CN107802382A - 全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统及其平衡判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统及其平衡判别方法。所述系统是将左右压力传感器组贴附于垫片左右区域，并在手术过程中将垫片放置于股骨假体与胫骨托间隙中，通过在屈膝0度和90度、内旋、外翻时获取到的左右传感器组数据，经数据分析，判断膝关节是否处于平衡状态，若处于非平衡状态，通过适当的修骨或调节假体位置，最终使得膝关节处于平衡状态。保持该位置不变，进行手术缝合。本发明通过提高手术中膝关节平衡的准确率，对增加患者术后假体的使用寿命，降低术后并发症，提高患者术后生活质量有重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统及其平衡判别方法，属于临床全膝关节置换领域。
背景技术
全膝关节置换术(TKA)使用金属、高分子聚乙烯、陶瓷等材料，根据人体关节的形态、构造及功能制成人工膝关节假体，通过外科技术植入人体内，缓解患者关节疼痛，恢复关节功能。TKA常用于治疗和改善膝关节炎末期、膝软骨坏死、膝关节内/外翻畸形等疾病，包括两个步骤：截骨和软组织松解，最终恢复下肢力线、保持软组织平衡，从而达到膝关节平衡。TKA不平衡会导致患者疼痛、假体磨损及松动等问题，最终影响患者健康和假体在患者体内留存时间。
常用的TKA平衡方法需要参考多个人体解剖位置，如使用两踝中点的踝关节中心、髌骨沟中点、髁间切迹、股骨干下端等位置作为下肢力线的参考位置，并结合患者股骨解剖轴经胫骨髁连线形成的F角和胫骨解剖轴经胫骨髁连线形成的T角来确定力线平衡。该方法需结合患者X光片进行测量绘制，且F角和T角在手术过程中难以准确测量，并可能随着人体高矮胖瘦会有所改变，过程繁复。软组织松解过程只包括松解部位，不包括松解程度，难以准确控制。
综上所述，如何对TKA中膝关节平衡进行检测，已成为临床中亟待解决的问题。
发明内容
针对以上问题本发明提供了一种成本低廉、易于操作、准确度高的全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统及其平衡判别方法。
为了解决以上问题，本发明采用了如下技术方案：一种全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统，其特征在于，包括左、右压力传感器组、柔性电路、A/D转换模块、单片机、蓝牙模块、电脑；所述左、右压力传感器组，是将单个薄膜压力传感器集成于柔性电路中，分别贴附于垫片左、右区域；用于采集膝关节在屈膝0度和90度、内旋、外翻状态下垫片左、右区域的左、右传感器组获取到的左、右两侧压力数据组；所述左、右压力传感器组，分别由左、右各N个单个薄膜压力传感器组成，其中N≥11，即在测量时获取左、右各N组压力数据；左、右压力传感器组形状呈轴对称分布，且左、右各N个单点薄膜压力传感器一一轴对称分布；所述柔性电路由热塑性基体和导电填料组成，热塑性基体利用3D打印技术，打印出留有镶嵌薄膜压力传感器和导电填料凹槽的基体，将N个薄膜压力传感器一一嵌入，并用导电填料集成引出传感器所有接口；两块A/D转换模块分别用于对左、右各N个传感器采集的数据进行模数转换，并送入单片机进行处理；单片机将传感器数据进行打包整理，通过蓝牙模块发送至电脑主机进行显示。
所述热塑性基体为热塑性氯胺酯TPU，导电填料为导电铜丝。
所述A/D转换模块采用11通道12位芯片TLC2543。
所述单片机采用MSP430系列。
所述蓝牙模块采用HC-06型号。
一种全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统的平衡判别方法，其特征在于，
屈膝0度时：
其中，至为屈膝0度时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝0度时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为屈膝0度时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝0度时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为屈膝0度时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
屈膝90度时：
其中，至为屈膝90度时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝90度时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为屈膝90度时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝90度时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为屈膝90度时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
内旋时：
其中，至为内旋时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为内旋时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为内旋时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为内旋时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为内旋时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
外翻时：
其中，至为外翻时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为外翻时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为外翻时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为外翻时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为外翻时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
若则可判断膝关节处于真平衡状态，否则通过适当修骨或调整假体位置使膝关节达到平衡；保持该位置不变，进行手术缝合。
本发明成本低廉、易于操作、准确度高的优点，通过提高手术中膝关节平衡的准确率，对增加患者术后假体的使用寿命，降低术后并发症，提高患者术后生活质量有重要作用。
附图说明
图1为本发明的TKA解剖示意图
图2为本发明的平衡检测系统流程图
图3为本发明的垫片结构示意图
图4为本发明的左右传感器组结构示意图
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，TKA临床手术过程中，打开患者膝关节，通过对股骨1和胫骨2的截骨，适配的置换上股骨假体3、垫片4、胫骨托5。
如图2至4所示，本发明提供了一种全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统，包括左压力传感器组7、右压力传感器组8、柔性电路、A/D转换模块、单片机、蓝牙模块、电脑。
左薄膜压力传感器(L1-L11)、右薄膜压力传感器(R1-R11)一一对应，成轴对称分布，左侧集成引出传感器接口线L12，右侧集成引出传感器接口线R12，可分别连接左、右AD转换模块。
所述左、右压力传感器组，是将单个薄膜压力传感器集成于柔性电路中，分别贴附于垫片4左、右区域；用于采集膝关节在屈膝0度和90度、内旋、外翻状态下垫片左、右区域的左、右传感器组获取到的左、右两侧压力数据组。
所述左、右压力传感器组，分别由左、右各11个单个薄膜压力传感器组成，即在测量时获取左、右各11组压力数据；左、右压力传感器组形状呈轴对称分布，且左、右各11个单点薄膜压力传感器一一轴对称分布。
所述柔性电路由热塑性基体和导电填料组成，热塑性基体为热塑性氯胺酯(TPU)，导电填料为导电铜丝；利用3D打印技术，打印出留有镶嵌薄膜压力传感器和导电铜丝凹槽的基体，将11个薄膜压力传感器一一嵌入，并用导电铜丝集成引出传感器所有接口。
所述A/D转换模块采用两块11通道12位芯片TLC2543，分别用于对左、右各11个传感器采集的数据进行模数转换，并送入单片机进行处理。
所述单片机采用MSP430系列，用于将传感器数据进行打包整理，通过蓝牙模块发送至电脑主机。
所述蓝牙模块采用HC-06型号，与电脑端蓝牙适配器共同构成数据传输通路。
所述电脑显示是通过在软件界面选择患者此时膝关节的状态位(屈膝0度、屈膝90度、内旋、外翻)对蓝牙传输的原始薄膜压力传感器数据进行不同加权处理，以判断此时膝关节是否处于平衡。
全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统，其平衡判别的方式为：
屈膝0度时：
其中，至为屈膝0度时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝0度时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为屈膝0度时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝0度时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为屈膝0度时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
屈膝90度时：
其中，至为屈膝90度时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝90度时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为屈膝90度时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝90度时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为屈膝90度时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
内旋时：
其中，至为内旋时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为内旋时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为内旋时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为内旋时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为内旋时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
外翻时：
其中，至为外翻时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为外翻时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为外翻时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为外翻时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为外翻时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
若则可判断膝关节处于真平衡状态，否则通过适当修骨或调整假体位置使膝关节达到平衡；保持该位置不变，进行手术缝合。
此外，本发明可通过对屈膝0度、屈膝90度、内旋、外翻四种状态下数据的综合分析，系统可给出修骨方案和假体位置调整方案。
本发明成本低廉、易于操作、准确度高的优点，通过提高手术中膝关节平衡的准确率，对增加患者术后假体的使用寿命，降低术后并发症，提高患者术后生活质量有重要作用。
本发明未详细说明部分都属于领域技术人员公知常识，以上所述仅为本发明的一个具体实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统，其特征在于，包括左、右压力传感器组、柔性电路、A/D转换模块、单片机、蓝牙模块、电脑；
所述左、右压力传感器组，是将单个薄膜压力传感器集成于柔性电路中，分别贴附于垫片左、右区域；用于采集膝关节在屈膝0度和90度、内旋、外翻状态下垫片左、右区域的左、右传感器组获取到的左、右两侧压力数据组；
所述左、右压力传感器组，分别由左、右各N个单个薄膜压力传感器组成，其中N≥11，即在测量时获取左、右各N组压力数据；左、右压力传感器组形状呈轴对称分布，且左、右各N个单点薄膜压力传感器一一轴对称分布；
所述柔性电路由热塑性基体和导电填料组成，热塑性基体利用3D打印技术，打印出留有镶嵌薄膜压力传感器和导电填料凹槽的基体，将N个薄膜压力传感器一一嵌入，并用导电填料集成引出传感器所有接口；
两块A/D转换模块分别用于对左、右各N个传感器采集的数据进行模数转换，并送入单片机进行处理；单片机将传感器数据进行打包整理，通过蓝牙模块发送至电脑主机进行显示。
2.根据权利要求1所述的全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统，其特征在于，所述热塑性基体为热塑性氯胺酯TPU，导电填料为导电铜丝。
3.根据权利要求1所述的全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统，其特征在于，所述A/D转换模块采用11通道12位芯片TLC2543。
4.根据权利要求1所述的全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统，其特征在于，所述单片机采用MSP430系列。
5.根据权利要求1所述的全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统，其特征在于，所述蓝牙模块采用HC-06型号。
6.根据权利要求1所述的全膝关节置换术中膝关节平衡检测系统的平衡判别方法，其特征在于，
屈膝0度时：
其中，至为屈膝0度时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝0度时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为屈膝0度时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝0度时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为屈膝0度时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
屈膝90度时：
其中，至为屈膝90度时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝90度时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为屈膝90度时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为屈膝90度时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为屈膝90度时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
内旋时：
其中，至为内旋时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为内旋时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为内旋时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为内旋时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为内旋时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
外翻时：
其中，至为外翻时左侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为外翻时左侧薄膜压力传感器各点的压力值；至为外翻时右侧薄膜压力传感器各点的加权值，至为外翻时右侧薄膜压力传感器各点的压力值；为外翻时利用左、右侧加权压力值差值的绝对值判断平衡的最大值；
若则可判断膝关节处于真平衡状态，否则通过适当修骨或调整假体位置使膝关节达到平衡；保持该位置不变，进行手术缝合。
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