CN111067675A - 一种膝关节单髁压力和摩擦力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膝关节单髁置换过程中单髁股骨假体与胫骨假体界面压力与拔出摩擦力测量装置，该装置主要由压力测量头、拔出摩擦力测量连接部和把持手柄构成；压力测量头上表面设置压力传感器，可测量假体间界面压力；连接部设置拉力传感器，间接测量压力测量头拔出过程中的动态摩擦力；把持手柄内置微处理器模块、无线传输模块及供电模块；微处理器模块将接收到的模拟电信号转换为数字信号。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测量假体之间的压力及摩擦力，方便医生了解术中关节间隙压力及摩擦力大小，提高对半月板衬垫的尺寸及材料选择的准确性，确保植入的膝关节假体受力均衡。

Description

一种膝关节单髁压力和摩擦力测量装置

技术领域

本发明涉及一种膝关节单髁压力和摩擦力测量装置。

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，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压力和摩擦力，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，如何准确确定手术过程中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压力和摩擦力测量装置，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压力和摩擦力测量装置，该装置包括单髁界面压力测量头、拔出过程摩擦力测量连接部和把持手柄构成；所述压力测量头上贴附有压力传感器，用于测量该压力测量头所承受的压力。所述压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，贴附于压力测量头的垫片上。所述连接部内部设置一个拉力传感器，测量压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的拉力，进而间接测量压力测量头拔出过程中的动态摩擦力；所述把持手柄内置与所述压力传感器及拉力传感器连接的微处理器模块、无线传输模块和供电模块，所述微处理器模块接收所述压力信号与所述拉力信号，对所述压力信号及所述拉力信号进行处理，生成压力和拉力数据包；所述无线传输模块发送所述压力和拉力数据包至终端设备。所述供电模块用于为所述微处理器、所述压力传感器、所述拉力传感器及所述无线传输模块供电；所述微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；所述微处理器模块包括蜂鸣器，在所述压力和拉力信号超过临界值时用于报警；所述压力和拉力测量头与所述连接部可拆卸。膝关节置换术中估算摩擦力的方法为，屈膝0度时：

其中，f₀为屈膝0度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝0度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

屈膝30度时：

其中，f₁为屈膝30度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝30度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

屈膝60度时：

其中，f₂为屈膝60度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝60度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

屈膝90度时：

其中，f₃为屈膝90度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝90度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

综上，可获得膝关节各屈曲角度的最大摩擦力值，医生可选择最大摩擦力值的大小决定半月板衬垫的型号，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。

根据本发明的一个方面，提供了一种膝关节单髁压力和摩擦力测量装置，其特征在于包括：

压力测量头、连接部及把持手柄，

其中：

把持手柄通过连接部与压力测量头连接，

所述连接部的内部设置有一个拉力传感器，用于对压力测量头拔出过程中的动态摩擦力进行间接测量，

压力测量头是可更换的，

压力测量头的上表面设有半月形的凹槽，该凹槽的中轴线处的厚度可通过更换测量头调节，

压力测量头内置有压力传感器，该压力传感器贴附于压力测量头的垫片上，用于测量压力测量头所承受的压力，

一个拉力传感器的两端分别被固定于把持手柄和连接部上，

拉力传感器用于测量压力测量头在假体之间被拉动时所受的拉力，其中压力测量头所承受的所述压力相当于股骨单髁假体与胫骨假体之间的半月板衬垫所承受的压力，

压力测量头的底部适于加入垫片，通过减小或者加大垫片的厚度，使得压力测量头与股骨单髁假体与胫骨假体之间的关节间隙达到更好的匹配。

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压力，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。

(3)终端设备所显示的拉力信号变化曲线便于医生做出判断，有利于医生在手术过程中随时测量膝关节间隙压力和摩擦力，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。

附图说明

图1为本发明实施例提供的膝关节单髁压力和摩擦力测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的膝关节单髁摩擦力测量装置的俯视图；

图3为本发明实施例提供的膝关节单髁摩擦力测量装置的仰视图；

图4为本发明实施例提供的膝关节单髁摩擦力测量装置的侧视图；

图5为本发明实施例提供的膝关节单髁压力和摩擦力测量装置的拉力信号曲线图；

图6为根据本发明的一个实施例的膝关节单髁压力和摩擦力测量装置的使用方式示意图。

附图标记说明：

1-压力测量头；2-连接部；3-把持手柄；4-压力传感器；5-拉力传感器；6-蜂鸣器；7-膝关节单髁压力和摩擦力测量装置；8-膝关节单髁压力和摩擦力测量装置；9-股骨单髁假体；10-胫骨假体；11-电脑终端。

具体实施方式

以下结合实施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压力和摩擦力测量装置7包括压力测量头1、连接部2及把持手柄3；其中，把持手柄3通过连接部2与压力测量头1连接。

压力测量头1的上表面设置有半月形的凹槽，该凹槽与股骨单髁假体(未显示)匹配，该凹槽的中轴线处的厚度可通过更换测量头调节，分别对应不同的尺寸，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压力测量头。

压力测量头内置有压力传感器4，该压力传感器贴附于压力测量头1的垫片上，用于测量该压力测量头1所承受的压力；拉力测量头1内置有拉力传感器5，该拉力传感器5的两端分别固定于把持手柄3和连接部2，用于测量压力测量头1在假体之间被拉动的拉力，其中该压力为股骨单髁假体与胫骨假体之间的半月板衬垫所承受的压力。

压力和拉力测量头1与连接部2以可拆卸方式连接，连接方式包括螺纹连接、卡扣连接和铰链连接中的任一种。

如图5所示，拉力传感器5测得的拉力信号反映了压力测量头1与膝关节假体间的摩擦力，当所述压力测量头1相对膝关节假体静止时，拉力曲线逐渐上升，反映了膝关节假体与所述压力测量头间的静摩擦力，当所述压力测量头相对于膝关节假体由静止变为运动状态时，拉力曲线从一个最高点下降，且曲线的形状反映了摩擦力随着压力测量头1与假体接触面积的减小而减小。本发明中，将最大静摩擦力的值近似为最大拉力值。

图6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和摩擦力测量装置的使用方式示意图，其中，在临床手术过程中，打开患者膝关节，在安装好股骨单髁假体9和胫骨假体10后，将膝关节单髁压力和摩擦力测量装置8放置于股骨单髁假体和胫骨假体之间的关节间隙，膝关节单髁压力和摩擦力测量装置8将压力和拉力数据无线发送至电脑终端11；压力和拉力可通过应用软件实时显示在电脑终端11；医生根据拉力曲线确定摩擦力大小，进而根据压力和摩擦力数值选择半月板衬垫的型号，如压力和摩擦力数值高于或者低于预设范围，可以在压力和拉力测量头8底部减少或者增加增高垫片，以使得压力和拉力测量头8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，在压力和拉力达到一定预设数值是，蜂鸣器会启动，提醒医生压力和摩擦力过大。

在本发明的一个具体实施例中，膝关节置换术中估算摩擦力的方法为，屈膝0度时：

其中，f₀为屈膝0度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝0度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

屈膝30度时：

其中，f₁为屈膝30度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝30度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

屈膝60度时：

其中，f₂为屈膝60度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝60度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

屈膝90度时：

其中，f₃为屈膝90度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝90度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

综上，可获得膝关节各屈曲角度的最大摩擦力值，医生可选择最大摩擦力值的大小决定半月板衬垫的型号，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。

Claims (8)

1.一种膝关节单髁压力和摩擦力测量装置，其特征在于包括：

压力测量头(1)、连接部(2)及把持手柄(3)，

其中：

把持手柄(3)通过连接部(2)与压力测量头(1)连接，

所述连接部的内部设置有一个拉力传感器，用于对压力测量头拔出过程中的动态摩擦力进行间接测量，

压力测量头是可更换的，

压力测量头的上表面设有半月形的凹槽，该凹槽的中轴线处的厚度可通过更换测量头调节，

压力测量头内置有压力传感器(4)，该压力传感器贴附于压力测量头(1)的垫片上，用于测量压力测量头(1)所承受的压力，

一个拉力传感器(5)的两端分别被固定于把持手柄(3)和连接部(2)上，

拉力传感器(5)用于测量压力测量头(1)在假体之间被拉动时所受的拉力，其中压力测量头(1)所承受的所述压力相当于股骨单髁假体与胫骨假体之间的半月板衬垫所承受的压力，

压力测量头(1)的底部适于加入垫片，通过减小或者加大垫片的厚度，使得压力测量头(1)与股骨单髁假体与胫骨假体之间的关节间隙达到更好的匹配。

2.根据权利要求1所述的膝关节单髁压力和摩擦力测量装置，其特征在于：

通过减小或者加大垫片的数目，来调节垫片的厚度。

3.根据权利要求1所述的膝关节单髁压力和摩擦力测量装置，其特征在于所述半月形凹槽的中轴线处的厚度的调节范围为1-7mm。

4.根据权利要求1所述的膝关节单髁压力和摩擦力测量装置，其特征在于所述压力传感器为薄膜压力传感器。

5.根据权利要求1所述的膝关节单髁压力和摩擦力测量装置，其特征在于所述把持手柄内设有微处理器模块，该微处理器模块与压力传感器和拉力传感器通过模数转换器连接，所述微处理器模块接收所述压力传感器和拉力传感器的输出信号，对所述输出信号进行处理，从而生成压力和摩擦力数据包。

6.根据权利要求5所述的膝关节单髁压力和摩擦力测量装置，其特征在于所述把持手柄还包括：

无线传输模块，所述无线传输模块用于发送所述压力和摩擦力数据包至一个终端设备；

供电模块，所述供电模块用于为所述微处理器、所述压力传感器、所述拉力传感器及所述无线传输模块供电。

7.根据权利要求5所述的膝关节单髁压力和摩擦力测量装置，其特征在于所述微处理器模块包括：

模数转换模块，用于将所述模拟信号转换为数字信号；

包括蜂鸣器，用于在所述压力和拉力信号超过临界值时进行报警。

8.根据权利要求1-7之一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：

其中，f₀为屈膝0度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝0度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

屈膝30度时：

其中，f₁为屈膝30度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝30度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

屈膝60度时：

其中，f₂为屈膝60度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝60度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值。

屈膝90度时：

其中，f₃为屈膝90度时薄膜压力传感器的摩擦力估算值，

为屈膝90度时测得的压力测量头从胫骨和股骨假体中间拔出的最大拉力值，

从以上角度处获得的压力传感器和拉力传感器的输出信号，获得膝关节各屈曲角度的最大摩擦力值。

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