CN111973324A - 基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统及其控制方法，能够实现根据不同活动姿态对应的应力大小自适应调节骨科内植物系统。方案概括为，实时获取重力传感器、加速度传感器以及水平仪采集的活动数据；根据活动数据识别出当前活动姿态；实时获取应力传感器采集的应力数据；根据当前活动姿态以及应力数据，得出当前活动姿态对应的应力大小；将当前活动姿态对应的应力大小与当前活动姿态对应的标准应力大小进行比较，根据比较结果对骨科内植物进行自适应调节。适用于骨科内植物自适应调节。

Description

基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统及 其控制方法。

背景技术

在人体内，成骨细胞的骨生成作用和破骨细胞骨吸收作用共同作用于骨量的动态平衡， 维持骨健康。对其机理的研究发现，单纯的机械应力刺激是其重要的调节因素，机械应力作 用于成骨细胞，会刺激成骨细胞产生各种生物学效应：促进成骨细胞增殖和分化、改变成骨 细胞形态、影响成骨细胞功能、调节成骨细胞代谢及细胞因子水平等机制；破骨细胞是骨组 织成分的一种,由多核巨细胞组成,是人体内唯一行使分解吸收骨质功能的细胞。它与成骨细 胞在功能上相对应,在维持骨细胞动态平衡中具有重要作用。机械应力具有促进成骨细胞的增 殖与分化、减少骨细胞凋亡并提高骨细胞的生存能力等作用。机械应力作用于破骨细胞能够 降低破骨细胞活性、抑制骨吸收。破骨前体细胞与未成熟的破骨细胞在机械应力刺激下分化 为成熟破骨细胞的能力有所不同,机械应力强度与作用时间对破骨细胞的活化能力影响与有 差异。

在临床上，大多数骨折患者因术后患肢缺乏适当的应力刺激而容易造成骨折延迟愈合或 不愈合。动物实验研究也显示，应力刺激可通过细胞分子水平影响骨愈合，在无任何应力刺 激情况下，结果显示成骨细胞活性表达降低，破骨细胞明显增加，而通过适当应力刺激后可 明显增强成骨细胞活性，从而减少骨丢失。因此，在骨折愈合过程中，适当应力刺激极其重 要。其可能的机制为应力刺激可促进血管内皮细胞的生成、调控成骨和破骨细胞的表达以及 影响多种生长因子的表达，从而促进骨痂的生长和新骨的形成。

骨科内植物产品，主要包括脊柱类产品，创伤类产品，人工关节类产品、神经外科产品 (颅骨修复钛网)等。常见的骨科内植物有椎间融合器、骨科接骨板、钉棒固定系统、髋关 节假体、膝关节假体、人工椎体、髓内钉、肘关节假体、腕关节假体、肩关节假体、踝关节假体、螺钉、钛网等。

现有技术的骨科内植物系统，只能对不同植入部位活动姿态下的应力做监测记录，不能 根据应力大小实现智能化的自适应调节，进一步刺激帮助骨头生长愈合及促进内置物骨界面 骨整合。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统及其控制方法，能 够实现根据不同活动姿态对应的应力大小自适应调节骨科内植物系统，并且对每一次调整的 数据进行记录分析，并对调整结果不断优化，进一步刺激帮助骨头生长愈合及促进内置物骨 界面骨整合。

本发明采取如下技术方案实现上述目的，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统， 包括应力传感器、重力传感器、加速度传感器以及水平仪，所述应力传感器设置在骨科内植 物上，所述重力传感器、加速度传感器以及水平仪均安装在骨科内植物内部，骨科内植物上 设置有调节模块，所述调节模块用于接收应力传感器、重力传感器、加速度传感器以及水平 仪的数据，根据重力传感器、加速度传感器以及水平仪的数据识别出当前植入部位活动姿态， 再根据当前应力传感器的应力数据得到当前植入部位活动姿态对应的应力大小，并与当前植 入部位活动姿态对应的标准应力大小进行对比，根据对比结果对骨科内植物进行自适应调节。

进一步的是，为了优化调节模块，所述调节模块包括数据处理装置、数据存储装置、控 制装置以及调节装置，所述数据处理装置分别与控制装置以及数据存储装置连接，控制装置 与调节装置连接，数据处理装置用于接收应力传感器、重力传感器、加速度传感器以及水平 仪的数据，根据重力传感器、加速度传感器以及水平仪的数据识别出当前植入部位活动姿态， 再根据当前应力传感器的应力数据得到当前植入部位活动姿态对应的应力大小，并与当前植 入部位活动姿态对应的标准应力大小进行对比，根据对比结果输出信号到控制装置，控制装 置控制调节装置对骨科内植物进行自适应调节，数据存储装置用于存储每次自适应调节的数 据。

进一步的是，为了提高适应性，所述当前姿势对应的标准应力大小可以进行人为设定。

进一步的是，为了增加系统持续工作能力，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统 还包括电源模块，所述电源模块安装在骨科内植物内部，用于给整个系统供电。

进一步的是，为了便于给电源模块充电，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统还 包括充电模块，所述充电模块用于给电源模块无线充电。

进一步的是，为了提高充电效率，所述充电模块为经皮能量传输模块。

进一步的是，为了便于数据传输，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统还包括数 据传输模块，所述数据传输模块设置在骨科内植物内部，数据传输模块与数据处理模块连接。

进一步的是，为了便于实时监测应力变化，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统 还包括移动终端，所述移动终端与数据传输模块无线连接。

基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的控制方法，应用于上述基于应力自适应可 控调节的骨科内植物系统，包括：

步骤(1)、实时获取重力传感器、加速度传感器以及水平仪采集的植入部位活动数据；

步骤(2)、根据活动数据识别出当前植入部位活动姿态；

步骤(3)、实时获取应力传感器采集的应力数据；

步骤(4)、根据当前植入部位活动姿态以及应力数据，得出当前植入部位活动姿态对应的 应力大小；

步骤(5)、将当前植入部位活动姿态对应的应力大小与当前植入部位活动姿态对应的标准 应力大小进行比较，若当前植入部位活动姿态对应的应力大于当前植入部位姿活动态对应的 标准应力，则对骨科内植物进行自适应调节，减小当前植入部位活动姿态对应的应力大小， 若当前植入部位活动姿态对应的应力小于当前植入部位活动姿态对应的标准应力，则对骨科 内植物进行自适应调节，增大当前植入部位活动姿态对应的应力大小，若当前植入部位活动 姿态对应的应力等于当前植入部位活动姿态对应的标准应力，则不作调整。

进一步的是，为了提高优化能力，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的控制方 法还包括：

步骤(6)、实时记录每一次植入部位活动姿态对应的应力大小以及每一次骨科内植物调整 的数据；

步骤(7)、根据步骤(6)记录的数据，计算出相同植入部位活动姿态下对应应力的平均值， 以及相同植入部位活动姿态下对应骨科内植物调整数据的平均值；

步骤(8)、根据步骤(7)得到的平均值数据不断的骨科内植物的控制进行优化。

本发明基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，包括应力传感器、重力传感器、加 速度传感器以及水平仪，所述应力传感器设置在骨科内植物上，所述重力传感器、加速度传 感器以及水平仪均安装在骨科内植物内部，骨科内植物上设置有调节模块，所述调节模块用 于接收应力传感器、重力传感器、加速度传感器以及水平仪的数据，根据重力传感器、加速 度传感器以及水平仪的数据识别出当前植入部位活动姿态，再根据当前应力传感器的应力数 据得到当前植入部位活动姿态对应的应力大小，并与当前姿势对应的标准应力大小进行对比， 若当前植入部位活动姿态对应的应力大于当前植入部位活动姿态对应的标准应力，则对骨科 内植物进行自适应调节，减小当前植入部位活动姿态对应的应力大小，若当前植入部位活动 姿态对应的应力小于当前植入部位活动姿态对应的标准应力，则对骨科内植物进行自适应调 节，增大当前植入部位活动姿态对应的应力大小，若当前植入部位活动姿态对应的应力等于 当前植入部位活动姿态对应的标准应力，则不作调整；还可以记录每次调整数据，对数据进 行分析，不断的骨科内植物的控制进行优化；因此能够实现根据不同植入部位活动姿态对应 的应力大小自适应调节骨科内植物系统，并且对每一次调整的数据进行记录分析，并对调整 结果不断优化，进一步刺激帮助骨头生长愈合及促进内置物骨界面骨整合。

附图说明

图1是本发明基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的第一实施例结构图。

图2是本发明基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的第二实施例结构图。

图3是本发明调节模块的一种实施例框图。

图4是本发明基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的电路结构框图。

图5是本发明基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的控制方法的方法流程图。

附图中，10为主钉上段，20为主钉下段，30为弹性段，40为应力传感器；1为板体A，2为板体B，3为弹性件，4安装孔，5为应力传感器。

具体实施方式

本发明基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的电路结构框图，如图5所示，应力 传感器、重力传感器、加速度传感器以及水平仪均与调节模块连接。

其中，加速传感器可以感知人体植入物部件处身体的活动状态，并可以感知在空间运动 范围内的活动方向，感知后经过中央处理器分析后可存储数据到存储器，包含各个方向上的 运动的时间点。

重力传感器和水平仪，可以测量内植物本体在三维空间坐标系上的水平面、冠状面、矢 状面的夹角，从而得出内植物本体的姿态，内植物本体与人体植入部件处位置固定，存在一 定的夹角，通过中央处理器再次计算，可以换算成人体的空间姿态。

通过上述传感器的协同作用，可以获取某一时刻，身体的的姿态(比如前屈多少度、后 仰多少度)、静止或运动方向，将这些数据同应力监测数据对应后，即可获得不同特定姿态情 况下的特定目标位置的应力情况。

调节模块的一种实施例如图4所示，包括数据处理装置、数据存储装置、控制装置以及 调节装置，所述调节装置包括气囊与充放气装置，所述数据处理装置分别与控制装置以及数 据处理装置连接，控制装置与充放气装置连接、充放气装置与气囊连接，数据处理模块用于 接收应力传感器5、位移传感器6以及重力传感器的数据，根据位移传感器6以及重力传感 器的数据识别出当前活动姿势，再结合当前应力传感器5的数据得到当前活动姿势对应的应 力大小，并与当前姿势对应的标准应力大小进行对比，根据对比结果输出控制信号到控制装 置，控制装置控制充放气装置对气囊进行充放气装置，进而来调节支架棒的高度及角度，进 一步来改变应力，数据存储装置用于存储应力变化数据。

调节模块包括但不限于上述实施例，调节装置还可以采用微型液压泵、充气泵、微型电 机等调节不同区域的形状来改变应力分布，还可以通过磁场吸引力的大小来改变内植物几何 形状，还可以采用可变形的高分子材料。

还可以是应力敏感电阻，无论何种调节模块都是通过监测应力大小，根据应力大小不同 输出控制信号，改变内植物几何形变、从而改变应力大小和分布；

也可以通过APP上反馈和设置应力大小，比如监测到卧床休息时应力过小，可以自动或 人工设置应力大小，通过应力调节模块实现，比如撑开融合器。

本发明基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的第一实施例结构图，如图2所示， 轴向连接的主钉上段10、弹性段30和主钉下段20，弹性段30内设有应力传感器40、重力 传感器以及水平仪，主钉上段10以及主钉下段20上设置有应力传感器40，弹性段30内还设置有调节模块。

本发明基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的第三实施例结构图，如图3所示， 板体A1、板体B2通过弹性件3对接，弹性件3上设置有应力传感器、重力传感器以及水平 仪，板体A1、板体B2均设有安装孔4，安装孔4内设置有应力传感器、重力传感器以及水平仪，弹性件3上还设置有调节模块。

为了增加系统持续工作能力，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统还包括电源模 块，所述电源模块安装在骨科内植物内部，用于给整个系统供电。

为了便于给电源模块充电，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统还包括充电模块， 所述充电模块用于给电源模块无线充电。其中充电模块可以采用经皮能量传输模块，能够提 高充电效率

为了便于数据传输，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统还包括数据传输模块， 所述数据传输模块设置在骨科内植物内部，数据传输模块与数据处理模块连接。其中，数据 传输模块可以采用蓝牙模块，将数据信息发送至外部的移动终端，便于实时进行监测，移动 终端可以为智能设备中的APP(Application)，该智能设备可以为智能手机或者电脑或者任何 可以安装第三方应用程序的智能设备。

基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的控制方法，应用于上述所述的基于应力自 适应可控调节的骨科内植物系统，其方法流程图如图5所示，包括：

步骤101、实时获取重力传感器、加速度传感器以及水平仪采集的植入部位活动数据；

步骤102、根据活动数据识别出当前植入部位活动姿态；

步骤103、实时获取应力传感器采集的应力数据；

步骤104、根据当前植入部位活动姿态以及应力数据，得出当前活动姿态对应的应力大小；

步骤105、将当前植入部位活动姿态对应的应力大小与当前植入部位活动姿态对应的标 准应力大小进行比较；

步骤106、若当前植入部位活动姿态对应的应力大于当前植入部位活动姿态对应的标准 应力，则对骨科内植物进行自适应调节，减小当前植入部位活动姿态对应的应力大小；

步骤107、若当前植入部位活动姿态对应的应力小于当前植入部位活动姿态对应的标准 应力，则对骨科内植物进行自适应调节，增大当前植入部位活动姿态对应的应力大小；

步骤108、若当前植入部位活动姿态对应的应力等于当前植入部位活动姿态对应的标准 应力，则不作调整。

为了提高对调节控制的优化，基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的控制方法还 包括：

步骤109、实时记录每一次植入部位活动姿态对应的应力大小以及每一次骨科内植物调 整的数据；

步骤110、根据步骤109记录的数据，计算出相同植入部位活动姿态下对应应力的平均 值，以及相同植入部位活动姿态下对应骨科内植物调整数据的平均值；

步骤111、根据步骤110的平均值数据不断的骨科内植物的控制进行优化。

步骤111中，利用调整的平均值数据不断的骨科内植物的调节控制进行优化，在一种实 施例中，可以根据调整数据平均值与标准误差计算出下一次调整数据，保障计算出下一次调 整数据与对应平均值的差值在标准误差范围内。

综上所述，本发明能够实现根据不同植入部位活动姿态对应的应力大小自适应调节骨科 内植物系统，并且对每一次调整的数据进行记录分析，并对调整结果不断优化，进一步刺激 帮助骨头生长愈合及促进内置物骨界面骨整合。

Claims (10)

1.基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，包括应力传感器、重力传感器、加速度传感器以及水平仪，所述应力传感器设置在骨科内植物上，所述重力传感器、加速度传感器以及水平仪均安装在骨科内植物内部，其特征在于，骨科内植物上设置有调节模块，所述调节模块用于接收应力传感器、重力传感器、加速度传感器以及水平仪的数据，根据重力传感器、加速度传感器以及水平仪的数据识别出当前植入部位活动姿态，再根据当前应力传感器的应力数据得到当前植入部位活动姿态对应的应力大小，并与当前植入部位活动姿态对应的标准应力大小进行对比，根据对比结果对骨科内植物进行自适应调节。

2.根据权利要求1所述的基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，其特征在于，所述调节模块包括数据处理装置、数据存储装置、控制装置以及调节装置，所述数据处理装置分别与控制装置以及数据存储装置连接，控制装置与调节装置连接，数据处理装置用于接收应力传感器、重力传感器、加速度传感器以及水平仪的数据，根据重力传感器、加速度传感器以及水平仪的数据识别出当前植入部位活动姿态，再根据当前应力传感器的应力数据得到当前植入部位活动姿态对应的应力大小，并与当前植入部位活动姿态对应的标准应力大小进行对比，根据对比结果输出信号到控制装置，控制装置控制调节装置对骨科内植物进行自适应调节，数据存储装置用于存储每次自适应调节的数据。

3.根据权利要求1或2所述的基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，其特征在于，所述当前姿势对应的标准应力大小可以进行人为设定。

4.根据权利要求1所述的基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块安装在骨科内植物内部，用于给整个系统供电。

5.根据权利要求1所述的基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，其特征在于，还包括充电模块，所述充电模块用于给电源模块无线充电。

6.根据权利要求5所述的基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，其特征在于，所述充电模块为经皮能量传输模块。

7.根据权利要求1所述的基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，其特征在于，还包括数据传输模块，所述数据传输模块设置在骨科内植物内部，数据传输模块与数据处理模块连接。

8.根据权利要求1所述的基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，其特征在于，还包括移动终端，所述移动终端与数据传输模块无线连接。

9.基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的控制方法，应用于如权利要求1-8任意一项所述的基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统，其特征在于，包括：

步骤(1)、实时获取重力传感器、加速度传感器以及水平仪采集的植入部位活动数据；

步骤(2)、根据活动数据识别出当前植入部位活动姿态；

步骤(3)、实时获取应力传感器采集的应力数据；

步骤(4)、根据当前植入部位活动姿态以及应力数据，得出当前植入部位活动姿态对应的应力大小；

步骤(5)、将当前植入部位活动姿态对应的应力大小与当前植入部位活动姿态对应的标准应力大小进行比较，若当前植入部位活动姿态对应的应力大于当前植入部位姿活动态对应的标准应力，则对骨科内植物进行自适应调节，减小当前植入部位活动姿态对应的应力大小，若当前植入部位活动姿态对应的应力小于当前植入部位活动姿态对应的标准应力，则对骨科内植物进行自适应调节，增大当前植入部位活动姿态对应的应力大小，若当前植入部位活动姿态对应的应力等于当前植入部位活动姿态对应的标准应力，则不作调整。

10.根据权利要求8所述的基于应力自适应可控调节的骨科内植物系统的控制方法，其特征在于，还包括：

步骤(6)、实时记录每一次植入部位活动姿态对应的应力大小以及每一次骨科内植物调整的数据；

步骤(7)、根据步骤(6)记录的数据，计算出相同植入部位活动姿态下对应应力的平均值，以及相同植入部位活动姿态下对应骨科内植物调整数据的平均值；

步骤(8)、根据步骤(7)得到的平均值数据不断的骨科内植物的控制进行优化。

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