CN113456024B - 一种实时直接测量关节面压力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种实时直接测量关节面压力的方法及装置,由柔性压力传感器、信号采集装置和信号输出装置组成，柔性压力传感器将关节内的压力信号转变为电信号，随后利用信号采集装置与信号输出装置分别对电信号数据进行采集和输出，本发明利用置于关节内的传感器在压力条件下可以将压力信号转换成可以输出的电信号的特点，实现了对关节面压力变化的精确测量和实时监测。本发明适用于各种疾病模型，如关节盘移位、关节盘穿孔、前交叉韧带断裂、退行性关节病等。

Description

一种实时直接测量关节面压力的方法及装置

技术领域

本发明属于生物力学领域，涉及一种压力测量方法及装置，具体涉及一种由柔性压力传感器、信号采集装置和信号输出装置三部分组成的实时直接测量关节面压力的方法及装置，用于测量生理状态和不同病理状态下实验动物关节面的力学性能。

背景技术

关节在维持人体的日常生活和劳动中发挥着不可或缺的重要作用。在普遍重视健康的今天，关节疾病因其对人类生活质量影响之大而越来越受到广泛关注。退行性关节病(degenerative joint disease,DJD)是一类最为常见的关节疾病，也是导致身体残疾的主要原因。其病因复杂多样、病理机制尚不明确。虽然目前临床上以保守治疗为基础的综合序列治疗改善了部分患者的症状，但仍有部分患者因疗效不佳和过长的治疗程序而感到痛苦。因此，对退行性关节病发病机制的研究一直是学者的关注重点。

近年来，越来越多的研究认为，异常应力是退行性关节病发生发展的首要原因。肥胖、劳损、创伤、关节盘移位等因素常会导致关节面承载异常应力，进而出现关节软骨损伤和软骨下骨吸收等退行性改变。因此，测量关节面应力的大小及其分布情况有助于了解关节的生物力学状态，对于退行性关节病的病因机制、分类诊断、临床治疗和预后评估具有重要意义。

但是目前对于关节面的受力情况研究甚少。由于实验动物的关节面处于狭小的关节间隙中，且关节表面形状不规则，而常规的检测手段由于器件体积大、贴合性不良、生物相容性欠佳、导线易受环境干扰等问题，很难实现对动物体内狭小间隙中非规则表面的压力测试和实时监测。在以往的研究中，对于关节的受力分析多采用体外建模结合数值模拟的间接方法。一些研究者通过影像学资料结合有限元分析来在体外模拟不同运动状态下关节的受力情况，但此类方法均采用体外建模地方式，很难复刻生理状态下不同生物体关节内部的受力情况，其结果也难以得到验证。也有研究者采用穿刺介入式液压测量计等设备，通过穿刺的方法测量关节腔的压力变化，但该方法也并未能实现针对关节面的局部受压处进行力学测量的目的。因此，研究开发一种可以直接地、实时地对关节面不同部位的受力情况进行在体测量的工具是十分必要的。但就本发明的发明人所知，目前为止还没有开发出有效的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在提供一种可以直接在动物关节面进行测量的压力感应实时检测系统，利用柔性压力传感器在压力条件下产生的电信号变化，精确测量并实时监测关节表面压力变化，用于测量生理状态和不同病理状态下实验动物关节面力学性能以满足相关实验室及临床研究需求。

该关节内压测量系统包括以下几部分：

柔性压力传感器：所述柔性压力传感器包括弹性体、电极材料、导线、密封材料，其中：

弹性体：所述弹性体为(包括但不限于)橡胶、聚氨酯、聚酰胺等高分子弹性体材料中的一种或多种，优选为硅橡胶材料，更优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；

电极材料：所述电极为(包括但不限于)碳纳米材料、金属纳米材料等纳米导电材料中的一种或多种，粘接于所述弹性体的上下两面，优选为金属纳米材料，更优选为银纳米线；

导线：所述导线为(包括但不限于)铜丝、银丝、金丝或金属合金导线中的一种，优选为钛合金线；在导线的柔性体后面加入刚性体部件，防止导线的运动带来的测量误差；

密封材料：所述密封材料为(包括但不限于)聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等绝缘、疏水且生物相容性好的材料中的一种，用于防止组织液渗入器件造成短路，优选为聚乙烯。

信号采集装置：所述信号采集装置采集的电信号为(包括但不限定于)电阻信号、电压信号、电容信号等一种或多种电信号，优选为电容信号。

信号输出装置：所述信号输出装置输出的电信号要求与信号采集装置采集的电信号相同。

本发明利用置于关节内的传感器在压力条件下可以将压力信号转换成可以输出的电信号的特点，实现了对关节面压力变化的精确测量和实时监测。本发明适用于各种疾病模型，如关节盘移位、关节盘穿孔、前交叉韧带断裂、退行性关节病等。观察并记录不同模型中关节面的受力情况(受力值和受力变化)，有利于进一步探讨各类关节的生物力学性能，为各种关节疾病的发病机制提供理论依据。

与现有的关节内压测量系统相比，本发明有如下优点：

1.本系统采用的压力传感器的弹性体为柔性基体，贴合性良好，可以很好地适应关节面的曲面形态；

2.本系统采用的压力传感器的导线为钛合金线，并在导线的柔性体后面加入刚性体部件，由于测试环境的问题，关节盘在运动过程中会不可避免的带动导线运动，此种设计可以防止导线运动带来的测量误差；

3.本系统采用将压力传感器内置于关节表面的方式，所获得的结果能准确直观地体现出关节表面的受力状况，实验结果可靠性高，参考价值高；

4.本系统体积小、便携性强、操作简便，可用于实时检测关节表面的压力变化，实用性强；

5.本系统生物相容性好，可植入于各种实验动物关节间隙内而不产生免疫排斥反应；

6.能够在不同疾病模型中关节表面的受力分布，便于研究人员进行更为广泛的拓展性实验，为相关实验室及临床研究提供理论依据；

7.本系统中的测试方式不局限于各类关节表面的生物力学范畴，对于生物体内其它狭小空间中的非规则物体表面的压力测试等问题均可使用该系统完成。

附图说明

图1为关节面压力测量装置组成图。

图2为柔性压力传感器组成结构示意图。

图3为柔性压力传感器工作原理示意图。

图4为柔性压力传感器在关节内放置示意图。

图中：1弹性体；2电极材料；3导线；4密封材料；5柔性压力传感器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1

首先，如图2所示，截取一块与髁突表面大小相适应的硅橡胶材料，将银纳米线贴合在硅橡胶的上、下表面，将钛合金线粘接在银纳米线的上、下表面，用聚乙烯涂层对器件进行封装，固化后获得该柔性压力传感器。

进一步地，建立大鼠颞下颌关节不可复性盘前移位模型，如图4所示，将柔性压力传感器粘接在大鼠髁突表面，将柔性压力传感器两端导线连入信号采集装置与信号输出装置，由信号输出装置输出大鼠张闭口运动中的电容变化值，实现张闭口运动与髁突表面受力情况的实时对应记录。

进一步地，体外实验中，根据对应的压力机加压载荷，即可对关节盘移位模型中的颞下颌关节的受力情况进行较为全面的过程化分析。

优选地，对每一个实验样本至少重复进行三次实验，以规避设备及人为误差。

实施例2

首先，如图2所示，截取一块与髁突表面大小相适应的硅橡胶材料，将银纳米线贴合在硅橡胶的上、下表面，将铜丝粘接在银纳米线的上、下表面，用聚丙烯涂层对器件进行封装，固化后获得该柔性压力传感器。

进一步地，建立大鼠颞下颌关节不可复性盘前移位模型，如图4所示，将柔性压力传感器粘接在大鼠髁突表面，将柔性压力传感器两端导线连入信号采集装置与信号输出装置，由信号输出装置输出大鼠张闭口运动中的电容变化值，实现张闭口运动与髁突表面受力情况的实时对应记录。

进一步地，体外实验中，根据对应的压力机加压载荷，即可对关节盘移位模型中的颞下颌关节的受力情况进行较为全面的过程化分析。

优选地，对每一个实验样本至少重复进行三次实验，以规避设备及人为误差。

实施例3

首先，如图2所示，截取一块与髁突表面大小相适应的硅橡胶材料，将银纳米线贴合在硅橡胶的上、下表面，将铜丝粘接在银纳米线的上、下表面，用聚丙烯涂层对器件进行封装，固化后获得该柔性压力传感器。

进一步地，建立小鼠单侧前牙反颌模型，如图4所示，将柔性压力传感器粘接在小鼠髁突表面，将柔性压力传感器两端导线连入信号采集装置与信号输出装置，由信号输出装置输出小鼠下颌运动过程中的电容变化值，实现下颌运动与髁突表面受力情况的实时对应记录。

进一步地，体外实验中，根据对应的压力机加压载荷，即可对单侧前牙反颌模型中的颞下颌关节的受力情况进行较为全面的过程化分析。

优选地，对每一个实验样本至少重复进行三次实验，以规避设备及人为误差。

实施例4

首先，如图2所示，截取一块与胫骨平台表面大小相适应的硅橡胶材料，将银纳米线贴合在硅橡胶的上、下表面，将铜丝粘接在银纳米线的上、下表面，用聚丙烯涂层对器件进行封装，固化后获得该柔性压力传感器。

进一步地，建立小鼠膝关节前交叉韧带断裂模型，将柔性压力传感器粘接在小鼠胫骨平台表面，将柔性压力传感器两端导线连入信号采集装置与信号输出装置，由信号输出装置输出小鼠下肢运动过程中的电容变化值，实现下肢运动与胫骨平台表面受力情况的实时对应记录。

进一步地，体外实验中，根据对应的压力机加压载荷，即可对前交叉韧带断裂模型中的膝关节的受力情况进行较为全面的过程化分析。

优选地，对每一个实验样本至少重复进行三次实验，以规避设备及人为误差。

以上方案对本发明进行了充分说明。本说明书实施案例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施案例所陈述的具体形式。本发明可根据实验研究需求进行相关改进，如改变关节内被测部位、改变柔性压力传感器位置、改变实验对象等等。因此，凡基于本发明思想，未经创造性劳动且采用同等技术手段的而不存在创新性的改进方案均在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实时直接测量关节面压力的装置，由柔性压力传感器、信号采集装置和信号输出装置组成，其特征在于,柔性压力传感器将关节内的压力信号转变为电信号，随后利用信号采集装置与信号输出装置分别对电信号数据进行采集和输出;

柔性压力传感器由弹性体、电极材料、导线和密封材料组成，所述弹性体为硅橡胶;所述电极材料为银纳米线，所述导线为钛合金线；所述密封材料为聚乙烯；截取一块与骨关节表面大小相适应的硅橡胶材料，将银纳米线贴合在硅橡胶的上、下表面，将钛合金线粘接在银纳米线的上、下表面，用聚乙烯涂层对器件进行封装，固化后获得该柔性压力传感器；

所述导线的柔性体的后面加入刚性体部件，防止导线的运动带来的测量误差。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述信号采集装置采集的电信号包括电阻信号、电压信号、电容信号在内的一种或多种电信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述信号采集装置采集的电信号为电容信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述信号输出装置输出的电信号要求与所述的信号采集装置采集的电信号相同。

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