【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗器械领域，具体地说是一种用于人体膝关节术中的光纤传感在线监测系统及方法。
技术介绍
1、膝关节是人体最重要也是最复杂的关节，它承担着人体甚至超过人体数倍的重量。随着我国人口老龄化的加快，膝关节的发病率也越来越高，对于已经发生严重炎症的膝关节，目前最有效的方法就是接受人工膝关节置换，随着我国膝关节置换手术量的迅猛增长，如何降低术中软组织不平衡的发生率成为当前重要问题。目前，膝关节置换术中膝关节软组织平衡的传统评估方法主要依赖于术者经验和主观评价，这些评价方法的不准确容易导致软组织不平衡。主观评价方法由于术者经验、依据的不同，可靠性、稳定性较差，无法对软组织平衡达到一种定量的评估。因此，有必要在术中引入传感器辅助医生进行软组织平衡判定，减少医生主观因素的影响。目前，关于人工膝关节置换术中软组织平衡的测量方法有以下几种：
2、1.中国专利(cn205612482u)揭示了一种人体膝关节软组织压力及其轨迹测量系统，其包括测量装置和显示装置；测量装置放置在股骨假体和胫骨假体之间，其上的薄膜传感器受到压力生成压力信号，通过蓝牙模块发送给显示装置。在人工膝关节完成截骨后，首先通过开关开启测量装置，然后将测量装置安放在患者的胫骨平台上以获取压力及股骨的运动轨迹，并通过蓝牙模块发送给显示装置。医生可以通过显示装置直观了解到胫骨平台的压力分布状态和股骨假体的运动轨迹，便于实时指导医生完成精确的软组织松解，实现个体化治疗。然而上述技术存在一些缺陷：上述压力测量装置所包含的传感器易受电磁干扰，不具备防爆功能；此外，采用该电
3、2.林起航.面向关节置换手术中软组织平衡测量的压力传感阵列研究[d].苏州大学,2021提出了一种面向软组织平衡测量的柔性压力传感器，通过将智能垫片插入到截骨后的膝关节中进行监测，通过导线将数据传输至计算机进行处理和显示。但该
技术实现思路
中所述的传感器属于压电传感器，该类传感器易受电磁干扰，不具备防爆功能；同时该传感器只能测量对应点的压力值，无法涵盖胫骨垫片的整个表面，因此测量范围极其有限。
4、目前，有关人体膝关节置换术中的软组织平衡监测方面的文献较少，现有的监测方法主要采用电类传感器进行监测，由于电类传感器本身易受电磁干扰，不具备防爆功能，采用多点测量时组网困难，使得信号的及时处理受限。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提出了一种用于人体膝关节置换术中在线监测的光纤传感系统及方法，由于光纤本身是一种无源器件，具有抗电磁干扰，质量轻，体积小、灵敏度高、耐腐蚀、长期稳定性好等诸多优点，采用本监测系统可以实现人体膝关节手术过程中软组织张力的实时测量，术中传感器技术的应用大大减少了外科医师主观判断产生的对膝关节压力平衡的固有缺陷，可以辅助医生随时观察患者的软组织平衡状况，并为患者选用最适合的胫骨垫片。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下的技术方案：
3、一种用于人体膝关节置换术中在线监测的光纤传感系统，包括光纤光栅压力传感探头1，传感光缆2，信号采集与通讯模块3，光纤光栅解调模块4，计算机显示模块5；光纤光栅压力传感探头1包括性光纤光栅阵列11、适形弹性敏感单元12、柔性覆层13、传输光缆14、引出管15、生物凝胶16；人体膝关节置换术中，将光纤光栅压力传感探头1通过生物凝胶粘贴在患者的人工胫骨试模上，通过光栅感知人工胫骨试模上的压力分布；压力传感探头通过传输光缆连接于光纤光栅解调与处理模块进行信号解耦，通过信号采集与通讯模块将结果数据传输至计算机中处理，显示屏实时显示手术过程不同位置压力大小。
4、所述的光纤传感系统，适形弹性敏感单元12采用两块冲压成型具有凹面结构的高弹不锈钢薄片经激光焊接而成，光纤光栅粘贴在冲压凹面处以后，将两块冲压不锈钢薄片用激光焊接在一起，适形弹性敏感单元12表面用柔性覆层13覆盖，以保护适形弹性敏感单元12。
5、所述的光纤传感系统，采用三个直径为50μm～125μm的光纤光栅，光纤光栅粘贴在冲压凹面处以后将两块冲压块用激光焊接，表面用均匀的人体生物相容性柔性覆层保护适形弹性敏感单元。
6、所述的光纤传感系统，适形弹性敏感单元12采用类月牙形，与膝关节植入的人工胫骨试模形状相同，整体厚度不超过1毫米。
7、所述的光纤传感系统，所述的压力传感探头采用表面粘贴的形式布置在胫骨试模上，即粘即用。
8、所述的光纤传感系统，采用三个光纤光栅，在对探头施压过程中时，带动适形弹性敏感单元的光栅产生应变，如果任意两个光栅的波长变化方向相反时，则表示施力点在波长变小的光栅一侧；如果任意两个光栅的波长都变大时，则表示施力点在中间位置；通过不同位置的光栅的波长变化的大小获得施压过程中人工胫骨试模上前、中、后对应位置的压力分布。
9、所述的光纤传感系统，在信号解调中利用前后两个光栅中心波长的差值来剔除温度对光栅中心波长造成的共模信号，从而消除了温度波动的影响；同时，对测量的数据采用高精度最小二乘法和多项式算法对数据进行拟合处理，获得更加精确、更直接、更准确的测量胫骨衬垫试模与股骨髁试模间的压力分布，具有更高的准确性。
10、所述的光纤传感系统，所述的计算机可以显示人工胫骨试模上内外侧的压力值、内外侧压力差以及股骨的运动轨迹。
11、根据任一所述光纤传感系统的人体膝关节置换术中在线监测方法。
12、由于采用上述的技术方案，本专利技术具有如下优越性：
13、本监测系统通过将压力传感探头直接粘贴于人工胫骨试模上感知压力分布，其操作简单，易于监测，能够很好地适用不同规格的胫骨假体，具有更好的通用性。
14、本监测系统采用快速信号处理方法，对所采集的数据信号进行快速分析与判断，对数据进行缓存和膝关节压力平衡状态的实时显示。本产品“桥式结构”设计、配合光纤光栅检测原理及直接贴附的检测形式，可获得更高的检测精度。
15、本监测系统可实时监测膝关节手术中的软组织平衡状态，同时基于大数据和ai智能可提出相应的解决方案供选择，协助医生进行后续操作。
16、本监测系统采用的传感器部分制造成本较低，使用全新的生物相容性材料，普适性强，3个规格即可满足临床使用需求。它巧妙地平衡了性能与价格，使得更多人能够轻松负担并享受到其带来的便利与高效。
17、本监测系统采用全光纤探测技术，具有抗电磁干扰，质量轻，体积小、灵敏度高、耐腐蚀、长期稳定性好等诸多优点，并且易于复用，大大提升了膝关节手术的成功率。
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1.一种用于人体膝关节置换术中在线监测的光纤传感系统，其特征在于，包括光纤光栅压力传感探头(1)，传感光缆(2)，信号采集与通讯模块(3)，光纤光栅解调模块(4)，计算机显示模块(5)；光纤光栅压力传感探头(1)包括性光纤光栅阵列(11)、适形弹性敏感单元(12)、柔性覆层(13)、传输光缆(14)、引出管(15)、生物凝胶(16)；人体膝关节置换术中，将光纤光栅压力传感探头(1)通过生物凝胶粘贴在患者的人工胫骨试模上，通过光栅感知人工胫骨试模上的压力分布；压力传感探头通过传输光缆连接于光纤光栅解调与处理模块进行信号解耦，通过信号采集与通讯模块将结果数据传输至计算机中处理，显示屏实时显示手术过程不同位置压力大小。
2.如权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于：适形弹性敏感单元(12)采用两块冲压成型具有凹面结构的高弹不锈钢薄片经激光焊接而成，光纤光栅粘贴在冲压凹面处以后，将两块冲压不锈钢薄片用激光焊接在一起，适形弹性敏感单元(12)表面用柔性覆层(13)覆盖，以保护适形弹性敏感单元(12)。
3.如权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于：采用三个直径为
4.如权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于：适形弹性敏感单元(12)采用类月牙形，与膝关节植入的胫骨垫片形状相同，整体厚度不超过1毫米。
5.如权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于：所述的压力传感探头采用表面粘贴的形式布置在胫骨试模上，即粘即用。
6.如权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于：采用三个光纤光栅，在对探头施压过程中时，带动适形弹性敏感单元的光栅产生应变，如果任意两个光栅的波长变化方向相反时，则表示施力点在波长变小的光栅一侧；如果任意两个光栅的波长都变大时，则表示施力点在中间位置；通过不同位置的光栅的波长变化的大小获得施压过程中人工胫骨试模上前、中、后对应位置的压力分布。
7.如权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，在信号解调中利用前后两个光栅中心波长的差值来剔除温度对光栅中心波长造成的共模信号，从而消除了温度波动的影响；同时，对测量的数据采用最小二乘法和多项式算法对数据进行拟合处理。
8.如权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于，所述的计算机可以显示胫骨垫片上内外侧的压力值、内外侧压力差以及股骨的运动轨迹。
9.根据权利要求1-8任一所述光纤传感系统的人体膝关节置换术中在线监测方法。
...【技术特征摘要】
1.一种用于人体膝关节置换术中在线监测的光纤传感系统，其特征在于，包括光纤光栅压力传感探头(1)，传感光缆(2)，信号采集与通讯模块(3)，光纤光栅解调模块(4)，计算机显示模块(5)；光纤光栅压力传感探头(1)包括性光纤光栅阵列(11)、适形弹性敏感单元(12)、柔性覆层(13)、传输光缆(14)、引出管(15)、生物凝胶(16)；人体膝关节置换术中，将光纤光栅压力传感探头(1)通过生物凝胶粘贴在患者的人工胫骨试模上，通过光栅感知人工胫骨试模上的压力分布；压力传感探头通过传输光缆连接于光纤光栅解调与处理模块进行信号解耦，通过信号采集与通讯模块将结果数据传输至计算机中处理，显示屏实时显示手术过程不同位置压力大小。
2.如权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于：适形弹性敏感单元(12)采用两块冲压成型具有凹面结构的高弹不锈钢薄片经激光焊接而成，光纤光栅粘贴在冲压凹面处以后，将两块冲压不锈钢薄片用激光焊接在一起，适形弹性敏感单元(12)表面用柔性覆层(13)覆盖，以保护适形弹性敏感单元(12)。
3.如权利要求1所述的光纤传感系统，其特征在于：采用三个直径为50μm～125μm的光纤光栅，光纤光栅粘贴在冲压凹面处以后将两块冲压块用激光焊接，表面用均匀的人体生物相容性柔性覆层保护适...
【专利技术属性】
技术研发人员：童西平，秦峰，朱俊青，张纪锋，童杏林，
申请(专利权)人：北京安颂科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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