一种长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统

技术领域

本发明涉及一种长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统，属于医疗器械领域。

背景技术

膝关节骨性关节炎是一种以退行性病理改变为基础的疾患，严重者将丧失行走功能。全膝人工关节置换术能显著缓解骨关节炎造成的疼痛、改善膝关节运动功能，是重度膝关节骨性关节炎的唯一有效治疗方式。膝关节间室压力可以有效反映关节内的肌肉张力、韧带张力以及滑膜和软组织的张力等，对于术中关节全角度软组织平衡调控、术后人工关节稳定性判断以及评估患者康复情况具有重要意义。

膝关节测力器件是一种用于测量全膝关节置换术中关节间隙压力和压力分布的设备。它可以帮助医生判断软组织平衡，提高手术精度和进行术后康复评估。目前已有多家单位和公司对长期植入的全膝关节置换术用压力测量设备进行研究。其中，最具代表性的是由捷迈邦美公司和Canary Medical公司共同开发的一种用于全膝关节置换术的PersonaIQ智能膝关节。该设备内置了Canary Medical CHIRP传感器，可以实时监测患者的关节运动范围、步数、行走速度和其他步态指标，并将数据无线传输至云端平台。但是Persona IQ智能膝关节需采用电池供电，其理想续航时间为10年左右，在电池电量耗尽后需要通过手术更换,以维持设备的智能性，大大提升手术成本与风险。而且由于Persona IQ智能膝关节内置了电池、加速度计、陀螺仪和计步器等电子元件，造成胫骨干延伸至少58mm，增加了手术风险。

此外，还有一些采用摩擦电或压电等机械能量收集方式为传感电路供电的植入式膝关节压力测量系统研究，受能量回收效率限制，此类设备只可以实现单日数次的离散压力测量，无法做到按需实时监测。

发明内容

针对现有技术无法长期植入进行全膝关节置换术后间室压力实时按需监测的缺陷，本发明的目的是提供一种长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统，该系统不需要电池供电，可以通过体外穿戴式读取器采集到体内LC压力传感器阻抗信号的谐振频域特征，实时获取术中和术后的间室内压力信息，并进行稳定的无线通讯，监测压力的同时不会影响人工关节的结构性能，也不会限制患者的正常生理运动。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统，包括：

LC压力传感阵列垫片模块、穿戴式阵列信号读取处理模块以及膝关节间室压力分布显示模块；

所述LC压力传感阵列垫片模块设置在患者的膝关节处，用于对患者膝关节的压力数据进行检测；

所述穿戴式阵列信号读取处理模块设置在患者的膝关节外部，用于对所述LC压力传感阵列垫片模块的采集数据进行处理，并将处理结果通过无线通讯发送到所述膝关节间室压力分布显示模块进行显示。

进一步，所述LC压力传感阵列垫片模块包括自上向下依次设置的弹性体、LC压力传感单元层和聚合物关节垫片层；

所述LC压力传感单元层包括离电式电容单元层和发射线圈层，且所述离电式电容单元层包括设置在股骨和胫骨之间膝关节软组织内外两侧呈阵列分布的若干离电式电容，用于对患者膝关节的压力数据进行采集；所述发射线圈层用于将所述离电式电容的采集数据发送到所述穿戴式阵列信号读取处理模块进行处理；

所述弹性体对称设置在所述LC压力传感单元层正上方的两侧，并与所述LC压力传感单元层一同被封装至所述聚合物关节垫片内部。

进一步，所述离电式电容包括自上至下依次设置的离电式电容上电极层、离子凝胶介电层和离电式电容下电极层，且所述离子凝胶介电层铺设于所述离电式电容上电极层和离电式电容下电极层之间并紧密接触。

进一步，所述发射线圈层包括设置在所述聚合物关节垫片上的若干聚合物支架，每一所述聚合物支架上均绕制有一组空心发射线圈，且每组空心发射线圈分别通过导线与对应位置的离电式电容串联连接构成LC压力传感器，各LC压力传感器之间无导线连接；

每组空心发射线圈均置于所述离电式电容底部中心处，且与所述离电式电容之间设置聚合物间隔层，用于分隔所述离电式电容和发射线圈。

进一步，所述穿戴式阵列信号读取处理模块包括穿戴式本体以及设置在所述穿戴式本体上的扫频电路和信号读取处理电路，用于读取并处理LC压力传感单元层中各离电式电容的扫频信号，得到包含入射信号和反射信号幅度差和相位差的电压信号。

进一步，所述扫频电路包括读取线圈、扫频源模块、功分器、定向耦合器和幅相检测模块；

所述扫频源模块的输出端与所述功分器的输入端相连，所述功分器的输出端分别连接所述定向耦合器和幅相检测模块；

利用所述定向耦合器获得所述读取线圈与所述离电式电容电磁耦合后的反射信号，并通过所述幅相检测模块获得包含入射信号和反射信号幅度差和相位差的电压信号。

进一步，所述信号读取处理电路包括微处理器和无线信号发射单元；

所述微处理器用于对所述幅相检测模块发送的电压信号进行数值计算和校准，得到膝关节间室压力信号，并通过所述无线信号发射单元发送至膝关节间室压力分布显示模块进行记录和处理。

进一步，所述膝关节间室压力分布显示模块包括无线信号接收单元和数据显示模块，用于和无线信号发射单元通讯并显示膝关节间室压力传感器阵列的数据曲线。

进一步，所述无线信号发射单元和无线信号接收单元的通讯方式为蓝牙传输。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明提供一种可以长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统。该系统可以进行术中和术后长期的间室压力实时按需检测，可以通过体外穿戴式读取和显示设备采集并可视化体内膝关节间室内压力变化，并进行稳定的无线通讯。该装置的体内部分不需要电池供电，对压力监测的同时不会影响人工关节的结构性能，也不会限制患者的正常生理运动。

本发明不仅适用于长期植入的全膝关节置换术后间室压力监测，也适用于全髋关节置换、人工肩关节、肘关节、踝关节置换等关节置换术后长期植入的压力监测。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统框图；

图2为本发明实施例提供的基于离电式电容和电感线圈的LC压力传感阵列垫片模块结构图；

图3为本发明实施例提供的长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统安装结构示意图；

附图中各标记表示如下：

1、基于离电式电容和电感线圈的LC压力传感阵列垫片模块；4、弹性体；5、离电式电容上电极；6、离子凝胶介电层；7、离电式电容下电极；8、聚合物间隔层；9、聚合物支架；10、发射线圈；11、聚合物关节垫片；12、读取线圈；13、扫频源模块；14、功分器；15、定向耦合器；16、幅相检测模块；17、微处理器；18、无线信号发射单元；19、无线信号接收单元；20、数据显示模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一些实施例中，提出一种长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统，主要解决长期植入应用场景下体内压力传感器件的供能问题，通过LC压力传感器谐振信号频域特征的变化实时按需获得膝关节间室压力信息。该系统能够支持术中和术后长期的间室压力实时按需监测，而且具有不需要电池供电和可以进行无线通讯等优势。该装置的体内部分不需要电池供电，对压力监测的同时不会影响人工关节的结构性能，也不会限制患者的正常生理运动。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例提供一种长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统，其包括：LC压力传感阵列垫片模块1，穿戴式阵列信号读取处理模块2以及膝关节间室压力分布显示模块3。其中，LC压力传感阵列垫片模块1设置在患者的膝关节处，用于对患者膝关节的压力数据进行检测；穿戴式阵列信号读取处理模块2设置在患者的膝关节外部，用于对LC压力传感阵列垫片模块1的采集数据进行处理，并将处理结果通过无线通讯发送到膝关节间室压力分布显示模块进行显示。

进一步地，如图2所示，LC压力传感阵列垫片模块1包括自上向下依次设置的弹性体4、LC压力传感单元层和聚合物关节垫片层11。其中，LC压力传感单元层包括离电式电容单元层和发射线圈层，且离电式电容单元层包括设置在股骨和胫骨之间膝关节软组织内外两侧呈阵列分布的离电式电容，用于对患者膝关节的压力数据进行采集；发射线圈层用于将LC压力传感单元层的采集数据发送到穿戴式阵列信号读取处理模块2进行处理；弹性体4对称设置在LC压力传感单元层正上方的两侧，并与LC压力传感单元层一同被封装至聚合物关节垫片11内部。

进一步地，离电式电容包括自上至下依次设置的离电式电容上电极层5、离子凝胶介电层6和离电式电容下电极层7，且离子凝胶介电层6铺设于离电式电容上电极层5和离电式电容下电极层7之间并紧密接触。本实施例中，离电式电容单元的电容值主要由电极和离子凝胶介电层6接触后形成的离子-电子界面的面积决定。当离电式电容所受压力发生变化时，其电极和离子凝胶介电层6的接触面积会发生明显变化，电容值可以从pF至μF范围内变化，跨越五个数量级。

进一步地，发射线圈层包括设置在聚合物关节垫片11上的若干聚合物支架9，每一聚合物支架9上均绕制有一组空心发射线圈10，且每组发射线圈10分别通过导线与对应的离电式电容串联连接构成LC压力传感器，各LC压力传感器之间无导线连接；每组发射线圈10均置于离电式电容底部中心处，且与离电式电容之间设置有聚合物间隔层8，用于分隔离电式电容和发射线圈10，保持其不与发射线圈接触。本实施例中，聚合物支架9用于提升发射线圈10电感值受到周期性压力加载时的稳定性，并增强发射线圈10的力学性能。

进一步地，穿戴式阵列信号读取处理模块2包括穿戴式本体以及设置在穿戴式本体上的扫频电路和信号读取处理电路，用于读取并处理LC压力传感单元层中各离电式电容的扫频信号，得到包含入射信号和反射信号幅度差和相位差的电压信号。

进一步地，扫频电路包括读取线圈12、扫频源模块13，功分器14、定向耦合器15和幅相检测模块16。其中，扫频源模块13的输出端与功分器14的输入端相连，功分器14的输出端分别连接定向耦合器15和幅相检测模块16；利用定向耦合器15获得读取线圈12与LC压力传感单元电磁耦合后的反射信号，并通过幅相检测模块16获得包含入射信号和反射信号幅度差和相位差的电压信号。

进一步地，信号读取处理电路包括微处理器17和无线信号发射单元18。其中，微处理器17用于对幅相检测模块16发送的电压信号进行数值计算和校准，得到膝关节间室压力信号，并通过无线信号发射单元18发送至膝关节间室压力分布显示模块3进行记录和处理。

进一步地，膝关节间室压力分布显示模块3包括无线信号接收单元19和数据显示模块20，用于和无线信号发射单元18通讯并显示膝关节间室压力传感器阵列的数据曲线。

进一步地，无线信号发射单元18和无线信号接收单元19的通讯方式优选为蓝牙传输。

本发明根据股骨和胫骨之间膝关节软组织内外两侧的位置放置多个LC无线无源压力传感器阵列，实现一种可以长期植入的无线无源膝关节间室压力测量系统。当膝关节间室内压力发生变化时，离电式电容值可以从pF至μF范围内变化，进而影响离电式电容-发射线圈串联组成的LC压力传感器扫频信号的频域特征发生改变，通过获得压力与频域特征的映射曲线，实现可以长期植入的膝关节间室压力无线无源的高灵敏度按需监测。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。