基于膝关节垫片的膝关节压力平衡测量系统的制

本发明涉及膝关节压力测量领域，具体地说是一种基于膝关节垫片的膝关节压力平衡测量系统。背景技术：1、膝关节骨关节病是一种常见的慢性关节退行性疾病，通常是由于长期的关节使用、老化、创伤、遗传因素等引起的，并且膝关节骨关节病的症状包括膝关节疼痛、肿胀、僵硬、关节活动受限等；随着疾病的发展，膝关节的功能逐渐减弱，甚至可能导致行走困难；对于中晚期重度骨关节病的患者，人工全膝关节置换术(total knee arthroplasty，tka)为外科治疗的首选。2、人工全膝关节置换术使用金属、高分子聚乙烯、陶瓷等材料，根据人体关节的形态、构造及功能制成人工膝关节假体，通过外科技术植入人体内，缓解患者关节疼痛，恢复关节功能；人工全膝关节置换术常用于治疗和改善膝关节炎末期、膝软骨坏死、膝关节内/外翻畸形等疾病，包括两个步骤：截骨和软组织松解，绥中恢复下肢力线、保持软组织平衡，从而达到膝关节平衡；然而，人工全膝关节置换术不平衡会导致患者疼痛、假体磨损及松动等问题，同时可能会导致患者感到不稳定，行走时容易摔倒或者跌倒，最终影响患者健康和假体在患者体内留存时间。3、中国专利公告号：cn113925493a，一种基于人工全膝关节置换术的膝关节多参数测量系统；包括：矩阵式压力传感器阵列用于在医生手术过程中，将其置于患者膝关节下肢截骨平面上，获取压力信号；姿态测量装置用于在医生手术过程中，将其置于患者膝关节下肢截骨平面上，获取下肢的姿态信号；接触轨迹测量装置用于在医生手术过程中，将其置于患者膝关节下肢截骨平面上，获取相关运动轨迹数据；矩阵式压力传感器阵列、姿态测量装置和接触轨迹测量装置所测量的数据发送到数据处理装置，并在手术过程中临时替代胫骨垫片，在压力、姿态平衡后再将其取出，放入合适的胫骨垫片，虽然上述方案采用线性对值的绝对值判断膝关节是否平衡，然而因为膝关节手术前后的线性关系是动态变化的，则存在失误和误差的可能性。4、综上所述，本发明提出一种基于膝关节垫片的膝关节压力平衡测量系统。技术实现思路1、本发明提供一种基于膝关节垫片的膝关节压力平衡测量系统，本发明通过判断左右膝盖的线性度，以解决现有技术中人工全膝关节置换术不平衡会导致患者疼痛、假体磨损及松动等问题。2、本发明的现有技术方案如下：3、一种基于膝关节垫片的膝关节压力平衡测量系统，包括胫骨垫片、压力获取模块、信号接收显示模块、数据处理模块和电脑，所述压力获取模块包括左压力传感器组、右压力传感器组和刚性电路，所述左压力传感器组和右压力传感器组均包括多个传感器一，且所述多个传感器一形成一个压力测量平面，所述传感器一被用于采集膝关节在不同状态下的压力数据，所述不同状态包括屈膝0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°，所述若干个传感器一集成于刚性电路中，且所述刚性电路贴附于胫骨垫片上，所述信号接收显示模块包括电容量测量模块、单片机、蓝牙模块，所述电容量测量模块对传感器采集的数据进行模数转换，并送入单片机进行处理，所述单片机将传感器一数据进行打包整理，通过蓝牙模块发送至电脑，所述数据处理模块对电脑接收到的数据进行处理和分析，且所述电脑实时显示膝关节的压力分布情况；4、所述传感器一包括三个传感器二，且三个所述传感器二形成一个压力测量平面，因为膝关节手术前后的线性关系是动态变化的，采用三个压力传感器，每个传感器二都有独立参数，测量的结果之间存在线性关系，从而使测量结果更加准确。5、进一步的，三个所述传感器二具有不同的物理特性，导致传感器二在测量膝关节时存在综合误差，所述综合误差的公式为△′＝√(△12+△22+△32)，其中△1、△2、△3分别为三个传感器二的误差，且三个所述传感器二的加权值的平均值为传感器一(2)的加权值w，三个所述传感器二的压力值的平均值为传感器一(2)的压力值f。6、进一步的，所述数据处理模块包括压力传感器处理方法，所述压力传感器采取的处理方法为三次样条差值算法，三次样条差值法是一种用于数据插值的数值方法，可以用来在给定一组已知数据点的情况下，估计其他位置的数值，该算法利用了三次多项式的性质，通过对数据点之间的曲线进行插值，得到一个平滑的曲线。7、进一步的，所述压力分布情况显示方法为动态的二维或三维热力图形方式和压力数值方式，动态的二维或三维热力图形方式可以通过使用传感器测量膝关节垫片接触地面的压力值，并将这些数据转化为二维或三维图形显示出来。这种方式可以直观地展示膝关节在不同动作和姿势下的压力分布情况，帮助医生和研究人员更好地理解膝关节负荷的分布情况，且压力数值方式可以通过将膝关节垫片接触地面的压力值转化为数值，并在屏幕上显示出来。这种方式可以提供具体的压力数值，帮助医生和研究人员更精确地了解膝关节的负荷情况，并进行量化分析。8、进一步的，所述传感器一的输出与输入存在线性关系，所述线性关系公式：9、l＝|(w1f1+w2f2+...+wnfn)/(f1+f2+...+fn)|10、其中，w1至wn为屈膝时传感器一的加权值，f1至fn为屈膝时传感器一的压力值，l为屈膝是利用线性度值的绝对值判断平衡的最大值和阈值。11、进一步的，不同状态下，如屈膝0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°时，分别计算左或右压力传感器组的线性度，通过比较线性度值的绝对值来判断膝关节是否处于平衡，屈膝0°时：12、l0l＝|(w0l1f0l1+w0l2f0l2+...+w0lnf0ln)/(f0l1+f0l2+...+f0ln)|13、l0r＝|(w0r1f0r1+w0r2f0r2+...+w0rnf0rn)/(f0r1+f0r2+...+f0rn)|14、l0max＝max(l0l，l0r)≤l0all15、其中，w0l1至w0ln为屈膝0°时左侧传感器一位置的加权值，f0l1至f0ln为屈膝0°时左侧传感器一的压力值；w0r1至w0rn为屈膝0°时右侧传感器一的加权值，f0r1至f0rn为屈膝0°时右侧传感器一的压力值，l0l为屈膝0°左侧线性度值的绝对值，l0r为屈膝0°时右侧线性度值的绝对值，l0max为屈膝0°是利用左或右侧线性度值的绝对值判断平衡的最大值，l0all为屈膝0°时，利用左右压力差值的最大值判断阈值。16、加权平均算法是一种常用的数据聚合算法，适用于对多个传感器采集到的数据进行聚合处理的场景。其基本原理是将每个传感器采集到的数据按照一定的权重进行加权，然后求和并求平均值，最终得到一个聚合后的数据；例如，对于一组传感器一，加权平均算法可以将它们在不同位置采集到的数据聚合为一个更为精确的压力值。17、屈膝30°时：18、l1l＝|(w1l1f1l1+w1l2f1l2+...+w1lnf1ln)/(f1l1+f1l2+...+f1ln)|19、l1r＝|(w1r1f1r1+w1r2f1r2+...+w1rnf1rn)/(f1r1+f1r2+...+f1rn)|20、l1max＝max(l1l，l1r)≤l1all21、其中，w1l1至w1ln为屈膝30°时左侧传感器一的加权值，f1l1至f1ln为屈膝30°时左侧传感器一的压力值；w1r1至w1rn为屈膝30°时右侧传感器一的加权值，f1r1至f1rn为屈膝30°时右侧传感器一的压力值，l1l为屈膝30°左侧线性度值的绝对值，l1r为屈膝30°时右侧线性度值的绝对值，l1max为屈膝30°是利用左或右侧线性度值的绝对值判断平衡的最大值，l1all为屈膝30°时，利用左右压力差值的最大值判断阈值。22、屈膝90°时：23、l2l＝|(w2l1f2l1+w2l2f2l2+...+w2lnf2ln)/(f2l1+f2l2+...+f2ln)|24、l2r＝|(w2r1f2r1+w2r2f2r2+...+w2rnf2rn)/(f2r1+f2r2+...+f2rn)|25、l2max＝max(l2l，l2r)≤l2all26、其中，w2l1至w2ln为屈膝90°时左侧传感器一的加权值，f2l1至f2ln为屈膝90°时左侧传感器一的压力值；w2r1至w2rn为屈膝90°时右侧传感器一的加权值，f2r1至f2rn为屈膝90°时右侧传感器一的压力值，l2l为屈膝90°左侧线性度值的绝对值，l2r为屈膝90°时右侧线性度值的绝对值，l2max为屈膝90°是利用左或右侧线性度值的绝对值判断平衡的最大值，l2all为屈膝90°时，利用左右压力差值的最大值判断阈值。27、屈膝150°时：28、l3l＝|(w3l1f3l1+w3l2f3l2+...+w3lnf3ln)/(f3l1+f3l2+...+f3ln)|29、l3r＝|(w3r1f3r1+w3r2f3r2+...+w3rnf3rn)/(f3r1+f3r2+...+f3rn)|30、l3max＝max(l3l，l3r)≤l3all31、其中，w3l1至w3ln为屈膝150°时左侧传感器一的加权值，f3l1至f3ln为屈膝150°时左侧传感器一的压力值；w3r1至w3rn为屈膝150°时右侧传感器一的加权值，f3r1至f3rn为屈膝150°时右侧传感器一的压力值，l3l为屈膝150°左侧线性度值的绝对值，l3r为屈膝150°时右侧线性度值的绝对值，l3max为屈膝150°是利用左或右侧线性度值的绝对值判断平衡的最大值，l3all为屈膝150°时，利用左右压力差值的最大值判断阈值。32、屈膝180°时：33、l4l＝|(w4l1f4l1+w4l2f4l2+...+w4lnf4ln)/(f4l1+f4l2+...+f4ln)|34、l4r＝|(w4r1f4r1+w4r2f4r2+...+w4rnf4rn)/(f4r1+f4r2+...+f4rn)|35、l4max＝max(l4l，l4r)≤l4all36、其中，w4l1至w4ln为屈膝180°时左侧传感器一的加权值，f4l1至f4ln为屈膝180°时左侧传感器一的压力值；w4r1至w4rn为屈膝180°时右侧传感器一的加权值，f4r1至f4rn为屈膝180°时右侧传感器一的压力值，l4l为屈膝180°左侧线性度值的绝对值，l4r为屈膝180°时右侧线性度值的绝对值，l4max为屈膝180°是利用左或右侧线性度值的绝对值判断平衡的最大值，l4all为屈膝180°时，利用左右压力差值的最大值判断阈值。37、若l0max≤l0all∩l1max≤l1all∩l2max≤l2all∩l3max≤l3all∩l4max≤l4all，则可判断膝关节处于真平衡状态，否则通过适当修骨或调整假体位置使膝关节达到平衡；保持该位置不变，进行手术缝合。38、一种基于膝关节垫片的膝关节压力平衡测量系统的平衡判断方法：39、s1，安装膝关节垫片系统：首先安装传感器二和传感器三到传感器一内部，形成一个三角形形状，之后测算传感器二的综合误差，确保误差小于1％，然后将传感器一与刚性电路电连接，组成压力获取模块，之后将胫骨垫片放置在膝关节下方，确保其贴附牢固，接着将压力获取模块连接到胫骨垫片上，并确保传感器一正确定位在不同状态下的压力采集点；40、s2，采集数据：在不同状态下不同状态下(包括屈膝0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°)，通过压力获取模块的传感器一采集膝关节的压力数据，并将数据传输至信号接收显示模块；41、s3，数据处理和分析：信号接收显示模块将传感器一的数据进行模数转换，并通过蓝牙模块发送至电脑，数据处理模块对电脑接收到的数据进行处理和分析，采用三次样条差值算法计算膝关节的压力分布情况；42、s4，实时显示膝关节压力分布情况：电脑通过动态的二维或三维热力图形和压力数值方式显示膝关节的压力分布情况，帮助医生和患者了解膝关节的平衡情况；43、s5，判断膝关节是否处于平衡状态:根据传感器一的线性关系公式，计算不同状态下左或右压力传感器组的线性度值，并比较线性度值的绝对值来判断膝关节是否处于平衡状态,如果线性度值满足条件，则判断膝关节处于平衡状态,否则，需要进行适当的修骨或调整假体位置来达到平衡；44、s6，固定膝关节位置：膝关节达到平衡状态，则进行手术缝合，保持该位置不变，以确保膝关节的平衡状态。45、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：46、1、本发明通过计算校准传感器一的输入信号与输入压力之间的线性关系，提高了膝关节平衡的准确性，这不仅能够增加患者术后假体的使用寿命，还能够降低术后并发症的发生率，提高患者术后的生活质量。