CN117678979A - 一种基于机械系统振动检测的评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机械系统振动检测的评估系统，包括机械振动检测子系统、影像科检测子系统和综合评估子系统；所述机械振动检测子系统用于进行冲击测试并计算出表征骨愈合程度的分析数据；用于接收用户端输入数据，并生成临床检测评估报告；所述影像科子系统用于接收用户端输入数据，并生成影像科检测评估报告；所述综合评估子系统用于根据所述临床检测报告和所述影像科检测评估报告计算评估一致性；本发明扩，为临床振动检测提供可靠便捷的检测环境，同时，通过综合评估子系统，实现了评估一致性的计算。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，更具体的说是涉及一种基于机械系统振动检测的评估系统。
背景技术
外固定支架作为一种“微创”的治疗工具，基本作用机制是利用平衡条件，由钢针变形产生作用力，作用在骨折断面上，稳定骨折，使骨折端产生纵向压力，避免了过度坚强的内固定而带来的应力遮挡，其在用于骨折、骨不连以及辅助治疗方面效果显著。
骨愈合是一个生理过程，通过这个过程，骨骼恢复了其原有的物理和机械特性。愈合经历了从炎症到巩固和重塑的几个阶段，在此期间，骨的硬度和强度不断增加。一个成功的骨折治疗应该根据愈合的过程来确定时间。尽管如此，骨愈合的评估仍然是一个复杂的问题。
在临床实践中，基于人工检查和X光片是骨愈合评估的主要方法。骨愈合的全过程需要由掌握病情的主管医师负责，骨愈合达到可外固定支架拆除前应明确外固定器构型的强度和稳定性，穿针布局、固定针类型，检查针道有无感染，固定针周围是否有重要血管、神经经过，通过X光片分析骨愈合及关节对位情况，根据骨愈合情况决定将外固定器部分拆除或全部拆除，拆除后采用何种巩固疗效的措施。长期佩戴外固定器会导致活动不便，易发生针道松动、感染，影响关节功能，在治疗目标达成后尽早拆除外固定器是外固定拆除的原则。
但是上述评估系统有两个主要缺点：首先，骨愈合的评估较为主观，因此，多因素影响下可能会导致临床医生判断失误；其次，病患在治疗过程中会频繁暴露于X射线辐射下，对病患造成损伤，并且不利于对骨愈状态的快速监控。
因此，如何为医师创造更好的医疗条件是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于机械系统振动检测的评估系统，能够为临床振动检测提供可靠便捷的检测环境，有助于供医生对骨愈状态进行快速且客观的监控，同时，通过综合评估子系统，实现了评估一致性的计算，方便医生达成统一，进而有助于缩短治疗目标达成后的犹豫期，避免了在犹豫期内病患频繁的暴露于X射线辐射，同时，便于外固定器的尽早拆除。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于机械系统振动检测的评估系统，包括振动检测子系统、影像科检测子系统和综合评估子系统；
所述振动检测子系统用于进行冲击测试并计算出表征骨愈合程度的分析数据以及生成临床检测评估报告；
所述影像科子系统用于生成影像科检测评估报告；
所述综合评估子系统用于根据所述临床检测报告和所述影像科检测评估报告计算评估一致性。
进一步的，所述振动检测子系统包括外固定支架、振动激励装置、加速度传感器、数据采集系统和数据处理终端；
所述外固定支架用于直接对骨头进行固定；
所述振动激励装置用于对所述外固定支架施加振动产生激励信号，并且所述振动激励装置与所述数据采集系统电连接；
所述加速度传感器固定于所述外固定支架上，并与所述数据采集系统电连接，用于对所述激励信号进行采集，并将采集到的信号发送值所述数据采集系统；
所述数据处理终端与所述数据采集系统电连接，用于接收所述数据采集系统的数据并进行计算。
进一步的，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。
进一步的，所述数据处理终端包括模态分析模块和算法数据库；
所述模态分析模块用于根据所述数据采集系统采集的波面数据计算功率谱密度、各个方向的频响函数和相干函数；还用于根据相干函数对所述计算各个方向的频响函数进行加权求和，计算共振频率；
所述算法数据库用于为所述模态分析模块的计算过程提供算法数据。
进一步的，所述数据处理终端还包括参数设置模块，用于为冲击测试设置所有的测试参数，并通过指导用户完成所有的测试步骤。
进一步的，所述外固定支架包括多根医用钢针和钢针固定杆；
所述医用钢针包括振动部、固定部和作用部；
多根所述医用钢针共同贯穿所述钢针固定杆，通过所述固定部与所述钢针固定杆固定；
所述作用部用于直接对体内骨头进行固定；
所述振动部设置于体外，用于接收振动并产生激励。
进一步的，所述综合评估子系统包括通讯模块和ICC计算模块；
所述通讯模块用于向所述振动检测子系统和/或所述影像科检测子系统发送通讯信息；
所述ICC计算模块用于根据所述振动检测评估报告和所述影像科检测评估报告计算组内相关系数。
进一步的，所述综合评估子系统包括评估模型生成模块，用于生成评估模型，并通过所述通讯模块发送至所述振动检测子系统和所述影像科检测子系统。
进一步的，所述通讯模块还用于在接收振动检测报告后向所述影像可检测子系统发送报告请求。
本发明的有益效果：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于外固定支架的振动检测骨愈综合评估系统，能为临床振动检测提供可靠便捷的检测环境，有助于供医生对骨愈状态进行快速且客观的监控，同时，通过综合评估子系统，实现了评估一致性的计算，方便医生达成统一，进而有助于缩短治疗目标达成后的犹豫期，避免了在犹豫期内病患频繁的暴露于X射线辐射，同时，便于外固定器的尽早拆除。
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的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种基于机械系统振动检测的评估系统结构示意图；
图2附图为本发明中振动检测子系统结构示意图；
图3附图为本发明中外固定支架结构示意图；
其中，1-医用钢针，2钢针固定杆。
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，本发明实施例公开了一种基于机械系统振动检测的评估系统，包括振动检测子系统、影像科检测子系统和综合评估子系统；
振动检测子系统用于进行冲击测试并计算出表征骨愈合程度的分析数据以及生成临床检测评估报告；
影像科子系统用于生成影像科检测评估报告；
综合评估子系统用于根据临床检测报告和影像科检测评估报告计算评估一致性。
如图2，在另一实施例中，振动检测子系统包括外固定支架、振动激励装置、加速度传感器、数据采集系统和数据处理终端；
外固定支架用于直接对骨头进行固定；
振动激励装置用于对外固定支架施加振动产生激励信号，并且振动激励装置与数据采集系统电连接；
加速度传感器固定于外固定支架上，并与数据采集系统电连接，用于对激励信号进行采集，并将采集到的信号发送值数据采集系统；
数据处理终端与数据采集系统电连接，用于接收数据采集系统的数据并进行计算。
如图3，在另一实施例中，外固定支架包括多根医用钢针1和钢针固定杆2；
医用钢针1包括振动部、固定部和作用部；
多根医用钢针共同贯穿钢针固定杆，通过固定部与钢针固定杆固定；
作用部用于直接对体内骨头进行固定；
振动部设置于体外，用于接收振动并产生激励。
在本实施例中，加速度传感器分别设置在各个医用钢针1的振动部和作用部，用于分别获取输入频谱和输出频谱。
其中，振动激励装置为仪表式微锤(5800SL，Dytranw公司)，其特点是9.8g的超低质量和非常高的刚度(3.3×105Hz的共振频率)，它的最大冲击力为0.9KN，频率范围为0-2KHz。通过仪表式微锤敲击外固定支架远端的针或螺钉产生激励即敲击医用钢针的振动部，施加载荷通过微型力锤的接线传到数据采集系统中。数据采集系统，可采用移相干涉仪(LMS SCADAS mobile)，由于外固定支架能够直接固定于骨骼，可以有效地刺激骨骼并测量其反映。振动监测的动态响应是通过3D微型加速器(3133A1，Dytran公司)测量的，这是一个6.1毫米长的立方体，质量为0.8克。它的频率带宽在x和y方向为0.25-7000Hz，z方向为0.25-10000Hz。由3D微型加速器输出信号到LMS SCADAS mobile中，并最终上传至数据处理终端，通过软件LMS TestLab进行处理数据。
在另一实施例中，加速度传感器为三轴加速度传感器。
在另一实施例中，数据处理终端包括模态分析模块和算法数据库；
模态分析模块用于根据数据采集系统采集的波面数据计算功率谱密度、各个方向的频响函数和相干函数；还用于根据相干函数对计算各个方向的频响函数进行加权求和，计算共振频率；
通过分析评估共振频率查看随着骨愈合过程的发展，骨骼刚度的增加可使共振频率增加，相位差减小。通过每周进行振动监测，预处理数据、计算共振频率、并将其分别计入加权经过计算在上位机中生成计算数值，计算共振频率的高频变化率和相位差值，用于供医师推断骨愈合情况。算法数据库用于为模态分析模块的计算过程提供算法数据。
其中，所有的测量都是在0-8192Hz的频率范围内获得的，分辨率为2Hz。每次测量都是10次采集的平均值。频率分析被限制在0-1kHz的频率带宽内。
关于功率谱密度(PSD)的计算：
激励信号的功率谱密度(PSD)定义为波面频率分量傅里叶频谱振幅的平方，一维公式为：
[A(f)]是z(x)的一维傅里叶变换：
公式(2)中的z(x)为一维波面信息函数，x为一维波面信息函数的自变量，表示数据上传的时间。L是在区间[0,L]上的波形函数，exp(-j2πfx)是指数函数，j表示虚数单位，f表示频率。
移相干涉仪所测得的波面数据都是离散的，因此将公式(2)中的A(f)代入公式(1)，并离散化，可以得到公式(3)：
公式(4)中N为总的采样点数，△x为采样间隔，m为频率离散自变量，z(n)采样点数据。通过PSD可估算骨骼面型质量。
关于频响函数的计算：
基于下列公式分析频响函数(FRF)：
式中，H代表FRF；FRF是输入和输出的互功率谱Sxy除以输入的自功率谱Sxx。自功率谱Sxx是输入频谱与其自身的复共轭，它成为一个全实数函数，不包含相位。互功率谱Sxy是输出频谱和输入频谱的复共轭，包含幅度和相位。
通过相干函数对各个加速度传感器对应的频响函数FRF进行加权求和，得到最终的共振频率响应函数。
首先，对于每个轴向FRF1，FRF2，FRF3，可以将同一轴方向的多组数据进行求和，得到该轴方向的总和值。这样可以得到更稳定和可靠的共振频率评估结果。多组数据指的是不同采样点下的数据，单独的一组数据指的是同一时刻，不同位置加速度传感器采集的数据。
然后，计算不同组数据之间的相干函数，并使用权重对它们进行加权求和。这样可以综合多组数据，考虑到不同组数据之间的差异。
最后，将不同轴向的结果进行组间求和，得到最终的共振频率评估结果。
多次采集后相干函数可用来描述这多个信号在各频率点处的相关程度，如果只采集一次，相干函数取0，同样加权比重为0。
根据最终的共振频率响应函数，计算相位差和高频变化率。
相位差计算公式：
其中，和/>分别表示相邻两个采样点的相位，相位差/> s1(t)和s2(t)是具有相位差的信号；τ代表时间偏移，用来计算两个信号之间的相位差随时间延迟的变化。通过对时间变量t进行求和，可以获取相位差在整个时间域上的平均值。
高频变化率是利用最小二乘法对最终共振频率响应函数进行拟合后，经过高频滤波的函数斜率。
最小二乘法：
m是样本数量，x(i)是第几个样本，θ表示模型的参数向量，也可以成为权重，X代表特征矩阵，是因变量(目标值)的向量，每个元素对应一个样本的目标值。
在另一实施例中，数据处理终端还包括参数设置模块，用于为冲击测试设置所有的测试参数，并通过指导用户完成所有的测试步骤。
在另一实施例中，综合评估子系统包括评估模型生成模块，用于生成评估模型，并通过通讯模块发送至振动检测子系统和影像科检测子系统。
在另一实施例中，综合评估子系统包括通讯模块和ICC计算模块；
通讯模块用于向振动检测子系统和/或影像科检测子系统发送通讯信息；
ICC计算模块用于根据振动检测评估报告和影像科检测评估报告计算组内相关系数。
在另一实施例中，通讯模块还用于在接收振动检测报告后向影像可检测子系统发送报告请求。当临床医师决定拆除外固定支架时，根据预设的评分模型，如RUST(Radiographic Union Score for Tibial fractures)评分表进行填写，并上传至综合评估子系统，综合评估子系统在收到来自振动检测子系统的评分表即检测报告时，通过通讯模块向影像科检测子系统发送请求，待影像科医师根据其影像按相同评分模型进行打分并上传至综合评估子系统后，进行ICC计算。ICC等于个体的变异度除以总的变异度，故其值介于0～1之间。0表示不可信，1表示完全可信。一般认为ICC≥0.8表明观察者间一致性较高。必要时也可一段时间后进行重复性检查，计算同一医师重复检查的ICC，在临床医师和影像科医师ICC一致性较高的情况下，可以认为骨愈合的较好，可以拆除外固定器。
本发明主要分为两部分：振动检测分析和综合评估。在骨愈合前期，由临床医师通过振动分析对患者骨愈合状况进行监测，不必进行频繁的X光片，通过对照对比另一条腿或者另一条胳膊分析患者的恢复情况。若患者恢复良好，在振动监测过程中，若可以决定是否拆除外固定支架时，采用RUST分析方法，由临床医师和影像科医师对患者恢复情况进行评分，而后通过intraclass correlation coefficient(ICC)方法查看两医生的一致性。定量的分析了患者的骨愈情况，尽可能的屏蔽客观因素对临床医师的影响，同时减少在后期对患者进行少数的X光片的检查，避免患者频繁收到X射线影响。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种基于机械系统振动检测的评估系统，其特征在于，包括振动检测子系统、影像科检测子系统和综合评估子系统；
所述振动检测子系统用于进行冲击测试并计算出表征骨愈合程度的分析数据；用于接收用户端输入数据，并生成临床检测评估报告；
所述影像科子系统用于接收用户端输入数据，并生成影像科检测评估报告；
所述综合评估子系统用于根据所述临床检测报告和所述影像科检测评估报告计算评估一致性。
2.根据权利要求1所述的一种基于机械系统振动检测的评估系统，其特征在于，所述振动检测子系统包括外固定支架、振动激励装置、加速度传感器、数据采集系统和数据处理终端；
所述外固定支架用于直接对骨头进行固定；
所述振动激励装置用于对所述外固定支架施加振动产生激励信号，并且所述振动激励装置与所述数据采集系统电连接；
所述加速度传感器固定于所述外固定支架上，并与所述数据采集系统电连接，用于对所述激励信号进行采集，并将采集到的信号发送值所述数据采集系统；
所述数据处理终端与所述数据采集系统电连接，用于接收所述数据采集系统的数据并进行计算。
3.根据权利要求2所述的一种基于机械系统振动检测的评估系统，其特征在于，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。
4.根据权利要求3所述的一种基于机械系统振动检测的评估系统，其特征在于，所述数据处理终端包括模态分析模块和算法数据库；
所述模态分析模块用于根据所述数据采集系统采集的波面数据计算功率谱密度、各个方向的频响函数和相干函数；还用于根据相干函数对所述计算各个方向的频响函数进行加权求和，计算共振频率；
所述算法数据库用于为所述模态分析模块的计算过程提供算法数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于机械系统振动检测的评估系统，其特征在于，所述数据处理终端还包括参数设置模块，用于为冲击测试设置测试参数，并通过指导用户完成所有的测试步骤。
6.根据权利要求2所述的一种基于机械系统振动检测的评估系统，其特征在于，所述外固定支架包括多根医用钢针和钢针固定杆；
所述医用钢针包括振动部、固定部和作用部；
多根所述医用钢针共同贯穿所述钢针固定杆，通过所述固定部与所述钢针固定杆固定；
所述作用部用于直接对体内骨头进行固定；
所述振动部设置于体外，用于接收振动并产生激励。
7.根据权利要求1所述的一种基于机械系统振动检测的评估系统，其特征在于，所述综合评估子系统包括通讯模块和ICC计算模块；
所述通讯模块用于向所述振动检测子系统和/或所述影像科检测子系统发送通讯信息；
所述ICC计算模块用于根据所述振动检测评估报告和所述影像科检测评估报告计算组内相关系数。
8.根据权利要求7所述的一种基于机械系统振动检测的评估系统，其特征在于，所述综合评估子系统包括评估模型生成模块，用于生成评估模型，并通过所述通讯模块发送至所述振动检测子系统和所述影像科检测子系统。
9.根据权利要求7所述的一种基于机械系统振动检测的评估系统，其特征在于，所述通讯模块还用于在接收振动检测报告后向所述影像可检测子系统发送报告请求。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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