KR20200133039A - Smart Sensor System - Google Patents

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KR20200133039A
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Abstract

The present invention relates to a smart sensor system for knee artificial joint surgery. More specifically, the present invention relates to a smart sensor system for knee artificial joint surgery, which can guide the pressure balance within the knee to be uniformly set regardless of experience of a doctor by accurately calculating and providing pressure information required for knee artificial joint surgery from a smart sensor inserted into an artificial joint.

Description

무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템 {Smart Sensor System}Smart sensor system for knee artificial joint surgery {Smart Sensor System}

본 발명은 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인공 관절에 삽입되는 스마트 센서로부터 무릎 인공관절 수술에 필요한 압력 정보를 정확하게 산출하여 제공함으로써 의사의 경험에 상관없이 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅할 수 있도록 가이드할 수 있는 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a smart sensor system for knee artificial joint surgery, and more particularly, by accurately calculating and providing pressure information necessary for knee artificial joint surgery from a smart sensor inserted into an artificial joint, pressure in the knee regardless of the doctor's experience. It relates to a smart sensor system for knee artificial joint surgery that can guide the balance to be set evenly.

인공관절 치환술 후 빨리 회복하기 위해서는 수술이 얼마나 정교하게 이뤄졌는지가 중요한데, 무릎 뼈 모양에 맞춰 인공관절을 삽입하는 건 대부분 완벽에 가까운 수준으로 할 수 있지만, 인대, 힘줄 상태를 조절해 무릎 내의 압력을 균형있게 맞추는 건 의사의 경험이 절대적인 영향을 미치고, 수술 과정 중 무릎 내 압력을 잘못 조절하면 환자가 그 압력에 적응하는 동안 통증이 느껴지는데, 이로 인해 만족도가 떨어질 수 있기 때문에 인공관절을 원래 자신의 관절처럼 완벽하게 끼워 넣는 데 한계가 있었다.In order to recover quickly after an artificial joint replacement surgery, it is important how elaborate the surgery was performed.In most cases, inserting an artificial joint according to the shape of the knee bone can be done at a level close to perfect, but the pressure in the knee can be controlled by adjusting the ligaments and tendons. The experience of the doctor has an absolute influence on the balance, and if the patient's knee pressure is adjusted incorrectly during the procedure, the patient will feel pain while adjusting to the pressure, which can reduce satisfaction. There was a limit to the perfect fit.

따라서, 의사의 경험에 상관없이 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅할 수 있는지가 인공관절 치환술의 관건이기 때문에 인공관절 사이에 특수 센서를 삽입하여 무릎 각 부위의 압력을 측정하여 수치를 보여주고 의사는 이를 바탕으로 관절염으로 변형된 무릎의 인대를 조절해 무릎의 압력을 균일하게 맞출 수 있는 스마트 센서를 이용한 인공관절 치환술이 도입되고 있다. Therefore, regardless of the doctor's experience, whether or not the intra-knee pressure balance can be set evenly is the key to artificial joint replacement surgery.Therefore, a special sensor is inserted between the artificial joints to measure the pressure in each part of the knee to show the numerical value. Based on this, artificial joint replacement surgery using a smart sensor that can evenly match knee pressure by adjusting the ligaments of the knee deformed by arthritis is being introduced.

그러나, 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅하기 위해서는 센서가 인공관절과 함께 무릎에 삽입된 상태에서 하중/좌표/각도를 정확히 산출할 수 있어야 하지만 인공 관절의 기하학적 구조와 센서에서 센싱된 데이터 오류 및 오차로 인한 정확성이 부족하여 정확한 압력 밸런스 세팅이 어려운 문제가 있었다. However, in order to set the intra-knee pressure balance evenly, the load/coordinate/angle must be accurately calculated when the sensor is inserted into the knee along with the artificial joint, but the geometric structure of the artificial joint and the data errors and errors sensed by the sensor Due to the lack of accuracy, it was difficult to set an accurate pressure balance.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 인공 관절에 삽입되는 스마트 센서로부터 무릎 인공관절 수술에 필요한 압력 정보를 정확하게 산출하여 제공함으로써 의사의 경험에 상관없이 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅할 수 있도록 가이드할 수 있는 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템을 제공하는 데 있다.As conceived to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a uniform pressure balance within the knee regardless of the experience of the doctor by accurately calculating and providing pressure information required for knee artificial joint surgery from a smart sensor inserted into the artificial joint. It is to provide a smart sensor system for knee artificial joint surgery that can be guided so that it can be set properly.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 무릎 인공관정 수술용 스마트 센서 시스템은 인공관절에 삽입되어 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로 데이터를 감지하는 스마트 센서와; 상기 스마트 센서로부터 감지된 센서 로데이터를 전송받아 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보를 산출하는 데이터 산출 수단을 포함하되; 상기 스마트 센서는 배터리 상태를 체크하고, 상기 센서 로데이터를 감지하고 감지된 센서 로 데이터를 상기 데이터 산출 수단에 전송하는 센서 블럭과 상기 센서 블럭과 연결되어 센서 블럭의 동작에 필요한 전력을 공급하는 배터리 블럭을 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the smart sensor system for knee arthroplasty surgery according to the present invention includes a smart sensor that is inserted into the artificial joint and senses data with a sensor that is pressure level information for each position of the artificial joint up and down; And a data calculating means for receiving the sensor raw data sensed from the smart sensor and calculating pressure information necessary for setting an artificial joint; The smart sensor checks the state of the battery, detects the sensor raw data, and transmits the detected sensor raw data to the data calculating means, and a battery connected to the sensor block to supply power required for the operation of the sensor block. It characterized in that it includes a block.

상기 센서 블럭은 복수 개로 분할된 센서 셀로 구성되고, 인공 관절의 좌우 압력 밸런스의 균일한 세팅을 위해 좌와 우측에 각각 동일한 개수의 센서 셀이 동일한 배치로 구성된 제 1 센서유닛과 제 2 센서유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. The sensor block is composed of a plurality of divided sensor cells, and includes a first sensor unit and a second sensor unit in which the same number of sensor cells are respectively arranged on the left and right sides for uniform setting of the left and right pressure balance of the artificial joint. Characterized in that.

상기 센서 블록은 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하는 센서 유닛과; 상기 센서 유닛으로부터 감지된 센싱 데이터를 호스트로 전송을 제어하는 MCU와; 상기 MCU의 제어에 따라 상기 센싱 데이터를 호스트로 무선 전송하는 안테나를 포함하고; 상기 MCU는 배터리 블럭의 상태를 체크하고, 데이터 산출 수단과 무선 통신을 통해 데이터 송수신을 제어하고, 전처리 프로세스가 수행되어 스캔 명령을 수신하면 센서 유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 상기 데이터 산출 수단에 무선 전송을 제어하는 것을 특징으로 한다.The sensor block includes a sensor unit that senses sensor raw data, which is pressure level information for each upper and lower position of the artificial joint; An MCU controlling transmission of sensing data sensed from the sensor unit to a host; And an antenna for wirelessly transmitting the sensing data to a host under the control of the MCU; The MCU checks the state of the battery block, controls data transmission/reception through wireless communication with the data calculation unit, and transmits the sensor raw data sensed through the sensor unit to the data calculation unit when a preprocessing process is performed and a scan command is received. It characterized in that it controls wireless transmission.

상기 데이터 산출 수단은 스마트 센서에 대한 FW업데이트 정보가 있는 경우 이를 스마트 센서로 전송하고, 스마트 센서가 배터리로부터 전원이 파워온되면 배터리 체크에 대한 결과를 수신하고, 센서 유닛의 스캔을 위한 전처리 프로세스를 수행하고, 상기 스마트 센서와 무선 통신을 통해 센서 스캔을 명령하고, 센서유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 전송받아 관리하는 센서관리모듈과; 상기 상기 센서관리모듈로 수신된 각 센서 셀의 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정과 힘 보정 및 뉴튼으로 매칭 과정을 수행하고, 각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 및 각도를 산출하는 과정을 포함하여 압력 정보를 산출하는 압력정보산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다. If there is FW update information for the smart sensor, the data calculation means transmits it to the smart sensor, and when the power is powered on from the battery, the smart sensor receives the result of the battery check, and performs a preprocessing process for scanning the sensor unit. A sensor management module configured to perform, command a sensor scan through wireless communication with the smart sensor, and receive and manage sensor raw data detected through the sensor unit; Including a pre-processing process for the sensor raw data of each sensor cell received by the sensor management module, performing a force correction and matching process with Newton, and calculating coordinates and angles for the force correction values of each cell. It characterized in that it comprises a pressure information calculation module for calculating the pressure information.

상기 센서관리모듈은스마트 센서 정보 세팅(버전 정보/센서 관련 정보), I2C 블록 초기화, BLE 블록 초기화, WTD 블록 초기화, ADC 블록 초기화, EEPROM 블록 초기화를 포함하는 시스템 초기화와; OTA FW 업데이트를 위한 부트로더 SRAM 초기화 및; 스마트 센서 블록 초기화, 센서 베이스라인 초기화, 압력 캘리브레이션 파라메터 초기화, 압력 매칭 파라메터(Force matching to Newton parameter) 초기화를 포함하는 스마트 센서 초기화를 포함하는 시스템 운전 초기화 작업, 배터리 체크, OTA FW 업데이트 작업을 포함하는 전처리 프로세스를 수행하고; 전처리 프로세스가 종료되면 상기 스마트 센서로 스캔 명령을 전송하는 것을 특징으로 한다. The sensor management module includes: a system initialization including smart sensor information setting (version information/sensor-related information), I2C block initialization, BLE block initialization, WTD block initialization, ADC block initialization, and EEPROM block initialization; Initializing the boot loader SRAM for OTA FW update; System operation initialization including smart sensor initialization including smart sensor block initialization, sensor baseline initialization, pressure calibration parameter initialization, force matching to Newton parameter initialization, battery check, OTA FW update operation Performing a pretreatment process; When the preprocessing process is finished, a scan command is transmitted to the smart sensor.

상기 압력정보산출모듈은 상기 사전 프로세싱 과정과 힘 보정과 뉴튼으로 힘 매칭 과정을 수행하되; 상기 사전 프로세싱 과정은 센서 로데이터에 대해 최초 압력(first press or first release)인지를 체크하고 최초 압력인 경우 적응 필터(adaptive filter)를 세팅하고,센서 로데이터를 필터링하고, 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 센서 변화(Sensor variation) 데이터를 산출하는 단계를 포함하고; 상기 힘 보정 과정은 인가 하중에 따른 센서 값의 변화량이 선형화가 되도록 수식을 산출하되, 센서 유닛이 복수 개의 센서 셀로 구성되고 각 셀의 변화량 곡선이 다르기 때문에 힘 보정 수식은 각 셀 별로 산출하기 위해 입력 데이터(각 센서 셀에 대한 센서 변화 데이터)에 대한 현재 입력 값을 체크하고, 경계하중보다 적을 경우 하기의 수학식 1-1에 의해 힘 보정을 수행하고, 경계하중보다 클 경우 하기의 수학식 1-2 에 의해 힘 보정을 수행하여 출력 데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)를 산출하는 단계를 포함하고;The pressure information calculation module performs the pre-processing process, force correction, and force matching process with Newton; The pre-processing process checks whether the sensor raw data is first press or first release, sets an adaptive filter, filters the raw sensor data, and filters each sensor cell of the sensor unit. Calculating sensor variation data for; In the force correction process, an equation is calculated so that the amount of change in the sensor value according to the applied load becomes linear, but since the sensor unit is composed of a plurality of sensor cells and the amount of change curve of each cell is different, the force correction formula is input to calculate each cell. The current input value for data (sensor change data for each sensor cell) is checked, and if it is less than the boundary load, force correction is performed according to Equation 1-1 below, and if it is greater than the boundary load, the following Equation 1 Performing force correction by -2 to calculate output data (corrected sensor change data of each cell);

수학식 1-1 : Y= A*(EXP(B*X)-EXP(C*X))Equation 1-1: Y= A*(EXP(B*X)-EXP(C*X))

수학식 1-2 : Y=(A+X)/(B+C*X**2)+D*XEquation 1-2: Y=(A+X)/(B+C*X**2)+D*X

상기 힘 매칭 과정은 상기 힘 보정 과정에서의 출력 데이터가 입력데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)가 되어 하기의 수학식 2-1에 의해 유효 힘 영역의 힘의 합(ΣFValid)을 산출하고, 상기 힘의 합(ΣFValid)을 인가 하중으로 하기의 수학식 2-2에 의해 뉴튼으로 힘 매칭하여 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 하중(힘)을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the force matching process, the output data in the force correction process becomes input data (corrected sensor change data of each cell), and the sum of the forces in the effective force region (ΣFValid) is calculated by Equation 2-1 below. And calculating the load (force) for each sensor cell of the sensor unit by matching the force with Newton by Equation 2-2 below using the sum of the forces (ΣFValid) as an applied load.

수학식 2-1 : ΣFValid = fmax + fmax-1 + fmax-2Equation 2-1: ΣFValid = fmax + fmax-1 + fmax-2

수학식 2-2 : Y = A+B*X+C*X**2+D*X**3Equation 2-2: Y = A+B*X+C*X**2+D*X**3

그리고 상기 압력정보산출모듈은 각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 과정시 센서의 좌측 영역(제 1 센서 유닛)과 우측 영역(제 2 센서 유닛)이 독립적인 힘이 작용되는 것으로 가정하고, 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 좌측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 좌측 X,Y 좌표를 산출하고; 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 우측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 우측 X,Y 좌표를 산출하고;In addition, the pressure information calculation module assumes that independent forces are applied to the left area (first sensor unit) and the right area (second sensor unit) of the sensor during the process of calculating the coordinates for the force correction value of each cell, and input With respect to the data (uncorrected sensor change data and corrected ΣFValid), it is checked whether ΣFValid in the left area is greater than the effective force, and if larger, left X,Y coordinates are calculated by Equation 3-1; For input data (uncorrected sensor change data and corrected ΣFValid), it is checked whether or not ΣFValid in the right area is greater than the effective force, and if larger, right X,Y coordinates are calculated by Equation 3-1;

수학식 3-1 : Equation 3-1:

a. LX = Ratio * (LFx / ΣFLeft) a. LX = Ratio * (LFx / ΣFLeft)

b. LY = Ratio * (LFy / ΣFLeft) b. LY = Ratio * (LFy / ΣFLeft)

c. RX = Ratio * (RFx / ΣFRight) c. RX = Ratio * (RFx / ΣFRight)

d. RY = Ratio * (RFy / ΣFRight) d. RY = Ratio * (RFy / ΣFRight)

좌측과 우측 영역의 2개의 좌표 사이의 각도를 산출하되; 상기 산출된 좌측 X,Y와 우측 X,Y 좌표에 대해서 수학식 3-4에 의해 라디안을 산출하고;Calculating the angle between the two coordinates of the left and right areas; Radians are calculated by Equation 3-4 for the calculated left X,Y and right X,Y coordinates;

수학식 3-4 : Radian = atan(dY/dX)Equation 3-4: Radian = atan(dY/dX)

상기 좌측 ΣFValid와 우측 ΣFValid가 0보다 크다면 수학식 3-5에 의해 각도를 산출하는 것을 특징으로 한다. If the left ΣFValid and the right ΣFValid are greater than 0, the angle is calculated by Equation 3-5.

수학식 3-5 : Angle = Radian * (180/PI)Equation 3-5: Angle = Radian * (180/PI)

여기서, 상기 상기 압력정보산출모듈은 상기 좌측 X,Y 좌표와 우측 X,Y 좌표가 산출되면 보정 파라메터가 존재하는지 여부를 확인하여 보정 파라메터가 존재하는 경우 수학식 3-2에 의해 좌표 보정을 수행하는 단계를 더 포함하여 좌표를 산출하는 것을 특징으로 한다. Here, when the left X,Y coordinates and the right X,Y coordinates are calculated, the pressure information calculation module checks whether a correction parameter exists, and if the correction parameter exists, performs coordinate correction according to Equation 3-2. It characterized in that it further comprises the step of calculating the coordinates.

수학식 3-2 : a. XCal_L = LeftParmX1 * X_Left + LeftParmX2 * Y_Left + LeftParmX3 Equation 3-2: a. XCal_L = LeftParmX1 * X_Left + LeftParmX2 * Y_Left + LeftParmX3

b. YCal_L = LeftParmY1 * X_Left + LeftParmY2 * Y_Left + LeftParmY3 b. YCal_L = LeftParmY1 * X_Left + LeftParmY2 * Y_Left + LeftParmY3

c. XCal_R = RightParmX1 * X_Left + RightParmX2 * Y_Left + RightParmX3 c. XCal_R = RightParmX1 * X_Left + RightParmX2 * Y_Left + RightParmX3

d. YCal_R = RightParmY1 * X_Left + RightParmY2 * Y_Left + RightParmY3 d. YCal_R = RightParmY1 * X_Left + RightParmY2 * Y_Left + RightParmY3

여기서, RightParmX1, RightParmX2, RightParmX3, RightParmY1, RightParmY2, RightParmY3는 보정 파라메터이다.Here, RightParmX1, RightParmX2, RightParmX3, RightParmY1, RightParmY2 and RightParmY3 are correction parameters.

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템은 무릎 인공관절의 환경 조건에 따라 감지된 센서 셀의 힘(하중)에 대한 센서 로데이터를 정밀 보정하여 힘(하중), 좌표 및 각도를 산출하여 의료진에 제공할 수 있으므로 의사의 경험에 상관없이 무릎 내 압력 밸런스를 균일하게 세팅할 수 있도록 가이드할 수 있으므로 무릎 인공관절 수술의 신뢰도를 높일 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.As described above, the smart sensor system for knee artificial joint surgery according to the present invention precisely corrects the sensor raw data for the force (load) of the sensor cell detected according to the environmental conditions of the knee artificial joint, and the force (load) and coordinates And since the angle can be calculated and provided to the medical staff, regardless of the doctor's experience, it is possible to guide the pressure balance in the knee to be uniformly set, resulting in an excellent effect of increasing the reliability of knee artificial joint surgery.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 센서를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1의 스마트 센서의 구조를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3은 도 1의 스마트 센서가 장착된 인공관절을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 센서를 이용한 무릎 인공 관절 수술용 압력 정보 산출 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명에 따른 스마트 센서의 배터리 체크 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 8a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 힘 보정 과정을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뉴튼으로 힘 매칭 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하중 별 변화량 곡선을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 힘 보정 과정에 따른 시뮬레이션 그래프를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 산출 과정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 11b는 좌표 보정 과정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 11c는 각도 산출 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌측의 제1 센서 유닛의 센서 셀의 힘 분포를 개략적으로 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 보정 알고리즘의 수식을 개략적으로 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각도를 계산하기 위한 좌표계를 개략적으로 도시한 것이다.
1 is a perspective view schematically showing a smart sensor according to a preferred embodiment of the present invention,
2 is a block diagram schematically showing the structure of the smart sensor of FIG. 1.
3 is a perspective view schematically illustrating an artificial joint equipped with a smart sensor of FIG. 1.
4 is a system configuration diagram schematically showing a smart sensor system for knee artificial joint surgery according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a flowchart schematically showing a method of calculating pressure information for knee artificial joint surgery using a smart sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is a flowchart schematically illustrating a battery check method of a smart sensor according to the present invention.
7 is a flowchart schematically illustrating a pre-processing process for raw sensor data according to an exemplary embodiment of the present invention.
8A is a flow chart schematically showing a force correction process according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a flow chart schematically showing a force matching process with Newtons according to a preferred embodiment of the present invention.
9 schematically shows a change amount curve for each load according to a preferred embodiment of the present invention.
10 schematically illustrates a simulation graph according to a force correction process according to a preferred embodiment of the present invention.
11A schematically shows a coordinate calculation process according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 11B schematically shows a coordinate correction process, and FIG. 11C is a flowchart schematically showing an angle calculation process.
12 schematically shows the force distribution of the sensor cell of the left first sensor unit according to a preferred embodiment of the present invention.
13 schematically shows an equation of a coordinate correction algorithm according to a preferred embodiment of the present invention.
13 schematically shows a coordinate system for calculating an angle according to a preferred embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 센서를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 스마트 센서의 구조를 개략적으로 도시한 블럭도이다.1 is a perspective view schematically showing a smart sensor according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram schematically showing the structure of the smart sensor of FIG. 1.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 스마트 센서(10)는 배터리 상태를 체크하고, 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하고 감지된 센서 로 데이터를 상기 데이터 산출 수단에 전송하는 상기 센서 블럭(110)과 연결되어 센서 블럭의 동작에 필요한 전력을 공급하는 배터리 블럭(120)과 호스트 단말과의 인터페이스를 제공하는 디스플레이 블럭을 포함하여 구성될 수 있다.1 and 2, the smart sensor 10 according to the present invention checks the state of the battery, detects sensor raw data, which is pressure magnitude information for each upper and lower position of the artificial joint, and converts the detected sensor data into the data calculation means. It may be configured to include a battery block 120 connected to the sensor block 110 transmitted to the sensor block 110 to supply power required for the operation of the sensor block and a display block providing an interface with the host terminal.

상기 센서 블럭(110)의 물리적 구조는 포스 터치(Force Touch, FT) 센서와 동일하게 상부 전극과 하부 전극 및 상기 상부 전극과 하부 전극 사이에 결합된 탄성체를 포함하여 정전용량 방식(Capacitve type)으로 압력(힘)을 측정할 수 있다.The physical structure of the sensor block 110 includes an upper electrode and a lower electrode, and an elastic body coupled between the upper electrode and the lower electrode, similar to a force touch (FT) sensor, in a capacitive type. Pressure (force) can be measured.

상기 센서 블럭(110)은 복수 개로 분할된 센서 셀(1111)이 센서 유닛(111)을 이루도록 구성되고, 인공 관절의 좌우 압력 밸런스의 균일한 세팅을 위해 좌와 우에 각각 동일한 개수의 센서 셀이 동일한 배치로 구성된 좌측의 제 1 센서유닛(111a)과 우측의 제 2 센서유닛(111b)을 포함하여 구성될 수 있다.The sensor block 110 is configured such that the sensor cells 1111 divided into a plurality of pieces form the sensor unit 111, and the same number of sensor cells are disposed on the left and right respectively for uniform setting of the left and right pressure balance of the artificial joint. It may be configured to include a first sensor unit 111a on the left and a second sensor unit 111b on the right.

본 실시예는 제 1 및 2 센서 유닛(111a, 111b)에 각각 9개의 센서 셀(1111)이 배치된 것에 대한 것이지만, 상기 각 센서 유닛에 포함되는 센서 셀의 수와 배치는 동일하게 구성되되, 인공 관절의 환경 및 사양에 따라 다양하게 설정될 수 있다.In this embodiment, the first and second sensor units 111a and 111b each have 9 sensor cells 1111 disposed, but the number and arrangement of the sensor cells included in each sensor unit are the same, It can be set in various ways according to the environment and specifications of the artificial joint.

그리고 상기 센서 블럭(110)은 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하는 센서 유닛(111)과 상기 센서 유닛으로부터 감지된 센싱 데이터를 호스트로 전송을 제어하는 MCU(112)와 상기 MCU의 제어에 따라 상기 센싱 데이터를 호스트로 무선 전송하는 안테나(113)와 발진 및 레귤레이터 기능을 수행하는 주변회로(114)를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the sensor block 110 includes a sensor unit 111 that detects sensor raw data, which is information on the pressure level of the upper and lower positions of the artificial joint, and an MCU 112 that controls transmission of sensing data sensed from the sensor unit to a host. It may include an antenna 113 for wirelessly transmitting the sensing data to a host under the control of the MCU, and a peripheral circuit 114 for performing oscillation and regulator functions.

상기 MCU(112)는 배터리 블럭(120)의 상태를 체크하고, 데이터 산출 수단과 무선 통신을 통해 데이터 송수신을 제어하고, 전처리 프로세스가 수행되어 스캔명령이 수신되면 상기 센서 유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 상기 데이터 산출 수단으로 무선 전송하는 역할을 담당한다.The MCU 112 checks the state of the battery block 120, controls data transmission/reception through wireless communication with a data calculating means, and when a preprocessing process is performed and a scan command is received, the sensor detected through the sensor unit is used. It plays a role of wirelessly transmitting data to the data calculating means.

도 3은 도 1의 스마트 센서가 장착된 인공관절을 개략적으로 도시한 사시도이다.3 is a perspective view schematically illustrating an artificial joint equipped with a smart sensor of FIG. 1.

도 3을 참조하면, 인공 관절(30)은 센서가 장착되는 베이스플레이트(310)와 상기 베이스 플레이트 상에 배치되어 센서 유닛의 간격을 조절하는 스페이서(320)와 상기 스페이서 상에 배치되는 스마트 센서(10)와 상기 센서 유닛 상에 배치되어 경골 역할을 담당하는 경골 인서트(330)와 상기 경골 인서트 상에 결합되어 대퇴골 역할을 담당하는 대퇴골 인서트(340)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 3, the artificial joint 30 includes a base plate 310 on which a sensor is mounted, a spacer 320 disposed on the base plate to adjust the spacing of the sensor unit, and a smart sensor disposed on the spacer ( 10) and a tibia insert 330 disposed on the sensor unit to serve as a tibia, and a femur insert 340 coupled on the tibia insert to serve as a femur.

상기 스마트 센서(10)가 상기 인공 관절 내에 장착된 상태로 무릎에 삽입되고, 상기 상기 스마트 센서를 통한 센싱을 수행하여 압력 밸런싱을 위한 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보가 획득되면 상기 스마트 센서는 제거되고, 상기 인공 관절 세팅 정보에 따라 상기 인공 관절을 무릎에 고정하게 된다.When the smart sensor 10 is inserted into the knee while being mounted in the artificial joint, sensing is performed through the smart sensor to obtain pressure information necessary for setting the artificial joint for pressure balancing, the smart sensor is removed. , The artificial joint is fixed to the knee according to the artificial joint setting information.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.4 is a system configuration diagram schematically showing a smart sensor system for knee artificial joint surgery according to a preferred embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템은 인공관절에 삽입되어 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하는 스마트 센서(10)와 상기 스마트 센서로부터 감지된 센서 로데이터를 전송받아 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보를 산출하는 데이터 산출 수단(20)을 포함하여 구성될 수 있다.4, the smart sensor system for knee artificial joint surgery according to the present invention is inserted into the artificial joint and from the smart sensor 10 and the smart sensor to detect sensor raw data, which is pressure magnitude information for each upper and lower position of the artificial joint. It may be configured to include a data calculation means 20 for receiving the sensed sensor raw data and calculating pressure information required for artificial joint setting.

여기서, 상기 데이터 산출 수단(20)은 호스트 단말 또는 클라우드 서버로 구성될 수 있으며, 상기 스마트 센서(10)와의 무선 통신을 통해 전송된 센서 로데이터를 토대로 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보를 산출하게 된다.Here, the data calculation means 20 may be composed of a host terminal or a cloud server, and based on the sensor raw data transmitted through wireless communication with the smart sensor 10, pressure information required for artificial joint setting is calculated. .

여기서, 상기 스마트 센서(10)와 데이터 산출 수단(20)은 블루투스, 지그비, 적외선, RF 등의 근거리 무선 통신을 통해 데이터가 송수신 될 수 있지만, 저전력 블루투스(BLE)를 지원하는 블루투스 방식으로 구성하는 것이 바람직하다. Here, the smart sensor 10 and the data calculating means 20 may transmit and receive data through short-range wireless communication such as Bluetooth, Zigbee, infrared, and RF, but are configured in a Bluetooth method supporting low power Bluetooth (BLE). It is desirable.

상기 압력 정보는 인공 관절을 정확한 위치에 세팅하기 위해 필요한 정보로 경골과 대퇴골의 간격 및 각도, 압력의 밸런스를 조절하여 인공 관절을 정확한 위치에 설치할 수 있도록 가이드 하기 위한 정보로 센서 셀에 작용하는 하중(Pressure), 좌표(Coordinate), 각도(Angle) 정보를 포함한다.The pressure information is information necessary to set the artificial joint in the correct position.It is information for guiding the artificial joint to be installed in the correct position by adjusting the balance of the gap, angle, and pressure between the tibia and femur.The load acting on the sensor cell (Pressure), coordinates, and angle information are included.

상기 데이터 산출 수단(20)은 인공 관절에 삽입되는 상기 스마트 센서를 관리하고, 스마트 센서와 통신 상태를 확인하고 무선 통신을 통해 센서 로데이터를 전송받아 관리하는 센서관리모듈(210)과 상기 전송된 센싱 데이터로부터 압력 정보를 산출하는 압력정보산출모듈(220)과 상기 압력 정보 산출을 위한 수식, 파라메터, 환경 정보 및 산출된 압력 정보를 저장 관리하는 데이터베이스(230)과 상기 산출된 압력 정보를 출력하는 디스플레이 모듈(240)을 포함하여 구성될 수 있다.The data calculation means 20 manages the smart sensor inserted into the artificial joint, checks the communication state with the smart sensor, and receives and manages the sensor raw data through wireless communication, and the transmitted A pressure information calculation module 220 for calculating pressure information from sensing data, a database 230 for storing and managing equations, parameters, environment information, and calculated pressure information for calculating the pressure information, and outputting the calculated pressure information It may be configured to include the display module 240.

보다 구체적으로, 상기 센서관리모듈(210)은 FW업데이트 정보가 있는 경우 이를 스마트 센서로 전송하고, 스마트 센서(10)가 배터리로부터 전원이 파워온되면 배터리 체크에 대한 결과를 수신하고, 센서 유닛의 스캔을 위한 전처리 프로세스를 수행하고, 상기 스마트 센서(10)와 무선 통신을 통해 센서 스캔을 명령하고, 센서유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 전송받아 관리하는 역할을 담당한다.More specifically, when there is FW update information, the sensor management module 210 transmits it to the smart sensor, and when the smart sensor 10 is powered on from the battery, it receives the result of the battery check, and It performs a pre-processing process for scanning, commands a sensor scan through wireless communication with the smart sensor 10, and receives and manages sensor raw data detected through the sensor unit.

그리고 상기 압력정보산출모듈(220)은 상기 센서관리모듈(210)로 수신된 각 센서 셀의 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정과 힘 보정 및 뉴튼으로 매칭 과정을 수행하고, 각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 및 각도를 산출하여 압력 데이터를 산출하는 역할을 담당한다.Further, the pressure information calculation module 220 performs a pre-processing process for the sensor raw data of each sensor cell received by the sensor management module 210, a force correction, and a matching process with Newton, and the force correction value of each cell It is responsible for calculating the pressure data by calculating the coordinates and angles for.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 센서를 이용한 무릎 인공 관절 수술용 압력 정보 산출 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.5 is a flowchart schematically showing a method of calculating pressure information for knee artificial joint surgery using a smart sensor according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 먼저 스마트 센서의 배터리 블륵을 통해 전원이 인가되어 파워 온(Power On)되면, 센서블럭의 MCU가 전처리 프로세스를 수행한다.Referring to FIG. 5, when power is first applied through a battery block of a smart sensor and is powered on, the MCU of the sensor block performs a preprocessing process.

여기서, 전처리 프로세스는 시스템 운전 초기화 작업, 배터리 체크, OTA FW 업데이트 작업을 포함할 수 있다.Here, the preprocessing process may include a system operation initialization operation, a battery check, and an OTA FW update operation.

먼저, 시스템 운전 초기화 작업을 수행한다.First, the system operation initialization work is performed.

여기서, 상기 시스템 운전 초기화 작업은 시스템 초기화(System Initialization)와 OTA FW 업데이트를 위한 부트로더 SRAM 초기화 및 스마트 센서 초기화를 포함할 수 있다.Here, the system operation initialization operation may include system initialization, boot loader SRAM initialization for OTA FW update, and smart sensor initialization.

상기 시스템 초기화는 스마트 센서 정보 세팅(버전 정보/센서 관련 정보), I2C 블록 초기화, BLE 블록 초기화, WTD 블록 초기화, ADC 블록 초기화, EEPROM 블록 초기화를 포함할 수 있으며, 상기 스마트 센서 초기화는 스마트 센서 블록 초기화, 센서 베이스라인 초기화, 압력 캘리브레이션 파라메터 초기화, 압력 매칭 파라메터(Force matching to Newton parameter) 초기화를 포함할 수 있다.The system initialization may include smart sensor information setting (version information/sensor-related information), I2C block initialization, BLE block initialization, WTD block initialization, ADC block initialization, EEPROM block initialization, and the smart sensor initialization is a smart sensor block. This may include initialization, sensor baseline initialization, pressure calibration parameter initialization, and Force matching to Newton parameter initialization.

다음으로 스마트 센서의 배터리 체크를 수행한다.Next, the battery check of the smart sensor is performed.

도 6은 본 발명에 따른 스마트 센서의 배터리 체크 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.6 is a flowchart schematically illustrating a battery check method of a smart sensor according to the present invention.

도 6을 참조하면, 센서 블록의 MCU는 배터리의 레벨을 체크하고, 설정시간(예를 들어, 2.5초) 마다 1번씩 배터리 레벨을 % 단위로 체크하여 리포트 데이터를 생성하여 BLE를 통해 센서관리모듈로 전송한다. 6, the MCU of the sensor block checks the level of the battery, checks the battery level in% units once every set time (for example, 2.5 seconds), generates report data, and generates a sensor management module through BLE. Transfer to.

이어서, 센서 블록의 MCU는 수신된 CMD를 통해 FW 업그레이드 여부를 확인한다. 여기서, 수신된 FW 업그레이드가 있는 경우 BLE를 통해 업그레이드하고 상기 파워 온 단계로 피드백한다.Subsequently, the MCU of the sensor block checks whether the FW is upgraded through the received CMD. Here, if there is a received FW upgrade, it is upgraded through BLE and fed back to the power on step.

여기서, 상기 FW(펌웨어)는 다른 소프트웨어보다 우선적으로 하드웨어의 기본적인 동작을 제어할 수 있는 기능을 가지며 전원이 인가되고 수신된 CMD를 통해 FW 업그레이드가 있다면 자동으로 OTA FW 업데이트 동작을 수행하게 된다. Here, the FW (firmware) has a function of controlling the basic operation of hardware in priority over other software, and automatically performs an OTA FW update operation when power is applied and there is an FW upgrade through the received CMD.

다음으로, MCU가 센서 유닛을 스캔한다. 즉, 제 1 및 2 센서 유닛에 포함된 모든 센서 셀을 포함하는 센서에 대한 스캐닝을 시작하여, 센서 로데이터를 데이터 산출 수단에 전송한다..Next, the MCU scans the sensor unit. That is, scanning of sensors including all sensor cells included in the first and second sensor units is started, and raw sensor data is transmitted to the data calculating means.

이어서, 각 센서 셀의 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정과 힘 보정 및 뉴튼으로 매칭 과정을 수행한다.Subsequently, a pre-processing process for the sensor raw data of each sensor cell, force correction, and matching with Newton are performed.

먼저, 센서 로데이터(Raw Data)에 대한 사전 프로세싱을 수행한다.First, pre-processing is performed on the raw data of the sensor.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.7 is a flowchart schematically illustrating a pre-processing process for raw sensor data according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 먼저 최초 압력(first press or first release)인지를 체크하고 최초 압력인 경우 적응 필터(adaptive filter)를 세팅하고, 최초 압력이 아닌 경우 이미 적응 필터 세팅이 완료된 상태이므로 적응 필터 세팅 다음 단계로 포워딩한다.Referring to FIG. 7, first, it is checked whether it is a first press or first release, and if it is the first pressure, an adaptive filter is set, and if it is not the first pressure, the adaptive filter setting has already been completed. Forward to the next step.

여기서, 적응 필터 세팅은 다른 필터를 동적으로 변경하는 것으로 센서 데이터의 빠른 변화에 빠르게 대응할 수 있는 효과가 발생한다.In this case, the adaptive filter setting dynamically changes other filters, thereby generating an effect of rapidly responding to rapid changes in sensor data.

이어서, 센서 로데이터를 필터링하고, 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 센서 변화(Sensor variation) 데이터를 산출한다. Subsequently, the raw sensor data is filtered, and sensor variation data for each sensor cell of the sensor unit is calculated.

결국, 상기 센서 변화 데이터는 스캐닝된 센서 셀에 대한 로데이터가 필터링을 통해 변경된 데이터로 정의될 수 있다.Consequently, the sensor change data may be defined as data in which raw data for the scanned sensor cell is changed through filtering.

상기 필터링은 이동 평균 필터(Moving average filter)가 적용될 수 있으며, 선택적으로, 저역 필터(Low pass filter) 또는 칼만 필터(Kalman filter)가 적용될 수 있다.For the filtering, a moving average filter may be applied, and optionally, a low pass filter or a Kalman filter may be applied.

다음으로 힘 보정(force calibration)과 뉴튼으로 힘 매칭(force matching to newton)을 수행한다. Next, force calibration and force matching to newton are performed.

도 8a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 힘 보정 과정을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뉴튼으로 힘 매칭 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.8A is a flow chart schematically showing a force correction process according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a flow chart schematically showing a force matching process with Newtons according to a preferred embodiment of the present invention.

도 8a 및 8b를 참조하면, 먼저 힘 보정 과정은 입력 데이터(각 센서 셀에 대한 센서 변화 데이터)에 대한 현재 입력 값을 체크하고, 경계하중(예를 들어, 50N)보다 적을 경우 하기의 수학식 1-1에 의해 힘 보정을 수행하고, 상기 경계하중(50N)보다 클 경우 하기의 수학식 1-2 에 의해 힘 보정을 수행하여 출력 데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)를 산출한다.8A and 8B, first, the force correction process checks a current input value for input data (sensor change data for each sensor cell), and if it is less than a boundary load (eg, 50N), the following equation Force correction is performed by 1-1, and when it is greater than the boundary load 50N, force correction is performed according to Equation 1-2 below to calculate output data (corrected sensor change data of each cell).

수학식 1-1 : Y= A*(EXP(B*X)-EXP(C*X))Equation 1-1: Y= A*(EXP(B*X)-EXP(C*X))

수학식 1-2 : Y=(A+X)/(B+C*X**2)+D*XEquation 1-2: Y=(A+X)/(B+C*X**2)+D*X

여기서, 경계 하중(50N≒5kgf)은 도 9의 그래프에서 곡선이 급커브 구간(제1구간)과 완만한 커브 구간(제1구간)으로 나뉘게 되는데 두 개의 구간을 구분하는 기준이 되는 하중을 의미한다. Here, the boundary load (50N≒5kgf) is divided into a sharp curve section (the first section) and a gentle curve section (the first section) in the graph of FIG. do.

그리고, 상기 수학식 1-1은 상기 제1구간을 직선화하기 위한 수식이고, 수학식 1-2은 상기 제2구간을 직선화하기 위한 수식이다.In addition, Equation 1-1 is an equation for straightening the first section, and Equation 1-2 is an equation for straightening the second section.

여기서, 상기 A/B/C/D는 상기 1단계/2단계의 곡선의 각 센서 셀들의 값들이 서로 다른 곡선을 그리기 때문에 하기의 직선화 된 힘(Y)인 이상적인 직선값에 맞추기 위한 센서셀들의 상수값들이고, X는 현재 입력된 각 셀의 힘이고, Y는 수식에 의해 직선화 된 각 셀의 힘을 나타낸다.Here, the A/B/C/D is because the values of each sensor cell of the curve of step 1 and step 2 draw different curves, so that the sensor cells to match the ideal linear value, which is the straightened force (Y) They are constant values, X is the force of each cell currently input, and Y is the force of each cell linearized by the formula.

즉, 상기 힘 보정은 인가 하중에 따른 센서 값의 변화량이 선형화가 되도록 수식을 산출하는 것으로, 센서 유닛이 복수 개의 센서 셀로 구성되고 각 셀의 변화량 곡선이 다르기 때문에 힘 보정 수식은 각 셀 별로 산출하여야 한다.That is, the force correction is to calculate an equation so that the amount of change in the sensor value according to the applied load becomes linear.Since the sensor unit is composed of a plurality of sensor cells and the change amount curve of each cell is different, the force correction formula must be calculated for each cell. do.

보다 구체적으로 힘 보정 과정에 대해 살펴보면, 먼저 시료의 각 센서 셀 별 인가 하중에 따른 변화량을 측정한다.In more detail, the force correction process is first measured by measuring the amount of change according to the applied load for each sensor cell of the sample.

즉, 좌측의 제 1 센서 유닛의 9개 셀에 대한 센서 측정 위치(LSO, LS1 ~ LS8)와 우측의 제 2 센서 유닛의 9개 셀에 대한 센서 측정 위치(RS0, RS1 ~ RS8)에 대해 인가하중(1.5kgf, 3kgf, 5kgf, 7kgf, 10kgf, 15kgf, 20kgf)에 따른 변화량을 측정한다.That is, it is applied to the sensor measurement positions for 9 cells of the first sensor unit on the left (LSO, LS1 to LS8) and the sensor measurement positions for 9 cells of the second sensor unit on the right (RS0, RS1 to RS8). The amount of change according to the load (1.5kgf, 3kgf, 5kgf, 7kgf, 10kgf, 15kgf, 20kgf) is measured.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하중 별 변화량 곡선을 개략적으로 도시한 것이다.9 schematically shows a change amount curve for each load according to a preferred embodiment of the present invention.

그리고 측정 시료의 개수에 따라 상기 셀 별 인가 하중에 따른 변화량의 평균 값을 산출하고, 하중 별 변화량 곡선이 선형화되도록 셀 별 힘 보정 수식을 각각 산출한다.In addition, the average value of the change amount according to the applied load for each cell is calculated according to the number of measurement samples, and the force correction formula for each cell is calculated so that the change amount curve for each load is linearized.

이에 따라, 모든 셀의 힘 보정 수식이 산출되면 데이터 시뮬레이션을 통해 수식을 검증하고, ΣFValid가 1.5kgf인 보정된 각 셀에 대한 유효 힘 값(active force value)를 산출한다.Accordingly, when the force correction formula for all cells is calculated, the formula is verified through data simulation, and an active force value for each corrected cell with ΣFValid of 1.5kgf is calculated.

여기서, 무릎 수술 시 인체 구조 및 역학 상 최소 동작 하중이 1.5kgf 이며, 1.5kgf 이하는 너무 미약한 하중이므로 의미가 없기 때문에 유효 힘 값을 1.5kgf로 설정할 수 있다. Here, the minimum motion load in terms of human body structure and mechanics during knee surgery is 1.5kgf, and since 1.5kgf or less is a too weak load, it is meaningless, so the effective force value can be set to 1.5kgf.

이어서, 인가되는 하중이 경계하중(예를 들어, 50N)보다 적을 경우 상기의 수학식 1-1에 의해 힘 보정을 수행하고, 경계하중보다 클 경우 상기의 수학식 1-2 에 의해 힘 보정을 수행하여 출력 데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)를 산출한다.Subsequently, when the applied load is less than the boundary load (for example, 50N), force correction is performed according to Equation 1-1, and when it is greater than the boundary load, force correction is performed by Equation 1-2 above. To calculate output data (corrected sensor change data of each cell).

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 힘 보정 과정에 따른 시뮬레이션 그래프를 개략적으로 도시한 것이다.10 schematically illustrates a simulation graph according to a force correction process according to a preferred embodiment of the present invention.

다음으로, 뉴튼으로 힘 매칭 과정에 대해 살펴보면, 상기 힘 보정 과정에서의 출력 데이터가 입력데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)가 되어 하기의 수학식 2-1에 의해 유효 힘 영역의 힘의 합(ΣFValid)을 산출하고, 상기 힘의 합(ΣFValid)을 인가 하중으로 하기의 수학식 2-2에 의해 뉴튼으로 힘 매칭하여 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 하중(힘)을 산출한다.Next, looking at the force matching process in Newton, the output data in the force correction process becomes input data (corrected sensor change data of each cell), and the force of the effective force region is determined by Equation 2-1 below. The sum (ΣFValid) is calculated, and the load (force) for each sensor cell of the sensor unit is calculated by force matching with Newton by the following equation 2-2 as the applied load using the sum of the forces (ΣFValid).

수학식 2-1 : ΣFValid = fmax + fmax-1 + fmax-2Equation 2-1: ΣFValid = fmax + fmax-1 + fmax-2

수학식 2-2 : Y = A+B*X+C*X**2+D*X**3Equation 2-2: Y = A+B*X+C*X**2+D*X**3

여기서, 수학식 2-1은 어느 한 시점에서 전체 센서에 가해지는 전체 힘을 3센서셀의 합으로 구한다는 의미이며, fmax, fmax-1, fmax-2는 상기의 시점에서 전체힘이 가해지는 3개의 센서셀을 의미하고, ΣFValid은 그 3개의 센서셀의 값의 합을 나타낸다. 여기서, 상기 센서셀은 3개로 한정되는 것이 아니라, 3개 이상의 센서셀로 변경될 수 있음은 자명한 것이다.Here, Equation 2-1 means that the total force applied to all sensors at any one point is obtained as the sum of the three sensor cells, and fmax, fmax-1, and fmax-2 are the total force applied at the time point. It means three sensor cells, and ΣFValid represents the sum of the values of the three sensor cells. Here, it is obvious that the number of sensor cells is not limited to three, but can be changed to three or more sensor cells.

수학식 2-2는 상기 ΣFValid를 적용하면 도 10과 같이 약간의 곡선호 현상이 나타나기 때문에 이를 직선화하기 위한 수식으로, 상기 A/B/C/D: 상기 ΣFValid를 적용하면 약간에 곡선호 현상이 다시 나타나는데 그 값을 Newton 단위의 직선화된 값에 맞추기 위한 상수값들이고, X는 수학식 2-1에서 ΣFValid이고, Y는 수식에 의해 직선화 된 전체 힘이며 동시에 그 힘의 단위를 Kgf에서 Newton으로 치환한 값을 의미한다.Equation 2-2 is an equation for straightening a slight curve arc phenomenon as shown in FIG. 10 when the ΣFValid is applied. The A/B/C/D: curve arc phenomenon slightly when the ΣFValid is applied It appears again, and the values are constant values to match the linearized value in Newton units, X is ΣFValid in Equation 2-1, Y is the total force straightened by the equation, and at the same time, the unit of the force is substituted from Kgf to Newton. Means one value.

이어서, 상기 입력 힘(유효 힘 영역의 보정된 힘의 합)이 설정된 유효 힘(active force)보다 큰지 여부를 확인한다.Next, it is checked whether the input force (sum of the corrected force of the effective force region) is greater than the set active force.

여기서, 상기 유효 힘은 인공 관절의 압력 밸런스를 위해 필요한 힘으로 입력 힘이 유효 힘보다 작을 경우 압력이 불균형 상태이므로 피드백에 의한 센서의 베이스라인에 대한 트래킹이 필요하다.Here, the effective force is a force required for the pressure balance of the artificial joint, and when the input force is less than the effective force, the pressure is unbalanced, so it is necessary to track the baseline of the sensor by feedback.

따라서, 상기 입력 힘이 유효 힘보다 작은 경우 베이스 라인 트래킹을 통해 센서 베이스 값을 업그레이드한 후 파워 체크 단계로 피드백한다.Therefore, when the input force is less than the effective force, the sensor base value is upgraded through baseline tracking and then fed back to the power check step.

그리고 상기 입력 힘이 유효 힘보다 클 경우 좌표와 각도를 산출한다.And when the input force is greater than the effective force, coordinates and angles are calculated.

도 11a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 산출 과정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 11b는 좌표 보정 과정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 11c는 각도 산출 과정을 개략적으로 도시한 순서도이다.11A schematically shows a coordinate calculation process according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 11B schematically shows a coordinate correction process, and FIG. 11C is a flowchart schematically showing an angle calculation process.

도 11a를 참조하면, 먼저 센서의 좌측 영역(제 1 센서 유닛)과 우측 영역(제 2 센서 유닛)이 독립적인 힘이 작용되는 것으로 가정하고, 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 좌측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 좌측 X,Y 좌표를 산출한다.Referring to FIG. 11A, first, it is assumed that independent force is applied to the left area (first sensor unit) and the right area (second sensor unit) of the sensor, and input data (uncorrected sensor change data and corrected ΣFValid) For ), it is checked whether ΣFValid in the left area is greater than the effective force, and if it is large, the left X and Y coordinates are calculated by Equation 3-1.

여기서, 좌측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 작을 경우 좌측 X=0, Y=0, 좌측 힘=0으로 세팅하여 피드백한다.Here, if ΣFValid in the left area is less than the effective force, feedback is performed by setting left X=0, Y=0, and left force=0.

그리고 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 우측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 우측 X,Y 좌표를 산출한다.Then, with respect to the input data (uncorrected sensor change data and corrected ΣFValid), it is checked whether ΣFValid in the right area is greater than the effective force, and if larger, the right X and Y coordinates are calculated by Equation 3-1.

그리고 좌측과 마찬가지로 우측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 작을 경우 우측 X=0, Y=0, 우측 힘=0으로 세팅하여 피드백한다.And, similar to the left, if ΣFValid in the right area is smaller than the effective force, the right X=0, Y=0, and the right force=0 are set and fed back.

수학식 3-1 : Equation 3-1:

a. LX = Ratio * (LFx / ΣFLeft) a. LX = Ratio * (LFx / ΣFLeft)

b. LY = Ratio * (LFy / ΣFLeft) b. LY = Ratio * (LFy / ΣFLeft)

c. RX = Ratio * (RFx / ΣFRight) c. RX = Ratio * (RFx / ΣFRight)

d. RY = Ratio * (RFy / ΣFRight) d. RY = Ratio * (RFy / ΣFRight)

도 12은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌측의 제1 센서 유닛의 센서 셀의 힘 분포를 개략적으로 도시한 것이다.12 schematically shows the force distribution of the sensor cell of the first sensor unit on the left according to a preferred embodiment of the present invention.

도 12를 참조하여, 좌표 산출 과정을 살펴보면, Referring to Figure 12, looking at the coordinate calculation process,

좌측의 힘 ΣFLeft = f0+ f1+ ... +f8Left force ΣFLeft = f0+ f1+ ... +f8

x방향의 힘 LFx = 2.9*(f3+ f7 - f1 - f5)+ 5.8*f6 - 2.9(f1+ f5)-5.8*f2Force in the x direction LFx = 2.9*(f3+ f7-f1-f5)+ 5.8*f6-2.9(f1+ f5)-5.8*f2

x좌표는 (2.9*(f3+ f7- f1- f5)+ 5.8*(f6- f2))/ ΣFLeft* Ratio 이다.The x-coordinate is (2.9*(f3+ f7- f1- f5)+ 5.8*(f6- f2))/ ΣFLeft* Ratio.

그리고 y방향의 힘은 LFy = 5*(f5 + f7)+ 10*f8- 5*(f1 + f3)-10 * f0And the force in the y direction is LFy = 5*(f5 + f7)+ 10*f8- 5*(f1 + f3)-10 * f0

y좌표는 ( 5*(f5 + f7 - f1 - f3)+ 10*(f8 - f0)) / ΣFLeft* Ratio 이다.The y coordinate is (5*(f5 + f7-f1-f3)+ 10*(f8-f0)) / ΣFLeft* Ratio.

여기서, F, fn은 힘 보정이 적용되지 않은 힘 값이고, Ratio는 좌표의 해상도를 높여주기 위한 스칼라 함수이고, 우측 영역도 동일한 모델링으로 알고리즘이 산출될 수 있다.Here, F and fn are force values to which the force correction is not applied, Ratio is a scalar function for increasing the resolution of the coordinates, and an algorithm may be calculated using the same modeling for the right area.

상기와 같이 좌측 X,Y 좌표와 우측 X,Y 좌표가 산출되면 보정 파라메터가 존재하는지 여부를 확인하여 보정 파라메터가 존재하는 경우 수학식 3-2에 의해 좌표 보정을 수행한다.When the left X,Y coordinates and the right X,Y coordinates are calculated as described above, it is checked whether or not a correction parameter exists, and if the correction parameter exists, coordinate correction is performed by Equation 3-2.

수학식 3-2 : a. XCal_L = LeftParmX1 * X_Left + LeftParmX2 * Y_Left + LeftParmX3 Equation 3-2: a. XCal_L = LeftParmX1 * X_Left + LeftParmX2 * Y_Left + LeftParmX3

b. YCal_L = LeftParmY1 * X_Left + LeftParmY2 * Y_Left + LeftParmY3 b. YCal_L = LeftParmY1 * X_Left + LeftParmY2 * Y_Left + LeftParmY3

c. XCal_R = RightParmX1 * X_Left + RightParmX2 * Y_Left + RightParmX3 c. XCal_R = RightParmX1 * X_Left + RightParmX2 * Y_Left + RightParmX3

d. YCal_R = RightParmY1 * X_Left + RightParmY2 * Y_Left + RightParmY3 d. YCal_R = RightParmY1 * X_Left + RightParmY2 * Y_Left + RightParmY3

여기서, RightParmX1, RightParmX2, RightParmX3, RightParmY1, RightParmY2, RightParmY3는 보정 파라메터이다.Here, RightParmX1, RightParmX2, RightParmX3, RightParmY1, RightParmY2 and RightParmY3 are correction parameters.

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 보정 알고리즘의 수식을 개략적으로 도시한 것이다.13 schematically shows an equation of a coordinate correction algorithm according to a preferred embodiment of the present invention.

보다 구체적으로, 상기 좌표 보정 방법은 터치-스크린 제품에서 일반적으로 사용되는 좌표 보정 알고리즘이 적용될 수 있으며, 좌표 보정 알고리즘을 적용하기 위해서는 동일 직선상에 위치하지 않는 3점이 이상의 입력 좌표가 필요하고, 입력 좌표의 개수가 많을수록 보정 효과는 높아지지만 공정이 복잡해지는 단점이 있기 때문에 5점 보정 알고리즘이 적용될 수 있다.More specifically, the coordinate correction method can be applied to a coordinate correction algorithm commonly used in touch-screen products, and to apply the coordinate correction algorithm, input coordinates of three or more points not located on the same straight line are required, and input Although the correction effect increases as the number of coordinates increases, the five-point correction algorithm can be applied because the process becomes complicated.

3점 보정 알고리즘에 의한 좌표 보정 실시예에 대해 살펴보면, Looking at an example of coordinate correction using a three-point correction algorithm,

Destination Coordinates : P1(64, 384), P2(192, 192), P3(192, 576)Destination Coordinates: P1(64, 384), P2(192, 192), P3(192, 576)

Input Coordinates : p1(678, 2169), P2(2807, 1327), P3(2629, 3367) 이라면Input Coordinates: p1(678, 2169), P2(2807, 1327), P3(2629, 3367)

도 12의 수식 (1)을 적용하면 Applying Equation (1) in Fig. 12

αX, = 0.0623, βX, = 0.0054, ΔX = 9.9951 and αY, = -0.0163, βY, = 0.1868, ΔY = -10.1458이 된다.αX, = 0.0623, βX, = 0.0054, ΔX = 9.9951 and αY, = -0.0163, βY, = 0.1868, ΔY = -10.1458.

따라서, X = 0.0623 * XI, + 0.0054 * YI + 9.9951So, X = 0.0623 * XI, + 0.0054 * YI + 9.9951

Y = -0.0163 * XI, + 0.1868 * YI + (-10.1458) Y = -0.0163 * XI, + 0.1868 * YI + (-10.1458)

예를 들어 현재의 입력 좌표가 (1000, 2000)이라면 보정된 좌표는 ;For example, if the current input coordinate is (1000, 2000), the corrected coordinate is;

X = 0.0623 * 1000 + 0.0054 * 2000 + 9.9951 = about 83X = 0.0623 * 1000 + 0.0054 * 2000 + 9.9951 = about 83

Y = -0.0163 * 1000 + 0.1868 * 2000 + (-10.1458) = about 347이 된다.Y = -0.0163 * 1000 + 0.1868 * 2000 + (-10.1458) = about 347.

그리고 X,Y 좌표에 대한 최소 및 최대 경계를 하기의 수학식 3-3을 통해 체크한다.And, the minimum and maximum boundaries for the X and Y coordinates are checked through Equation 3-3 below.

수학식 3-3 : a. Resolution XMin = -400Equation 3-3: a. Resolution XMin = -400

b. Resolution XMax = 400 b. Resolution XMax = 400

c. Resolution XMin = -650 c. Resolution XMin = -650

d. Resolution XMax = 650 d. Resolution XMax = 650

이어서, 좌측과 우측 영역의 2개의 좌표 사이의 각도를 산출한다. Then, the angle between the two coordinates of the left and right regions is calculated.

보다 구체적으로, 좌측 X,Y와 우측 X,Y 좌표에 대해서 수학식 3-4에 의해 라디안을 산출한다.More specifically, radians are calculated by Equation 3-4 for the left X,Y and right X,Y coordinates.

수학식 3-4 : Radian = atan(dY/dX)Equation 3-4: Radian = atan(dY/dX)

그리고 좌측 ΣFValid와 우측 ΣFValid가 0보다 크다면 수학식 3-5에 의해 각도를 산출한다.And if the left ΣFValid and the right ΣFValid are greater than 0, the angle is calculated by Equation 3-5.

수학식 3-5 : Angle = Radian * (180/PI)Equation 3-5: Angle = Radian * (180/PI)

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각도를 계산하기 위한 좌표계를 개략적으로 도시한 것이다.14 schematically shows a coordinate system for calculating an angle according to a preferred embodiment of the present invention.

여기서, 좌측 영역과 우측 영역은 독립된 좌표계이기 때문에 두 좌표 사이의 각도는 존재할 수 없다. 그리고 도 10과 같이 두 좌표 사이의 각도를 구하기 위해 두 좌표계의 중앙에 두 좌표계를 포함하는 가상의 좌표계와 두 좌표계는 각각 서로 “Distance"만큼 떨어져 있다고 정의한다.Here, since the left area and the right area are independent coordinate systems, an angle between the two coordinates cannot exist. In addition, as shown in FIG. 10, in order to obtain the angle between the two coordinates, a virtual coordinate system including two coordinate systems at the center of the two coordinate systems and two coordinate systems are defined as being separated by "Distance" from each other.

여기서, X Resolution : -400 ~ 400 (좌측 영역/ 우측 영역 동일)Here, X Resolution: -400 ~ 400 (same left area/right area)

Y Resolution : -650 ~ 650 (좌측 영역/ 우측 영역 동일) Y Resolution: -650 ~ 650 (left area/right area same)

Distance : 1200으로 센서가 설정된 경우 Distance: When sensor is set to 1200

tanθ = dY / dX tanθ = dY / dX

θ = atan(dY / dX) = Radian θ = atan(dY / dX) = Radian

Angle(Degree) = Radian * (360 / 2π)로 정의되기 때문에 예를 들어 살펴보면; Since it is defined as Angle(Degree) = Radian * (360 / 2π), let's look at an example;

Left X, Y = (100, -200) Right X, Y = (100, 200) Distance = 1200 이라 하면 If Left X, Y = (100, -200) Right X, Y = (100, 200) Distance = 1200

dX = Right X - Left X + 2* Distance = 100 - 100 + 2400 = 2400 dX = Right X-Left X + 2* Distance = 100-100 + 2400 = 2400

dY = Right Y - Left Y = 200 - (-200) = 400 dY = Right Y-Left Y = 200-(-200) = 400

Radian = atan(dY / dX) = atan(400 / 2400) = about 0.16514868 Radian = atan(dY / dX) = atan(400 / 2400) = about 0.16514868

Angle(Degree) = Radian * (360 / 2π) = about 9.5° Angle(Degree) = Radian * (360 / 2π) = about 9.5°

상기와 같은 과정을 통해 하중, 좌표, 각도가 산출되고, BLE를 통해 산출된 센서 리포트 데이터를 전송하고 파워 체크 단계로 피드백되어 하중, 좌표, 각도 산출 과정이 반복될 수 있다.Through the above process, the load, coordinates, and angle are calculated, and the sensor report data calculated through BLE is transmitted and fed back to the power check step, so that the process of calculating the load, coordinates, and angle may be repeated.

이에 따라, 인공 관절의 압력 밸런싱을 위한 각 센서 셀의 하중(힘), 좌표, 각도를 포함하는 압력 정보를 정확하게 산출하여 제공할 수 있다.Accordingly, pressure information including load (force), coordinates, and angles of each sensor cell for pressure balancing of artificial joints can be accurately calculated and provided.

10 : 스마트 센서 20 : 데이터산출수단10: smart sensor 20: data calculation means

Claims (8)

인공관절에 삽입되어 인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로 데이터를 감지하는 스마트 센서와;
상기 스마트 센서로부터 감지된 센서 로데이터를 전송받아 인공 관절 세팅에 필요한 압력 정보를 산출하는 데이터 산출 수단을 포함하되;
상기 스마트 센서는
배터리 상태를 체크하고, 상기 센서 로데이터를 감지하고 감지된 센서 로 데이터를 상기 데이터 산출 수단에 전송하는 센서 블럭과 상기 센서 블럭과 연결되어 센서 블럭의 동작에 필요한 전력을 공급하는 배터리 블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
A smart sensor that is inserted into the artificial joint and senses data by means of a sensor that is information on the pressure level of each upper and lower position of the artificial joint;
And a data calculating means for receiving the sensor raw data sensed from the smart sensor and calculating pressure information necessary for setting an artificial joint;
The smart sensor
A sensor block that checks a battery state, senses the sensor raw data, and transmits the detected sensor raw data to the data calculating means, and a battery block connected to the sensor block to supply power required for the operation of the sensor block. Smart sensor system for knee artificial joint surgery, characterized in that.
제 1항에 있어서,
상기 센서 블럭은
복수 개로 분할된 센서 셀로 구성되고,
인공 관절의 좌우 압력 밸런스의 균일한 세팅을 위해 좌와 우측에 각각 동일한 개수의 센서 셀이 동일한 배치로 구성된 제 1 센서유닛과 제 2 센서유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
The method of claim 1,
The sensor block
It is composed of sensor cells divided into multiple pieces,
A smart sensor system for knee artificial joint surgery, characterized in that it includes a first sensor unit and a second sensor unit in which the same number of sensor cells are arranged on the left and the right, respectively, for uniform setting of the left and right pressure balance of the artificial joint. .
제 2항에 있어서,
상기 센서 블럭은
인공 관절의 상하의 위치별 압력 크기 정보인 센서 로데이터를 감지하는 센서 유닛과; 상기 센서 유닛으로부터 감지된 센싱 데이터를 호스트로 전송을 제어하는 MCU와; 상기 MCU의 제어에 따라 상기 센싱 데이터를 호스트로 무선 전송하는 안테나를 포함하고;
상기 MCU는
배터리 블럭의 상태를 체크하고, 데이터 산출 수단과 무선 통신을 통해 데이터 송수신을 제어하고, 전처리 프로세스가 수행되어 스캔 명령을 수신하면 센서 유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 상기 데이터 산출 수단에 무선 전송을 제어하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
The method of claim 2,
The sensor block
A sensor unit that senses sensor raw data, which is information on the pressure level of each upper and lower position of the artificial joint; An MCU controlling transmission of sensing data sensed from the sensor unit to a host; And an antenna for wirelessly transmitting the sensing data to a host under the control of the MCU;
The MCU is
The state of the battery block is checked, data transmission and reception are controlled through wireless communication with the data calculation means, and when a preprocessing process is performed and a scan command is received, the sensor raw data sensed through the sensor unit is wirelessly transmitted to the data calculation means. Smart sensor system for knee artificial joint surgery, characterized in that to control.
제 2항에 있어서,
상기 데이터 산출 수단은
스마트 센서에 대한 FW업데이트 정보가 있는 경우 이를 스마트 센서로 전송하고, 스마트 센서가 배터리로부터 전원이 파워온되면 배터리 체크에 대한 결과를 수신하고, 센서 유닛의 스캔을 위한 전처리 프로세스를 수행하고, 상기 스마트 센서와 무선 통신을 통해 센서 스캔을 명령하고, 센서유닛을 통해 감지된 센서 로데이터를 전송받아 관리하는 센서관리모듈과;
상기 상기 센서관리모듈로 수신된 각 센서 셀의 센서 로데이터에 대한 사전 프로세싱 과정과 힘 보정 및 뉴튼으로 매칭 과정을 수행하고, 각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 및 각도를 산출하는 과정을 포함하여 압력 정보를 산출하는 압력정보산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
The method of claim 2,
The data calculation means
If there is FW update information for the smart sensor, it transmits it to the smart sensor.When the smart sensor is powered on from the battery, it receives the result of the battery check, performs a preprocessing process for scanning the sensor unit, and performs the smart A sensor management module for commanding a sensor scan through wireless communication with a sensor, and receiving and managing sensor raw data detected through the sensor unit;
Including a pre-processing process for the sensor raw data of each sensor cell received by the sensor management module, performing a force correction and matching process with Newton, and calculating coordinates and angles for the force correction values of each cell. Smart sensor system for knee artificial joint surgery, characterized in that it comprises a pressure information calculation module for calculating the pressure information.
제 4항에 있어서,
상기 센서관리모듈은
스마트 센서 정보 세팅(버전 정보/센서 관련 정보), I2C 블록 초기화, BLE 블록 초기화, WTD 블록 초기화, ADC 블록 초기화, EEPROM 블록 초기화를 포함하는 시스템 초기화와; OTA FW 업데이트를 위한 부트로더 SRAM 초기화 및; 스마트 센서 블록 초기화, 센서 베이스라인 초기화, 압력 캘리브레이션 파라메터 초기화, 압력 매칭 파라메터(Force matching to Newton parameter) 초기화를 포함하는 스마트 센서 초기화를 포함하는 시스템 운전 초기화 작업, 배터리 체크, OTA FW 업데이트 작업을 포함하는 전처리 프로세스를 수행하고;
전처리 프로세스가 종료되면 상기 스마트 센서로 스캔 명령을 전송하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
The method of claim 4,
The sensor management module
System initialization including smart sensor information setting (version information/sensor-related information), I2C block initialization, BLE block initialization, WTD block initialization, ADC block initialization, and EEPROM block initialization; Initializing the boot loader SRAM for OTA FW update; System operation initialization including smart sensor initialization including smart sensor block initialization, sensor baseline initialization, pressure calibration parameter initialization, force matching to Newton parameter initialization, battery check, OTA FW update operation Performing a pretreatment process;
When the pre-processing process is finished, the smart sensor system for knee artificial joint surgery, characterized in that transmitting a scan command to the smart sensor.
제 3항에 있어서,
상기 압력정보산출모듈은
상기 사전 프로세싱 과정과 힘 보정과 뉴튼으로 힘 매칭 과정을 수행하되;
상기 사전 프로세싱 과정은 센서 로데이터에 대해 최초 압력(first press or first release)인지를 체크하고 최초 압력인 경우 적응 필터(adaptive filter)를 세팅하고,센서 로데이터를 필터링하고, 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 센서 변화(Sensor variation) 데이터를 산출하는 단계를 포함하고;
상기 힘 보정 과정은
인가 하중에 따른 센서 값의 변화량이 선형화가 되도록 수식을 산출하되, 센서 유닛이 복수 개의 센서 셀로 구성되고 각 셀의 변화량 곡선이 다르기 때문에 힘 보정 수식은 각 셀 별로 산출하기 위해 입력 데이터(각 센서 셀에 대한 센서 변화 데이터)에 대한 현재 입력 값을 체크하고, 경계하중보다 적을 경우 하기의 수학식 1-1에 의해 힘 보정을 수행하고, 경계하중보다 클 경우 하기의 수학식 1-2 에 의해 힘 보정을 수행하여 출력 데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)를 산출하는 단계를 포함고;
수학식 1-1 : Y= A*(EXP(B*X)-EXP(C*X))
수학식 1-2 : Y=(A+X)/(B+C*X**2)+D*X
상기 힘 매칭 과정은
상기 힘 보정 과정에서의 출력 데이터가 입력데이터(각 셀의 보정된 센서 변화 데이터)가 되어 하기의 수학식 2-1에 의해 유효 힘 영역의 힘의 합(ΣFValid)을 산출하고, 상기 힘의 합(ΣFValid)을 인가 하중으로 하기의 수학식 2-2에 의해 뉴튼으로 힘 매칭하여 센서 유닛의 각 센서 셀에 대한 하중(힘)을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
수학식 2-1 : ΣFValid = fmax + fmax-1 + fmax-2
수학식 2-2 : Y = A+B*X+C*X**2+D*X**3
The method of claim 3,
The pressure information calculation module
Performing the pre-processing process, force correction, and force matching process with Newton;
The pre-processing process checks whether the sensor raw data is first press or first release, sets an adaptive filter, filters the raw sensor data, and filters each sensor cell of the sensor unit. Calculating sensor variation data for;
The force correction process
The formula is calculated so that the amount of change in the sensor value according to the applied load becomes linear, but since the sensor unit is composed of a plurality of sensor cells and the change curve of each cell is different, the force correction formula is used to calculate the input data (each sensor cell The current input value for (sensor change data for) is checked, and if it is less than the boundary load, force correction is performed according to Equation 1-1 below, and if it is greater than the boundary load, force according to Equation 1-2 below. Performing correction to calculate output data (corrected sensor change data of each cell);
Equation 1-1: Y= A*(EXP(B*X)-EXP(C*X))
Equation 1-2: Y=(A+X)/(B+C*X**2)+D*X
The force matching process is
The output data in the force correction process becomes input data (corrected sensor change data of each cell), and the sum of the forces in the effective force region (ΣFValid) is calculated by Equation 2-1 below, and the sum of the forces Knee artificial, characterized in that it comprises the step of calculating the load (force) for each sensor cell of the sensor unit by matching the force with Newton by Equation 2-2 below as an applied load (ΣFValid) Smart sensor system for joint surgery.
Equation 2-1: ΣFValid = fmax + fmax-1 + fmax-2
Equation 2-2: Y = A+B*X+C*X**2+D*X**3
제 3항에 있어서,
상기 압력정보산출모듈은
각 셀의 힘 보정 값에 대한 좌표 산출 과정은
센서의 좌측 영역(제 1 센서 유닛)과 우측 영역(제 2 센서 유닛)이 독립적인 힘이 작용되는 것으로 가정하고, 입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 좌측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 좌측 X,Y 좌표를 산출하고;
입력 데이터(보정되지 않은 센서 변화 데이터와 보정된 ΣFValid)에 대해서 우측 영역의 ΣFValid이 유효 힘보다 큰지 여부를 확인해서 클 경우 수학식 3-1에 의해 우측 X,Y 좌표를 산출하고;
수학식 3-1 :
a. LX = Ratio * (LFx / ΣFLeft)
b. LY = Ratio * (LFy / ΣFLeft)
c. RX = Ratio * (RFx / ΣFRight)
d. RY = Ratio * (RFy / ΣFRight)
좌측과 우측 영역의 2개의 좌표 사이의 각도를 산출하되; 상기 산출된 좌측 X,Y와 우측 X,Y 좌표에 대해서 수학식 3-4에 의해 라디안을 산출하고;
수학식 3-4 : Radian = atan(dY/dX)
상기 좌측 ΣFValid와 우측 ΣFValid가 0보다 크다면 수학식 3-5에 의해 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
수학식 3-5 : Angle = Radian * (180/PI)
The method of claim 3,
The pressure information calculation module
The process of calculating the coordinates for the force correction value of each cell is
Assuming that independent forces are applied to the left area (first sensor unit) and the right area (second sensor unit) of the sensor, ΣFValid in the left area for input data (uncorrected sensor change data and corrected ΣFValid) It is checked whether it is greater than the effective force, and if it is greater, left X and Y coordinates are calculated by Equation 3-1;
For input data (uncorrected sensor change data and corrected ΣFValid), it is checked whether or not ΣFValid in the right area is greater than the effective force, and if larger, right X,Y coordinates are calculated by Equation 3-1;
Equation 3-1:
a. LX = Ratio * (LFx / ΣFLeft)
b. LY = Ratio * (LFy / ΣFLeft)
c. RX = Ratio * (RFx / ΣFRight)
d. RY = Ratio * (RFy / ΣFRight)
Calculating the angle between the two coordinates of the left and right areas; Radians are calculated by Equation 3-4 for the calculated left X,Y and right X,Y coordinates;
Equation 3-4: Radian = atan(dY/dX)
If the left ΣFValid and the right ΣFValid are greater than 0, the angle is calculated by Equation 3-5.
Equation 3-5: Angle = Radian * (180/PI)
제 7항에 있어서,
상기 상기 압력정보산출모듈은
상기 좌측 X,Y 좌표와 우측 X,Y 좌표가 산출되면 보정 파라메터가 존재하는지 여부를 확인하여 보정 파라메터가 존재하는 경우 수학식 3-2에 의해 좌표 보정을 수행하는 단계를 더 포함하여 좌표를 산출하는 것을 특징으로 하는 무릎 인공 관절 수술용 스마트 센서 시스템.
수학식 3-2 : a. XCal_L = LeftParmX1 * X_Left + LeftParmX2 * Y_Left + LeftParmX3
b. YCal_L = LeftParmY1 * X_Left + LeftParmY2 * Y_Left + LeftParmY3
c. XCal_R = RightParmX1 * X_Left + RightParmX2 * Y_Left + RightParmX3
d. YCal_R = RightParmY1 * X_Left + RightParmY2 * Y_Left + RightParmY3
여기서, RightParmX1, RightParmX2, RightParmX3, RightParmY1, RightParmY2, RightParmY3는 보정 파라메터이다.



The method of claim 7,
The pressure information calculation module
When the left X,Y coordinates and the right X,Y coordinates are calculated, it is determined whether or not a correction parameter exists, and if the correction parameter exists, performing coordinate correction by Equation 3-2 to calculate the coordinates. Smart sensor system for knee artificial joint surgery, characterized in that.
Equation 3-2: a. XCal_L = LeftParmX1 * X_Left + LeftParmX2 * Y_Left + LeftParmX3
b. YCal_L = LeftParmY1 * X_Left + LeftParmY2 * Y_Left + LeftParmY3
c. XCal_R = RightParmX1 * X_Left + RightParmX2 * Y_Left + RightParmX3
d. YCal_R = RightParmY1 * X_Left + RightParmY2 * Y_Left + RightParmY3
Here, RightParmX1, RightParmX2, RightParmX3, RightParmY1, RightParmY2 and RightParmY3 are correction parameters.



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