CN110974491A - 一种基于压力测量的膝关节单髁摩擦力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膝关节单髁摩擦力测量装置，该测量装置包括两个摩擦力测量头和连接部；该测量头上表面贴有薄膜压力传感器，可测量其表面所承受的摩擦力；连接部连接两个测量头，其内置与压力传感器连接的处理器模块、无线传输模块及供电模块；处理器模块将压力信号转换成摩擦力信号；无线传输模块将摩擦力信号发送至终端设备；供电模块为处理器、压力传感器及无线传输模块供电。在膝关节单髁置换的手术中，安装股骨单髁假体与胫骨假体后，利用本发明实施例提供的测量装置可测量股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力，为医生实时提供术中关节间隙摩擦力，提高对半月板衬垫放置位置的确定及尺寸选择的准确性，确保植入的膝关节假体受力均衡。

Description

一种基于压力测量的膝关节单髁摩擦力测量装置

技术领域

本发明属于临床膝关节单髁置换领域，并涉及一种膝关节单髁摩擦力测量装置。

背景技术

骨关节炎为一种常见的退行性病变，其中膝关节部位的骨关节炎是发病率较高的一种。晚期膝关节炎严重影响患者的正常生活，临床上常采取典型的人工膝关节置换手术进行治疗。目前，常见的人工膝关节置换术包括：全膝关节置换术和膝关节单髁置换术。

膝关节单髁置换术是一种治疗膝关节晚期疾病的手术，应用微创技术，能够减少病人疼痛，并在较短时间内康复。膝关节假体包括金属和塑胶两大部分，金属部分包括钛合金或者钴铬合金所铸成的股骨、胫骨及髌骨假体。塑胶部分是由高浓度聚乙烯制成，作为半月板衬垫附着附着于胫骨及髌骨关节的金属部分上，用于减少和股骨金属关节面之间的摩擦并防止假体移位。手术过程中半月板衬垫的正确厚度，以充填关节间隙为准，但过紧会给侧副韧带太多的应力，因此半月板衬垫厚度的选择至关重要。然而，在目前的临床中，半月板衬垫的放置位置及尺寸的选择主要依赖于医生的经验，无法进行准确定位，进而导致植入的膝关节假体无法受力均衡。

然而，在目前的临床中，半月板衬垫的放置位置及尺寸的选择主要依赖于医生的经验，医生将不同厚度的垫片置入假体之间，手动抽动垫片来主观估计假体之间的摩擦力，不仅耗时，而且常常无法准确定位，进而导致植入的膝关节假体无法受力均衡。对于假体膝关节而言，摩擦力对于手术中半月板垫片的选择以及患者的后续康复效果都有较为重要的影响，摩擦力的控制非常重要：摩擦力太小，膝关节转动过于轻松灵活，打开速度过快，会使患者觉得难以控制；反之，摩擦力太大，膝关节转动困难，影响关节活动，也容易造成人工膝关节磨损。综上，如何测量垫片与假体间的摩擦力来帮助医生在手术过程中确定半月板衬垫的放置位置及尺寸，已成为亟待解决的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种膝关节单髁摩擦力测量装置，以解决目前临床上医生无法准确判断和选择半月板衬垫的放置位置及尺寸，进而导致植入的膝关节假体无法受力均衡的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种膝关节单髁摩擦力测量装置，该装置包括两个摩擦力测量头和连接部；所述摩擦力测量头包括一个压力传感器，用于测量该摩擦力测量头所承受的压力。所述摩擦力测量头表面设有半月形凹槽，所述凹槽中轴线处厚度可调，调节范围为1-7mm。所述压力传感器为薄膜压力传感器，贴附于摩擦力测量头的垫片上。所述连接部内置与所述压力传感器连接的处理器模块、无线传输模块和供电模块，所述处理器模块接收所述压力信号，对所述压力信号进行处理，生成摩擦力数据包；所述无线传输模块发送所述摩擦力数据包至终端设备。所述供电模块用于为所述处理器、所述压力传感器及所述无线传输模块供电；所述处理器模块包括模数转换模块，用于将所述模拟信号转换为数字信号；所述处理器模块包括蜂鸣器，在所述压力信号超过临界值时用于报警；所述摩擦力测量头与所述连接部可拆卸；膝关节置换术中计算摩擦力的方法为，屈膝0度时：

其中，F₀为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝0度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝0度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝0度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值。

屈膝30度时，获得：

其中，F₁为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝30度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝30度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝1度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值。

屈膝60度时，获得：

其中，F₂为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝60度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝60度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝60度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值。

屈膝90度时，获得：

其中，F₃为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝90度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数；

为屈膝90度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝90度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值。

若

则可判断膝关节各屈曲角度的摩擦力均处于有利于患者术后康复的状态，医生可选择当前半月板衬垫的型号，否则通过适当调节半月板衬垫的厚度，如摩擦力数值高于或者低于预设范围，可以在所述摩擦力测量头6底部减少或者增加增高垫片，以使得其更好的匹配股骨单髁假体与胫骨假体之间的关节间隙，防止摩擦力过大造成人工膝关节磨损或摩擦力过小造成人工膝关节松动。

本发明的优点包括：

(1)本发明体积较小，使用较为方便，有利于医生在手术过程中随时测量膝关节间隙摩擦力，提高了对半月板衬垫的定位及尺寸选择的准确性，确保植入的膝关节假体受力均衡。

(2)本发明的数据传输采用无线通信的方式，避免了数据连接线长度的限制，增加了使用的便捷性。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的膝关节单髁摩擦力测量装置的结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的膝关节单髁摩擦力测量装置的俯视图；

图3为根据本发明的一个实施例的膝关节单髁摩擦力测量装置的仰视图；

图4为根据本发明的一个实施例的膝关节单髁摩擦力测量装置的侧视图；

图5为根据本发明的一个实施例的膝关节单髁摩擦力测量系统的结构示意图。

附图标记说明：

1-摩擦力测量头；2-连接部；3-压力传感器；4-压力传感器；5-蜂鸣器；6-膝关节单髁摩擦力测量装置；7-股骨单髁假体；8-胫骨假体；9-电脑终端。

具体实施方式

以下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，根据本发明的一个实施例的膝关节单髁摩擦力测量装置包括两个摩擦力测量头1和连接部2；其中，连接部2用于连接两个摩擦力测量头1。

摩擦力测量头1的上表面设置有半月形的凹槽，该凹槽与股骨单髁假体7匹配，该凹槽的中轴线处厚度可通过更换测量头调节；根据本发明的一个具体实施例，该厚度的调节范围为1-7mm。在测量过程中，可以根据病人股骨单髁假体、胫骨假体的具体尺寸大小更换摩擦力测量头1。两侧的摩擦力测量头可以选用不同的型号。

摩擦力测量头1内置有压力传感器3，后者贴附于摩擦力测量头1上，用于测量该摩擦力测量头所承受的压力，并计算摩擦力。该摩擦力的大小由所述压力和半月板衬垫、股骨单髁假体、胫骨假体的之间的摩擦系数确定。根据本发明的一个实施例，所述摩擦系数在实验前根据半月板衬垫、股骨单髁假体、胫骨假体的表面粗糙度计算得到。

摩擦力测量头1与连接部2以可拆卸的方式连接，连接方式包括从螺纹连接、卡扣连接和铰链连接中选出的任一种。

如图5所示的，是根据本发明的一个实施例的一种膝关节单髁压力测量系统的结构示意图，其中，临床手术过程中，打开患者膝关节，在安装好股骨单髁假体7和胫骨假体8后，将膝关节单髁摩擦力测量装置6放置于股骨单髁假体和胫骨假体之间的关节间隙，膝关节单髁摩擦力测量装置6将摩擦力数据无线发送至电脑终端9；摩擦力可通过软件实时显示在电脑终端9；电脑终端9同时会显示当前角度下摩擦力是否处于正常范围内，医生可根据膝关节各屈曲角度下的摩擦力数值准确地选择半月板衬垫的型号，如摩擦力数值高于或者低于预设范围，可以在摩擦力测量头6底部减少或者增加增高垫片，以使得其更好的匹配股骨单髁假体与胫骨假体之间的关节间隙。为了保护股骨单髁假体、胫骨假体和半月板衬垫，在摩擦力达到一定预设数值是，蜂鸣器会启动，提醒医生摩擦力过大。

所述连接部内置与所述压力传感器连接的处理器模块、无线传输模块和供电模块，所述处理器模块接收所述压力信号，对所述压力信号进行处理，生成摩擦力数据包；所述无线传输模块发送所述摩擦力数据包至终端设备。所述供电模块用于为所述处理器、所述压力传感器及所述无线传输模块供电；所述处理器模块包括模数转换模块，用于将所述模拟信号转换为数字信号；所述处理器模块包括蜂鸣器，在所述压力信号超过临界值时用于报警；所述摩擦力测量头与所述连接部可拆卸；膝关节置换术中计算摩擦力的方法为，屈膝0度时：

其中，F₀为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝0度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝0度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝0度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

屈膝30度时，获得：

其中，F₁为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝30度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝30度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝1度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

屈膝60度时，获得：

其中，F₂为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝60度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝60度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝60度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

屈膝90度时，获得：

其中，F₃为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝90度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数；

为屈膝90度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝90度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

若

则可判断膝关节各屈曲角度的摩擦力均处于有利于患者术后康复的状态，医生可选择当前半月板衬垫的型号，否则通过适当调节半月板衬垫的厚度，如摩擦力数值高于或者低于预设范围，可以在所述摩擦力测量头6底部减少或者增加增高垫片，以使得其更好的匹配股骨单髁假体与胫骨假体之间的关节间隙，防止摩擦力过大造成人工膝关节磨损或摩擦力过小造成人工膝关节松动。

本发明的成本低廉，体积较小，使用方便，有利于医生在手术过程中随时测量膝关节间隙摩擦力，提高了对半月板衬垫的定位及尺寸选择的准确性，确保植入的膝关节假体受力均衡。

Claims (8)

1.一种膝关节单髁摩擦力测量装置，其特征在于包括：

两个摩擦力测量头，

以可拆卸的方式连接所述两个摩擦力测量头的连接部，

包括在所述摩擦力测量头中的压力传感器，用于测量该摩擦力测量头所承受的压力，

其中：

所述摩擦力测量头表面设有半月形凹槽，

供电模块，用于为所述处理器模块、所述压力传感器供电，

内置在所述连接部中的、与所述压力传感器连接的处理器模块，所述处理器模块接收所述压力传感器的测量信号，对所述测量信号进行处理，生成摩擦力数据包，

对所述测量信号进行处理的操作包括用所述处理器模块所包括的模数转换模块将所述模拟信号转换为数字信号。

2.根据权利要求1所述的膝关节单髁摩擦力测量装置，其特征在于所述压力传感器为薄膜压力传感器，贴附于摩擦力测量头的垫片上。

3.根据权利要求1所述的膝关节单髁摩擦力测量装置，其特征在于所述连接部还包括无线传输模块，所述无线传输模块发送所述摩擦力数据包至一个终端设备。

4.根据权利要求1所述的膝关节单髁摩擦力测量装置，其特征在于所述处理器模块包括蜂鸣器，在所述摩擦力信号超过临界值时用于报警。

5.根据权利要求1所述的膝关节单髁摩擦力测量装置，其特征在于，屈膝0度时，获得：

其中，F₀为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝0度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝0度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝0度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

屈膝30度时，获得：

其中，F₁为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝30度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝30度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝1度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

屈膝60度时，获得：

其中，F₂为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝60度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝60度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝60度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

屈膝90度时，获得：

其中，F₃为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝90度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数；

为屈膝90度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝90度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

通过调节半月板衬垫的厚度，调整上述摩擦力的测量值，并把符合关系

的半月板衬垫作为适用的半月板衬垫。

6.根据权利要求5所述的膝关节单髁摩擦力测量装置，其特征在于：

通过在所述摩擦力测量头6底部减少或者增加增高垫片，匹配股骨单髁假体与胫骨假体之间的关节间隙，从而防止摩擦力过大造成人工膝关节磨损或摩擦力过小造成人工膝关节松动。

7.基于根据权利要求1-4之一所述的膝关节单髁摩擦力测量装置的膝关节单髁摩擦力测量方法，其特征在于包括：

屈膝0度时，获得：

其中，F₀为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝0度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝0度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝0度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

屈膝30度时，获得：

其中，F₁为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝30度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝30度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝1度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

屈膝60度时，获得：

其中，F₂为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝60度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数，

为屈膝60度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝60度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

屈膝90度时，获得：

其中，F₃为屈膝0度时薄膜压力传感器的压力测量值，μ为屈膝90度时股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦系数；

为屈膝90度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最小值，

为屈膝90度时利用股骨单髁假体与胫骨假体之间的摩擦力的绝对值判断平衡的最大值，

通过调节半月板衬垫的厚度，调整上述摩擦力的测量值，并把符合关系

的半月板衬垫作为适用的半月板衬垫。

8.根据权利要求7所述的膝关节单髁摩擦力测量方法，其特征在于调节半月板衬垫的厚度的操作包括：

通过在所述摩擦力测量头6底部减少或者增加增高垫片，匹配股骨单髁假体与胫骨假体之间的关节间隙，从而防止摩擦力过大造成人工膝关节磨损或摩擦力过小造成人工膝关节松动。

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