CN110338953A - 一种辅助髋关节矫形系统及矫形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种辅助髋关节矫形系统及矫形方法，所述髋关节矫形系统包括柔性传感器模块、检测电路模块、分析模块、操作显示模块，其中柔性传感器模块粘贴于人体髋关节皮肤表面，并进行信号采集；检测电路模块可以采样传感器信号并滤波；分析模块能进行A/D转换、滤波、消抖并进行对比分析；操作显示模块控制操作模块并显示角度结果。本发明的辅助髋关节矫形系统及矫形方法可以提高矫正髋关节时角度的精确程度，提高矫形的针对性，适应了不同脱位程度婴幼儿使用，本发明的矫正系统噪音小，不会对患者有干扰，且柔性传感器亲肤性好，不会对人体皮肤以及关节处造成额外的损伤。

Description

一种辅助髋关节矫形系统及矫形方法

技术领域

本发明涉及医用设备领域，具体涉及一种辅助髋关节矫形系统及矫形方法。

背景技术

发育型髋关节脱位，又称为先天性髋关节脱位，主要是髋臼、股骨近端和关节囊等均存在发育上的缺陷而导致关节的不稳定，直至发展为髋关节的脱位。DDH目前是导致儿童肢体残疾的主要疾病之一。DDH在我国的发病率约为3.9‰。不同种族、地区发病情况差别很大，且女多于男，约为6：1。

儿童发育性髋关节脱位最佳治疗期是0～6个月，在此期间采用Pavlik吊带法，佩戴3～6个月。借助下肢重量使股骨头滑入髋臼并维持复位，达到治疗目的。屈曲、外展髋关节时，股骨头的轴线更加指向髋臼底部，并借助自身重力使髋臼与股骨头进一步贴合紧密，在头臼相适应的相对活动中促进髋臼与股骨头的共同发育。Pavlik挽具佩戴要求为髋屈曲90°～110°，髋外展70°，需要进行24小时佩戴。

这种治疗方式在临床中的成功率在0～3个月大于90％，在3～6个月大于75％，当超过6个月时成功率小于50％。

总之，Pavlik带的有效期限较短，需要在患儿出生后六个月内尽快进行有效治疗。Pavlik带的佩戴方式直接影响了股骨头能否很好的与髋臼同心，而且每位儿童的股骨偏移情况各不相同，需要进行准确调整。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种辅助髋关节矫形系统及矫形方法，具体技术方案如下：

一种辅助髋关节矫形系统，其特征在于，该系统包括依次电连接的柔性传感器模块、检测电路模块、分析模块和操作显示模块；

所述的柔性传感器模块包括不少于三个柔性传感器，用于采集髋关节的拉伸的位移变量，并将其转换为电容信号输出，所述的柔性传感器包括柔性介电层、保护层、两个保持器和电极，所述的电极设置在所述的柔性介电层的两端，所述的保护层包裹所述的柔性介电层，且其两端分别固定在所述的保持器中；

所述的检测电路模块包括采样保持电路和滤波器，用于采集电容信号并将其转换为电压信号，并进行滤波后输出；

所述的分析模块包括内置处理器和D触发器，用于将所述的检测电路模块输出的信号进行A/D转换、数字滤波和消抖处理，并将其输入的电压信号转换为对应关节的旋转角度后输出；

所述的操作显示模块用于实时显示分析结果并进行输入操作。

进一步地，所述的柔性传感器的数量为3-6个。

进一步地，所述的显示模块包括LCD屏幕和按键模块组。

进一步地，所述的柔性传感器为介电弹性体柔性传感器。

进一步地，所述的滤波器为低通滤波器。

一种辅助髋关节矫形方法，其特征在于，该方法利用上述的矫正系统来实现，该方法具体包括如下步骤：

S1：将所述的柔性传感器通过医用压敏胶带分别粘贴在使用者的大腿内侧沿耻骨轴线投影线的平滑肌肤处、沿着股骨轴线投影线贴于大腿后侧靠近臀部处、与股骨轴线投影线呈15±0.5°角度贴于大腿前部靠近髋臼处；

S2：将使用者在髋关节三个方向上的最佳的矫正复位角度，即标定角度，通过所述的操作显示模块输入到所述的分析模块中；

S3：使用者运动髋关节，带动所述的柔性传感器产生形变，所述的柔性传感器采集形变量并将其转换为电容量输出，所述的检测电路模块将采集到的所述的柔性传感器的电容信号转换为电压信号，并进行滤波后输出；

S4：所述的分析模块将S3输出的电压信号经过解耦后计算出所述的三个方向上髋关节旋转的角度，并将其与所述的标定角度进行比对，当超出了标定角度及误差范围，则输出警报信号给操作显示模块，提示角度错误，误差范围在±0.1°；当在标定电压及误差范围内，则取消警报并提示角度符合；所述的分析结果和警报信息通过所述的操作显示模块显示。

进一步地，所述的滤波采用卡尔曼滤波方法。

本发明的有益效果如下：

本发明的辅助髋关节矫形系统及矫形方法能够实现实现实时、准确地测量髋关节的角度，为医生和婴幼儿监护人提供实时可靠的髋关节角度信息，这些信息辅助了髋关节的矫形过程，提高矫形的针对性，适应了不同脱位程度婴幼儿使用；另外，本发明的矫正系统噪音小，不会对患者有干扰，且柔性传感器亲肤性好，不会对人体皮肤以及关节处造成额外的损伤。

附图说明

图1为本发明的辅助髋关节矫正系统的结构示意图；

图2为柔性传感器的内部结构示意图；

图3为柔性传感器的外部结构示意图；

图4为检测电路模块的电路示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种辅助髋关节矫形系统，该系统包括依次电连接的柔性传感器模块、检测电路模块、分析模块和操作显示模块；

所述的柔性传感器模块包括不少于三个介电弹性体柔性传感器，用于采集髋关节的拉伸的位移变量，并将其转换为电容信号输出，所述的柔性传感器包括柔性介电层12、保护层11、两个保持器14和电极13，所述的电极13设置在所述的柔性介电层的端部，所述的保护层11包裹所述的柔性介电层，且其两端分别固定在所述的保持器14中，如图2-3所示；

所述的检测电路模块包括采样保持电路和滤波器，用于采集电容信号并将其转换为电压信号，并进行滤波后输出；

所述的分析模块包括内置处理器和D触发器，用于将所述的检测电路模块输出的信号进行A/D转换、数字滤波和消抖处理，并将其输入的电压信号转换为对应关节的旋转角度后输出；

所述的操作显示模块用于实时显示分析结果并进行输入操作。

髋关节的主要活动可分解为在三个互相垂直平面上的运动：矢状面上的屈伸﹑冠状面上的内收外展以及横断面上的内外旋转。

对于髋关节矫形需要测量的三个角度值分别为：矢状面上的屈曲角度、冠状面上的外展角度和横断面上的外旋角度。

因此，为了测量上述三个角度，所需的柔性传感器模块数量至少为3个，柔性传感器数量可以增加，但不得超过预设阈值6个。

优选地，所述的显示模块包括LCD屏幕和按键模块组。

一种辅助髋关节矫形方法，其特征在于，该方法利用上述的矫正系统来实现，该方法具体包括如下步骤：

S1：将所述的柔性传感器通过医用压敏胶带分别粘贴在使用者的大腿内侧靠近耻骨平滑肌肤处、沿着股骨轴线贴于大腿后侧靠近臀部处、与股骨轴线呈15°角度贴于大腿前部靠近髋臼处；

如图1所示，以三个传感器为例，传感器a沿股骨轴线贴于大腿内侧靠近耻骨处平滑肌肤处，用于测量髋关节外展角度；传感器b沿着股骨轴线贴于大腿后侧靠近臀部处，用于测量髋关节屈曲角度；传感器c与股骨轴线呈15°角度贴于大腿前部靠近髋臼处，用于测量髋关节外旋角度。固定器与柔性传感器的保护层连接，用于固定柔性传感器和电极LCR电桥引线并与胶带相连。每个传感器柔性电极为矩形，宽度为15mm，长为60mm；保护层为矩形，宽度为20mm，长为70mm，其面积较电极面积更大，且覆盖柔性电极层；固定器1为矩形，宽度为22mm，长度为25mm，厚度为4mm，它一端与保护层刚性粘结，并将LCR电桥导线引出始端固定。

基于介电弹性体的柔性传感器较短边处的固定器上，贴有两条长于传感器宽度的医用压敏胶带，胶带长度为75mm，宽度为24mm。胶带完全覆盖每个传感器的固定器部分，平整的贴于关节外表皮指定位置处，传感器不可折叠卷曲，需要相对皮肤平整地贴于指定位置处。

基于介电弹性体的柔性传感器可以将形变量转换为电容量输出，形变与电容量的变化呈线性相关。当髋关节运动时，三个基准面上会有角度的变化，角度的变化会使柔性传感器产生形变，其形变主要影响是会导致柔性传感器的拉伸运动，从而导致电极电桥能有电容量的输出变化。

S2：将使用者在髋关节三个方向上的最佳的矫正复位角度，即标定角度，通过所述的操作显示模块输入到所述的分析模块中；

使用之前，使用者通过核磁共振，电子计算机断层扫描等方式判断患者最佳的矫正复位角度(称为标定角度)，即矫正器需要将患者固定在此角度及其误差范围内。将三个方向上的标定角度值通过控制显示器中的按键模块将角度值输入到分析模块当中。

S3：使用者运动髋关节，带动所述的柔性传感器产生形变，所述的柔性传感器采集形变量并将其转换为电容量输出，所述的检测电路模块将采集到的所述的柔性传感器的电容信号转换为电压信号，并进行滤波后输出；

如图4所示，检测电路模块主要由采样保持电路、滤波器组成。采样保持电路能采集电容信号，并转换为电压信号输出；这里使用的滤波器为低通滤波器，能将高频噪声去除，提高传感器电路的整体性能，提高采样率。具体采用一个运算放大器进行滤波。采样保持电路内部的滤波器输出的信号为电压信号，并且通过导线连接至分析模块的处理器串口上。

S4：所述的分析模块将S3输出的电压信号解耦后计算出髋关节旋转的角度，并将其与所述的标定角度进行比对，当超出了标定角度及误差范围，则输出警报信号给操作显示模块，提示角度错误，误差范围在±0.1°；当在标定电压及误差范围内，则取消警报并提示角度符合；所述的分析结果和警报信息通过所述的操作显示模块显示。

分析模块内置处理器和I/O串口，能接收由检测电路模块输出的数据，将检测电路传递的数据进行A/D转换、数字滤波和消抖处理，并进行分析和保存后将数据通过显示串口传递给操作显示模块的LCD屏幕以方便用户操作和监控。

A/D转换过程使用处理器内置的A/D转换模块，将模拟信号转换为数字信号；数字滤波的具体方法为卡尔曼滤波，能将多余噪声消除；消抖的具体方式为D触发器消抖，从而输出稳定有效的数据以进行分析处理。

分析模块内置标定函数和转换函数，标定函数是电压值和拉伸量之间的函数关系，转换函数是拉伸量和角度值之间的函数关系。通过输入电压值到标定函数中可以计算出传感器被拉伸的位移长度，通过输入位移长度到转换函数能计算出关节旋转的角度，分析模块输出此时角度值。如将角度输入，即可通过转换函数和标定函数获得此时的电压值。分析模块中的处理器得到按键模块输入的角度值，可通过设定的标定函数和转换函数进行计算此时的电压值(称为标定电压)。当分析模块内的处理器得到了三个方向的标定电压值，立即储存在寄存器中。

分析模块的处理器内置了解耦程序，当髋关节实际运动过程中，髋关节的运动是由多个分运动复合而成，会对多个传感器同时作用。将多个柔性传感器的电压值读数变化导入解耦程序，通过解耦程序内的解耦方程对多个传感器进行解耦操作，计算出每个方向上的准确角度。解耦方程为当前扫描采样的电压值的变化量与此时各个基准面上的角度之间的函数关系，以矩阵的形式进行求解。

操作显示模块上包括但不限于LCD屏幕以及按键模组。显示器模块能实时反馈分析模块中处理器的数据处理结果，包括但不限于警报处理结果、标定角度、各个方向实时角度显示，菜单栏选项。

警报和角度信息通过显示串口发送至此操作显示模块的LCD屏幕，屏幕上可显示菜单栏、工具栏，主界面包括三个或以上基准面上的角度值、三个或以上的每个平面上角度警报提示框，总警报提示框。

如有警报产生，需要旋转髋关节至指定位置，方可自动解除警报。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例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。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种辅助髋关节矫形系统，其特征在于，该系统包括依次电连接的柔性传感器模块、检测电路模块、分析模块和操作显示模块；

所述的柔性传感器模块包括不少于三个柔性传感器，用于采集髋关节的拉伸的位移变量，并将其转换为电容信号输出，所述的柔性传感器包括柔性介电层、保护层、两个保持器和电极，所述的电极设置在所述的柔性介电层的两端，所述的保护层包裹所述的柔性介电层，且其两端分别固定在所述的保持器中。

所述的检测电路模块包括采样保持电路和滤波器，用于采集电容信号并将其转换为电压信号，并进行滤波后输出；

所述的分析模块包括内置处理器和D触发器，用于将所述的检测电路模块输出的信号进行A/D转换、数字滤波和消抖处理，并将其输入的电压信号转换为对应关节的旋转角度后输出；

所述的操作显示模块用于实时显示分析结果并进行输入操作。

2.根据权利要求1所述的辅助髋关节矫形系统，其特征在于，所述的柔性传感器的数量为3-6个。

3.根据权利要求1所述的辅助髋关节矫形系统，其特征在于，所述的显示模块包括LCD屏幕和按键模块组。

4.根据权利要求1所述的辅助髋关节矫形系统，其特征在于，所述的柔性传感器为介电弹性体柔性传感器。

5.根据权利要求1所述的辅助髋关节矫形系统，其特征在于，所述的滤波器为低通滤波器。

6.一种辅助髋关节矫形方法，其特征在于，该方法利用权利要求1中的矫正系统来实现，该方法具体包括如下步骤：

S1：将所述的柔性传感器通过医用压敏胶带分别粘贴在使用者的大腿内侧沿耻骨轴线投影线的平滑肌肤处、沿着股骨轴线投影线贴于大腿后侧靠近臀部处、与股骨轴线投影线呈15±0.5°角度贴于大腿前部靠近髋臼处。

S2：将使用者在髋关节三个方向上的最佳的矫正复位角度，即标定角度，通过所述的操作显示模块输入到所述的分析模块中；

S3：使用者运动髋关节，带动所述的柔性传感器产生形变，所述的柔性传感器采集形变量并将其转换为电容量输出，所述的检测电路模块将采集到的所述的柔性传感器的电容信号转换为电压信号，并进行滤波后输出；

S4：所述的分析模块将S3输出的电压信号经过解耦后计算出所述的三个方向上髋关节旋转的角度，并将其与所述的标定角度进行比对，当超出了标定角度及误差范围，则输出警报信号给操作显示模块，提示角度错误，误差范围在±0.1°；当在标定电压及误差范围内，则取消警报并提示角度符合；所述的分析结果和警报信息通过所述的操作显示模块显示。

7.根据权利要求6所述的辅助髋关节矫形方法，其特征在于，所述的滤波采用卡尔曼滤波方法。