CN117860441A - 一种智能膝关节衬垫假体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能膝关节衬垫假体，所述假体包括：胫骨衬垫、柔性薄膜压力传感器、第一电感线圈、外部检测电路；所述胫骨衬垫包括胫骨衬垫上半部件、与胫骨衬垫上半部件可拆卸连接的胫骨衬垫下半部件；所述柔性薄膜压力传感器与第一电感线圈电性连接；且柔性薄膜压力传感器设置在胫骨衬垫上半部件与胫骨衬垫下半部件之间；当检测到膝关节的力学状态发生变化时，柔性薄膜压力传感器将压力信号转为电信号，通过第一电感线圈反馈到用于读取电压信号并进行运算处理得到压力值的外部检测电路。本发明在胫骨衬垫中植入了柔性压力传感器与第一电感线圈，能够通过非接触式外部检测电路对术后患者的衬垫假体的状态进行监测。
Description
技术领域
本发明涉及膝关节假体技术领域，更具体的，涉及一种智能膝关节衬垫假体。
背景技术
目前临床上治疗膝关节损伤和病变的常用手段是全膝关节置换手术(TKA)，该手术需要用人工假体替代损坏的关节，现有的人工膝关节假体通常由三部分组成，包括股骨假体、胫骨托和胫骨衬垫三个部分，其中股骨假体和胫骨托通常由钴铬合金等金属合金组成，胫骨衬垫则是使用超高分子量聚乙烯制备。
无源医疗器械是不需要使用电能或其他能源即可发挥功能的医疗器械，而有源医疗器械是需要使用电能等驱动的医疗器械，现有的大多数人工膝关节均为无源器械，在植入人体后只能通过CT成像等方式观察膝关节的状态，如果关节假体出现了松动和磨损等情况不能及时发现。
目前已经有一些智能关节假体，现有技术公开了一种通过在衬垫表面预设的传感区域进行碳化加工，在碳化区域制备得到传感单元，进一步封装后得到具有压力监测功能的关节假体；现有技术还公开了在胫骨托中内置了传感器、集成芯片和无线通信模块等，能够对假体的受力进行实时感知；现有技术还公开了一种关节假体的压力测量装置，将多个传感单元整合在基体上，为手术过程中更准确地平衡关节间隙压力提供了一种思路。
以上现有技术存在的缺点：
(1)目前大部分人工膝关节为无源器件，植入人体后无法实时监测到患者膝关节的状态，术后膝关节的力学性能可能会发生改变，如果不能及时发现则可能会导致膝关节功能重建失败，因此需要实时监测关节假体的状态。
(2)目前现有的某些智能膝关节假体对制备工艺的要求较高，加工方法复杂，生产成本较高，而且内部结构复杂，在使用过程中内部的传感器和芯片等容易磨损。
发明内容
本发明为了解决以上现有技术存在的不足与缺陷的问题，提供了一种智能膝关节衬垫假体。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
一种智能膝关节衬垫假体，所述假体包括：胫骨衬垫、柔性薄膜压力传感器、第一电感线圈、外部检测电路；
所述胫骨衬垫包括胫骨衬垫上半部件、与胫骨衬垫上半部件可拆卸连接的胫骨衬垫下半部件；
所述柔性薄膜压力传感器与第一电感线圈电性连接；且柔性薄膜压力传感器设置在胫骨衬垫上半部件与胫骨衬垫下半部件之间，且与两侧股骨髁对应的位置；
当检测到膝关节的力学状态发生变化时，柔性薄膜压力传感器将压力信号转为电信号，通过第一电感线圈反馈到用于读取电压信号并进行运算处理得到压力值的外部检测电路。
优选地，所述外部检测电路包括用于与第一电感线圈互感的第二电感线圈、定值电阻；所述第二电感线圈与定值电阻电性连接。
进一步地，所述第二电感线圈和电阻组成的外部检测电路读取由第一电感线圈互感得到电压信号，并进行运算处理得到衬垫假体的应力情况。
优选地，还包括股骨假体，所述股骨假体与胫骨衬垫上半部分的的顶部曲面结构相配合。
优选地，还包括胫骨托，所述平台胫骨托与胫骨衬垫下半部件通过多个槽口榫卯结构可拆卸连接。
进一步地，所述胫骨托、胫骨衬垫的尺寸均基于模拟全膝关节置换手术截骨后的膝关节模型的测量数据得到。
优选地，所述第一电感线圈的线圈直径为5mm，厚度约为1.2mm，左右两侧线圈排列在同一平面上。
优选地，所述柔性薄膜压力传感器设置于两侧股骨髁对应的位置。
优选地，所述胫骨衬垫上半部件与胫骨衬垫下半部件通过槽口榫卯结构连接。
本发明的有益效果如下：
本发明在胫骨衬垫中植入了柔性压力传感器与第一电感线圈，能够通过非接触式外部检测电路对术后患者的衬垫假体状态进行监测，即在需要时通过特定的外部检测电路，获取膝关节假体衬垫的压力情况，通过对历史数据对比，获知患者膝关节假体的生物力学特性，从而实现对衬垫假体在体服役性能的无损便捷监测，为患者日常生活和就医提供指导。
附图说明
图1是本发明所述智能膝关节衬垫假体的示意图。
图2是本发明所述胫骨衬垫上半部件的结构示意图。
图3是本发明所述胫骨衬垫下半部件的结构示意图。
图4是本发明所述智能膝关节衬垫假体的整体结构示意图。
图5是本发明柔性薄膜压力传感器、第一电感线圈、外部检测电路的电路原理图。
图中，1-股骨假体、2-胫骨衬垫上半部件、3-第一电感线圈、4-柔性薄膜压力传感器、5-胫骨衬垫下半部件、6-胫骨托。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图1所示，一种智能膝关节衬垫假体，所述假体包括：胫骨衬垫、柔性薄膜压力传感器4、第一电感线圈3、外部检测电路；
所述胫骨衬垫包括胫骨衬垫上半部件2、与胫骨衬垫上半部件可拆卸连接的胫骨衬垫下半部件5；
所述柔性薄膜压力传感器4与第一电感线圈3电性连接；且柔性薄膜压力传感器4设置在胫骨衬垫上半部件2与胫骨衬垫下半部件5之间，且与两侧股骨髁对应的位置；
当检测到膝关节的力学状态发生变化时，柔性薄膜压力传感器4将压力信号转为电信号，通过第一电感线圈3反馈到用于读取电压信号并进行运算处理得到压力值的外部检测电路。
在本实施例中，所述的胫骨衬垫采用超高分子量聚乙烯制作而成，加工方式为烧结成型。本实施例将胫骨衬垫一分为二，将柔性薄膜压力传感器4置于胫骨衬垫上下部件之间，放置的位置与股骨髁对齐。选用的柔性薄膜压力传感器4具有良好的耐磨性能，而且超高分子量聚乙烯的力学性能良好，胫骨衬垫上半部件2对压力的传导影响有限。本发明在胫骨衬垫中放置了第一电感线圈3，第一电感线圈3与柔性薄膜压力传感器4的引脚相连，柔性薄膜压力传感器4将压力信号转为电信号，电信号则通过互感的方式传输到体外。
在本实施例中，柔性薄膜压力传感器4、第一电感线圈3随着胫骨衬垫植入人体内之后，可以不用取出，当需要监测关节衬垫假体状态时，直接通过外部检测电路与第一电感线圈3互感，获取对应的电压值，从而判断出关节衬垫假体的状态。而现有技术只是在手术过程中，可以将基体粘贴至人工膝关节假体中的胫骨垫片上，并将传感单元与信号处理装置之间的信号传输通道连通，从而可以测量股骨假体1的双髁施加到胫骨垫片上的压力信息，并根据测得的压力信息调节膝关节两侧韧带的松紧程度，调节完成后，将基体从胫骨垫片上剥离即可。现有技术传感器不内置在假体内，更无法判断假体植入人体内后的状态。本发明将柔性薄膜压力传感器4内置于胫骨衬垫内部，同时可以检测衬垫假体植入人体内后的状态。
在一个具体的实施例中，所述外部检测电路包括用于与第一电感线圈3互感的第二电感线圈、定值电阻；所述第二电感线圈与定值电阻电性连接。所述外部检测电路与柔性薄膜压力传感器4、第一电感线圈3的连接如图2所示。本实施例中的压力测量原理如下，本实施例采用的柔性薄膜压力传感器4为MD30-60柔性薄膜压力传感器4，本质上它是一个压敏电阻，当膝关节的力学状态发生变化时，柔性传感器将压力信号转为电信号，通过第一电感线圈3反馈到外部检测电路，外部检测电路读取电压信号，进行运算处理得到压力传感器的压力值，进而得到膝关节的状态信息。
所述第二电感线圈和电阻组成的外部检测电路读取由第一电感线圈互感得到电压信号，并进行运算处理得到衬垫假体的应力情况，具体计算如下：
由基尔霍夫电压定律可得：
其中，Rp表示柔性薄膜压力传感器4的电阻值，表示第二电感线圈的感应电压值，/>表示定值电阻两端的电压值，/>表示输入交流电压值，/>表示第一电感线圈3的感应电压值，/>表示第一电感线圈3的电流值；
设两个电感线圈的电感值为均为L，
其中：
表示第二电感线圈的电流值，R1表示定值电阻的电阻值；
由第一电感线圈3与第二电感线圈的互感原理得：
其中M表示第一电感线圈3、第二电感线圈直接的互感系数；
将式(3～5)代入式(1)(2)可得：
将式(6)记为：
在实际测量过程中，其中第一电感线圈3植入体内，第二电感线圈贴在膝关节内(外)侧面皮肤表面。由于互感系数M与线圈的相对位置相关，因此M不可能通过理论计算获得。由于函数f包含2个未知数Rp和M，求解f需要两个等式；调整输入交流电压值输出电压/>随/>变化；记录下两组/>代入式(6)即可求解出M和Rp；由于柔性薄膜压力传感器4的电阻值由压力F决定，即Rp＝g(F)，因此根据F＝g-1(Rp)求解出柔性薄膜压力传感器4的压力大小。
在本实施例中，还包括股骨假体1，所述股骨假体1与在胫骨衬垫上半部件2的顶部曲面结构相配合。
所述股骨假体1的曲面曲率基于国人膝关节薄层CT数据测量得到的。这种设计能更好地适配国人的解剖结构，且可进行参数化设计，通过控制冠状面上的曲率半径、股骨末端矢状面上的曲率半径、股骨后端在矢状面上的曲率半径等参数即可生成不同的股骨假体。
在本实施例中，还包括胫骨托6，所述平台胫骨托6与胫骨衬垫下半部件5通过多个槽口榫卯结构可拆卸连接。这种连接方式确保平台胫骨托6与胫骨衬垫下半部件5连接的稳定性。
在本实施例中，所述胫骨托6、胫骨衬垫的尺寸均基于模拟全膝关节置换手术(TKA)截骨后的膝关节模型的测量数据得到。
所述第一电感线圈3的线圈直径为5mm，厚度约为1.2mm，左右两侧线圈排列在同一平面上。
在本实施例中，所述柔性薄膜压力传感器4设置于两侧股骨髁对应的位置。也即在胫骨衬垫对应股骨髁位置嵌入柔性薄膜压力传感器4，柔性薄膜压力传感器4的引脚与第一电感线圈3相连。
在本实施例中，所述胫骨衬垫上半部件2与胫骨衬垫下半部件5通过槽口榫卯结构连接。这种连接方式确保胫骨衬垫上半部件2与胫骨衬垫下半部件5连接的稳定性。
本实施例设计胫骨衬垫、胫骨托6、股骨假体1的尺寸设计过程如下：将CT数据导入软件Mimics中，使用MEASURE模块对膝关节的几何数据进行测量，包括内、外髁长度，内、外髁宽度，股骨髁末端宽度，股骨髁后端宽度等参数。在Mimics中使用圆曲线拟合股骨假体1冠状面曲率半径、股骨假体1末端曲率半径和股骨髁后端曲率半径。测量了足够的参数后，在SolidWorks中对假体进行建模。
本实施例中，所述的胫骨托6、股骨假体1采用金属部件材质为钛合金制作而成，加工方式为选择性激光烧结。
本实施例所述假体能够实现对植入人体后膝关节假体的无源、无创的术后在线监测；相比同类技术，本发明是通过RL电路中柔性薄膜压力传感器4和第一电感线圈3分别实现对力学信号转换为电信号和对电信号的无线传输，极大简化了电路设计且该电路模块可直接嵌入胫骨衬垫内部；本发明是通过检测外部检测电路第二电感线圈和胫骨衬垫内接收第一电感线圈3之间的共振频率，基于RL电路特性，解算出此时柔性薄膜压力传感器4，从而得出受力情况。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种智能膝关节衬垫假体，其特征在于：所述假体包括：胫骨衬垫、柔性薄膜压力传感器(4)、第一电感线圈(3)、外部检测电路；
所述胫骨衬垫包括胫骨衬垫上半部件(2)、与胫骨衬垫上半部件可拆卸连接的胫骨衬垫下半部件(5)；
所述柔性薄膜压力传感器(4)与第一电感线圈(3)电性连接；且柔性薄膜压力传感器(4)设置在胫骨衬垫上半部件(2)与胫骨衬垫下半部件(5)之间，且与两侧股骨髁对应的位置；
当检测到膝关节的力学状态发生变化时，柔性薄膜压力传感器(4)将压力信号转为电信号，通过第一电感线圈(3)反馈到用于读取电压信号并进行运算处理得到压力值的外部检测电路。
2.根据权利要求1所述的智能膝关节衬垫假体，其特征在于：所述外部检测电路包括用于与第一电感线圈(3)互感的第二电感线圈、定值电阻；所述第二电感线圈与定值电阻电性连接。
3.根据权利要求2所述的智能膝关节衬垫假体，其特征在于：所述第二电感线圈和电阻组成的外部检测电路读取由第一电感线圈互感得到电压信号，并进行运算处理得到衬垫假体的应力情况。
4.根据权利要求1所述的智能膝关节衬垫假体，其特征在于：还包括股骨假体(1)，所述股骨假体(1)与胫骨衬垫上半部件(2)的顶部曲面结构相配合。
5.根据权利要求1所述的智能膝关节衬垫假体，其特征在于：还包括胫骨托(6)，所述平台胫骨托(6)与胫骨衬垫下半部件(5)通过多个槽口榫卯结构可拆卸连接。
6.根据权利要求5所述的智能膝关节衬垫假体，其特征在于：所述胫骨托(6)、胫骨衬垫的尺寸均基于模拟全膝关节置换手术截骨后的膝关节模型的测量数据得到。
7.根据权利要求1所述的智能膝关节衬垫假体，其特征在于：所述第一电感线圈(3)的线圈直径为5mm，厚度约为1.2mm，左右两侧线圈排列在同一平面上。
8.根据权利要求1所述的智能膝关节衬垫假体，其特征在于：所述柔性薄膜压力传感器(4)设置于两侧股骨髁对应的位置。
9.根据权利要求1所述的智能膝关节衬垫假体，其特征在于：所述胫骨衬垫上半部件(2)与胫骨衬垫下半部件(5)通过槽口榫卯结构连接。
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