CN112370218A - 一种用于髌骨置换术的压力测量装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于髌骨置换术的压力测量装置、系统和方法，主要用于医生在髌骨置换时对髌骨关节接触压力的测量，测量范围为0～500N，可以最大限度地反映髌骨关节的压力情况，为医生选择合适的髌骨假体提供判断依据，解决了因假体选择不合适而产生膝前疼痛等术后问题。

Description

一种用于髌骨置换术的压力测量装置、系统和方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种用于髌骨置换术的压力测量装置、系统和方法。

背景技术

全膝关节置换术(TKA)是目前治疗重症或终末期膝关节病最有效的手术方法之一，能有效缓解疼痛，矫正畸形，改善膝关节功能，提高患者生活质量。随着TKA的广泛开展，髌股关节相关问题逐渐引起重视。研究发现，TKA后膝前疼痛发生率为4～49％，原因主要与髌股关节活动轨迹、髌股关节接触压力、髌骨倾斜、髌骨脱位及髌骨位置等相关。因此，髌骨处理在TKA中尤为重要。目前TKA中对于髌骨的处理方法主要有髌骨置换术、髌骨成形术、髌骨去神经化术等，经研究表明其中髌骨置换术对于解决TKA术后膝前疼痛效果尤为明显。然而，目前在髌骨置换术中并没有合适的装置或产品来进行压力测量，进而辅助医生做出更准确的判断，所以对于髌骨假体的选择还存在一定难度。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种用于髌骨置换术的压力测量装置、系统和方法，主要用于医生在髌骨置换时对髌骨关节接触压力的测量，测量范围为0～500N，可以最大限度地反映髌骨关节的压力情况，为医生选择合适的髌骨假体提供判断依据，解决了因假体选择不合适而产生膝前疼痛等术后问题。

为达到上述目的，一方面，本发明提供了一种用于髌骨置换术的压力测量装置，包括外壳、电路板和应变传感机构；其中，

外壳用于容纳电路板和应变传感机构，其外形与髌骨假体的外形大致相同；外壳包括第一外壳和第二外壳，第一外壳的外表面具有弧形受力面，第一外壳的内表面具有受力柱；

电路板包括电源、微处理器、模数转换器(ADC)和无线通讯模块；

应变传感机构包括应变传感器和传感器固定座，应变传感器固定于传感器固定座上并与电路板电连接，传感器固定座上具有与受力柱相匹配的凹槽，使得弧形受力面上所受的力经受力柱传导至传感器固定座，从而引起应变传感器的形变及响应。

进一步地，受力柱为四个，其沿第一外壳的内表面的周缘大致均匀地分布，即四个受力柱大致呈正方形分布。这种设置方式主要是由于髌骨滑车中间凹陷、两侧凸起的结构特点，且压力来源主要是两侧凸起部分，所以本发明通过四个呈正方形的压力点来布局四个传感器以达到最优测量效果，髌骨滑车的两侧凸起部分各布局两个传感器，这种左右对称布局可以更能精确反应两侧压力情况。相对地，如果按照正三角形布局三个传感器，则测量面积小，且不能达到左右对称布局的效果，难以完全反映髌骨压力情况而且测量精度差；如果按照正六边形布局六个传感器，虽然可以达到对称布局的效果，但是由于传感器数量增加，会导致成本增加，且其他辅助性电子元件也会增加，数据采集量就会增大，算法实现相对就会更困难。

进一步地，第一外壳在其外表面的周缘上具有指向件，用于指示压力测量装置的安装方向。四个受力柱相对于指向件与第一外壳中心的连线两两对称分布。如此，在安装压力测量装置时，仅需要将指向件对准髌骨滑车的中间凹陷的延伸方向，即可做到在髌骨滑车的两侧凸起部分各布局两个传感器。

进一步地，受力柱在其接触传感器固定座的一端具有弧面，优选为半球形或包括半球形的一部分。

进一步地，传感器固定座大致为十字型，其具有四根悬臂梁，每根悬臂梁在远离传感器固定座中心的一端具有凹槽，凹槽与受力柱接触传感器固定座的一端形状相匹配，即也具有弧面，优选为半球形或包括半球形的一部分。这样设计的好处在于两个弧面接触为点接触，摩擦力小，力在传导过程中的损失较小，因此测量精度更高。相对地，如果设计成两个平面接触的话，摩擦力较大，力在传导时容易分散，因而会导致测量精度低。

进一步地，凹槽在远离传感器固定座中心的一端具有豁口。之所以采用这种开口槽，是因为悬臂梁在受到外力时会发生形变，每个悬臂梁都会产生不同程度的弯曲，开口槽能够在悬臂梁发生弯曲的同时第一外壳上的压力柱可以同时沿着槽微量滑动，因而测量更加精确。相对地，如果设计成一般的封闭的弧形凹槽，当悬臂梁受外力弯曲时，压力柱理论上会沿着凹槽下滑，但是封闭的弧形凹槽会导致压力柱无法产生微量滑动，这样两者之间就会产生静摩擦力，这种静摩擦力会随着外力的增大而增大，因而导致测量精度越来越差。

进一步地，应变传感器为电阻式应变计。电阻式应变计是一种压力传感器，压力传感器是能够感受压力信号，并按照一定规律将压力信号转换成可用的输出电信号的器件。当电阻式应变计受到压力产生形变时，将输出电信号传输给电路板上的微处理器和/或模数转换器进行处理。

进一步地，电阻式应变计为四个，分别固定于四根悬臂梁上。

进一步地，每个电阻式应变计的压力测量范围为0～200N，优选为0～150N，以确保压力测量装置在受到高达500N的压力时，分摊到每个电阻式应变计的压力均在其各自的测量范围内，从而确保测量精度。

进一步地，传感器固定座的中心处较厚，悬臂梁靠近受力柱的一端也较厚，而悬臂梁的梁身较薄，以便于悬臂梁在受到压力时发生形变。可以通过调整悬臂梁的厚度使得其在受力柱处的压力位移量为0.001～0.003mm/N，优选为0.002mm/N，即当受力柱受到100N压力时，其竖直方向的位移量为0.2mm。

进一步地，电路板位于第一外壳与传感器固定座之间。

进一步地，电源与电路板上的微处理器、模数转换器、无线通讯模块等电子设备电连接并为其供电。电源可以为纽扣电池、干电池或可充式锂电池，优选为纽扣电池。

进一步地，微处理器为嵌入式可编程控制器，例如FPGA、CPLD、单片机等，其用于分析处理数据并控制电路板上的其他模块。

进一步地，无线通讯模块为蓝牙、WiFi或Zig-Bee通讯模块，优选为蓝牙模块。

进一步地，电路板还包括电源开关。优选地，电源开关采用磁吸式开关。

进一步地，第二外壳在其内表面上具有与传感器固定座相匹配的凹槽，用于放置传感器固定座。

进一步地，第二外壳在其内表面上具有支撑柱，用于支撑位于传感器固定座上方的电路板以防止其接触传感器固定座，导致传感器固定座产生形变，从而造成测量误差。

进一步地，第二外壳在其外表面上具有突起，用于在手术时嵌入髌骨截面的凹槽，从而将装置固定在髌骨截面上。

进一步地，第一外壳和第二外壳的接缝处采用医疗级硅胶进行填充密封，用于装置的防水。本发明利用硅胶对整个装置的外部装配间隙进行填充，达到密封的目的，整个装置内部与外部完全隔离，不会有空气对流，这样的好处在于保证在手术过程中，液体不会进入到装置内部后又回流到人体，杜绝感染风险。而且硅胶材料质地软，弹性好，不会对装置的测试和测量造成很大影响。

另一方面，本发明还提供了一种用于髌骨置换术的压力测量系统，除了上述用于髌骨置换术的压力测量装置外，还包括无线接收模块、数据处理模块和显示模块；其中，无线接收模块与压力测量装置的无线通讯模块通讯连接，用于接收压力测量装置产生的数据。

进一步地，无线数据接收模块、数据处理模块和显示模块集成于一个智能终端内，例如台式电脑、笔记本电脑、平板电脑或智能手机等具有数据接收、处理和显示功能的一体化电子设备中。

又一方面，本发明还提供了一种使用上述压力测量系统的使用方法，即在髌骨置换术中测量髌骨关节接触面压力的方法。现有的髌骨置换手术首先切除部分髌骨外翻，然后换装髌骨假体。本发明测量髌骨关节接触面压力的方法是在切除部分髌骨外翻之后，在换装髌骨假体之前，对髌骨关节接触面压力进行测试，以辅助医生选择合适的髌骨假体进行安装，包括以下步骤：

步骤一、将压力测量装置安装在患者切除部分髌骨外翻后剩余的髌骨截面上；

步骤二、调整患者股骨与胫骨之间的角度，由医生观察在不同角度时的压力变化，由智能终端记录所测得的压力数据；

步骤三、取出压力测量装置，通过智能终端分析所测得的压力数据，辅助医生选择合适的髌骨假体进行安装。

进一步地，步骤二中的不同角度至少包括30°、60°、90°、120°等角度。

本发明的有益技术效果至少体现在以下几个方面：

(1)本发明的压力测量装置外形采用仿假体垫片，外壳整体结构与髌骨假体外形一致，内部则采用悬臂梁与应变传感器的组合，测量范围为0～500N，能够精确地测量髌骨关节接触面的压力。

(2)本发明的应变传感器的布局根据髌骨滑车结构采用正方形分布，在对应于髌骨滑车两侧凸起处，各对称地分布两个传感器，能够更精确有效地测量压力，同时避免复杂的结构和算法，因而能够节省成本，提高效率。

(3)本发明的悬臂梁上受力处为弧形凹槽结构，且为豁口槽，而不是封闭的凹槽，有利于减小摩擦力及避免产生静摩擦，因而进一步保障了测量精度。

(4)本发明的压力测量装置的防水采用医疗级硅胶进行填充密封，密封性好，手术过程中无感染风险。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的压力测量装置的外形结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的压力测量装置另一个角度的外形结构示意图；

图3是本发明一个较佳实施例的压力测量装置的分解结构示意图；

图4是本发明一个较佳实施例的压力测量装置的内部结构示意图；

图5是本发明一个较佳实施例的压力测量装置的第一外壳的内表面结构示意图；

图6是本发明一个较佳实施例的压力测量装置的传感器固定座结构示意图；

图7是本发明一个较佳实施例的压力测量装置安装在髌骨截面上的示意图；

图8是本发明一个较佳实施例的压力测量装置在测量状态下的示意图；

图9是本发明一个较佳实施例在髌骨截面上安装髌骨假体的示意图；

图10是本发明一个较佳实施例的压力测量装置在智能终端上显示数据的操作界面示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在一个较佳实施例中，如图1-9所示，本发明的髌骨置换术的压力测量装置包括外壳1、电路板2和应变传感机构3。其中，外壳1用于容纳电路板2和应变传感机构3，其外形与髌骨假体6的外形大致相同；外壳1包括第一外壳11和第二外壳12，第一外壳11的外表面具有弧形受力面111，第一外壳11的内表面具有受力柱112。电路板2包括电源、微处理器、模数转换器(ADC)和无线通讯模块。应变传感机构3包括应变传感器32和传感器固定座31，应变传感器32固定于传感器固定座31上并与电路板2电连接，传感器固定座31上具有与受力柱112相匹配的凹槽312，使得弧形受力面111上所受的力经受力柱112传导至传感器固定座31，从而引起应变传感器32的形变及响应。

受力柱112为四个，其沿第一外壳1的内表面的周缘大致均匀地分布，即四个受力柱112大致呈正方形分布。这种设置方式主要是由于髌骨滑车中间凹陷、两侧凸起的结构特点，且压力来源主要是两侧凸起部分，所以本发明通过四个呈正方形的压力点来布局四个应变传感器32以达到最优测量效果，髌骨滑车的两侧凸起部分各布局两个应变传感器32，这种左右对称布局可以更能精确反应两侧压力情况。相对地，如果按照正三角形布局三个传感器，则测量面积小，且不能达到左右对称布局的效果，难以完全反映髌骨压力情况而且测量精度差；如果按照正六边形布局六个传感器，虽然可以达到对称布局的效果，但是由于传感器数量增加，会导致成本增加，且其他辅助性电子元件也会增加，数据采集量就会增大，算法实现相对就会更困难。

第一外壳11在其外表面的周缘上具有指向件113，用于指示压力测量装置的安装方向。四个受力柱112相对于指向件113与第一外壳11中心的连线两两对称分布。如此，在安装压力测量装置时，仅需要将指向件113对准髌骨滑车的中间凹陷的延伸方向，即可做到在髌骨滑车的两侧凸起部分各布局两个应变传感器32。

受力柱112在其接触传感器固定座31的一端具有半球形的弧面。传感器固定座31大致为十字型，其具有四根悬臂梁311，每根悬臂梁311在远离传感器固定座31中心的一端具有凹槽312，凹槽312与受力柱112接触传感器固定座31的一端形状相匹配，即也具有半球形的弧面。这样设计的好处在于两个弧面接触为点接触，摩擦力小，力在传导过程中的损失较小，因此测量精度更高。相对地，如果设计成两个平面接触的话，摩擦力较大，力在传导时容易分散，因而会导致测量精度低。

凹槽312在远离传感器固定座31中心的一端具有豁口。之所以采用这种开口槽，是因为悬臂梁311在受到外力时会发生形变，每个悬臂梁311都会产生不同程度的弯曲，开口槽在悬臂梁311发生弯曲的同时第一外壳11上的压力柱112可以沿着凹槽312微量滑动，因而测量更加精确。相对地，如果设计成一般的封闭的弧形凹槽，当悬臂梁受外力弯曲时，压力柱理论上会沿着凹槽下滑，但是封闭的弧形凹槽会导致压力柱无法产生微量滑动，这样两者之间就会产生静摩擦力，这种静摩擦力会随着外力的增大而增大，因而导致测量精度越来越差。

应变传感器32为电阻式应变计。电阻式应变计是一种压力传感器，压力传感器是能够感受压力信号，并按照一定规律将压力信号转换成可用的输出电信号的器件。当电阻式应变计受到压力产生形变时，将输出电信号传输给电路板2上的微处理器和/或模数转换器进行处理。电阻式应变计为四个，分别固定于四根悬臂梁311上。本实施例中，电阻式应变计的压力测量范围为0～150N。

传感器固定座31的中心处较厚，悬臂梁311靠近受力柱112的一端也较厚，而悬臂梁311的梁身较薄，以便于悬臂梁311在受到压力时发生形变。可以通过调整悬臂梁311的厚度使得其在受力柱112处的压力位移量为0.005mm/N，即当受力柱受到100N压力时，其竖直方向的位移量为0.5mm。

电路板2位于第一外壳11与传感器固定座31之间。电源与电路板2上的微处理器、模数转换器、无线通讯模块等电子设备电连接并为其供电。电源为纽扣电池。微处理器为嵌入式可编程控制器，例如FPGA、CPLD、单片机等，其用于分析处理数据并控制电路板2上的其他模块。无线通讯模块为蓝牙蓝牙模块。电路板2还包括电源开关，电源开关采用磁吸式开关。

第二外壳12在其内表面上具有与传感器固定座31相匹配的凹槽121，用于放置传感器固定座31。第二外壳12在其内表面上具有支撑柱122，用于支撑位于传感器固定座31上方的电路板2以防止其接触传感器固定座31，导致传感器固定座31产生形变，从而造成测量误差。第二外壳12在其外表面上具有突起123，用于在手术时嵌入髌骨截面41上的凹槽42，从而将装置固定在髌骨截面41上。

第一外壳11和第二外壳12的接缝处采用医疗级硅胶进行填充密封，用于装置的防水。本发明利用硅胶对整个装置的外部装配间隙进行填充，达到密封的目的，整个装置内部与外部完全隔离，不会有空气对流，这样的好处在于保证在手术过程中，液体不会进入到装置内部后又回流到人体，杜绝感染风险。而且硅胶材料质地软，弹性好，不会对装置的测试和测量造成很大影响。

本实施例还提供了一种髌骨置换术的压力测量系统，除了上述髌骨置换术的压力测量装置外，还包括无线接收模块、数据处理模块和显示模块；其中，无线接收模块与压力测量装置的无线通讯模块通讯连接，用于接收压力测量装置产生的数据。无线数据接收模块、数据处理模块和显示模块集成于一个智能终端内，本实施例中该智能终端为平板电脑，其显示界面如图10所示。

本实施例还提供了一种使用上述压力测量系统的方法，即在髌骨置换术中测量髌骨关节接触面压力的方法。现有的髌骨置换手术首先切除部分髌骨外翻，然后换装髌骨假体6。本发明测量髌骨关节接触面压力的方法是在切除部分髌骨外翻之后，在换装髌骨假体6之前，对髌骨关节接触面压力进行测试，以辅助医生选择合适的髌骨假体6进行安装，包括以下步骤：

步骤一、如图7所示，将压力测量装置安装在患者切除部分髌骨外翻后剩余的髌骨截面41上；

步骤二、如图8所示，调整患者股骨4与胫骨5之间的角度α，由医生观察在不同角度α(至少包括30°、60°、90°、120°等角度)时的压力变化，由智能终端记录压力数据；

步骤三、如图9所示，取出压力测量装置，通过智能终端分析所测得的压力数据，辅助医生选择合适的髌骨假体6进行安装。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于髌骨置换术的压力测量装置，其特征在于，包括外壳、电路板和应变传感机构；其中，

所述外壳用于容纳所述电路板和所述应变传感机构，其外形与髌骨假体的外形大致相同；所述外壳包括第一外壳和第二外壳，所述第一外壳的外表面具有弧形受力面，所述第一外壳的内表面具有受力柱；

所述电路板包括电源、微处理器、模数转换器和无线通讯模块；

所述应变传感机构包括应变传感器和传感器固定座，所述应变传感器固定于所述传感器固定座上并与所述电路板电连接，所述传感器固定座上具有与所述受力柱相匹配的凹槽，使得所述弧形受力面上所受的力经所述受力柱传导至所述传感器固定座，从而引起所述应变传感器的形变及响应。

2.如权利要求1所述的用于髌骨置换术的压力测量装置，其特征在于，所述受力柱为四个，其沿所述第一外壳的内表面的周缘大致均匀地分布，即四个所述受力柱大致呈正方形分布。

3.如权利要求2所述的用于髌骨置换术的压力测量装置，其特征在于，所述受力柱在其接触所述传感器固定座的一端具有弧面，所述弧面为半球形或包括半球形的一部分。

4.如权利要求3所述的用于髌骨置换术的压力测量装置，其特征在于，所述传感器固定座大致为十字型，其具有四根悬臂梁，每根所述悬臂梁在远离所述传感器固定座中心的一端具有凹槽，所述凹槽与所述受力柱接触所述传感器固定座的一端的形状相匹配。

5.如权利要求4所述的用于髌骨置换术的压力测量装置，其特征在于，所述凹槽在远离所述传感器固定座中心的一端具有豁口。

6.如权利要求4所述的用于髌骨置换术的压力测量装置，其特征在于，所述应变传感器为电阻式应变计。

7.如权利要求6所述的用于髌骨置换术的压力测量装置，其特征在于，所述电阻式应变计为四个，分别固定于所述四根悬臂梁上。

8.如权利要求1所述的用于髌骨置换术的压力测量装置，其特征在于，所述电路板位于所述第一外壳与所述传感器固定座之间，所述第二外壳在其内表面上具有支撑柱，用于支撑位于所述传感器固定座上方的所述电路板以防止其接触所述传感器固定座。

9.一种用于髌骨置换术的压力测量系统，其特征在于，除了包括如权利要求1-8中任一项所述的用于髌骨置换术的压力测量装置外，还包括无线接收模块、数据处理模块和显示模块；所述无线接收模块与所述压力测量装置的所述无线通讯模块通讯连接，用于接收所述压力测量装置产生的数据；所述无线数据接收模块、所述数据处理模块和所述显示模块集成于一个智能终端内。

10.一种使用如权利要求9所述的用于髌骨置换术的压力测量系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将所述压力测量装置安装在患者切除部分髌骨外翻后剩余的髌骨截面上；

步骤二、调整患者股骨与胫骨之间的角度，由医生观察在不同角度时的压力变化，由所述智能终端记录所测得的压力数据；

步骤三、取出所述压力测量装置，通过所述智能终端分析所测得的压力数据，辅助医生选择合适的髌骨假体进行安装。

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