CN113317775A - 快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪及其方法，包括膝关节内置测量组件、信号传输采集装置及光学位置示踪装置，所述膝关节内置测量组件包括基座、组配式厚度调节片和关节面耦合垫片，所述关节面耦合垫片的表面设置有浅碟形凹陷面；所述信号传输采集装置包括压力测量块、应力传导模块和显示器，所述光学位置示踪装置包括光学标靶、NDI光学定位仪和数据处理中心，所述光学标靶用以捕捉并计算胫骨和股骨的绝对空间坐标位置。各装置的组合使用可在膝关节置换术中精准、高效测量韧带和关节囊软组织平衡，克服目前仅靠静态测量结果来评估软组织张力存在的不足，解决了动静态测量全包含力学与空间角度相结合的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体为一种快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪，并用此来进行测量软组织动态参数的方法。
背景技术
人工膝关节置换手术中，对于软组织平衡的测量技术尚处于非量化非精准的状态。屈伸膝关节过程中动态测量软组织平衡状态是实现手术精准高效的必须技术。现有技术是在人工膝关节置换术中，采用不同固定厚度的矩形方块放入膝关节中，用力张开膝关节内外侧方向的软组织，评估在这一过程中内外侧软组织的弹性和张开距离是否相等，该方案能够获取部分参数，但存在以下缺陷：
1)该方案依赖于术者的主观判断，无法量化张力和同一张力下软组织的松弛距离，无法构建张力与距离的对应关系，对于没有经验的术者指导性低；
2)该方案采取矩形方块不能适应人体关节的曲面形状，只能获取0°和90°两个角度下软组织平衡参数，不能测量屈伸活动的数据，参考价值低；
3)该方案采取整体的矩形方块，使其厚度不可调整，装拆极不方便，影响操作效率。
针对上述问题，有必要提出一种全新的测量装置和其测量方法，可轻易调整不同厚度实现对屈伸过程的全程动态测量，并提供多状态下的张力和松驰距离参数，为全面掌握膝关节软组织的真实数据，为提高膝关节置换手术质量提供帮助。
发明内容
本发明提出了一种快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪及其方法，可精准、高效测量韧带及关节囊软组织平衡参数，实现动静态及力学与空间角度相结合的复合测量，以解决现有技术仅用静态测量存在的上述不足。
为解决上述技术问题，本发明之一提供如下技术方案：
快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪，包括膝关节内置测量组件、信号传输采集装置及光学位置示踪装置，所述膝关节内置测量组件包括依次层叠的基座、组配式厚度调节片和关节面耦合垫片，
所述基座作为组件的基底，与骨面接触并传导应力；
所述组配式厚度调节片设置于所述基座的顶部，根据厚度不同设置多个规格，通过不同规格的调节片调节测量组件的厚度，使测量组件分别与胫骨及股骨的完全接触；
所述关节面耦合垫片设置于所述组配式厚度调节片的顶部，所述关节面耦合垫片的表面设置有用于容纳股骨髁曲面的浅碟形凹陷面，实现自由屈伸膝活动所需要的自由度；
所述信号传输采集装置包括压力测量块、应力传导模块和显示器，所述压力测量块设置在组配式厚度调节片和基座之间，所述应力传导模块固定在所述压力测量块上，用以感受组件所承受的应力，并传送应力信号，所述显示器与所述应力传导模块电连接，接收应力信号并显示应力值；
所述光学位置示踪装置包括光学标靶、NDI光学定位仪和数据处理中心，所述光学标靶在胫骨和股骨各设置一个，用以显示胫骨和股骨的绝对空间坐标位置，所述NDI光学定位仪对光学标靶的靶点进行摄像捕捉，并将捕捉数据发送到数据处理中心，所述数据处理中心与摄像头电连接，对捕捉数据进行实时处理，以确定胫骨和股骨的空间位置，计算膝关节弯曲角度和相应角度时软组织的长度变化量。
进一步，所述组配式厚度调节片的规格按1mm厚度递增。
进一步，所述组配式厚度调节片设置有上卡块和下卡块，所述压力测量块上设置有与下卡块滑动配合的上卡槽，所述关节面耦合垫片设置有与上卡块滑动配合的下卡槽。
进一步，所述基座的顶部设置有用于放置压力测量块的保护槽。
进一步，所述压力测量块的顶部设置有阻止组配式厚度调节片移动的限位止口。
进一步，所述光学标靶包括四个成矩形分布的具备红外线反光效能的红外线反光体和一个支撑杆，所述NDI光学定位仪对四个光学靶标的对角线的交点进行捕捉，所述支撑杆用于与人体肢体固定。
为解决上述技术问题，本发明之二提供如下技术方案：
采用如上所述的快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪的测量方法：建立膝关节数学模型，在数学模型上标定软组织的长度和连接位置，在股骨和胫骨上分别装上光学标靶，用NDI光学定位仪确定光学标靶的靶点，在数学模型里设置靶点相应的参照点，用数学模型和参照点确定初始状态时膝关节与靶点的位置关系，垫入适当厚度的膝关节内置测量组件，使测量组件分别与胫骨及股骨的完全接触，测量并记录此时压力值和股骨与胫骨的相对距离，通过此时靶点位置的改变计算软组织的长度变化量，进一步，改变屈膝角度，动态测量软组织的变化量。
本发明的有益效果在于：
1、本发明具备快速拆卸组配式设计。这与现有固定外观设计相比有显著的改进。适用范围更广，适配性更高，通过快速组配与拆卸，实现在手术中高效、精准、便利的操作；
2、本发明具备静态、动态结合软组织平衡状态测量功能。这与现有仅能在伸膝0°和屈膝90°进行静态测量，而且仅能粗略测量内外侧软组织松弛距离的技术相比有显著的改进。本发明可以在屈伸膝全过程中任意角度对膝关节软组织平衡进行测量，将软组织平衡状态实时动态的反馈给术者；
3、本发明具备双参数测量方式。这与现有仅能测量应力数据的技术相比具有显著改进。
一是软组织张力力学测量数值，一是结合膝关节光学导航系统可以测量的软组织弹性长度变化数值，通过力学和位置学双参数，全面反映软组织平衡的真实状况。相对于既往仅能通过有限角度下单纯的力学参数对软组织平衡进行评估的方法，这一双参数测量方式将显著改善既往不准确，不完善的软组织平衡评估方式，为膝关节软组织平衡手术提供全面，细致，动态，精准、高效的测量方式。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明膝关节内置测量组件第一方向示意图；
图3为本发明膝关节内置测量组件第二方向示意图；
图4为本发明膝关节内置测量组件第三方向示意图。
图中：1－膝关节内置测量组件；2－信号传输采集装置；3－光学位置示踪装置；4－基座；5－组配式厚度调节片；6－关节面耦合垫片；7－压力测量块；8－应力传导模块；9－显示器；10－光学标靶；11－NDI光学定位仪；12－数据处理中心；13－上卡块；14－下卡块；15－上卡槽；16－下卡槽；17－保护槽；18－限位止口；19－红外线反光体；20－支撑杆；21－浅碟形凹陷面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的上述描述中，需要说明的是，术语“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“相同”等术语并不表示要求部件绝对相同，而是可以存在微小的差异。术语“垂直”仅仅是指部件之间的位置关系相对“平行”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。
如图1－4所示，本发明提出一种快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪，包括膝关节内置测量组件1、信号传输采集装置2及光学位置示踪装置3，膝关节内置测量组件包括基座4、组配式厚度调节片5和关节面耦合垫片6，基座设置在测量组件的底部，作为基底与骨面接触并传导应力；组配式厚度调节片层叠在基座的顶部，且根据厚度不同设置多个规格，通过不同规格的调节片调节测量组件的厚度，原则上，厚度值的变化幅度并不限定，只要满足需求即可，为选择合适的变化幅度，本发明人进行了多次实验，认为按1mm递增即可，这样可使测量组件的厚度也按1mm递增，测量组件可实现与胫骨及股骨的完全接触；关节面耦合垫片层叠在组配式厚度调节片的顶部，且关节面耦合垫片的表面设置有用于容纳股骨髁曲面的浅碟形凹陷面21，经实验，该浅碟形凹陷面几乎与大多数患者匹配，可实现自由屈伸膝活动所需要的自由度，从而进行多多角度测量。
本实施例的信号传输采集装置包括压力测量块7、应力传导模块8和显示器9，压力测量块设置在组配式厚度调节片和基座之间，应力传导模块固定在压力测量块上，用以感受组件所承受的应力，并传送应力信号，显示器与应力传导模块电连接，接收应力信号并显示应力值。
本实施例的光学位置示踪装置包括光学标靶10、NDI光学定位仪11和数据处理中心12，光学标靶在胫骨和股骨各设置一个，用以显示胫骨和股骨的绝对空间坐标位置，NDI光学定位仪对光学标靶的靶点进行摄像捕捉，并将捕捉数据发送到数据处理中心，数据处理中心与摄像头电连接，对捕捉数据进行实时处理，以确定胫骨和股骨的空间位置，计算膝关节弯曲角度和相应角度时软组织的长度变化量。
具体测量时，通过CT或核磁共振建立膝关节数学模型，在数学模型上建立关节囊软组织模型，关节囊软组织模型至少要确定其长度和连接位置，在股骨和胫骨上分别装上光学标靶，用NDI光学定位仪确定光学标靶的靶点，即一个空间坐标，在数学模型里设置靶点相应的参照点，用数学模型和参照点确定初始状态时膝关节和靶点的位置关系，垫入适当厚度的膝关节内置测量组件，使测量组件分别与胫骨及股骨的完全接触，测量并记录此时压力值和股骨与胫骨的相对距离，通过此时靶点位置的改变计算软组织的长度变化量，进一步，改变屈膝角度，动态测量软组织的变化量和测量组件的压力值，从而建立动态数据库，为人工膝关节软组织动态平衡提供参考。
相对于现有技术，本实施例的改进点在于：
1)实现了快速拆卸组配式设计
应用这一设计，测量器可与绝大部分人工膝关节相匹配，在人工关节植入人体后进行测量。快速拆卸设计可以实现安全高效的手术操作。现有技术中，仅能在人工关节植入人体之前进行测量，不能完全反应真实的情况。
2)屈伸过程中全程动态测量
现有技术中，在形状上采用矩形设计，只能在0°和90°测量软组织平衡数据，无法在屈伸活动过程中进行测量。而屈伸活动中测量才是这一数据真实有效的区间。本实施例通过浅碟形凹陷面的外形设计，实现和曲面之间的外形匹配，从而实现在屈伸膝关节过程中全程对软组织张力进行动态测量。每一个角度都能读取数据，极大的提高了数据的准确性。
3)全面评估真实状态下软组织平衡数据
本实施例提供两方面的数据，包括应力数据和软组织长度数据。将这两方面的数据组合起来，可以得到一是相同应力状态下的软组织长度变化数据，这是评估软组织平衡状态的基础；二是可以得到不同应力状态下的软组织长度变化数据，这是动态平衡所需的更高一级的数据；三是相同软组织长度变化情况下关节内应力水平，这一数据可以反映患者术后膝关节应力分布，对预测使用寿命和改善康复流程具有重要意义。现有技术方案仅能提供力学参数，而没有长度变化参数。
作为本实施例的改进，组配式厚度调节片设置有上卡块13和下卡块14，压力测量块上设置有与下卡块滑动配合的上卡槽15，关节面耦合垫片设置有与上卡块滑动配合的下卡槽16，通过卡块与卡槽的配合，装入和取出极为方便，可实现顺利、高效的插拔，有利于术中灵活操作，且限制了左右方向，防止左右错位影响使用效果，同时，在调节厚度时，只需装入不同规格的调节片即可，不需整体取出，可显著提高配合效率。
作为本实施例的改进，基座的顶部设置有用于放置压力测量块的保护槽17，由于应力传导模块设置在压力测量块底部，当压力测量块整体放入保护槽内时，其应力传导模块就会被遮挡、隐蔽，从而避免外部物体对其的影响，从而确保使用准确性。
作为本实施例的改进，压力测量块的顶部设置有阻止组配式厚度调节片移动的限位止口18，从而限制组配式厚度调节片的前后位置，防止前后位置不当引起测量误差。
作为本实施例的改进，光学标靶包括四个成矩形分布的红外线反光体19和一个支撑杆20，NDI光学定位仪对四个红外线反光体的对角线的交点即靶点进行捕捉，支撑杆用于与人体肢体固定。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪，其特征在于：包括膝关节内置测量组件、信号传输采集装置及光学位置示踪装置，所述膝关节内置测量组件包括依次层叠的基座、组配式厚度调节片和关节面耦合垫片，
所述基座作为组件的基底，与骨面接触并传导应力；
所述组配式厚度调节片设置于所述基座的顶部，根据厚度不同设置多个规格，通过不同规格的调节片调节测量组件的厚度，使测量组件分别与胫骨及股骨的完全接触；
所述关节面耦合垫片设置于所述组配式厚度调节片的顶部，所述关节面耦合垫片的表面设置有用于容纳股骨髁曲面的浅碟形凹陷面，实现自由屈伸膝活动所需要的自由度；
所述信号传输采集装置包括压力测量块、应力传导模块和显示器，所述压力测量块设置在组配式厚度调节片和基座之间，所述应力传导模块固定在所述压力测量块上，用以感受组件所承受的应力，并传送应力信号，所述显示器与所述应力传导模块电连接，接收应力信号并显示应力值；
所述光学位置示踪装置包括光学标靶、NDI光学定位仪和数据处理中心，所述光学标靶在胫骨和股骨各设置一个，用以显示胫骨和股骨的绝对空间坐标位置，所述NDI光学定位仪对光学标靶的靶点进行摄像捕捉，并将捕捉数据发送到数据处理中心，所述数据处理中心与摄像头电连接，对捕捉数据进行实时处理，以确定胫骨和股骨的空间位置，计算膝关节弯曲角度和相应角度时软组织的长度变化量。
2.根据权利要求1所述的快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪，其特征在于：所述组配式厚度调节片的规格按1mm厚度递增。
3.根据权利要求1所述的快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪，其特征在于：所述组配式厚度调节片设置有上卡块和下卡块，所述压力测量块上设置有与下卡块滑动配合的上卡槽，所述关节面耦合垫片设置有与上卡块滑动配合的下卡槽。
4.根据权利要求1所述的快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪，其特征在于：所述基座的顶部设置有用于放置压力测量块的保护槽。
5.根据权利要求1所述的快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪，其特征在于：所述压力测量块的顶部设置有阻止组配式厚度调节片移动的限位止口。
6.根据权利要求1所述的快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪，其特征在于：所述光学标靶包括四个成矩形分布的具备红外线反光效能的红外线反光体和一个支撑杆，所述NDI光学定位仪对四个光学靶标的对角线的交点进行捕捉，所述支撑杆用于与人体肢体固定。
7.采用权利要求1－6任一所述的快速组配式人工膝关节软组织动态平衡测量仪的测量方法，其特征在于：建立膝关节数学模型，在数学模型上标定软组织的长度和连接位置，在股骨和胫骨上分别装上光学标靶，用NDI光学定位仪确定光学标靶的靶点，在数学模型里设置靶点相应的参照点，用数学模型和参照点确定初始状态时膝关节和靶点的位置关系，垫入适当厚度的膝关节内置测量组件，使测量组件分别与胫骨及股骨的完全接触，测量并记录此时压力值和股骨与胫骨的相对距离，通过此时靶点位置的改变计算软组织的长度变化量，进一步，改变屈膝角度，动态测量软组织的变化量。
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