CN113855359A - 一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，包括矫形器本体和调控机构，调控机构依托于矫形器本体，包括矫治力优化设计模块、终端数据监测反馈模块和矫治力智能调控模块。本系统的矫治力优化设计模块，输入患者身体测量数据及脊柱侧凸分型后，可自动匹配相对应的矫形器力学设计，有助于减小因矫形器师经验差异而导致的矫形器设计差异，以促进矫形器设计的标准化和规范化。终端数据监测反馈模块和矫治力智能调控模块，形成“矫治力施加‑压力监测‑压力控制”的闭环系统，进行实时监测并智能调节矫治力，可减少矫形器穿戴过程中因形体变化在不更换或调整矫形器的情况下，导致的矫治力施加不准确或不稳定问题。
Description
技术领域
本发明涉及骨科矫形领域，具体来说，涉及一种适用于脊柱侧凸保守治疗的矫治力优化设计与智能调控系统。
背景技术
脊柱侧凸涉及脊柱矢状面、冠状面侧凸，常伴有旋转畸形。特发性脊柱侧凸好发于青少年，且女性多于男性。患有脊柱侧凸不仅影响心理健康，还可危及青少年的骨骼发育。如矫治不及时或矫治不当，严重的脊柱畸形甚至可影响患者的心肺功能。矫形器治疗是目前公认的适用于未发育成熟，轻、中度脊柱侧凸患者最主要的非手术治疗方法。但穿戴矫形器对脊柱所施加的矫治力设计直接影响着矫治效果。
现有矫形器为热塑板材成型的硬质矫形器。患者通过长期穿戴的方式获得脊柱侧凸矫正。其步骤是首先对患者进行石膏绷带取型，修改石膏阳型增加施压区和压力释放区，然后通过热塑板材成型来完成制作。传统矫形器为硬质的，通过三点力原理对矫形器设计施压区和压力释放区。施加的压力分布与大小不可预知，且可受到矫形器师经验差异的影响。此外，此种矫形器也无施压区压力监测与反馈调节功能。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种既能在矫形器制作前，根据患者身体测量数据及脊柱侧凸保守治疗分型自动匹配矫形器设计，又能对矫治力实时监测智能调控的脊柱侧凸矫治系统，以克服现有相关技术所存在的矫形器穿戴过程中，因形体变化在不更换或调整矫形器的情况下，导致矫治力施加不准确或不稳定的技术问题，并且能减小由矫形器师经验而导致的矫形器设计差异。
此外，本发明的矫治力优化设计模块也弥补了传统矫形器装配后，施压区压力分布不可预知，矫治效果难以预期的空缺。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，包括矫形器本体和调控机构，所述调控机构与矫形器本体可拆卸连接，调控机构与矫形器本体通过无线方式连接。
进一步地，矫形器本体包括外层柔性片、内层柔性片以及中层加固片，内层柔性片贴覆在中层加固片的内侧，外层柔性片贴覆在中层加固片的外侧；
所述调控机构包括矫治力优化设计模块、终端数据监测反馈模块和矫治力智能调控模块，矫治力优化设计模块的输出端与矫治力智能调控模块的输入端相接，终端数据监测反馈模块的输出端与矫治力智能调控模块的输入端相接。
进一步地，所述矫治力智能调控模块包括控制器、主板、直流输入单元、微型气泵、电磁阀和微型气囊。主板的输入端与力反馈主控单元数据连接，输出端与控制器数据连接。主板内编有主控程序。控制器与微型气泵数据连接，微型气泵通过气管与电磁阀和微型气囊连接，其中，电磁阀与微型气囊设为一组，设置多组电磁阀与微型气囊，并且设置的多组微型气囊分布在中层加固片上，每组包含至少一个微型气囊。
进一步地，所述终端数据监测反馈模块包括柔性压力传感器、力反馈单元和力反馈主控单元；柔性压力传感器通过电性方式与力反馈单元相接，力反馈单元的输出端与力反馈主控单元相接。柔性压力传感器固定在微型气囊表面，且每个施压区至少有一个微型气囊上固定有柔性压力传感器，柔性压力传感器通过电性方式与力反馈单元相接。
进一步地，所述矫治力优化设计模块包含脊柱侧凸保守治疗分型的矫形器设计数据库，和用于优化后补偿损失的限位机构和旋转机构。其中，数据库中各类型矫形器的力学设计符合脊柱侧凸保守治疗各分型矫治的力学特点，其包括但不限于PUMC分型、Lenke分型。在系统中输入患者身体及脊柱侧凸的相关测量数据，可自动获得矫形器优化设计。
进一步地，所述限位机构分别套在连接电磁阀与微型气囊之间气管的两端上，旋转机构套在气管的外部，并且旋转机构位于限位机构之间，位于限位机构外部的气管内壁上固定有气流流量传感器。柔性压力传感器检测微型气囊和身体之间的压力，控制器通过与预设的优化矫治力进行压力比较，当压力低于设定压力下限时，控制微型气泵开启；当压力高于设定压力上限时，控制微型气泵关闭，微型气泵对不同区域的微型气囊进行充/放气，气流流量传感器检测的气流流量至力反馈单元，力反馈单元驱动旋转机构工作，旋转机构通过旋转改变气管直径用于矫治力优化补偿损失；
所述限位机构包括上套环和下套环，气管的两端管口被上套环和下套环扩大并固定；
所述旋转机构包括左板、右板、半圆板和支撑杆，左板和右板对称，沿排气管的长度方向设置，左板和右板上各自设置的电机均与支撑杆连接，支撑杆的端口固定在半圆板上，两个所述半圆板之间连接构成套在气管的圆环，并且，电机驱动两根所述支撑杆旋转，改变气管的直径，调整其矫形器本体各区域压力分布进一步优化，直至气压差值为零停止。
进一步地，两根所述半圆板相向旋转或者相反旋转。
进一步地，终端数据监测反馈模块及矫治力智能调控模块依托于矫形器本体，通过在矫形器本体的施压区，依据矫治力优化设计模块实现力的加载与调控。
进一步地，所述调控机构可实时监测并智能调节矫治力，实现稳定施加优化矫治力。
进一步地，所述矫治力优化设计模块包括但不限于搜索PUMC分型、Lenke分型的系统数据库单元或机器学习算法自动匹配优化的矫形器力学设计单元。
上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
1、本发明提供了一种智能的适用于脊柱侧凸保守治疗的矫治力调控系统，系统的矫治力优化设计模块包含脊柱侧凸保守治疗分型的矫形器设计数据库。其中各类型矫形器的力学设计包括但不限于PUMC分型或Lenke分型矫治的力学特点。在系统中输入患者身体及脊柱侧凸的相关测量数据，可自动匹配相对应的矫形器力学设计。此方法可促进矫形器设计标准化、规范化，尤其减小了由矫形器师经验差异而导致的矫形器设计差异。
2、本发明提供了一种智能的适用于脊柱侧凸保守治疗分型的矫治力调控系统，其中终端数据监测反馈模块与智能调控模块相互连接，形成反馈，其实时监测并智能调节矫治力的功能，可减少矫形器穿戴过程中因形体变化在不更换或调整矫形器的情况下，导致矫治力施加不准确或不稳定的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的脊柱侧凸矫治力优化智能调控系统的矫形器本体正视图；
图2是根据本发明实施例的脊柱侧凸矫治力优化智能调控系统的矫形器本体背面图；
图3是根据本发明实施例的脊柱侧凸矫治力优化智能调控系统的调控机构原理图；
图4是根据本发明实施例的脊柱侧凸矫治力优化智能调控系统的矫治力优化设计模块整体结构图；
图5是根据本发明实施例的脊柱侧凸矫治力优化智能调控系统的矫治力优化设计模块局部结构图；
图6是根据本发明实施例的脊柱侧凸矫治力优化智能调控系统的矫治力优化设计模块剖面图；
图7是根据本发明实施例的脊柱侧凸矫治力优化智能调控系统的矫治力优化设计模块优化状态一；
图8是根据本发明实施例的脊柱侧凸矫治力优化智能调控系统的矫治力优化设计模块优化状态二。
图中：
1、矫形器本体；11、外层柔性片；12、内层柔性片；13、中层加固片；2、调控机构；21、矫治力优化设计模块；22、终端数据监测反馈模块；221、力反馈单元；222、力反馈主控单元；23、矫治力智能调控模块；231、控制器；232、直流输入电源；233、微型气泵；234、微型气囊；3、电磁阀；4、主板；5、柔性压力传感器；6、气管；7、限位机构；71、上套环；72、下套环；8、旋转机构；81、左板；82、右板；83、半圆板；84、支撑杆；9、气流流量传感器。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅附图1-8所示，一种智能的适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，包括矫形器本体1和调控机构2，调控机构2依托于矫形器本体1。
矫形器本体1包括外层柔性片11、内层柔性片12以及中层加固片13，内层柔性片12贴覆在中层加固片13的内侧，外层柔性片11贴覆在中层加固片13的外侧；
调控机构2包括矫治力优化设计模块21、终端数据监测反馈模块22和矫治力智能调控模块23，矫治力优化设计模块21的输出端与矫治力智能调控模块23的输入端相接；终端数据监测反馈模块22的输出端与矫治力智能调控模块23的输入端相接，
终端数据监测反馈模块22及矫治力智能调控模块23依托于矫形器本体1，通过在矫形器本体1的施压区，依据矫治力优化设计模块21实现力的加载与调控。
矫治力智能调控模块23包括控制器231、主板4、直流输入单元233、微型气泵233、电磁阀3和微型气囊234。主板4的输入端接在力反馈主控单元222上，输出端接入控制器231。主板4内编有主控程序，且包含矫治力优化设计模块21。控制器231通过电性方式与微型气泵233相接，微型气泵233通过气管6与电磁阀3和微型气囊234连接，其中，电磁阀3和微型气囊234设为一组，并且设置的多组微型气囊234分布在中层加固片13上，每组至少包含一个微型气囊234；
终端数据监测反馈模块22包括力反馈单元221和力反馈主控单元222。柔性压力传感器5通过电性方式与力反馈单元221相接。力反馈单元221的输出端与和力反馈主控单元222相接。柔性压力传感器5固定在微型气囊234表面，且每个施压区至少有一个微型气囊234上固定有柔性压力传感器5，柔性压力传感器5通过电性方式与力反馈主控单元222相接；
矫治力优化设计模块21包含脊柱侧凸保守治疗分型的矫形器设计数据库，和用于优化后补偿损失的限位机构7和旋转机构8。其中，数据库中各类型矫形器的力学设计符合脊柱侧凸各类型矫治的力学特点。在系统中输入患者身体及脊柱侧凸的相关测量数据，可获得矫治力优化后的矫形器设计；
矫治力优化设计模块21包括但不限于搜索PUMC分型或Lenke分型系统数据库或利用机器学习等算法自动匹配优化的矫形器力学设计；限位机构7分别套在连接电磁阀3与微型气囊234之间的气管6的两端上，旋转机构8套在气管6的外部，并且旋转机构8位于限位机构7之间，位于限位机构7外部的气管6内壁上固定有气流流量传感器9，柔性压力传感器5检测微型气囊234和身体之间的压力，控制器231通过与预设的优化矫治力进行压力比较，当压力低于设定压力下限时，控制微型气泵233开启；当压力高于设定压力上限时，控制微型气泵233关闭，微型气泵233对不同区域的微型气囊234进行充/放气，气流流量传感器9检测的气流流量至力反馈单元221，力反馈单元221驱动旋转机构8工作，旋转机构8通过旋转改变气管6直径用于矫治力优化补偿损失；
限位机构7包括上套环71和下套环72，气管6的两端管口被上套环71和下套环72扩大并固定；
旋转机构8包括左板81、右板82、半圆板83和支撑杆84，左板81和右板82对称沿排气管6的长度方向设置，左板81和右板82上各自设置的电机均与支撑杆84连接，支撑杆84的端口固定在半圆板83上，两个半圆板83之间连接构成套在气管6的圆环，并且，电机驱动两根支撑杆84旋转，改变气管6的直径，调整其矫形器本体1各区域压力分布进一步优化，直至气压差值为零停止，通过其控制半圆板83之间的旋转，如两根半圆板83相向旋转或者相反旋转，实现压力损失补偿。
在矫形器设计中增加了矫治力优化设计模块21，是针对脊柱侧凸保守治疗患者根据不同分型，对所适配矫形器的施压区、压力释放区进行分类设计并自动匹配矫形器设计。此方法可减小由矫形器师经验差异而导致的矫形器设计差异，促进矫形器设计标准化和规范化。
相比传统矫形器，此发明可通过增设的终端数据监测反馈模块22和矫治力智能调控模块23实现“矫治力施加-压力监测-压力控制”的闭环系统。其实时监测、智能调节矫治力的功能，可克服矫形器穿戴过程中因形体变化在不更换或调整矫形器的情况下，导致矫治力施加不准确或不稳定的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于：包括矫形器本体(1)和调控机构(2)，所述调控机构(2)依托于矫形器本体(1)可拆卸连接，调控机构与矫形器本体通过无线方式连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于，矫形器本体包括外层柔性片(11)、内层柔性片(12)以及中层加固片(13)，内层柔性片(12)贴覆在中层加固片(13)的内侧，外层柔性片(11)贴覆在中层加固片(13)的外侧。
3.根据权利要求1所述的一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于，所述调控机构(2)包括矫治力优化设计模块(21)、终端数据监测反馈模块(22)和矫治力智能调控模块(23)；矫治力优化设计模块(21)的输出端与矫治力智能调控模块(23)的输入端相接；终端数据监测反馈模块(22)的输出端与矫治力智能调控模块(23)的输入端相连接。
4.根据权利要求3所述的一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于，所述矫治力智能调控模块(23)，包括主板(4)、控制器(231)、直流输入单元(232)、微型气泵(233)、电磁阀(3)和微型气囊(234)；主板(4)的输入端接在力反馈主控单元上(222)，输出端接入控制器(231)；主板(4)内编有主控程序；控制器(231)通过电性方式与微型气泵(233)相接，微型气泵(233)通过气管(6)与电磁阀(3)和微型气囊(234)相连；微型气泵(233)工作时，通过电磁阀(3)控制不同施压部位微型气囊(234)进行充/放气，每组微型气囊(234)包括但不仅限于1个。
5.根据权利要求3或4所述的一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于，所述终端数据监测反馈模块(22)包括力反馈单元(221)和力反馈主控单元(222)；柔性压力传感器(5)通过电性方式与力反馈单元(221)相接，力反馈单元(221)的输出端与力反馈主控单元(222)相接；柔性压力传感器(5)固定于微型气囊(235)上，分布在中层加固片(13)上，可获取施压部位与身体接触压力的大小；每组微型气囊(234)至少包括一个柔性压力传感器(5)。
6.根据权利要求5所述的一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于，所述矫治力优化设计模块(21)包含脊柱侧凸保守治疗分型的矫形器设计数据库，和用于优化补偿损失的限位机构(7)及旋转机构(8)，其中，数据库中各类型矫形器的力学设计符合脊柱侧凸保守治疗各分型下脊柱侧凸矫治的力学特点，在系统中输入患者身体及脊柱侧凸的相关测量数据，可自动获得矫治力优化后的矫形器设计；
优选的，所述限位机构(7)分别套在连接微型气囊(234)的气管(6)两端上，旋转机构(8)套在气管(6)的外部，并且旋转机构(8)位于限位机构(7)之间，位于限位机构(7)外部的气管(6)内壁上固定有气流流量传感器(9)，柔性压力传感器(5)检测微型气囊(234)和身体之间的压力，控制器(231)通过与预设的优化矫治力进行压力比较，当压力低于设定压力下限时，控制微型气泵(233)开启；当压力高于设定压力上限时，控制微型气泵(233)关闭，微型气泵(233)对不同区域的微型气囊(234)进行充/放气，气流流量传感器(9)检测的气流流量至力反馈单元(221)，力反馈单元(221)驱动旋转机构(8)工作，旋转机构(52)通过旋转改变气管(6)直径用于矫治力优化补偿损失；
优选的，所述限位机构(7)包括上套环(71)和下套环(72)，气管(6)的两端管口被上套环(71)和下套环(72)扩大并固定；
优选的，所述旋转机构(8)包括左板(81)、右板(82)、半圆板(83)和支撑杆(84)，左板(81)和右板(82)对称，沿排气管(6)的长度方向设置，左板(81)和右板(82)上各自设置的电机均与支撑杆(84)连接，支撑杆(84)的端口固定在半圆板(83)上，两个所述半圆板(83)之间连接构成套在气管(6)的圆环，电机驱动两根所述支撑杆(84)旋转，改变气管(6)的直径，调整其矫形器本体(1)各区域压力分布进一步优化，直至气压差值为零停止。
7.根据权利要求6所述的一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于，终端数据监测反馈模块(22)及矫治力智能调控模块(23)依托于矫形器本体(1)，通过在矫形器本体(1)的施压区，依据矫治力优化设计模块(21)自动实现力的加载与调控。
8.根据权利要求6或7所述的一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于：所述调控机构可实时监测并智能调节矫治力，实现稳定施加优化矫治力。
9.根据权利要求7所述的一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于，两根所述半圆板(83)相向旋转或者相反旋转。
10.根据权利要求6所述的一种适用于脊柱侧凸的矫治力优化智能调控系统，其特征在于，所述矫治力优化设计模块(21)不限于搜索PUMC分型、Lenke分型系统数据库或利用机器学习算法自动匹配优化的矫形器力学设计。
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