CN116602682A - 获取软组织张力数值和/或评估软组织平衡的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及获取软组织张力数值和/或评估软组织平衡的设备及方法，包括压力测量模块、测量数据处理模块；所述压力测量模块是仿生悬臂梁和应变传感器；本发明通过系统级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设备的空间角度位置；当设备被固定在胫骨平台上后跟随胫骨运动获得胫骨的实时角度位置，经过系统运算后通过无线数据传输，将空间角度数据和软组织张力数据隔空传给智能终端，智能终端将数据进行算法转化，结合3D结构数据进行实时显示。本发明可用于全膝关节置换手术TKA，基于传感器技术辅助医生进行膝关节置换手术中测量、计算、获取软组织张力数值和/或评估软组织平衡，从而实现智能规划。

Description

获取软组织张力数值和/或评估软组织平衡的设备及方法
技术领域
本发明涉及获取软组织张力数值和/或评估软组织平衡的设备及方法，可用于全膝关节置换手术TKA，基于传感器技术辅助医生进行膝关节置换手术中测量、计算、获取软组织张力数值和/或评估软组织平衡，从而实现智能规划。
背景技术
随着社会人口日益老龄化，老龄化程度的逐渐加深不仅对社会和生活带来了诸多不便，也给公共卫生医疗带来了巨大的压力。每年全国各大医院进行的全膝关节置换手术的数量也日益增加。其中，骨性关节炎就是目前老年人群体中较为常见的一种疾病，给老年人的生活和健康造成了很大的影响。特别是术中对于膝关节软组织及韧带张力评估成为术后患者康复的重要影响因素，张力过紧会导致膝关节屈曲角度受限，张力过松会导致膝关节产生滑动等。
随着全膝关节置换术技术的不断进步,软组织平衡的问题开始被关注,对关节周围组织的结构特点和力学特性的认识不断加深,软组织平衡的评价测量方法和松解技术也不断发展,临床上软组织平衡技术用于治疗截骨后仍然无法完全纠正内翻或外翻畸形的膝关节,软组织平衡技术包括滑移截骨技术,Insall松解技术,从关节镜手术中引进的PieCrusting松解技术,相关的研究及随访表明这些方法能够有效地纠正不平衡的软组织,但每种技术都存在缺陷。
全膝关节置换术(total knee replacement,TKR)，术中软组织的不平衡,不稳定与不良的临床结果和术后并发症有关,即使医生在TKR中经过细致的观察,也并未实现完美的软组织平衡.在过去的几十年中,TKR术中的软组织平衡装置发展迅速,已经有机器人辅助下对软组织进行平衡的报道。
目前市场上获取软组织张力数值的设备多为膝关节间隙调整垫片，用户通过增加或减少垫片来改变关节间隙，然后通过手套触摸患者软组织韧带张力松紧情况评估患者软组织是否平衡，这种评估方式没有量化数据全凭经验，很难提高准确度。
此外，还有使用膜片电阻传感器的设备，其原理是根据膜片涂层与导电箔材之间的界面电阻、导电剂的分布、活性材料以及颗粒之间存在一定的阻值，当表面受到不同的压力接触面积不同而产生不同的阻值，经过电路转换将阻值转换为量化数值数据。这种设备受材料影响一致性差、接触面积受加工工艺影响大、测量精度低不能精确评估出患者内外侧软组织张力数值。
除此之外，也有采用机器人辅助下对软组织进行平衡评估的方法，但这类机器人没有直接获取软组织间的压力数值，而是改变关节间隙和距离调整进行软组织的张力评估，虽然能保证测量数据精度，但设备占用手术空间大，使用和学习时间长；而且下肢运动是一个动态过程，因此这类机器人、机械臂在运动过程中如果操作不当，不可避免的会造成二次伤害。
更为智能化的目前也有通过机器人辅助下能够对软组织进行实时数据量化评估，但由于监测患者下肢动态屈曲运动时，红外导航定位容易受遮挡，数据连接易中断，机器人操作不当会产生其他损伤，且对患者进行功能性间隙平衡评估而非软组织张力评估，两者也并不能为最终的膝关节软组织张力的平衡提出智能规划和软组织韧带松解等进一步的技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提出一种获取软组织张力数值的设备，包括压力测量模块、测量数据处理模块。
所述压力测量模块是仿生悬臂梁和应变传感器；
所述测量数据处理模块是模拟转数字放大电路、模拟转数字处理集成电路、IMU传感器和系统级无线微处理器；
所述仿生悬臂梁结构使得设备更充分的与人体胫骨特殊结构进行配合，最大限度的分布胫骨平台；应变传感器结构可使用现有毫克称重器的内部技术和结构上进行改进，本发明使用六个传感器，按照膝关节胫骨平台的半月形结构进行设计规划，使六个传感器最大程度的包覆胫骨平台，使之获取的数据通过应力分析最有效。本发明配合医疗级PC材料优化设计，压力测量模块整体的厚度在7mm内，以此满足设备使用时能充分有效的固定到关节间隙中。
所述模拟电路设计采用1/4惠斯通电桥电路将获取到的电压变化通过放大电路和数模转换电路转换后，将数据发送给微处理器，微处理器将获取到的数据结合存储校准的参数通过算法运算转化后得到具体的压力/张力数值；所述IMU传感器使用MEMS传感器进行空间姿态数据的获取，并将获取到的数据发送给微处理器，通过系统级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设备的空间角度位置；当设备被固定在胫骨平台上后跟随胫骨运动获得胫骨的实时角度位置，经过系统运算后通过无线数据传输，将空间角度数据和软组织张力数据隔空传给智能终端，智能终端将数据进行算法转化，结合3D结构数据进行实时显示。
本发明还提出一种包含上述获取软组织张力数值设备的垫片，垫片通过上壳和下壳包覆上述获取软组织张力数值设备和电池。
本发明还提出一种获取软组织张力数值的方法，采用模拟胫骨平台形状的分布式仿生悬臂梁结合应变传感器形成的获取软组织张力数值的设备，通过压力对固定悬臂梁产生的形变使应变片传感器组织发生变化，通过电路放大和数据转换，获取软组织张力数值。
进一步的，所述的方法具体是采用上述获取软组织张力数值设备的垫片，垫片内包括压力测量模块、测量数据处理模块；所述垫片内表面粘接应变传感器，所述应变传感器是电阻式应变片，电阻式应变片与集成有测量数据处理模块的集成电路板相连接；所述压力测量模块是仿生悬臂梁和应变传感器；所述测量数据处理模块是模拟转数字放大电路、模拟转数字处理集成电路、IMU传感器和系统级无线微处理器；
当悬臂梁受到压力产生形变时，悬臂梁的形变会被电阻式应变片采集到，经电路、算法内部转换、分析输出压力数值，通过无线传输连接智能终端显示。
进一步的，所述垫片的上壳和下壳采用医用工程材料注塑成型。
进一步的，所述垫片的上壳表面设计有6个受力点，内、外侧各3个，受力点对应获取软组织张力数值的设备位置的内表面为仿生悬臂梁；垫片的下壳设有两个卡槽，该卡槽可供使用时与把持器进行配合取放。
进一步的，所述垫片的上壳可配合伸/屈间隙平面垫片或弧形垫片进行配合精确测量。
进一步的，所述垫片的下壳可安装在底座上进行测量，具体是，垫片通过与底座上设有的至少两个定位圆柱进行配合，该圆柱也可同时配合上壳及安装在上壳上的平面垫片或弧形垫片，易拆卸。
进一步的，所述底座上设有至少两个斜钉孔，通过斜钉可将底座固定在胫骨上。
进一步的，所述底座上设有至少一个圆柱孔，可配合所述下壳的两个卡槽与把持器配合连接。
本发明还提出了一种评估软组织平衡的设备，包含上述获取软组织张力数值设备的垫片，垫片通过上壳和下壳包覆上述获取软组织张力数值设备和电池。
本发明还提供了通过上述获取软组织张力数值，从而用于判断软组织平衡的调整方法，当测量伸/屈间隙时使用时：对已处理完胫骨近端和股骨远端、前髁、后髁、斜面及髁间的截骨，通过对关节腔和软组织张力进行测量，配合不同厚度的垫片，实现下肢长度不变测量软组织张力变化，从而调整软组织的平衡。
本发明还提供了通过上述获取软组织张力数值，从而用于判断软组织平衡的调整方法，通过操作患者下肢进行屈曲运动实时测量软组织张力，同时记录患者胫骨内外旋角度变化，为用户规划最佳的软组织松解方案：内外侧韧带松解程度、松解张力数据实时显示、内外旋转对软组织张力的影响变化、松解韧带相对内外旋变化所要松解的前后韧带位置、经过大数据学习从而提供最佳松解位置。
本发明有益效果
1.本发明不需要通过触摸患者的内外侧韧带松紧程度来判断软组织平衡，通过量化数据显示的内外侧张力数据差，根据压力分布区域来判断软组织是否平衡。本发明可以和现有的关节假体弧形垫片进行通配，当本发明在手术中测量、评估使用时，不影响手术后传统假体的安装使用。
2.本发明采用模拟胫骨平台形状的分布式仿生悬臂梁和应变传感器的结构特点，通过压力对固定悬臂梁产生的形变使应变片传感器组织发生变化，通过电路放大和模拟数据转换，精准获取患者量化的内外侧压力变化，将压力数据控制到接近毫克电子秤的精度范围，大大提高手术精度，加快手术效率。
3.相比现有医疗辅助机械臂/机器人，本发明测量软组织张力和屈曲角度精度高、几乎不占用手术空间、使用简单便携、学习时间短；针对下肢关节屈曲运动本发明具备空间角度传感器获取实时下肢动态数据，包括(实时屈曲角度数据、实时软组织张力数据、实时胫骨内外旋角度数值)，本发明没有动力结构不会对患者和医生造成伤害，本发明无须额外占用手术室电源、本发明采用内部电池供电，无线数据传输技术。
4.本发明相对机器人测量装置与传统手术器械在TKA手术测量软组织平衡中，在使用流程上有显著的提升，不仅占用空间小、且设计便携、体积小、便携、质量轻、成本低、学习难度低、测量精度高、不会增加手术时间、对下肢的屈曲运动能够提供实时动态数据反馈，并结合医生的经验为医生辅助决策，判断软组织平衡的调整方式并为医生推荐最佳方案。
附图说明
图1惠斯通1/4电桥电路示意图。
图2垫片示意图。
图3垫片交互软件界面。
图4本发明垫片配合伸/屈间隙平面垫片测量装配图。
图5本发明垫片配合个性化弧形垫片测量装配图。
图6垫片结构示意图。
图7垫片受力示意图。
图8仿生悬臂梁结构示意图。
图9垫片与弧形假体配合示意图。
图10垫片、平面垫片和把持器的配合示意图。
具体实施方式
实施例1,
一种获取软组织张力数值的设备，包括压力测量模块、测量数据处理模块。
所述压力测量模块是仿生悬臂梁和应变传感器；
所述测量数据处理模块是模拟转数字放大电路、模拟转数字处理集成电路、IMU传感器和系统级无线微处理器；
本实施例采用模拟转数字放大电路+模拟转数字处理集成电路+IMU传感器+系统级无线微处理器方案，模拟电路设计结合1/4惠斯通电桥电路(图1所示)将获取到的电压变化通过放大电路和数模转换电路转换后，将数据发送给微处理器，微处理器将获取到的数据结合存储校准的参数通过算法运算转化后得到具体的压力/张力数值，其中IMU(惯性测量单元)高精度传感器使用MEMS(微机电系统：Microelectro Mechanical Systems)传感器进行空间姿态数据的获取，并将获取到的数据发送给微处理器，通过系统级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设备的空间角度位置，当设备被固定在胫骨平台上后跟随胫骨运动获得胫骨的实时角度位置，经过系统运算后通过无线数据传输，将空间角度数据和软组织张力数据隔空传给智能终端，智能终端将数据进行算法转化，结合3D结构数据进行实时显示，图3是智能终端交互界面示意图。
实施例2
一种包含上述获取软组织张力数值设备的垫片(图2所示)，垫片通过上壳和下壳包覆上述获取软组织张力数值设备和电池。
本发明还提出一种获取软组织张力数值的方法，采用模拟胫骨平台形状的分布式仿生悬臂梁结合应变传感器形成的获取软组织张力数值的设备，通过压力对固定悬臂梁产生的形变使应变片传感器组织发生变化，通过电路放大和数据转换，获取软组织张力数值。所述的方法具体是采用上述获取软组织张力数值设备的垫片，垫片内包括压力测量模块、测量数据处理模块；所述垫片内表面粘接应变传感器，所述应变传感器是电阻式应变片，电阻式应变片与集成有测量数据处理模块的集成电路板相连接；所述压力测量模块是仿生悬臂梁和应变传感器；所述测量数据处理模块是模拟转数字放大电路、模拟转数字处理集成电路、IMU传感器和系统级无线微处理器；当悬臂梁受到压力产生形变时，悬臂梁的形变会被电阻式应变片采集到，经电路、算法内部转换、分析输出压力数值，通过无线传输连接智能终端显示。
如图6是垫片2结构示意图。所述垫片2的上壳21和下壳25采用医用工程材料注塑成型，内部设有应变传感器22、电路板23和电池24。如图7所示，所述垫片的上壳表面设计有6个受力点，内、外侧各3个，受力点对应获取软组织张力数值的设备位置的内表面为仿生悬臂梁，如图8所示；垫片的下壳设有两个卡槽31，该卡槽可供使用时与把持器进行配合取放。所述垫片的上壳1可配合伸/屈间隙平面垫片11(如图4)或弧形垫片12(如图5)进行配合精确测量。
如图9所示，垫片2与弧形假体4配合示意图。所述垫片的下壳可安装在底座3上进行测量，具体是，垫片通过与底座上设有的至少两个定位圆柱进行配合，该圆柱也可同时配合上壳及安装在上壳上的平面垫片或弧形垫片，易拆卸。所述底座上设有至少两个斜钉孔32，通过斜钉可将底座固定在胫骨上。所述底座上设有至少一个圆柱孔，可配合所述下壳的两个卡槽与把持器5配合连接，如图10所示。
实施例3
一种评估软组织平衡的设备，包含上述获取软组织张力数值设备的垫片，垫片通过上壳和下壳包覆上述获取软组织张力数值设备和电池。通过上述获取软组织张力数值，从而用于判断软组织平衡的调整方法，当测量伸/屈间隙时使用时：对已处理完胫骨近端和股骨远端、前髁、后髁、斜面及髁间的截骨，通过对关节腔和软组织张力进行测量，配合不同厚度的垫片，实现下肢长度不变测量软组织张力变化，从而调整软组织的平衡。
实施例4
通过上述获取软组织张力数值，从而用于判断软组织平衡的调整方法，通过操作患者下肢进行屈曲运动实时测量软组织张力，同时记录患者胫骨内外旋角度变化，为用户规划最佳的软组织松解方案：内外侧韧带松解程度、松解张力数据实时显示、内外旋转对软组织张力的影响变化、松解韧带相对内外旋变化所要松解的前后韧带位置、经过大数据学习从而提供最佳松解位置。

Claims (13)

1.一种获取软组织张力数值的设备，其特征在于，包括压力测量模块、测量数据处理模块；所述压力测量模块是仿生悬臂梁和应变传感器；
所述测量数据处理模块是模拟转数字放大电路、模拟转数字处理集成电路、IMU传感器和系统级无线微处理器；
所述模拟电路将获取到的电压变化通过放大电路和数模转换电路转换后，将数据发送给微处理器，微处理器将获取到的数据结合存储校准的参数通过算法运算转化后得到具体的压力/张力数值；所述IMU传感器使用MEMS传感器进行空间姿态数据的获取，并将获取到的数据发送给微处理器，通过系统级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设备的空间角度位置；当设备被固定在胫骨平台上后跟随胫骨运动获得胫骨的实时角度位置，经过系统运算后通过无线数据传输，将空间角度数据和软组织张力数据隔空传给智能终端，智能终端将数据进行算法转化，结合3D结构数据进行实时显示。
2.一种包含权利要求1所述获取软组织张力数值设备的垫片，其特征在于，所述垫片通过上壳和下壳包覆所述获取软组织张力数值设备和电池。
3.根据权利要求2所述的垫片，其特征在于，所述垫片的上壳和下壳采用医用工程材料注塑成型。
4.根据权利要求2所述的垫片，其特征在于，所述垫片的上壳表面设有至少6个受力点，内、外侧各3个，受力点对应获取软组织张力数值的设备位置的内表面为仿生悬臂梁；垫片的下壳设有可供使用时与把持器进行配合取放的卡槽。
5.根据权利要求2所述的垫片，其特征在于，所述垫片的上壳可配合伸/屈间隙平面垫片或弧形垫片进行配合精确测量；所述垫片的下壳可安装在底座上进行测量。
6.根据权利要求5所述的垫片，其特征在于，所述垫片的底座上设有的至少两个定位圆柱进行配合，该圆柱配合上壳及安装在上壳上的平面垫片或弧形垫片。
7.根据权利要求5所述的垫片，其特征在于，所述底座上设有至少两个斜钉孔，通过斜钉将底座固定在胫骨上。
8.根据权利要求5所述的垫片，其特征在于，所述底座上设有至少一个圆柱孔，配合所述下壳的两个卡槽与把持器配合连接。
9.一种获取软组织张力数值的方法，其特征在于，采用模拟胫骨平台形状的分布式仿生悬臂梁结合应变传感器形成的获取软组织张力数值的设备，通过压力对固定悬臂梁产生的形变使应变片传感器组织发生变化，通过电路放大和数据转换，获取软组织张力数值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述获取软组织张力数值设备的垫片，垫片内包括压力测量模块、测量数据处理模块；所述垫片内表面粘接应变传感器，所述应变传感器是电阻式应变片，电阻式应变片与集成有测量数据处理模块的集成电路板相连接；所述压力测量模块是仿生悬臂梁和应变传感器；所述测量数据处理模块是模拟转数字放大电路、模拟转数字处理集成电路、IMU传感器和系统级无线微处理器；当悬臂梁受到压力产生形变时，悬臂梁的形变会被电阻式应变片采集到，经电路、算法内部转换、分析输出压力数值，通过无线传输连接智能终端显示。
11.一种评估软组织平衡的设备，包含权利要求2所述获取软组织张力数值设备的垫片，垫片通过上壳和下壳包覆上述获取软组织张力数值设备和电池。
12.一种评估软组织平衡的方法，采用如权利要求11所述的设备，通过获取软组织张力数值，从而用于判断软组织平衡的调整方法，当测量伸/屈间隙时使用时：对已处理完胫骨近端和股骨远端、前髁、后髁、斜面及髁间的截骨，通过对关节腔和软组织张力进行测量，配合不同厚度的垫片，实现下肢长度不变测量软组织张力变化，从而调整软组织的平衡。
13.一种评估软组织平衡的方法，采用如权利要求11所述的设备，通过上述获取软组织张力数值，从而用于判断软组织平衡的调整方法，通过操作患者下肢进行屈曲运动实时测量软组织张力，同时记录患者胫骨内外旋角度变化，为用户规划最佳的软组织松解方案：内外侧韧带松解程度、松解张力数据实时显示、内外旋转对软组织张力的影响变化、松解韧带相对内外旋变化所要松解的前后韧带位置、经过大数据学习从而提供最佳松解位置。
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