CN117007238A - 一种膝关节压力测量装置的标定方法 - Google Patents

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赵赛隆
翟方文
乔天
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Abstract

本发明涉及医疗技术领域，提供了一种膝关节压力测量装置的标定方法，分为压力传感器标定和压力测量装置输出标定两部分，其中，压力传感器标定通过对所有压力传感器进行单独的压力测试，解决了压力传感器数据精度和响应一致性的问题；压力测量装置输出标定通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的测力区域中心点进行压力输出，获取压力传感器输出一致性参数，对膝关节压力测量装置进行了压力传感器响应修正。另外，在进行压力测量装置输出标定之前，本发明通过对膝关节压力测量装置测力区域施加外力并保持一定的时间，使得压力测量装置外壳结构进入稳定状态，减少了外壳蠕变引入的测量误差。

Description

一种膝关节压力测量装置的标定方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体为一种膝关节压力测量装置的标定方法。
背景技术
膝关节疾病中，膝关节的退行性变导致膝关节骨关节炎是老年患者腿脚疼痛的主要成因。随着人口老龄化日益加剧，患有膝关节骨关节炎的患者数量不断上升。在膝关节治疗方面，全膝关节置换术是目前治疗膝关节疾病较为成功的手术方法之一，在人工膝关节植入手术过程中，确保植入的人工膝关节的受力均衡至关重要，因此，对膝关节压力测量装置进行标定是必不可少的。
专利CN111419253A提供了一种膝关节软组织压力测量装置、测量系统和测量方法，对压力传感器的校准标定进行了详细描述，采用三个压力值对传感器进行线性拟合，之后进行膝关节压力测量。该专利将压力测量装置作为一个整体对传感器进行压力标定，忽略了应变压力传感器本身的压力响应精度校准，也没有关于结构蠕变的解决方法的描述。
因此，亟需一种膝关节压力测量装置的标定方法，能够解决压力传感器精度和一致性问题，同时完成对压力测量装置的输出标定。
发明内容
本发明的目的在于解决上述背景技术中描述的现有技术方案的缺点，提供一种膝关节压力测量装置的标定方法，该方法分为压力传感器标定和压力测量装置输出标定两部分，压力传感器标定解决了压力传感器数据精度和响应一致性的问题，压力测量装置输出标定对膝关节压力测量装置进行了压力传感器响应修正。同时，本专利在进行压力测量装置输出标定之前，通过对膝关节压力测量装置测力区域施加外力并保持一定的时间，使得压力测量装置外壳结构进入稳定状态，减少了外壳蠕变引入的测量误差。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种膝关节压力测量装置的标定方法，包括：
压力传感器标定，通过拉压力试验机对所有压力传感器进行单独的压力测试，并对压力测试数据进行拟合，更新所有压力传感器对应的输出特性参数；
压力测量装置输出标定，通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的测力区域中心点进行压力输出，获取压力传感器输出一致性参数，对膝关节压力测量装置进行压力传感器响应修正。
进一步地，所述压力传感器标定，通过拉压力试验机对所有压力传感器进行单独的压力测试，并对压力测试数据进行拟合，更新所有压力传感器对应的输出特性参数，包括以下步骤：
通过拉压力试验机对单个压力传感器进行压力测试，压力范围以压力传感器量程为准，满足条件：压力范围/>大于或者等于压力传感器量程；
施压过程中以固定时间间隔采集压力传感器电阻值r和压力传感器输出的压力值F；
将压力传感器输出的压力值F和压力传感器电阻值r按多项式进行数据拟合，得到对应压力传感器的输出特性参数P；
将输出特性参数P更新到对应的压力传感器中，完成单个压力传感器标定；
判断所有压力传感器是否标定完成，如果否，则重复上述步骤，直到所有压力传感器标定完成，如果是，则结束。
进一步地，所述将压力传感器输出的压力值F和压力传感器电阻值r按多项式进行数据拟合，得到对应压力传感器的输出特性参数P，包括：
以5阶多项式拟合压力传感器输出的压力值F和压力传感器电阻值r，拟合公式为：
；
其中，a0、a1、a2、a3、a4、a5为拟合系数；
得到对应压力传感器的输出特性参数。
进一步地，所述压力测量装置输出标定，通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的测力区域中心点进行压力输出，获取压力传感器输出一致性参数，对膝关节压力测量装置进行压力传感器响应修正，包括：
膝关节压力测量装置外壳安装完成后，对膝关节压力测量装置测力区域施加大小为的外力并保持/>时间，使膝关节压力测量装置外壳结构进入稳定状态，避免因结构不稳定引入的误差，其中/>为100N，/>为24小时；
通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的右侧的测力区域中心点进行压力输出，施压过程中分别采集组膝关节压力测量装置右侧经过标定的压力传感器的实际输出压力值以及当前对应的中心点的施加压力值Fout1；
通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的左侧的测力区域中心点进行压力输出，施压过程中分别采集组膝关节压力测量装置左侧经过标定的压力传感器的实际输出压力值以及当前对应的中心点的施加压力值Fout2；
使用线性公式F＝Ax+B对膝关节压力测量装置两侧的压力点处所测得的数值进行拟合，求解出每个压力点所对应的A值和B值，即可获取压力传感器输出一致性参数；
将输出一致性参数更新到膝关节压力测量装置中的压力传感器中；
分别对膝关节压力测量装置两侧的压力传感器的压力输出进行验证，直到膝关节压力测量装置中所有压力传感器的压力输出符合要求；
压力测量装置输出标定完成。
进一步地，所述膝关节压力测量装置中两侧的测力区域各包含4个经过标定的压力传感器，施压过程中右侧的压力传感器实际输出压力值分别为F0、F1、F2、F3，目标输出压力值分别为，左侧的压力传感器实际输出压力值分别为F4、F5、F6、F7，目标输出压力值分别为/>。
进一步地，所述膝关节压力测量装置右侧的测力区域中心点的施加压力值Fout1为右侧4个压力传感器所受压力值之和，即 ；左侧的测力区域中心点的施加压力值Fout2为左侧4个压力传感器所受压力值之和，即。
进一步地，所述膝关节压力测量装置两侧测力区域中心点与各自一侧的4个传感器距离相等，两侧的4个压力传感器受力平均分布，即，。
进一步地，所述使用线性公式F＝Ax+B对膝关节压力测量装置两侧的压力点处所测得的数值进行拟合，求解出每个压力点所对应的A值和B值，即可获取压力传感器输出一致性参数，包括：
分别对膝关节压力测量装置两侧的压力传感器的组实际输出压力值和目标输出压力值进行线性拟合：
；
；
；
；
；
；
；
；
其中，k0、k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、b0、b1、b2、b3、b4、b4、b5、b7为拟合参数；
得到压力传感器输出一致性参数、。
进一步地，所述分别对膝关节压力测量装置两侧的压力传感器的压力输出进行验证，直到膝关节压力测量装置中所有压力传感器的压力输出符合要求，包括：
分别通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置两侧的测力区域中心点进行压力输出；
计算两侧压力传感器的实际输出压力值和目标输出压力值的误差；
如果两侧的输出误差均小于或者等于10%，则输出误差符合要求，标定完成；如果有一侧的输出误差大于10%，则不符合要求，对不符合要求的压力传感器重新进行输出标定，直到膝关节压力测量装置中所有压力传感器的压力输出符合要求。
本发明提供了一种膝关节压力测量装置的标定方法，分为压力传感器标定和压力测量装置输出标定两部分，与现有技术相比较，本发明具有以下技术优点：
1.压力传感器标定解决了压力传感器数据精度和响应一致性的问题；
2.压力测量装置输出标定对压力测量装置进行了压力传感器响应修正；
3.在进行压力测量装置输出标定之前，通过对膝关节压力测量装置测力区域施加外力并保持一定的时间，使得压力测量装置外壳结构进入稳定状态，减少了外壳蠕变引入的测量误差；
4.标定方法不受压力传感器数量影响，支持单侧两个及两个以上的压力传感器标定；
5.标定方法不限制压力传感器类型，支持薄膜传感器、应变传感器等传感器的标定。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1是本发明实施例提供的膝关节压力测量装置的标定方法流程图；
图2是本发明实施例提供的压力传感器标定流程图；
图3是本发明实施例提供的压力传感器压力响应曲线图；
图4是本发明实施例提供的膝关节压力测量装置输出标定流程图；
图5是本发明实施例提供的膝关节压力测量装置压力中心点受力示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开 的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开， 而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体 细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本 公开的示例来提供对本公开更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本文中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
图1是本发明实施例提供的膝关节压力测量装置的标定方法流程图。
如图1所示，本发明提供了一种膝关节压力测量装置的标定方法，包括：
压力传感器标定，通过拉压力试验机对所有压力传感器进行单独的压力测试，并对压力测试数据进行拟合，更新所有压力传感器对应的输出特性参数；
压力测量装置输出标定，通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的测力区域中心点进行压力输出，获取压力传感器输出一致性参数，对膝关节压力测量装置进行压力传感器响应修正。
如图2所示，所述压力传感器标定，通过拉压力试验机对所有压力传感器进行单独的压力测试，并对压力测试数据进行拟合，更新所有压力传感器对应的输出特性参数，包括以下步骤：
通过拉压力试验机对单个压力传感器进行压力测试，压力范围为0-20N；
施压过程中以固定时间间隔采集压力传感器电阻值r和压力传感器输出的压力值F；
将压力传感器输出的压力值F和压力传感器电阻值r按多项式进行数据拟合，以5阶多项式为例，拟合压力传感器输出的压力值F和压力传感器电阻值r，得到如图3所示的压力传感器压力响应曲线，拟合公式为：
；
其中，a0、a1、a2、a3、a4、a5为拟合系数；
得到对应压力传感器的输出特性参数；
将输出特性参数P更新到对应的压力传感器中，完成单个压力传感器标定；
判断所有压力传感器是否标定完成，如果否，则重复上述步骤，直到所有压力传感器标定完成，如果是，则结束。
作为一种可选的实施方式，也可以使用其他多项式拟合压力传感器输出的压力值F和压力传感器电阻值r，多项式的阶数选择以满足压力传感器标定精度需求为准。
如图4所示，所述压力测量装置输出标定，通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的测力区域中心点进行压力输出，获取压力传感器输出一致性参数，对膝关节压力测量装置进行压力传感器响应修正，包括以下步骤：
膝关节压力测量装置外壳安装完成后，对膝关节压力测量装置测力区域施加大小为的外力并保持/>时间，使膝关节压力测量装置外壳结构进入稳定状态，避免因结构不稳定引入的误差，其中/>为100N，/>为24小时；
通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的右侧的测力区域中心点进行压力输出，压力范围为0-200N，施压过程中分别采集组膝关节压力测量装置右侧经过标定的压力传感器的实际输出压力值以及当前对应的中心点的施加压力值Fout1；
如图5所示，膝关节压力测量装置中右侧的测力区域包含4个经过标定的压力传感器，施压过程中右侧的压力传感器实际输出压力值分别为F0、F1、F2、F3，目标输出压力值分别为，膝关节压力测量装置右侧的测力区域中心点的施加压力值Fout1为右侧4个压力传感器所受压力值之和，即/>，另外，膝关节压力测量装置右侧测力区域中心点与右侧4个传感器距离相等，4个压力传感器受力平均分布，即/>；
通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的左侧的测力区域中心点进行压力输出，压力范围为0-200N，施压过程中分别采集4组经过标定的压力传感器实际输出压力值以及当前对应的中心点的施加压力值Fout2；
如图5所示，膝关节压力测量装置中左侧的测力区域同样包含4个经过标定的压力传感器，施压过程中左侧的压力传感器实际输出压力值分别为F4、F5、F6、F7，目标输出压力值分别为；膝关节压力测量装置左侧的测力区域中心点的施加压力值Fout2为左侧4个压力传感器所受压力值之和，即/>，另外，膝关节压力测量装置左侧测力区域中心点与左侧4个传感器距离相等，4个压力传感器受力平均分布，即/>；
分别对膝关节压力测量装置两侧的压力传感器的4组实际输出压力值和目标输出压力值进行线性拟合：
；
；
；
；
；
；
；
；
其中，k0、k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、b0、b1、b2、b3、b4、b4、b5、b7为拟合参数；
得到压力传感器输出一致性参数、；
将输出一致性参数更新到膝关节压力测量装置中的对应压力传感器中；
分别通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置两侧的测力区域中心点进行压力输出，验证输出结果是否符合要求，具体步骤如下：
计算两侧压力传感器的实际输出压力值和目标输出压力值的误差；
如果两侧的输出误差均小于或者等于10%，则输出误差符合要求，标定完成；如果有一侧的输出误差大于10%，则不符合要求，对不符合要求的压力传感器重新进行输出标定，直到膝关节压力测量装置中所有压力传感器的压力输出符合要求；
压力测量装置输出标定完成。
作为一种可选的实施方式，输出误差也可满足其他阈值条件，具体根据需求精度选择。
本发明提供了一种膝关节压力测量装置的标定方法，分为压力传感器标定和压力测量装置输出标定两部分，与现有技术相比较，本发明具有以下技术优点：
1.压力传感器标定解决了压力传感器数据精度和响应一致性的问题；
2.压力测量装置输出标定对压力测量装置进行了压力传感器响应修正；
3.在进行压力测量装置输出标定之前，通过对膝关节压力测量装置测力区域施加外力并保持一定的时间，使得压力测量装置外壳结构进入稳定状态，减少了外壳蠕变引入的测量误差；
4.标定方法不受压力传感器数量影响，支持单侧两个及两个以上的压力传感器标定；
5.标定方法不限制压力传感器类型，支持薄膜传感器、应变传感器等传感器的标定。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，包括：
压力传感器标定，通过拉压力试验机对所有压力传感器进行单独的压力测试，并对压力测试数据进行拟合，更新所有压力传感器对应的输出特性参数；
压力测量装置输出标定，通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的测力区域中心点进行压力输出，获取压力传感器输出一致性参数，对膝关节压力测量装置进行压力传感器响应修正。
2.根据权利要求1所述的一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，所述压力传感器标定，通过拉压力试验机对所有压力传感器进行单独的压力测试，并对压力测试数据进行拟合，更新所有压力传感器对应的输出特性参数，包括以下步骤：
通过拉压力试验机对单个压力传感器进行压力测试，压力范围以压力传感器量程为准，满足条件：压力范围/>大于或者等于压力传感器量程；
施压过程中以固定时间间隔采集压力传感器电阻值r和压力传感器输出的压力值F；
将压力传感器输出的压力值F和压力传感器电阻值r按多项式进行数据拟合，得到对应压力传感器的输出特性参数P；
将输出特性参数P更新到对应的压力传感器中，完成单个压力传感器标定；
判断所有压力传感器是否标定完成，如果否，则重复上述步骤，直到所有压力传感器标定完成，如果是，则结束。
3.根据权利要求2所述的一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，所述将压力传感器输出的压力值F和压力传感器电阻值r按多项式进行数据拟合，得到对应压力传感器的输出特性参数P，包括：
以5阶多项式拟合压力传感器输出的压力值F和压力传感器电阻值r，拟合公式为：
；
其中，a0、a1、a2、a3、a4、a5为拟合系数；
得到对应压力传感器的输出特性参数。
4.根据权利要求1所述的一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，所述压力测量装置输出标定，通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的测力区域中心点进行压力输出，获取压力传感器输出一致性参数，对膝关节压力测量装置进行压力传感器响应修正，包括：
通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的右侧的测力区域中心点进行压力输出，施压过程中分别采集组膝关节压力测量装置右侧经过标定的压力传感器的实际输出压力值以及当前对应的中心点的施加压力值Fout1；
通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置的左侧的测力区域中心点进行压力输出，施压过程中分别采集组膝关节压力测量装置左侧经过标定的压力传感器的实际输出压力值以及当前对应的中心点的施加压力值Fout2；
使用线性公式F＝Ax+B对膝关节压力测量装置两侧的压力点处所测得的数值进行拟合，求解出每个压力点所对应的A值和B值，即可获取压力传感器输出一致性参数；
将输出一致性参数更新到膝关节压力测量装置中的压力传感器中；
分别对膝关节压力测量装置两侧的压力传感器的压力输出进行验证，直到膝关节压力测量装置中所有压力传感器的压力输出符合要求；
压力测量装置输出标定完成。
5.根据权利要求4所述的一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，所述膝关节压力测量装置两侧的测力区域各包含4个经过标定的压力传感器，施压过程中右侧的压力传感器实际输出压力值分别为F0、F1、F2、F3，目标输出压力值分别为，左侧的压力传感器实际输出压力值分别为F4、F5、F6、F7，目标输出压力值分别为。
6.根据权利要求5所述的一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，所述膝关节压力测量装置右侧的测力区域中心点的施加压力值Fout1为右侧4个压力传感器所受压力值之和，即 ；左侧的测力区域中心点的施加压力值Fout2为左侧4个压力传感器所受压力值之和，即/>。
7.根据权利要求6所述的一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，所述膝关节压力测量装置两侧测力区域中心点与各自一侧的4个传感器距离相等，两侧的4个压力传感器受力平均分布，即，/>。
8.根据权利要求7所述的一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，所述使用线性公式F＝Ax+B对膝关节压力测量装置两侧的压力点处所测得的数值进行拟合，求解出每个压力点所对应的A值和B值，即可获取压力传感器输出一致性参数，包括：
分别对膝关节压力测量装置两侧的压力传感器的组实际输出压力值和目标输出压力值进行线性拟合：
；
；
；
；
；
；
；
；
其中，k0、k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、b0、b1、b2、b3、b4、b4、b5、b7为拟合参数；
得到压力传感器输出一致性参数、。
9.根据权利要求4所述的一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，所述分别对膝关节压力测量装置两侧的压力传感器的压力输出进行验证，直到膝关节压力测量装置中所有压力传感器的压力输出符合要求，包括：
分别通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置两侧的测力区域中心点进行压力输出；
计算两侧压力传感器的实际输出压力值和目标输出压力值的误差；
如果两侧的输出误差均小于或者等于10%，则输出误差符合要求，标定完成；如果有一侧的输出误差大于10%，则不符合要求，对不符合要求的压力传感器重新进行输出标定，直到膝关节压力测量装置中所有压力传感器的压力输出符合要求。
10.根据权利要求4所述的一种膝关节压力测量装置的标定方法，其特征在于，在通过拉压力试验机对膝关节压力测量装置两侧的测力区域中心点进行压力输出之前，还包括以下步骤：
膝关节压力测量装置外壳安装完成后，对膝关节压力测量装置测力区域施加大小为的外力并保持/>时间，使膝关节压力测量装置外壳结构进入稳定状态，避免因结构不稳定引入的误差，其中/>为100N，/>为24小时。
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