋垫与惯性测量单元（IMU）数据融合，用于古典舞蹈中的负荷与表现监测。研究首先设计并开发了3D打印热塑性聚氨酯（TPU）柔性鞋垫，嵌入8个FBG传感器，并对其压力灵敏度、迟滞和串扰进行了表征。随后，一名43岁专业芭蕾舞女演员（体重50 kg，身高164 cm，BMI 18.59）参与了实验，执行demi-plié和grand-plié动作，分为正确执行和错误执行两种情况。通过FBG鞋垫测量足底压力、垂直地面反作用力（vGRF）和压力中心（CoP），通过IMU估计胫骨倾斜角和接触时间（CT），并采用数据融合策略估计膝关节压缩力。结果表明，错误的技术执行可使峰值vGRF几乎加倍，同时显著增加膝关节负荷。该研究为古典舞蹈提供了一种客观、可穿戴、多模态的监测方案，有助于损伤预防和循证训练策略的制定。

主要关键技术方法包括：基于3D打印TPU基底的FBG智能鞋垫，利用光纤布拉格光栅的波长调制实现足底压力测量，并通过参考传感器进行温度补偿；采用MITCH IMU，利用Madgwick四元数滤波从加速度计、陀螺仪和磁力计数据中估计胫骨倾斜角；将FBG测得的vGRF和CoP坐标与IMU测得的胫骨角作为输入，代入2D解析生物力学模型，估算胫股关节压缩力（FTFJ）和髌股关节压缩力（FPFJ）。实验对象为一名专业芭蕾舞女演员，研究经米兰理工大学伦理委员会批准（编号45/2025）。

**研究结果**

**4.1 FBG鞋垫结果：垂直地面反作用力（vGRF）与压力中心（CoP）**
通过FBG鞋垫测量足底压力并计算vGRF。正确执行时，grand-plié的峰值vGRF平均约为1.22倍体重（BW），最大达1.35±0.1 BW；demi-plié平均约0.95 BW，最大1.05±0.2 BW。错误执行时，grand-plié峰值接近2.45 BW，最大达2.80±0.3 BW，约为正确执行的两倍。单因素方差分析显示正确与错误执行之间的差异具有高度统计学意义。CoP轨迹分析显示，正确执行时CoP高度稳定，波动在毫米级范围内；错误执行时在前后轴上出现超过40 mm的波动，表明运动控制显著恶化。

**4.2 IMU运动学分析结果：胫骨关节角度方向与接触时间**
利用IMU估计胫骨倾斜角。正确执行时，grand-plié最大胫骨角为39.40±2.08°，demi-plié为32.86±1.90°；错误执行时分别增至42.69±2.73°和33.36±3.14°，且错误demi-plié的标准差约为正确情况下的1.6倍。接触时间分析表明，正确执行时CT稳定在1.7~1.8秒之间，错误执行时则在1.2秒至2.1秒以上剧烈波动，偏差约0.2825秒（约为正确平均CT的16%）。尽管CT的方差分析未显示显著差异，但错误的执行表现出明显的时序不稳定。

**4.3 数据融合方法结果：膝关节负荷**
将vGRF、CoP和胫骨角度作为输入，利用2D模型估算膝关节负荷。正确执行时，髌股