CN117717319A - 一种基于rfid的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统及方法，包括终端设备，终端设备分别连接有智能鞋垫和RFID阅读器；还包括用于测量髓内钉变形的应变片，应变片连接有RFID标签；所述RFID标签与RFID阅读器之间相互配合。测量方法为通过RFID阅读器读取RFID标签传回的髓内钉应变值，通过智能鞋垫测量得到的骨折处整体受力值，将髓内钉应变值与骨折处整体受力值进行融合与计算，计算得到骨折处实时的变形和受力情况，解一次步态中立时期的骨折处刚度，最终基于多个步态的测量和分析，计算出人体负重状态下的骨折处刚度。本发明可以很好的解决现有骨折愈合状态评估方法复杂、测量过程易受干扰、无法实现日常监测等问题。
Description
技术领域
本发明涉及肢体运动康复领域，特别是一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统及方法。
背景技术
可靠的骨愈合状态评估是骨折成功治疗的基础，对于调整临床治疗手段、指导康复训练方法、促进骨折愈合和降低医疗成本有重要意义。常见的传统临床骨折愈合方法主要为影像学检查、物理检查、问卷评估和功能力学评估；X光、CT和MRI等影像学手段评估仅可反映解剖结构上的愈合情况，且需要通过相关评分表判定愈合程度，具有放射性、价格昂贵、无法日常监测等缺点；物理检查、问卷评估和功能力学评估等方法受主观影响较大，准确性较低，且需要涉及多个专业设备，操作较为复杂。
骨折处刚度可以最直接地反映骨折的愈合状态，随着愈合进程的发展，初级骨痂逐渐被软骨和新生骨替代，形成硬骨痂，使得骨折部位的刚度逐渐增大。目前骨折处刚度的测量方法包括植入式的机械性测试和非植入式的超声波弹性成像，前者需要在骨折处的两端固定钢钉，通过额外手术进行机械测试，会对患者造成额外伤害；后者需要专门的设备和技术人员，对操作技术有一定要求，存在信号易受干扰、检测过程复杂、无法实时获得骨折愈合情况等缺点。因此，亟需一种适用于日常生活中骨折刚度测量的监测装置，便于医生和患者及时了解骨折愈合状态。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统及方法。本发明可以很好的解决现有骨折愈合状态评估方法复杂、测量过程易受干扰、无法实现实时监测等问题。
本发明的技术方案：一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统，包括终端设备，终端设备分别连接有智能鞋垫和RFID阅读器；还包括用于测量髓内钉变形的应变片，应变片连接有RFID标签；所述RFID标签与RFID阅读器之间相互配合。
前述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统中，所述智能鞋垫的大拇指、第一跖骨、第三跖骨、第五跖骨、足弓外侧、足弓内侧以及足跟处均设有压力传感器。
一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法，通过RFID阅读器读取RFID标签传回的髓内钉应变值，通过智能鞋垫测量得到的骨折处整体受力值，将髓内钉应变值与骨折处整体受力值进行融合与计算，计算得到骨折处实时的变形和受力情况，最终基于多个步态求解骨折处的刚度。
前述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法中，包括以下步骤：
S1、利用智能鞋垫测量脚底各个部位的压力值，根据压力分布识别步态中立位，然后通过计算得到骨折处整体受力F；
S2、通过应变片测量得到髓内钉的应变ε；
S3、根据髓内钉的应变ε分别计算得到髓内钉的变形S1和髓内钉的受力F1；
S4、将骨折处整体受力F减去髓内钉的受力F1，得到骨折处的受力F2；
S5、根据骨折处的受力F2计算得到皮质骨的变形S2；
S6、将髓内钉的变形S1减去皮质骨的变形S2，得到骨折处的变形S3；
S7、通过F2/S3，得到骨折处的刚度Ki；
S8、重复上述S1-S7，通过n个步态的测量和分析，求解得到骨折处刚度的平均值K＝(K1+K2+…+Kn）/n。
前述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法中，智能鞋垫8个压力传感器测得的压力值分别为P1、P2、…、P8，对应回归整体载荷的系数分别为a1、a2、…、a8，骨折处以下重量为G，则骨折处整体受力F为：
F＝a1P1+a2P2+a3P3+…+a8P8-G。
前述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法中，假设髓内钉的直径为D，长度为L，杨氏模量为E1；则整个髓内钉的变形S1为：S1＝εL；
髓内钉的受力F1为：
前述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法中，假设皮质骨的杨氏模量为E2，横截面积为A，骨折处的厚度为l；骨折处的受力F2为：F2＝F-F1；
皮质骨的变形S2为：
与现有技术相比，本发明为了解决现有骨折愈合状态评估方法复杂、测量过程易受干扰、无法实现日常监测等问题，本申请结合RFID植入应变传感技术、足底压力监测技术、下肢力学模型算法，提出一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量方法及系统，实现患者在骨折术后日常活动场景下骨折处刚度的动态评估，相比于目前植入式机械测试和非植入式超声波弹性成像等测量技术，不仅具有便携、准确、操作方便等优点，还能够计算患者骨折区域在自身活动负重下的刚度指标，以反映患者在适应日常活动场景下骨折区域的力学响应特征和愈合状态。
附图说明
图1是本发明的测试过程流程图；
图2是本发明测量系统的结构图。
附图中的标记为：1-终端设备，2-智能鞋垫，3-RFID阅读器，4-应变片，5-RFID标签。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统，用于测量胫骨骨折处刚度，构成如图2所示，包括：应变片，用于测量髓内钉的变形，进而推算胫骨骨折处变形；
RFID标签，用于接收RFID阅读器的信息和能量，读取应变片的应变值，并把应变值传递给RFID阅读器；
RFID阅读器，用于发出无线电波以激活RFID标签，并读取RFID标签传回的信息；
智能鞋垫，带有薄膜压力传感器，用于测量足底受力和计算胫骨骨折处整体受力。智能鞋垫一共有8个压力传感器，分布在大拇指、第一跖骨、第三跖骨、第五跖骨、足弓外侧、足弓内侧以及足跟，压力值分别为P1，P2，…，P8。
测量过程如图1所示。
胫骨骨折处受力测量方法：利用智能鞋垫的压力值通过加权求和求解骨折处整体受力；骨折处整体受力由髓内钉受力和胫骨骨折处受力组成，髓内钉受力等于其应变乘以其轴向刚度，胫骨骨折处受力等于骨折处整体受力减去髓内钉受力。对应回归整体载荷的系数分别为a1，a2，…，a8，胫骨骨折处以下重量为G，则胫骨整体载荷为：
F＝a1P1+a2P2+a3P3+…+a8P8-G；
胫骨骨折两端变形测量方法：胫骨骨折处刚度为骨折处受力与变形的比值，通常涉及多个方向的受力和变形，为了便于计算，本发明测量骨折处的轴向刚度。通过测量髓内钉的变形推算胫骨骨折处的变形，测量髓内钉应变时，RFID阅读器向RFID标签发送电磁波，为RFID标签提供能量并激活与标签相连的惠斯通电桥，通过惠斯通电桥测量出应变片的电阻变化量，并将该变化量以电压信号的形式传输到RFID标签中的芯片中储存，最后通过RFID标签中的天线将电阻变化信息以电磁波的形式传递给阅读器，阅读器利用已输入的算法将电阻变化信息转换为应变值。利用应变值计算整个胫骨骨折两端的变形。假设髓内钉的直径为D，长度为L，杨氏模量为E1，应变片的应变为ε。则整个髓内钉的变形即胫骨骨折两端的变形S1为：S1＝εL；
髓内钉的受力F1为：
假设胫骨皮质骨的杨氏模量为E2，横截面积为A，骨折处的厚度为1。骨折处的受力F2为：F2＝F-F1；
胫骨皮质骨的变形S2为：
根据胫骨骨折两端的变形减去皮质骨的变形，得到胫骨骨折处的变形。胫骨骨折处的变形S3为：S3＝S1-S2；
刚度分析方法：将智能鞋垫和RFID阅读器通过蓝牙连接至同一台计算机或智能手机，通过上述算法计算胫骨骨折处实时的变形和受力情况，求解胫骨骨折处的实时动态刚度。单次步态加载下测量的胫骨骨折处的刚度Ki为：Ki＝F2/S3。最后对多个步态求解胫骨骨折处平均刚度。通过n个步态的测量和分析，最终求解出人体负重状态下胫骨骨折处的平均刚度为K＝(K1+K2+…+Kn)/n。
实施例2。一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统，用于测量股骨骨折处刚度，包括：应变片，用于测量髓内钉的变形，进而推算股骨骨折处变形；
RFID标签，用于接收RFID阅读器的信息和能量，读取应变片的应变值，并把应变值传递给RFID阅读器；
RFID阅读器，用于发出无线电波以激活RFID标签，并读取RFID标签传回的信息；
智能鞋垫，带有薄膜压力传感器，用于测量足底受力和计算股骨骨折处整体受力。智能鞋垫一共有8个压力传感器，分布在大拇指、第一跖骨、第三跖骨、第五跖骨、足弓外侧、足弓内侧以及足跟，压力值分别为P1，P2，…，P8。
股骨骨折处受力测量方法：利用智能鞋垫的压力值通过加权求和求解股骨骨折处整体受力；股骨骨折处整体受力由髓内钉受力和股骨骨折处受力组成，髓内钉受力等于其应变乘以其轴向刚度，股骨骨折处受力等于股骨骨折处整体受力减去髓内钉受力。对应回归整体载荷的系数分别为a1，a2，…，a8，股骨骨折处以下重量为G，则股骨骨折处整体载荷为：
F＝a1P1+a2P2+a3P3+…+a8P8-G；
股骨骨折两端变形测量方法：股骨骨折处刚度为股骨骨折处受力与变形的比值，通常涉及多个方向的受力和变形，为了便于计算，本发明测量骨折处的轴向刚度。通过测量髓内钉的变形推算骨折处的变形，测量髓内钉应变时，RFID阅读器向RFID标签发送电磁波，为RFID标签提供能量并激活与标签相连的惠斯通电桥，通过惠斯通电桥测量出应变片的电阻变化量，并将该变化量以电压信号的形式传输到RFID标签中的芯片中储存，最后通过RFID标签中的天线将电阻变化信息以电磁波的形式传递给阅读器，阅读器利用已输入的算法将电阻变化信息转换为应变值。利用应变值计算整个股骨骨折两端的变形。假设髓内钉的直径为D，长度为L，杨氏模量为E1，应变片的应变为ε。则整个髓内钉的变形即股骨骨折两端的变形S1为：S1＝εL；
髓内钉的受力F1为：
假设股骨皮质骨的杨氏模量为E2，横截面积为A，骨折处的厚度为1。骨折处的受力F2为：F2＝F-F1；
股骨皮质骨的变形S2为：
根据股骨骨折两端的变形减去股骨皮质骨的变形，得到股骨骨折处的变形。骨折处的变形S3为：S3＝S1-S2；
刚度分析方法：将智能鞋垫和RFID阅读器通过蓝牙连接至同一台计算机或智能手机，通过上述算法计算股骨骨折处实时的变形和受力情况，求解股骨骨折处的实时动态刚度。股骨骨折处的刚度Ki为：K＝F2/S3。最后对多个步态求解股骨骨折处平均刚度
K＝(K1+K2+…+Kn)/n。
Claims (7)
1.一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统，其特征在于：包括终端设备(1)，终端设备(1)分别连接有智能鞋垫(2)和RFID阅读器(3)；还包括用于测量髓内钉变形的应变片(4)，应变片(4)连接有RFID标签(5)；所述RFID标签(5)与RFID阅读器(3)之间相互配合。
2.根据权利要求1所述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度测量系统，其特征在于：所述智能鞋垫(2)的大拇指、第一跖骨、第三跖骨、第五跖骨、足弓外侧、足弓内侧以及足跟处均设有压力传感器，用于监测多次步态中的足底压力分布数值。
3.一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法，其特征在于，通过RFID阅读器读取RFID标签传回的髓内钉应变值，通过智能鞋垫测量得到的骨折处整体受力值，将髓内钉应变值与骨折处整体受力值进行融合与计算，计算得到骨折处实时的变形和受力情况，求解一次步态中立时期的骨折处刚度，最终基于多个步态的测量和分析，最终计算出人体负重状态下的骨折处刚度。
4.根据权利要求3所述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用智能鞋垫测量脚底各个部位的压力值，然后通过计算得到骨折处整体受力F；
S2、通过应变片测量得到髓内钉的应变ε；
S3、根据髓内钉的应变ε分别计算得到髓内钉的变形S1和髓内钉的受力F1；
S4、将骨折处整体受力F减去髓内钉的受力F1，得到骨折处的受力F2；
S5、根据骨折处的受力F2计算得到皮质骨的变形S2；
S6、将髓内钉的变形S1减去皮质骨的变形S2，得到骨折处的变形S3；
S7、通过F2/S3，得到一次步态中立时期的骨折处刚度Ki；
S8、重复上述S1-S7，通过n个步态的测量和分析，最终求解出得到人体负重状态下骨折处刚度的平均值
K＝(K1+K2+…+Kn)/n。
5.根据权利要求4所述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法，其特征在于，智能鞋垫8个压力传感器测得的压力值分别为P1、P2、…、P8，根据压力值分布识别步态的中立位，对应回归整体载荷的系数分别为a1、a2、…、a8，骨折处以下重量为G，则骨折处整体受力F为：
F＝a1P1+a2P2+a3P3+…+a8P8-G。
6.根据权利要求4所述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法，其特征在于，假设髓内钉的直径为D，长度为L，杨氏模量为E1；则整个髓内钉的变形S1为：S1＝εL；
髓内钉的受力F1为：
7.根据权利要求4所述的一种基于RFID的下肢髓内钉术后骨折刚度的测量方法，其特征在于，假设皮质骨的杨氏模量为E2，横截面积为A，骨折处的厚度为l；骨折处的受力F2为：F2＝F-F1；
皮质骨的变形S2为：
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