CN116509380B - 一种膝关节坐标建立装置、方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及外科技术领域，尤其涉及一种膝关节坐标建立装置、方法及系统，该装置包括支架和传感器；支架的主体依次包括大腿贴合部、膝盖定位部和小腿贴合部，大腿贴合部和小腿贴合部以膝盖定位部为中心呈设定夹角设置；大腿贴合部和小腿贴合部的自由端还具有释放机构，释放机构包括用于容纳和释放传感器的开口腔室，开口腔室的至少一个开口侧朝向人体的腿部设置；其中，膝盖定位部为与人体膝盖髌骨对应的槽穴或者孔位，传感器朝向人体腿部的一侧具有粘接面，且与控制器通讯连接用于以膝盖髌骨处为中心点进行膝关节坐标体系的建立。上述装置采用三点确定坐标系的方式，与现有技术相比克服了个体差异，保证了一致性的康复训练。
Description
技术领域
本发明涉及外科技术领域，尤其涉及一种膝关节坐标建立装置、方法及系统。
背景技术
在膝关节置换手术后或者膝关节损伤后的康复过程中，需要对患者的屈膝角进行定位或者检测，例如在膝关节置换手术后为避免膝关节过度弯曲造成的挛缩情况，目前采用15度作为术后的屈膝角，在膝关节损伤后的康复过程中，也需要对患者的屈膝角进行识别和检测，以便于对患者的康复训练进行合理的指导；然而如何精确的确定患者的屈膝角成为了目前亟待解决的问题；
现有技术中，公开号为CN102525479A的中国发明专利申请于2012年7月4日公开了一种用于检测人体下肢膝关节运动信息的穿戴型外骨骼机构，如图1中所示，包括大腿构件01、小腿构件02以及与二者转动连接的转动关节03，在大腿构件01和小腿构件02上均具有与人体的大腿和小腿进行连接的抱箍04，在转动关节03和小腿构件02上还具有光电编码器05，在人体穿戴上述外骨骼机构以后，下肢带动该机构作随动运动，进而通过两个编码器来检测膝关节的运动信息；
然而发明人在实施上述方案时发现，上述穿戴机构在实际使用时占据较大空间，并且由于个体腿型差异或者佩戴误差，使得该机构对人体屈膝角的测量存在较大误差。
发明内容
鉴于以上技术问题中的至少一项，本发明提供了一种膝关节坐标建立装置、方法及系统，采用坐标系建立方式的改进以克服个体差异，提高膝关节屈膝角检测的精度。
根据本发明的第一方面，提供一种膝关节坐标建立装置，包括支架和传感器；
所述支架的主体依次包括大腿贴合部、膝盖定位部和小腿贴合部，所述大腿贴合部和小腿贴合部分别设置在所述膝盖定位部两侧，并且所述大腿贴合部和小腿贴合部以所述膝盖定位部为中心呈设定夹角设置；
所述大腿贴合部和小腿贴合部的自由端还具有释放机构，所述释放机构包括用于容纳和释放所述传感器的开口腔室，所述开口腔室的至少一个开口侧朝向人体的腿部设置；
其中，所述膝盖定位部为与人体膝盖髌骨对应的槽穴或者孔位，所述传感器朝向人体腿部的一侧具有粘接面，所述传感器被配置为在所述支架与腿部贴合后粘接于人体腿部，并且与控制器通讯连接用于以膝盖髌骨处为中心点进行膝关节坐标体系的建立。
在本发明的一些实施例中，所述支架的主体为板状结构，所述膝盖定位部为与人体膝盖髌骨对应的孔位。
在本发明的一些实施例中，所述膝盖定位部的孔位呈朝向人体膝盖髌骨方向的扩口状结构，且朝向膝盖髌骨的面为弧形导向面。
在本发明的一些实施例中，所述大腿贴合部和小腿贴合部的夹角为165度，且二者延长线的交点处于所述膝盖定位部的中轴线上。
在本发明的一些实施例中，所述传感器为智能传感器。
在本发明的一些实施例中，所述开口腔室还朝向远离大腿贴合部或者小腿贴合部的方向开口设置，用于所述传感器的放置。
在本发明的一些实施例中，所述传感器的两侧壳体上具有滑槽，所述开口腔室的两侧壁上具有弹性抵持件，所述弹性抵持件与所述滑槽对应，并沿所述开口腔室的侧壁可伸缩设置。
在本发明的一些实施例中，所述开口腔室的顶部开口设置；
或者所述开口腔室的顶部具有按压组件，所述按压组件包括一端伸入至所述开口腔室内另一端凸出于所述开口腔室外的按钮，以及与所述按钮连接的复位弹簧。
根据本发明的第二方面，还提供了一种应用第一方面中任一项所述的膝关节坐标建立装置的膝关节坐标建立方法，包括以下步骤：
放置传感器于释放机构内，并使得传感器的粘接面朝向人体腿部；
将膝盖定位部与人体膝盖髌骨对应，并使得大腿贴合部与大腿贴合、小腿贴合部与小腿贴合；
释放传感器，使得传感器粘接在人体的大腿和小腿上；
将传感器与控制器连接，建立以膝盖定位部中心和两传感器的三点初始坐标系。
根据本发明的第三方面，还提供了一种膝关节坐标建立系统，包括：
如第一方面中任一项所述的膝关节坐标建立装置和与传感器通讯连接的控制器。
本发明的有益效果为：本发明通过在支架上设置膝盖定位部，并且在支架两端放置传感器，通过释放机构实现以膝盖髌骨为中心的传感器定位，由于支架上大腿贴合部和小腿贴合部以设定角度固定设置，进而实现了统一的三点确定坐标系的方式，通过上述装置的设置，能够克服个体差异，保证统一化的康复训练或者屈膝角的设定。
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，下面将对实施例或现有技术描述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中记载的一些实施例，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为背景技术中现有的穿戴型外骨骼机构的结构示意图；
图2为本发明实施例中膝关节坐标建立装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中图2中的爆炸分解结构示意图；
图4为本发明实施例中膝关节坐标建立装置的剖视结构示意图；
图5为本发明实施例中膝关节坐标建立原理示意图；
图6为本发明实施例中图4中的A处局部放大图；
图7为本发明实施例中图4中的B处局部放大图；
图8为本发明实施例中传感器的安装和释放的结构示意图；
图9为本发明实施例中膝关节坐标建立方法的步骤流程图。
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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请的发明人发现，现有的膝关节屈膝角测量方式多需要在腿部进行安装穿戴机构，并且配合穿戴机构上的测量仪器来实现，上述方式一方面佩戴穿戴机构占据了较大空间，使得人体行动不便，另一方面由于人体个体差异，腿型各不相同，也使得穿戴机构的测量存在较大误差；为此，发明人提出了一种无需佩戴穿戴机构，通过传感器来建立坐标系实现人体屈膝角的测量和监控的方案，下面对本申请中所涉及的装置、方法及系统进行详细介绍。
如图2至图8所示的膝关节坐标建立装置，包括支架1和传感器2；在本发明实施例中，支架1用于传感器2的定位，在传感器2固定完成并且坐标系建立完成以后，可以将支架1取下，故支架1仅需在传感器2安装时贴合在腿部前侧即可。
如图2中所示，在本发明的一些实施例中，支架1的主体依次包括大腿贴合部11、膝盖定位部12和小腿贴合部13，大腿贴合部11和小腿贴合部13分别设置在膝盖定位部12两侧，并且大腿贴合部11和小腿贴合部13以膝盖定位部12为中心呈设定夹角设置；在本发明实施例中，膝盖定位部12设置在中间位置，大腿贴合部11和小腿贴合部13在其两侧延伸，该处的两侧是指膝盖朝向大腿侧和朝向小腿侧的方向；
大腿贴合部11和小腿贴合部13的自由端还具有释放机构14，释放机构14包括用于容纳和释放传感器2的开口腔室14a，开口腔室14a的至少一个开口侧朝向人体的腿部设置；释放机构14的作用在于对传感器2的临时定位，当人体的膝盖髌骨与膝盖定位部12贴合以后，由于大腿贴合部11和小腿贴合部13的长度是固定的，并且二者的夹角也是固定的，使得传感器2的位置在人体腿部的位置也是固定的；
在本发明一些实施例中，膝盖定位部12为与人体膝盖髌骨对应的槽穴或者孔位，传感器2朝向人体腿部的一侧具有粘接面21，传感器2被配置为在支架1与腿部贴合后粘接于人体腿部，并且与控制器通讯连接用于以膝盖髌骨处为中心点进行膝关节坐标体系的建立。这里需要指出的是，在本发明实施例中对支架1的具体结构形式不做限定，可以是本发明下述实施例中所采用的板体结构，也可以采用框架形式，或者与人体腿部相适应的模具形式。如图5中所示，本发明的发明构思在于，通过以膝盖定位部12为圆心，大腿贴合部11和小腿贴合部13为半径，实现大腿贴合部11和小腿贴合部13自由端的传感器2的统一初始位置的固定，进而便于后期坐标系的建立，当然这里需要指出的是，通过两个传感器2和一个原点进行坐标系的建立为本领域的现有技术，这里对其具体建立坐标系的算法部分不再进行详细介绍。
在上述实施例中，通过在支架1上设置膝盖定位部12，并且在支架1两端放置传感器2，通过释放机构14实现以膝盖髌骨为中心的传感器2定位，由于支架1上大腿贴合部11和小腿贴合部13以设定角度固定设置，进而实现了统一的三点确定坐标系的方式，通过上述装置的设置，能够克服个体差异，保证统一化的康复训练或者屈膝角的设定。
在上述实施例的基础上，请继续参阅图2至图4，支架1的主体为板状结构，膝盖定位部12为与人体膝盖髌骨对应的孔位。板状结构可以采用钣金或者冲压的方式来实现，上述方案结构简单，便于实施的同时也降低了制作成本，便于批量制作和推广。
在本发明一些实施例中，膝盖定位部12的具体结构如图6中所示，膝盖定位部12的孔位呈朝向人体膝盖髌骨方向的扩口状结构，且朝向膝盖髌骨的面为弧形导向面12a。通过扩口状结构的设置，可以适应多种尺寸的膝盖髌骨，通过弧形导向面12a可以提高与膝盖的贴合程度，进而进一步提高定位的精准性。
在本发明实施例中，大腿贴合部11和小腿贴合部13的夹角可以根据实际需要进行设定，如图4中所示，在本发明的一个实施例中，大腿贴合部11和小腿贴合部13的夹角为165度，且二者延长线的交点处于膝盖定位部12的中轴线上。通过这种角度的设置，便于腿部的自然弯曲，并使得膝盖的髌骨处于最高点处，便于膝盖定位部12的定位。
在本发明实施例中，传感器2采用智能传感器，这里的智能传感器具有多种类型，例如六轴姿态传感器其为现有技术，可以测量运动载体的各种姿态参数，例如横滚角、俯仰角、角速度、加速度等等，通过该传感器2的设置，可以测定人体腿部除了屈膝角以外的各种参数，便于后期康复训练时各种参数的监测。当然这里需要指出的是，智能传感器还可以是角度传感器、位移传感器等等，通过移动轨迹或者角度变化来测定人体屈膝角等运动参数。
在本发明一些实施例中，关于传感器2的放置和释放的具体结构如图7和图吹扫所示，开口腔室14a还朝向远离大腿贴合部11或者小腿贴合部13的方向开口设置，用于传感器2的放置。请参照图8，通过外侧开口的方式，实现传感器2的横向置入，该种结构形式使得传感器2可以在支架1与人体贴合前后均可以实现传感器2的放置，能够提高放置的效率。
为了进一步提高传感器2放置的精度，如图8中所示，传感器2的两侧壳体上具有滑槽22，开口腔室14a的两侧壁上具有弹性抵持件14b，弹性抵持件14b与滑槽22对应，并沿开口腔室14a的侧壁可伸缩设置。在本发明一些实施例中，弹性抵持件14b可以采用弹簧抵持圆柱的形式，类似于锁孔内的滑柱，在传感器2横向放置时，由于滑槽22的存在，弹性抵持件14b没有受到过多外力，能够起到传感器2的导向功能，在本发明实施例中，开口腔室14a的尺寸与传感器2适配，即当传感器2穿入至开口腔室14a内并且与开口腔室14a内壁抵持时，表示传感器2固定到位，然后在弹性抵持件14b与滑槽22的配合下，保持传感器2的位置不动。
在具体进行传感器2的释放时，本发明实施例中提供了两种结构形式，一种是开口腔室14a的顶部开口设置，即开口腔室14a的顶部具有供人体手指进入并对传感器2进行按压的孔位，通过手指对传感器2的按压，实现弹性抵持件14b的收缩，进而使得传感器2朝着按压方向将传感器2贴合在人体的腿部。
在本发明另一种实施例中，如图7中所示，开口腔室14a的顶部具有按压组件15，按压组件15包括一端伸入至开口腔室14a内另一端凸出于开口腔室14a外的按钮15a，以及与按钮15a连接的复位弹簧15b。这里需要指出的是，按压组件15伸入至开口腔室14a内的一端面与传感器2的上表面适配，从而能够提高按压时方向的可控性，使得传感器2朝向按压方向移动而不产生横向滑移，进一步提高传感器2固定的精准度。
在本发明实施例的另一方面，还提供了应用上述膝关节坐标建立装置的膝关节坐标建立方法，如图9中所示，包括以下步骤：
S10：放置传感器2于释放机构14内，并使得传感器2的粘接面21朝向人体腿部；这里的朝向人体腿部是指在支架1的膝盖定位部12与人体髌骨对应时，放置好的传感器2的底面朝向人体的大腿或者小腿的前侧；
S20：将膝盖定位部12与人体膝盖髌骨对应，并使得大腿贴合部11与大腿贴合、小腿贴合部13与小腿贴合；通过膝盖以及大腿小腿与支架1的贴合，使得人体的腿部以固定的角度与支架1贴合，并且传感器2的固定位置均是以膝盖为中心，大腿贴合部11和小腿贴合部13的长度为半径进行统一位置的放置；
S30：释放传感器2，使得传感器2粘接在人体的大腿和小腿上；这里的粘贴面可以采用类似双面胶的结构实现；
S40：将传感器2与控制器连接，建立以膝盖定位部12中心和两传感器2的三点初始坐标系。在坐标系建立以后，即可将支架1取下，接下来对人体屈膝角等各种腿部运动参数的测量均可以通过该坐标系以及传感器2来实现，通过上述方法，一方面减轻了人体的负担，另一方面统一了坐标系参数的设定，进而提高了对人体腿部屈膝角等参数的测定精度。
在本发明实施率中，还请求保护一种膝关节坐标建立系统，包括上述膝关节坐标建立装置和与传感器2通讯连接的控制器。这里需要指出的是，坐标系建立装置的作用主要在于传感器2的安装和定位，定位完成以后，通过与控制器或者其他终端或者软件进行通讯连接的方式，实现下一步的测量，传感器2与控制器的通讯连接可以采用有线的形式，也可以采用无线的形式来实现，例如采用蓝牙、wifi或者zigbee等方式，可以进一步降低人体的负担或对人体的影响，实现更加精准的测量。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种膝关节坐标建立装置，其特征在于，包括支架和传感器；
所述支架的主体依次包括大腿贴合部、膝盖定位部和小腿贴合部，所述大腿贴合部和小腿贴合部分别设置在所述膝盖定位部两侧，并且所述大腿贴合部和小腿贴合部以所述膝盖定位部为中心呈设定夹角设置；
所述大腿贴合部和小腿贴合部的自由端还具有释放机构，所述释放机构包括用于容纳和释放所述传感器的开口腔室，所述开口腔室的至少一个开口侧朝向人体的腿部设置；
其中，所述膝盖定位部为与人体膝盖髌骨对应的槽穴或者孔位，所述传感器朝向人体腿部的一侧具有粘接面，所述传感器被配置为在所述支架与腿部贴合后粘接于人体腿部，并且与控制器通讯连接用于以膝盖髌骨处为中心点进行膝关节坐标体系的建立；
所述支架的主体为板状结构，所述膝盖定位部为与人体膝盖髌骨对应的孔位，通过以所述膝盖定位部为圆心，所述大腿贴合部和小腿贴合部为半径，实现所述大腿贴合部和小腿贴合部自由端的所述传感器的统一初始位置的固定。
2.根据权利要求1所述的膝关节坐标建立装置，其特征在于，所述膝盖定位部的孔位呈朝向人体膝盖髌骨方向的扩口状结构，且朝向膝盖髌骨的面为弧形导向面。
3.根据权利要求2所述的膝关节坐标建立装置，其特征在于，所述大腿贴合部和小腿贴合部的夹角为165度，且二者延长线的交点处于所述膝盖定位部的中轴线上。
4.根据权利要求1所述的膝关节坐标建立装置，其特征在于，所述传感器为智能传感器。
5.根据权利要求1所述的膝关节坐标建立装置，其特征在于，所述开口腔室还朝向远离大腿贴合部或者小腿贴合部的方向开口设置，用于所述传感器的放置。
6.根据权利要求5所述的膝关节坐标建立装置，其特征在于，所述传感器的两侧壳体上具有滑槽，所述开口腔室的两侧壁上具有弹性抵持件，所述弹性抵持件与所述滑槽对应，并沿所述开口腔室的侧壁可伸缩设置。
7.根据权利要求6所述的膝关节坐标建立装置，其特征在于，所述开口腔室的顶部开口设置；
或者所述开口腔室的顶部具有按压组件，所述按压组件包括一端伸入至所述开口腔室内另一端凸出于所述开口腔室外的按钮，以及与所述按钮连接的复位弹簧。
8.一种应用权利要求1至7中任一项所述的膝关节坐标建立装置的膝关节坐标建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
放置传感器于释放机构内，并使得传感器的粘接面朝向人体腿部；
将膝盖定位部与人体膝盖髌骨对应，并使得大腿贴合部与大腿贴合、小腿贴合部与小腿贴合；
释放传感器，使得传感器粘接在人体的大腿和小腿上；
将传感器与控制器连接，建立以膝盖定位部中心和两传感器的三点初始坐标系；
通过以所述膝盖定位部为圆心，所述大腿贴合部和小腿贴合部为半径，实现所述大腿贴合部和小腿贴合部自由端的所述传感器的统一初始位置的固定。
9.一种膝关节坐标建立系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至7中任一项所述的膝关节坐标建立装置和与传感器通讯连接的控制器。
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