CN109044573A - 可穿戴的骨应力实时监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴的骨应力实时监测系统，其包括智能骨骼、柔性线圈、报警装置、信号发生器、功率放大器和频率采集装置；其中，柔性线圈包括柔性功率传输线圈和柔性数据采集线圈；所述智能骨骼包括骨骼模型和设置于骨骼模型理论中性面位置的磁致伸缩材料；所述柔性功率传输线圈和柔性数据采集线圈围绕所述智能骨骼设置，并且柔性功率传输线圈位于柔性数据采集线圈的外部；所述信号发生器信号连接于所述功率放大器，所述功率放大器连接于所述柔性功率传输线圈；所述柔性数据采集线圈信号连接于频率采集装置。本发明解决了骨缺损患者在植入人造骨骼后，不能在日常生活中对其进行实时应力监测，判断骨骼愈合和康复状态的问题。

Description

可穿戴的骨应力实时监测系统
技术领域
本发明涉及一种可穿戴的用于骨骼应力实时监测系统，属于医疗器械领域；具体来说，是一种用于骨缺损患者所植入智能假体的监测。
背景技术
由于交通事故或其他的意外原因导致骨的完整性被破坏造成骨缺损是临床常见的疾病，骨缺损严重的需要进行截肢治疗；随着医疗水平的提高，外科重建技术的飞快发展，综合保肢治疗已经成为骨科治疗的主流和发展方向，骨移植技术越来越受到广大骨缺损患者的青睐；人体骨应力的大小对骨的生长速度有直接的关系，特别是在骨折的临床治疗上，适当地控制应力的大小对断骨或移植骨的正常愈合起着关键的作用。而目前对骨折或骨移植的临床治疗上，一般采用骨板或支架然后通过腿部的肌肉给患处骨骼施加一定的压应力促使其生长，但载荷的大小全凭医生的经验，并没有一个定量测试和实时监控骨应力大小的方法和手段。
骨监测系统或设备一般采用传感器作为主体；主要是在人体内部患处植入一种特定功能的传感器，通过导线连接到外部的电子仪器或者采用无线电方式，进行采集和监测植入假体的使用性能和生理参数。
由北京航空航天大学的苏飞、邵忠发明，公开日为2012年4月04日、公开号为CN102397073A、发明名称为“一种用于人体骨骼应力测试的无线应力传感器及其测试方法”的专利，它提出了一种用于人体骨骼应力测试的传感器和方法；这种传感器可以用于伤骨治疗，也可以长期检测骨骼的老化和损伤情况。但是，这种传感器使用电磁波方法进行信号的采集，在信号传输的过程中会受到其他因素的干扰，并且采集到的信号不能直观的看到骨骼应力数值，实现对骨骼使用状况的判断。
发明内容
本发明目的是提供一种可穿戴的骨应力实时监测系统，解决了骨缺损患者在植入人造骨骼后，不能在日常生活中对其进行实时应力监测，判断骨骼愈合和康复状态的问题。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种可穿戴的骨应力实时监测系统，其包括智能骨骼、柔性线圈、报警装置、信号发生器、功率放大器和频率采集装置；
其中，柔性线圈包括柔性功率传输线圈和柔性数据采集线圈；
所述智能骨骼包括骨骼模型和设置于骨骼模型理论中性面位置的磁致伸缩材料；
所述柔性功率传输线圈和柔性数据采集线圈围绕所述智能骨骼设置，并且柔性功率传输线圈位于柔性数据采集线圈的外部；
所述信号发生器信号连接于所述功率放大器，所述功率放大器连接于所述柔性功率传输线圈；所述柔性数据采集线圈信号连接于频率采集装置。
可选的，所述频率采集装置连接于计算机；所述计算机还信号连接于报警装置，所述计算机判断柔性数据采集线圈反馈的功率信号，并根据判断相对功率变化量的绝对值进行报警，当反馈的相对变化量值超过设定极限时，所述计算机控制报警装置发出警报。
可选的，所述柔性线圈包括载带和设置于载带内的芯线，所述芯线之间平行设置，并沿所述载带的长度方向设置；当载带的两端相固定时，每一个芯线的两端分别连接于位于其上方的芯线的一端以及位于其下方的芯线的一端，使得芯线错位连接，由此多个芯线连成一个线圈。
可选的，所述柔性功率传输线圈的芯线为纯铜芯线，所述柔性数据采集线圈的芯线为镀锡铜芯线，柔性功率传输线圈的单根铜线直径是柔性数据采集线圈单根铜线直径的1.5倍以上，柔性数据采集线圈的匝数是柔性功率传输线圈匝数的三分之二。
可选的，所述载带的两端均设置有可拆卸的粘性材料。
可选的，所述信号发生器包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和型号为THS4271D的芯片；
所述型号为THS4271D的芯片的负极端通过电阻R1接地，并且还通过电阻R2连接于所述型号为THS4271D的芯片的输出端；所述型号为THS4271D的芯片的正极端通过并联的电容C1和电阻R4接地；而且还通过串联的电容C2和电阻R3连接至所述型号为THS4271D的芯片的输出端。
可选的，所述功率放大器包括：电容C3、电阻RB、电阻RC、电阻RL和三极管VT；所述型号为THS4271D的芯片的输出端通过电容C3连接于三极管VT的基极，而且所述三极管VT的基极还通过电阻RB连接于电源EC，所述三极管VT的集电极通过电阻RC连接于电源EC，并且所述三极管VT的集电极还通过电容C4连接于柔性功率传输线圈的一个端子；所述三极管VT的发射极接地，并且所述三极管VT的发射极连接于柔性功率传输线圈的另一个端子，并且所述柔性功率传输线圈的两个端子之间连接有电阻RL。
可选的，所述频率采集装置2-5包括型号为LT6230的芯片、型号为EL5172IS的芯片和接线端子；
所述柔性数据采集线圈的一个端子接地，另一个端子通过串联的电容C11和电阻R11连接于型号为LT6230的芯片的负极端；所述型号为LT6230的芯片的负极端还通过电阻R12连接于型号为LT6230的芯片的输出端；所述型号为LT6230的芯片的正极端通过串联的电阻R13和R17连接于型号为EL5172IS的芯片的正极端；所述型号为LT6230的芯片的输出端通过电容C12连接于可调电阻R14的一个固定端子，所述可调电阻R14的另一个端子接地，并且所述可调电阻R14的滑动端子通过串联的电阻R15和电容C14连接于所述型号为EL5172IS的芯片的负极端；所述型号为EL5172IS的芯片的负极端还通过电阻R18连接于型号为EL5172IS的芯片的输出端；所述电阻R15和电容C14连接的一端通过电阻R16接地，并且还通过电容C13连接于型号为EL5172IS的芯片的输出端；所述型号为EL5172IS的芯片的输出端通过电容C15连接于二极管D1的正极端，二极管D1的负极端连接于接线端子的第8管脚；所述二极管D1的正极端还通过电阻R19接地，所述二极管D1的负极端还通过并联的电容C16和电阻R20接地；所述接线端子的第9管脚通过电阻R22分别连接于二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5的正极，所述二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5的负极分别连接于所述接线端子的第1管脚、第2管脚、第3管脚、第4管脚和第6管脚；所述接线端子的第5管脚通过并联的电阻R21和电容C17连接于接线端子的第7管脚。
可选的，所述报警装置包括三极管Q1和蜂鸣器，所述计算机的I/O接口通过电阻R32连接于三极管Q1的基极，所述三极管的发射极连接于VCC直流电源；所述三极管Q1的集电极连接于蜂鸣器的一个端子，所述蜂鸣器的另一个端子通过电阻R31接地；并且所述计算机的I/O接口还通过电阻R33连接于VCC电源。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明中智能骨骼，用于替换掉受损或代替缺损骨骼使用，不需要在人体内部植入任何导线进行连接；制作智能骨骼的材料和其内部的磁致伸缩材料无毒副作用，可以长期置于人体内而不影响人体的生理机能。
2、本发明采用可穿戴的方式进行骨骼应力监测，并且能够在人运动中实现动态监测的效果，操作极其方便。
3、本发明设计了报警装置，在人使用智能骨骼进行工作时，一旦受力超过预先设定的范围，系统会进行报警提醒，提醒人注意骨骼的使用，避免造成损伤。
附图说明
图1为本发明的可穿戴的骨应力实时监测系统的结构框图；
图2和图3为本发明的智能骨骼的结构示意图；
图4为本发明的柔性线圈的结构示意图；
图5为本发明的芯线的连接关系示意图；
图6A和6B为本发明的可穿戴的骨应力实时监测系统的电路图；
图7为本发明的可穿戴的骨应力实时监测系统的使用效果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
本实施例提供了一种可穿戴的骨应力实时监测系统，其包括智能骨骼1、柔性线圈2-1、报警装置2-2、信号发生器2-3、功率放大器2-4和频率采集装置2-5；其中，柔性线圈包括柔性功率传输线圈2-1-1和柔性数据采集线圈2-1-2。
所述智能骨骼1为体内工作部分，即设置于人体内，并且所述智能骨骼1包括骨骼模型1-1和设置于骨骼模型理论中性面位置的磁致伸缩材料1-2，基于磁致伸缩效应进行工作。智能骨骼长度和最小直径是按照真实胫骨按比例缩小制作；智能骨骼内部的磁致伸缩材料，具有高渗透性、低电阻率、高磁致伸缩系数、高机械拉伸强度的特点；智能骨骼材料和磁致伸缩材料无毒、不腐，可长期置于人体内部，不影响人体生理机能。
柔性线圈采用柔软铜芯排线制作，即包括载带5-1和设置于载带内的芯线5-2，本实施例中，所述芯线之间平行设置，并沿所述载带的长度方向设置；所述多个芯线在载带的宽度方向排成一列，当载带的两端相固定时，芯线错位连接，使得多个芯线连成一个线圈；其中柔性功率传输线圈2-1-1的芯线为纯铜芯线，柔性数据采集线圈2-1-2的芯线为镀锡铜芯线，柔性功率传输线圈的单根铜线直径要是柔性数据采集线圈单根铜线直径的1.5倍以上，柔性数据采集线圈的匝数是柔性功率传输线圈匝数的三分之二，此时产生的磁场强度能够满足检测的要求；柔性线圈其具有柔软可任意变形的特点，能够贴合各种外凸曲面。
所述柔性数据采集线圈和柔性功率传输线圈均设计成错位布置形式，即将柔性线圈设计为多个平行的铜线，并形成A端和B端；即将柔性线圈两端A端和B端，其中A端从上到下分别定义线为a1、a2、a3、a4、a5......，B端从上到下分别定义线为b1、b2、b3、b4、b5......，使用时A端的a1线与B端的b2线连接，A端的a2线与B端的b3线连接，A端的a3线与B端的b4线连接，依次排列，使整个线圈在连接后构成环形通路，产生交变磁场。
所述柔性数据采集线圈和柔性功率传输线圈的A端和B端均设置有可拆卸的粘性材料5-3，例如魔术带等，方便线圈的穿戴和拆卸以及根据使用需要自行调整粘贴。
所述柔性功率传输线圈2-1-1与功率放大器2-4连接，功率放大器2-4与信号发生器2-3连接；柔性数据采集线圈2-1-2与频率采集装置2-5连接；所述频率采集装置2-5连接于计算机，以通过计算机对其采集的信号进行处理；所述计算机还信号连接于报警装置，所述计算机判断柔性数据采集线圈反馈的功率信号，并根据判断相对功率变化量(dbm)的绝对值进行报警，当反馈的相对变化量值超过设定极限时，所述计算机控制报警装置发出警报。
所述信号发生器2-3接收固定的激励频率值和激励电压值，输出激励频率信号；本实施例中，所述信号发生器包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和型号为THS4271D的型号为THS4271D的芯片；
所述型号为THS4271D的芯片的负极端通过电阻R1接地，并且还通过电阻R2连接于所述型号为THS4271D的芯片的输出端；所述型号为THS4271D的芯片的正极端通过并联的电容C1和电阻R4接地；而且还通过串联的电容C2和电阻R3连接至所述型号为THS4271D的芯片的输出端。
所述信号发生器2-3信号连接于所述功率放大器，所述激励频率信号经功率放大器传到柔性检测系统的柔性功率传输线圈上，柔性功率传输线圈产生交变磁场作用在智能骨骼。本实施例中，所述功率放大器包括：电容C3、电阻RB、电阻RC、电阻RL和三极管VT；所述型号为THS4271D的芯片的输出端通过电容C3连接于三极管VT的基极，而且所述三极管VT的基极还通过电阻RB连接于电源EC，所述三极管VT的集电极通过电阻RC连接于电源EC，并且所述三极管VT的集电极还通过电容C4连接于柔性功率传输线圈2-1-1的一个端子；所述三极管VT的发射极接地，并且所述三极管VT的发射极连接于柔性功率传输线圈2-1-1的另一个端子，并且所述柔性功率传输线圈2-1-1的两个端子之间连接有电阻RL。
频率采集装置2-5对柔性数据采集线圈2-1-2所检测的信号进行采集，本实施例中，所述频率采集装置2-5包括型号为LT6230的芯片、型号为EL5172IS的芯片和接线端子；
所述柔性数据采集线圈2-1-2的一个端子接地，另一个端子通过串联的电容C11和电阻R11连接于型号为LT6230的芯片的负极端；所述型号为LT6230的芯片的负极端还通过电阻R12连接于型号为LT6230的芯片的输出端；所述型号为LT6230的芯片的正极端通过串联的电阻R13和R17连接于型号为EL5172IS的芯片的正极端；所述型号为LT6230的芯片的输出端通过电容C12连接于可调电阻R14的一个固定端子，所述可调电阻R14的另一个端子接地，并且所述可调电阻R14的滑动端子通过串联的电阻R15和电容C14连接于所述型号为EL5172IS的芯片的负极端；所述型号为EL5172IS的芯片的负极端还通过电阻R18连接于型号为EL5172IS的芯片的输出端；所述电阻R15和电容C14连接的一端通过电阻R16接地，并且还通过电容C13连接于型号为EL5172IS的芯片的输出端；所述型号为EL5172IS的芯片的输出端通过电容C15连接于二极管D1的正极端，二极管D1的负极端连接于接线端子的第8管脚；所述二极管D1的正极端还通过电阻R19接地，所述二极管D1的负极端还通过并联的电容C16和电阻R20接地；所述接线端子的第9管脚通过电阻R22分别连接于二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5的正极，所述二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5的负极分别连接于所述接线端子的第1管脚、第2管脚、第3管脚、第4管脚和第6管脚；所述接线端子的第5管脚通过并联的电阻R21和电容C17连接于接线端子的第7管脚；以在接线端子连接于计算机时，能够将柔性数据采集线圈2-1-2所采集的信号传输至计算机进行分析和处理。
本实施例中，所述报警装置包括三极管Q1和蜂鸣器，所述计算机的I/O接口通过电阻R32连接于三极管Q1的基极，所述三极管的发射极连接于VCC直流电源(+5V)；所述三极管Q1的集电极连接于蜂鸣器的一个端子，所述蜂鸣器的另一个端子通过电阻R31接地；并且所述计算机的I/O接口还通过电阻R33连接于VCC电源。
本发明的可穿戴骨应力实时监测系统在使用时，通过下述步骤来完成：
步骤1：智能骨骼的使用；
用智能骨骼替换掉骨缺损患者受损的骨骼，安置好智能骨骼，并对其进行加载，传感器标定平台上的力传感器直接作用在智能骨骼上，采集智能骨骼所受压力，力传感器与频率采集装置通过端口连接到计算机；
步骤2；柔性检测系统使用；
将柔性检测系统穿戴在智能骨骼外部，柔性激励线圈输出一定的激励频率和激励电压；柔性激励线圈产生的交变磁场作用在智能骨骼上；柔性检测线圈接收到变化的功率信号并传输到频率采集装置；
步骤3：危险警报；
频率采集装置将采集的功率信号通过端口传输到计算机中，转化为数字信号；当数字信号值超过设定极限值时，报警装置会发出警报。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种可穿戴的骨应力实时监测系统，其特征在于，包括智能骨骼、柔性线圈、报警装置、信号发生器、功率放大器和频率采集装置；
其中，柔性线圈包括柔性功率传输线圈和柔性数据采集线圈；
所述智能骨骼包括骨骼模型和设置于骨骼模型理论中性面位置的磁致伸缩材料；
所述柔性功率传输线圈和柔性数据采集线圈围绕所述智能骨骼设置，并且柔性功率传输线圈位于柔性数据采集线圈的外部；
所述信号发生器信号连接于所述功率放大器，所述功率放大器连接于所述柔性功率传输线圈；所述柔性数据采集线圈信号连接于频率采集装置。
2.根据权利要求1所述的可穿戴的骨应力实时监测系统，其特征在于，所述频率采集装置连接于计算机；所述计算机还信号连接于报警装置，所述计算机判断柔性数据采集线圈反馈的功率信号，并根据判断相对功率变化量的绝对值进行报警，当反馈的相对变化量值超过设定极限时，所述计算机控制报警装置发出警报。
3.根据权利要求2所述的可穿戴的骨应力实时监测系统，其特征在于，所述柔性线圈包括载带和设置于载带内的芯线，所述芯线之间平行设置，并沿所述载带的长度方向设置；当载带的两端相固定时，每一个芯线的两端分别连接于位于其上方的芯线的一端以及位于其下方的芯线的一端，使得芯线错位连接，由此多个芯线连成一个线圈。
4.根据权利要求3所述的可穿戴的骨应力实时监测系统，其特征在于，所述柔性功率传输线圈的芯线为纯铜芯线，所述柔性数据采集线圈的芯线为镀锡铜芯线，柔性功率传输线圈的单根铜线直径是柔性数据采集线圈单根铜线直径的1.5倍以上，柔性数据采集线圈的匝数是柔性功率传输线圈匝数的三分之二。
5.根据权利要求4所述的可穿戴的骨应力实时监测系统，其特征在于，所述载带的两端均设置有可拆卸的粘性材料。
6.根据权利要求2所述的可穿戴的骨应力实时监测系统，其特征在于，所述信号发生器包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和型号为THS4271D的芯片；
所述型号为THS4271D的芯片的负极端通过电阻R1接地，并且还通过电阻R2连接于所述型号为THS4271D的芯片的输出端；所述型号为THS4271D的芯片的正极端通过并联的电容C1和电阻R4接地；而且还通过串联的电容C2和电阻R3连接至所述型号为THS4271D的芯片的输出端。
7.根据权利要求6所述的可穿戴的骨应力实时监测系统，其特征在于，所述功率放大器包括：电容C3、电阻RB、电阻RC、电阻RL和三极管VT；所述型号为THS4271D的芯片的输出端通过电容C3连接于三极管VT的基极，而且所述三极管VT的基极还通过电阻RB连接于电源EC，所述三极管VT的集电极通过电阻RC连接于电源EC，并且所述三极管VT的集电极还通过电容C4连接于柔性功率传输线圈的一个端子；所述三极管VT的发射极接地，并且所述三极管VT的发射极连接于柔性功率传输线圈的另一个端子，并且所述柔性功率传输线圈的两个端子之间连接有电阻RL。
8.根据权利要求7所述的可穿戴的骨应力实时监测系统，其特征在于，所述频率采集装置包括型号为LT6230的芯片、型号为EL5172IS的芯片和接线端子；
所述柔性数据采集线圈的一个端子接地，另一个端子通过串联的电容C11和电阻R11连接于型号为LT6230的芯片的负极端；所述型号为LT6230的芯片的负极端还通过电阻R12连接于型号为LT6230的芯片的输出端；所述型号为LT6230的芯片的正极端通过串联的电阻R13和R17连接于型号为EL5172IS的芯片的正极端；所述型号为LT6230的芯片的输出端通过电容C12连接于可调电阻R14的一个固定端子，所述可调电阻R14的另一个端子接地，并且所述可调电阻R14的滑动端子通过串联的电阻R15和电容C14连接于所述型号为EL5172IS的芯片的负极端；所述型号为EL5172IS的芯片的负极端还通过电阻R18连接于型号为EL5172IS的芯片的输出端；所述电阻R15和电容C14连接的一端通过电阻R16接地，并且还通过电容C13连接于型号为EL5172IS的芯片的输出端；所述型号为EL5172IS的芯片的输出端通过电容C15连接于二极管D1的正极端，二极管D1的负极端连接于接线端子的第8管脚；所述二极管D1的正极端还通过电阻R19接地，所述二极管D1的负极端还通过并联的电容C16和电阻R20接地；所述接线端子的第9管脚通过电阻R22分别连接于二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5的正极，所述二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5的负极分别连接于所述接线端子的第1管脚、第2管脚、第3管脚、第4管脚和第6管脚；所述接线端子的第5管脚通过并联的电阻R21和电容C17连接于接线端子的第7管脚。
9.根据权利要求8所述的可穿戴的骨应力实时监测系统，其特征在于，所述报警装置包括三极管Q1和蜂鸣器，所述计算机的I/O接口通过电阻R32连接于三极管Q1的基极，所述三极管的发射极连接于VCC直流电源；所述三极管Q1的集电极连接于蜂鸣器的一个端子，所述蜂鸣器的另一个端子通过电阻R31接地；并且所述计算机的I/O接口还通过电阻R33连接于VCC电源。
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