[发明专利]膝关节假体垫片三维力传感器及其接触应力测量方法

说明书

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种膝关节假体垫片三维力传感器及其接触应力测量方法。膝关节假体垫片三维力传感器可以应用于胫股关节之间，其包括中间柔弹性层、上硬质层和下硬质层，中间柔弹性层具有上曲面和下曲面，上曲面或者下曲面上设置有若干个感应元件；上硬质层的形状与上曲面的形状相适配并贴合于上曲面上；下硬质层的形状与下曲面的形状相适配并贴合于下曲面上。通过算法可以计算出胫股关节之间接触力合力的大小方向和位置，使得测得的数值更加精准且能够计算出关节接触应力的三维方向合力，反映出更加真实的应力分布，为医生判断关节间受力分布情况以及软组织平衡环节提供了量化的指导。

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种膝关节假体垫片三维力传感器及其接触应力测量方法。

背景技术

软组织平衡是全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)中的重要环节。其处理的好坏直接影响到术后膝关节的稳定性及功能，随着国内外研究的广泛开展，人们对软组织平衡的认识逐渐加深。在TKA中，所谓软组织平衡，涉及到的主要是膝关节韧带、关节囊等稳定静力结构，即追求的是“韧带平衡”，强调在正确截骨基础上，通过松解韧带、关节囊等起点或止点，使关节恢复正常的力线排列，从而恢复正常的关节面接触点。而在传统的手术过程中，软组织平衡的主要方法是通过测量关节间隙间接评估平衡情况。

随着计算机辅助技术的发展，针对患者制定个性化的手术方案成为可能。传统的关节置换术中的软组织平衡过程大多依据医生主观经验，为了给医生提供新的更可靠的评估方法，有些学者或企业开展了膝关节假体垫片传感器的研究。

美国专利申请US2013/0079668A1中公开了一种高精度膝关节内智能垫片传感器(smart trials)，该传感器采用电容式感应原理。传感器外形与标准假体形状一致，力首先作用在外壳上表面上，由于外壳材料具有一定柔性，形变后将力传递至三角形压板上，压板下是布置有电容式感应元件的底板。左右两个侧室分别有三个感应元件，由于平面上集中力的位置和大小可由三点的受力大小和位置计算得到，这款假体垫片传感器的软件界面上可以实时显示假体垫片传感器两侧室的集中力作用点和大小。

文献《A wireless force measurement system for total knee arthroplasty》(IEEE Trans Inform Technol Bi-omed，2012)中介绍了一个由北京积水潭医院与清华大学微电子研究所联合研制的膝关节应力无线检测系统(Wireless Force MeasurementSystem，WFMS)测量术中膝关节内应力分布。WFMS由三部分组成：膝关节内智能垫片(smarttrial)、信号接收器和结果显示终端组成。其中智能垫片由两部分组成：内部集成电路和聚乙烯外壳。聚乙烯外壳其表面形状与真实聚乙烯垫片完全相同，长、宽、厚度等型号也与相应真实垫片完全相同。可通过使用厚度调节薄片使智能垫片的厚度与真实假体相同。聚乙烯外壳内部容纳集成电路板，电路板上包含电源、传感器、信号发射器和开关等元器件，其内外两侧各均匀分布四个力学传感器，可将位移信号转化为电子信号。当智能垫片放置到膝关节内，可将膝关节内应力转化为无线电信号发送到信号接收器，接收器将信息传递给电脑终端，经过软件计算和处理，以内外侧应力值(单位：N)的形式显示在屏幕上。术者即可通过终端屏幕所显示的内外侧应力大小来评估不同角度关节内应力分布和软组织平衡情况。据报道，该应力测量系统的测量精确度误差＜4％，重复测量误差＜5％。

然而，现有的膝关节假体垫片传感器只能测量关节接触应力的一个方向的分量大小，由于关节假体垫片的实际形状为曲面，一维方向的集中力的位置和大小往往不能反映真实的应力分布状况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膝关节假体垫片三维力传感器及其接触应力测量方法，旨在解决现有技术中的膝关节假体垫片传感器存在只能测量关节接触应力的一个方向的分量大小导致其无法反映真实的应力分布的技术问题。