CN116530975A - 膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估装置和评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估装置和评估方法，是将单髁股骨假体安装在股骨截骨后的截骨面上，然后将弧形胫骨假体与测量装置安装后放置于胫骨截完后的胫骨平台上，然后模拟植入后股骨假体与胫骨假体实际受力点的运动情况，通过运动胫骨测量装置实时记录整个运动过程中受力点的运动轨迹并形成运动轨迹曲线图，从运动轨迹曲线图用户评估当前厚度下关节假体的运动情况。本发明为用户提供直观的压力数据和受力点动态轨迹显示，为用户选择假体厚度和安装假体位置提供了很好的参考依据，极大的方便了术中操作，提高了患者的术后康复效果。
Description
技术领域
本发明涉及膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估装置和评估方法。
背景技术
膝关节主要由股骨、胫骨、髌骨组成，随着社会人口的老龄化，膝关节疾病已经成为影响老年人一种常见的疾病，其中膝关节的骨关节炎是发病率较高的一种。膝关节骨关节炎的后期，膝关节疼痛、肿胀严重影响关节的活动能力。对于后期的膝关节骨关节炎，采取的典型治疗方法为：人工膝关节置换术。人工膝关节置换术按照膝关节的保留程度可以区分为：全膝关节置换术和膝关节单髁置换术。
膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty，UKA)是相对于全膝关节置换术而言的一种新型微创手术，只置换病损部位，对膝关节内侧或外侧进行表面置换，用假体替代膝关节股、胫关节受损的软骨表面，该技术不需要剔除前后交叉韧带，最大限度的保留了患者的本体感觉和关节功能。在膝关节单髁置换术中，膝关节假体包括股骨单髁假体、胫骨假体以及半月板衬垫，其中半月板衬垫放置于股骨单髁假体、胫骨假体之间，在安装假体时需要选择合适的假体厚度、尺寸，同时需要将半月板衬垫安装在合适的位置才能保证植入的膝关节假体在实际屈伸过程中受力均衡。因此，对假体尺寸、厚度的选择以及半月板衬垫的定位安装至关重要。
现有技术中，医务人员凭借主观判断来选择半月板衬板厚度、尺寸，但通过经验来判断所植入假体的松紧度效率低，手术时间长，不能进行准确定位，进而导致无法确保植入的单髁假体受力均衡。另一种技术是利用压力传感器进行压力测量，现有的CN107242907A公开了一种膝关节单髁压力测量装置和系统，结构主要由压力测量头、连接部和把持手柄组成，其中压力测量头表面为半月形弧面，与单髁股骨髁假体相匹配，压力测量头内部设置压力传感器，可以获取测量头所承受的压力，并通过无线连接模块将压力数值传送至显示终端。其中压力测量头有不同型号尺寸，通过螺钉、铰链等方式与连接部可拆卸连接，且压力测量头可以从底部增加厚度。该技术中通过压力传感器的测量方法可以测量出压力数值，但是其结构设计中压力测量头需要根据不同尺寸型号的假体设计多个，且与把持手柄采用螺钉或铰链方式连接，此技术存在以下缺点：
①压力测量头设计多个，对应的压力传感器也需要很多，成本高；
②引入其他连接件，拆卸安装过程复杂繁琐，延长手术时间；
③压力测量头经常拆卸会导致精度不准。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，采用的技术方案是：
根据单髁置换术的常规手术流程，即采用截骨、测量、验证的设计方案来评估关节腔的压力大小和假体植入后的关节活动状态。提出一种膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估装置和评估方法，在截完胫骨和股骨之后，安装单髁股骨假体之前可以通过在关节腔内设置几个受力点来测量不同厚度垫片时关节腔的压力。具体来说，通过对截完骨安装假体试模后的关节腔用不同厚度的垫片进行测量，根据不同厚度垫片下的测量数据可以判断出植入假体的厚度数据。在正式安装假体之前可以利用单髁股骨假体试模与安装弧形胫骨假体的测量装置通过受力点的运动进行验证。
本发明的具体技术方案是，一种膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估方法，首先将单髁股骨假体安装在股骨截骨后的截骨面上，然后将弧形胫骨假体与测量装置安装后放置于胫骨截完后的胫骨平台上，然后模拟植入后股骨假体与胫骨假体实际受力点的运动情况，通过运动胫骨测量装置实时记录整个运动过程中受力点的运动轨迹并形成运动轨迹曲线图，从运动轨迹曲线图用户评估当前厚度下关节假体的运动情况。
进一步的，根据在测量过程中记录下股骨和胫骨不同屈曲角度下的压力数值，结合所安装的假体压力-角度曲线图实时显示给用户，用户通过曲线图判断当前的截骨厚度是否合适的评估。
为实现上述评估方法，本发明提出了一种膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估装置，所述评估装置内部设有压力测量单元，所述压力测量单元包括呈三角形分布的压力检测传感器，在压力检测传感器下设有梯形悬臂梁。
进一步的，所述评估装置为条形结构，评估装置外部由上壳、下壳、卡扣开关组成。
进一步的，所述压力测量单元表面所设的压力检测传感器是三个圆柱形结构或半球形结构的压力点，三个压力点呈三角形分布，两个底角30°＜α＜90°，顶角20°＜β＜90°。
优选的，三个压力点采用等腰三角形的布局，两个底角α为72°，顶角β为36°。这样布局可以让受力中心处在顶角的角平分线上，测量时更符合人体工程学。
进一步的，所述检测压力点下方是梯形悬臂梁，悬臂梁厚度为1.5～3mm。
进一步的，所述评估装置的上壳两端各设有一个压力测部位，中间部位安装电路板、纽扣电池，两端的压力测量部位尺寸根据半月板衬垫尺寸设计了两个常用尺寸S(小)型和M(中)型。在两端的压力测量部位设计有两个定位安装孔，是为了与插块和弧面垫片配合测量，采用柱孔配合拆卸安装效率高，无感染风险。插块和弧面垫片有不同型号尺寸，每个型号有不同厚度，两端的压力测量部位可以与不同尺寸、不同厚度的插块和弧面垫片相配合进行测量。同时整个结构的上、下壳采用医用胶进行粘接，可以很好的起到密封作用，防止内部空气外溢，降低感染风险。
进一步的，所述卡扣开关是磁控开关，灵敏度很高，控制整个装置的通断。
进一步的，所述压力检测点是在悬臂梁表面粘接电阻式应变计，电阻式应变计与电路板通过导线相连；插块或弧面垫片与压力测量部位配合后，表面的三个压力点便会起到支撑作用，测量时当股骨或股骨假体压到插块或弧面垫片上之后，因为压力作用三个压力点下面的悬臂梁会发生形变，此时粘接在悬臂梁表面的电阻式应变计也会发生微形变，整个电路的电阻、电压也会随之发生改变，经内部电路、算法的转换分析，最后将压力信号转换为数字信号通过无线连接传送至智能终端上。
进一步的，在硬件电路设计中增加了运动传感器来获取空间姿态数据，当设备被固定在胫骨平台上后随着胫骨的运动通过系统及无线微处理器的数据融合算法进行姿态角度的转换运算后获得此装置的空间角度位置，并通过无线传输将不同屈曲角度下的压力数据隔空传给显示设备，智能终端将所接受的数据进行算法转化，融合整理，在显示压力数据的同时形成压力-角度曲线图进行实时显示。
进一步的，所述压力数据的受力点实时坐标是根据三个压力点的坐标及三个压力点的实时压力进行加权计算，三个压力点的坐标分别为(X1,Y1)(X2,Y2)(X3,Y3),三个压力点的实时压力值为(F1，F2，F3)，根据以下公式可以计算出受力点的实时坐标(X,Y)：
式中：
F1、F2、F3为单侧每个压力点所受到的压力值；
X1、X2、X3为每个压力点的横坐标值；
Y1、Y2、Y3为每个压力点的纵坐标值。
进一步的，所述评估装置的材质为医用级PC。
进一步的，悬臂梁材质可以是非金属材料或金属材料。
进一步的，半球形结构的压力点也可以是圆柱形结构或其他结构，其中圆柱形结构相比球形结构与垫片配合时接触面积更大，从而摩擦力也更大，经测试发现对测量精度有影响，优先方案为半球形结构，点接触配合，摩擦力小。
进一步的，三个压力点的布局优选等腰三角形结构布局。
进一步的，所述压力检测传感器是电阻式应变计。
进一步的，所述无线传输方式是蓝牙传送方式。
进一步的，所述定位安装孔采用柱孔结构配合、或锥孔、卡扣结构配合。
进一步的，使用本发明的评估装置，配合弧形垫片在屈伸过程中进行压力测量时，此装置还可以将股骨与胫骨屈曲几个特定角度θ20°、40°、60°、80°、100°、110°、120°下的压力记录下来，并生成压力-角度曲线图，用户可以更加直观的看到屈伸过程中压力随屈伸角度的变化趋势，从而判断当前股骨远端的截骨厚度是否合适。通常在单髁置换术中股骨截骨部分首先是对股骨后髁进行截骨，最后对股骨内侧远端进行截骨，同时整个手术过程中不切除任何韧带，保证韧带的完整性。股骨后髁的截骨厚度一般取决于所要安装的股骨假体厚度，可以直接确定，胫骨的截骨厚度一般也可以根据假体和患者自身情况直接确定，而股骨远端截骨厚度因为原始的骨面已经出现磨损所以无法直接确定，因此在实际手术中对于股骨远端的截骨厚度需要逐步增加厚度去截，也就是按照1mm的厚度递增截骨，最终实现伸直间隙和屈曲间隙相等，也就是伸直压力等于屈曲压力，通过本发明得到的压力-角度曲线便可以让用户知道当前的股骨远端截骨厚度是否合适，从而对股骨远端进行下一步截骨进行评估。具体来说，股骨远端每增加1mm截骨之后用户需要安装上股骨假体和弧形胫骨假体配合测量装置进行屈伸运动来测试验证，观察压力-角度的曲线趋势。当整个屈伸运动过程中压力-角度曲线接近于一条直线或者曲线起伏波动比较小时，说明当前状态下的伸直压力和屈曲压力是相等的，当前的截骨厚度也是比较合适的，达到了单髁置换术的理想状态。当压力-角度曲线出现逐渐递减的趋势时，说明在当前的截骨厚度下整个屈伸运动过程中伸直压力大于屈曲压力，主要是因为股骨远端截骨厚度太小，造成假体安装之后股骨与胫骨之间间隙太小太紧，从而造成伸直运动时压力过大，此时用户需要做的就是再次对股骨远端进行截骨，截骨之后安装假体再次进行测试，以此往复，直到整个屈伸运动过程中压力-角度的曲线接近直线或起伏较小时便可以安装最终的假体。
本发明的积极效果在于：
目前市场上还没有膝关节单髁压力测量的相关产品，本发明完全可以做成果转换，造福患者。本发明可以在膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty，UKA)时为用户提供直观的压力数据和受力点动态轨迹显示，为用户选择假体厚度和安装假体位置提供了很好的参考依据，极大的方便了术中操作，提高了患者的术后康复效果。从具体技术效果来看：
1、可以量化压力数据，直观显示；
2、无需多个压力测量头和多个传感器，成本低；
3、压力测量部位与把持部分为一体设计，无需拆卸，并且采用柱孔结构与插块和弧面垫片配合，不引入其他连接件，操作简单，安装方便；
4、通配性强，可以与市场上所有型号尺寸的假体进行配合；
5、可以显示受力点运动轨迹，模拟验证植入假体后关节的运动情况；
6、可以检测屈曲角度，实时显示不同角度下的膝关节压力，并形成压力-角度曲线图，用户可以看到压力随屈曲角度的变化关系。
附图说明
图1为本发明的整体结构爆炸图。
图2为整体结构的主视图。
图3为压力测量部位压力点的布局示意图。
图4为悬臂梁结构示意图。
图5原理示意图。
图6是配合插块测量股骨与胫骨间隙示意图。
图7是配合弧面垫片进行测量的示意图。
图8是在显示设备上显示压力随屈曲角度的变化曲线图。
图9是膝关节单髁压力测量示意图；
图10是膝关节单髁压力测量示意图。
具体实施方式
实施例1
一种膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估装置，所述评估装置内部设有压力测量单元，所述压力测量单元包括呈三角形分布的压力检测传感器，在压力检测传感器下设有梯形悬臂梁。整体结构为条形结构，由上壳1、下壳2、卡扣开关3组成，材料选用医用级PC(如图1)。上壳两端各设计一个压力测部位，包括压力测量单位S和压力测量单位M(如图2)，中间部位安装电路板、纽扣电池，所述两端的压力测量部位尺寸是根据半月板衬垫尺寸设计了两个常用尺寸S(小)型和M(中)型。压力测量部位表面各有三个半球形结构的压力点，三个压力点呈等腰三角形分布(如图3)，两个底角α为72°，顶角β为36°，这样布局可以让受力中心处在顶角的角平分线上，测量时更符合人体工程学。每个压力点下面是梯形悬臂梁结构(如图4)，悬臂梁厚度1.5～3mm，通过对悬臂梁进行有限元静力学分析，每个悬臂梁可以承受300N的压力，每100N的垂直位移量约为0.1mm，高强度的悬臂梁结构可以保证在测量过程中不会因为受力过大而损坏无法使用。两端的压力测量部位设计有两个定位安装孔，是为了与插块和弧面垫片配合测量，采用柱孔配合拆卸安装效率高，无感染风险。插块和弧面垫片有不同型号尺寸，每个型号有不同厚度，两端的压力测量部位可以与不同尺寸、不同厚度的插块和弧面垫片相配合进行测量。同时整个结构的上、下壳采用医用胶进行粘接，可以很好的起到密封作用，防止内部空气外溢，降低感染风险。卡扣开关不同与一般的机械按压开关，为磁控开关，灵敏度很高，控制整个装置的通断。
压力/角度测量实现原理(如图5)：每个悬臂梁表面粘接电阻式应变计，电阻式应变计与电路板通过导线相连。插块4或弧面垫片5与压力测量部位配合后，表面的三个压力点便会起到支撑作用，测量时当股骨或股骨假体压到插块或弧面垫片上之后，因为压力作用三个压力点下面的悬臂梁会发生形变，此时粘接在悬臂梁表面的电阻式应变计也会发生微形变，整个电路的电阻、电压也会随之发生改变，经内部电路、算法的转换分析，最后将压力信号转换为数字信号通过蓝牙连接模块传送至智能终端上。
同时，在硬件电路设计中增加了运动传感器来获取空间姿态数据，当设备被固定在胫骨平台上后随着胫骨的运动通过系统及无线微处理器的数据融合算法进行姿态角度的转换运算后获得此装置的空间角度位置，并通过蓝牙传输将不同屈曲角度下的压力数据隔空传给显示设备，智能终端将所接受的数据进行算法转化，融合整理，在显示压力数据的同时形成压力-角度曲线图进行实时显示。
受力点的实时坐标是根据三个压力点的坐标及三个压力点的实时压力进行加权计算，三个压力点的坐标分别为(X1,Y1)(X2,Y2)(X3,Y3),三个压力点的实时压力值为(F1，F2，F3)，根据以下公式可以计算出受力点的实时坐标(X,Y)：
式中：
F1、F2、F3为单侧每个压力点所受到的压力值；
X1、X2、X3为每个压力点的横坐标值；
Y1、Y2、Y3为每个压力点的纵坐标值。
实施例2
本发明提供一种膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估装置，可以在术中实时测量股骨假体与胫骨假体之间的压力，不同型号尺寸的半月形弧面垫片可以跟此装置进行配合，拆卸方便，成本低。同时术中使用的测量股骨和胫骨之间间隙的插块也可以与此装置进行配合(图6)，不同型号尺寸、厚度的插块都可以与之配合，可以让医生很直观的看到不同型号尺寸、不同厚度下的压力情况，帮助医生选择合适的单髁假体厚度。
确定了合适的假体厚度后便可以安装假体，为了保证植入假体后膝关节的运动情况与正常关节尽可能接近，需要对所植入假体后的膝关节运动情况进行模拟验证。在植入股骨单髁假体之后，将此装置与弧面垫片配合放置于胫骨与股骨单髁假体之间进行屈伸过程中的压力测量(图7)。此过程便可以模拟假体植入后的真实运动情况，观察屈伸过程中受力点运动轨迹是否连续，受力点运动轨迹的连续性可以准确、真实的反映植入假体后膝关节运动过程中有没有出现股骨单髁假体与弧面垫片未接触不受力的情况。如果整个屈伸运动过程中受力点运动轨迹连续无断开，说明目前厚度的假体可以很好的相互配合，反之，如果受力点运动轨迹在屈伸过程中出现断开或多次断开，则说明在某一位置或多个位置股骨单髁假体与弧面垫片脱离未接触，导致弧面垫片没有受到压力，此种情况便可以通过受力点运动轨迹及时反馈给医生，让医生进行下一步调整。
同时配合弧形垫片在屈伸过程中进行压力测量时，此装置还可以将股骨与胫骨屈曲几个特定角度θ20°、40°、60°、80°、100°、110°、120°下的压力记录下来，并生成压力-角度曲线图，医生可以更加直观的看到屈伸过程中压力随屈伸角度的变化趋势(图8)，更重要的是可以判断当前股骨远端的截骨厚度是否合适。通常在单髁置换术中股骨截骨部分首先是对股骨后髁进行截骨，最后对股骨内侧远端进行截骨，同时整个手术过程中不切除任何韧带，保证韧带的完整性。股骨后髁的截骨厚度一般取决于所要安装的股骨假体厚度，可以直接确定，胫骨的截骨厚度一般也可以根据假体和患者自身情况直接确定，而股骨远端截骨厚度因为原始的骨面已经出现磨损所以无法直接确定，因此在实际手术中对于股骨远端的截骨厚度需要逐步增加厚度去截，也就是按照1mm的厚度递增截骨，最终实现伸直间隙和屈曲间隙相等，也就是伸直压力等于屈曲压力，本测量装置中的压力-角度曲线便可以让医生知道当前的股骨远端截骨厚度是否合适，从而指导医生对股骨远端进行下一步截骨。
股骨远端每增加1mm截骨之后医生需要安装上股骨假体和弧形胫骨假体配合测量装置进行屈伸运动来测试验证，观察压力-角度的曲线趋势。当整个屈伸运动过程中压力-角度曲线接近于一条直线或者曲线起伏波动比较小时(图9)，说明当前状态下的伸直压力和屈曲压力是相等的，当前的截骨厚度也是比较合适的，达到了单髁置换术的理想状态。当压力-角度曲线出现逐渐递减的趋势时(图10)，说明在当前的截骨厚度下整个屈伸运动过程中伸直压力大于屈曲压力，主要是因为股骨远端截骨厚度太小，造成假体安装之后股骨与胫骨之间间隙太小太紧，从而造成伸直运动时压力过大，此时医生需要做的就是再次对股骨远端进行截骨，截骨之后安装假体再次进行测试，以此往复，直到整个屈伸运动过程中压力-角度的曲线接近直线或起伏较小时便可以安装最终的假体。
Claims (14)
1.一种膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估方法，其特征在于，首先将单髁股骨假体安装在股骨截骨后的截骨面上，然后将弧形胫骨假体与测量装置安装后放置于胫骨截完后的胫骨平台上，然后模拟植入后股骨假体与胫骨假体实际受力点的运动情况，通过运动胫骨测量装置实时记录整个运动过程中受力点的运动轨迹并形成运动轨迹曲线图，从运动轨迹曲线图用户评估当前厚度下关节假体的运动情况。
2.根据权利要求1所述的一种膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估方法，其特征在于，根据在测量过程中记录下股骨和胫骨不同屈曲角度下的压力数值，结合所安装的假体压力-角度曲线图实时显示给用户，用户通过曲线图判断当前的截骨厚度是否合适的评估。
3.一种膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估装置，采用如权利要求1所述的评估方法，所述评估装置内部设有压力测量单元，所述压力测量单元包括呈三角形分布的压力检测传感器，在压力检测传感器下设有梯形悬臂梁。
4.根据权利要求3所述的评估装置，其特征在于，所述评估装置为条形结构，评估装置外部由上壳、下壳、卡扣开关组成。
5.根据权利要求3所述的评估装置，其特征在于，所述压力测量单元表面所设的压力检测传感器是三个圆柱形结构或半球形结构的压力点，三个压力点呈三角形分布，两个底角30°＜α＜90°，顶角20°＜β＜90°。
6.根据权利要求5所述的评估装置，其特征在于，三个压力点采用等腰三角形的布局，两个底角α为72°，顶角β为36°。
7.根据权利要求5所述的评估装置，其特征在于，所述检测压力点下方是梯形悬臂梁，悬臂梁厚度为1.5～3mm。
8.根据权利要求5所述的评估装置，其特征在于，所述评估装置的上壳两端各设有一个压力测部位，中间部位安装电路板、纽扣电池，两端的压力测量部位尺寸根据半月板衬垫尺寸设计了两种相同或不同的常用尺寸。
9.根据权利要求8所述的评估装置，其特征在于，在两端的压力测量部位设有两个定位安装孔。
10.根据权利要求8所述的评估装置，其特征在于，所述卡扣开关是磁控开关，控制整个装置的通断。
11.根据权利要求3所述的评估装置，其特征在于，所述压力检测是在悬臂梁表面粘接电阻式应变计，电阻式应变计与电路板通过导线相连；插块或弧面垫片与压力测量部位配合后，表面的三个压力点便会起到支撑作用，测量时当股骨或股骨假体压到插块或弧面垫片上之后，压力作用三个压力点下面的悬臂梁会发生形变，此时粘接在悬臂梁表面的电阻式应变计也会发生微形变，整个电路的电阻、电压也会随之发生改变，将压力信号转换为数字信号通过无线连接传送至终端。
12.根据权利要求3所述的评估装置，其特征在于，评估装置中设有运动传感器获取空间姿态数据，当设备被固定在胫骨平台上后随着胫骨的运动通过系统及无线微处理器的数据融合算法进行姿态角度的转换运算后获得此装置的空间角度位置，并通过无线传输将不同屈曲角度下的压力数据隔空传给显示设备，在显示压力数据的同时形成压力-角度曲线图进行实时显示。
13.根据权利要求12所述的评估装置，其特征在于，所述压力数据的受力点实时坐标是根据三个压力点的坐标及三个压力点的实时压力进行加权计算，三个压力点的坐标分别为(X1,Y1)(X2,Y2)(X3,Y3),三个压力点的实时压力值为(F1，F2，F3)，根据以下公式可以计算出受力点的实时坐标(X,Y)：
式中：
F1、F2、F3为单侧每个压力点所受到的压力值；
X1、X2、X3为每个压力点的横坐标值；
Y1、Y2、Y3为每个压力点的纵坐标值。
14.根据权利要求9所述的评估装置，其特征在于，所述定位安装孔采用柱孔结构配合、或锥孔、卡扣结构配合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310494377.6A CN116530975A (zh) | 2023-05-05 | 2023-05-05 | 膝关节单髁压力和受力点运动轨迹的评估装置和评估方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN116530975A true CN116530975A (zh) | 2023-08-04 |
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|---|---|
| CN (1) | CN116530975A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117297611A (zh) * | 2023-09-27 | 2023-12-29 | 上海逸动医学科技有限公司 | 一种用于膝关节压力测量的辅助装置 |
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2023
- 2023-05-05 CN CN202310494377.6A patent/CN116530975A/zh active Pending
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