一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统及检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统及检测方法，其监测系统包括力传感器，支链载荷传感器模块与采集支链力的力传感器相连，并与支链载荷监测系统相连；地面反力传感模块与采集足底力的足底压力鞋垫相连，并与地面反力监测系统相连，支链载荷监测系统、地面反力监测系统均接入到动态载荷负重比监测系统中；其检测方法，包括以下步骤：连接支链载荷监测系统；识别骨外固定装置和骨痂的相对位置；压力鞋垫示数

【技术实现步骤摘要】
一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统及检测方法


[0001]本专利技术属于骨科外固定
，具体涉及一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统及检测方法。

技术介绍

[0002]骨外固定是一种介于非侵入性外固定和内固定之中的方法，使用六轴并联骨外固定装置的骨科外固定技术，创伤小，操作简单并为骨折断端提供了稳定的固定，具有广阔的应用前景。目前，以TaylorSpatialFrame和TrueLokHexapodSystem等外固定器为代表的六轴外固定支架已在临床上得到了大量的应用。
[0003]患者骨折处手术安装六轴并联骨外固定装置，实现骨折畸形矫正后继续携带外固定装置固定骨折。在康复时期，遵循医嘱进行功能锻炼，刺激骨折处愈伤组织生长。患者的骨折愈合达到足够的力学性能后，由医生及时拆除外固定装置并进行后续康复，减少对患者日常生活的负担和对骨生长的影响。如何有效分析患者的骨骼力学性能，进而准确掌握骨折愈合状况，是确定患者是否满足骨外固定装置拆除条件的关键。临床拆除骨外固定器的一般条件为：1、DR影像骨折线消失；2、外固定器关节放松后，患者完全负重功能锻炼一段时间无不适；3、达到特定骨愈合时间。这种拆除条件属于定性标准；使用反映骨骼力学性能的定量标准作为拆除外固定的条件，具有更好的准确性和安全性。例如，专利US5873843和US5437668提出了一类使用计算骨骼承担的载荷的方法，主要包括：将原始固定骨折的外固定装置替换为专用的力检测装置，测量患者患侧骨承担的总载荷，减去力传感装置计算得到的外固定装置承担载荷，计算骨骼承担的载荷；使用患侧骨承担载荷和患侧肢体承担总载荷的比值，反映骨骼的承载能力，评价康复效果。专利CN109077785提出一种基于六轴并联骨外固定装置的骨载荷检测方法，将骨痂轴向变形能与外界载荷做功的比值作为轴向承载性能指标，将骨痂侧向变形能与外界载荷做功的比值作为侧向承载性能指标。
[0004]现有定量分析骨骼力学性能的方法尚存在如下问题：
[0005]其一、使患者处于特定姿势，在静态下测量骨折康复评价指标，而骨痂组织的力学性能表现受加载速率等条件的影响较大，因此静态下测量得到的骨折康复评价指标不能直接反应患者日常行走中的骨承载能力。
[0006]其二、静态测量时施加的骨载荷小于患者日常行走时所受到的骨载荷，静态下骨载荷测量的评价达标后，日常行走时患侧骨受到较大载荷仍可能造成二次骨折。
[0007]上述问题使骨折后骨骼力学性能的定量检测方法难以评估患者日常行走时的骨承载能力。

技术实现思路

[0008]本专利技术为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统及检测方法。
[0009]本专利技术的技术方案是：一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统，包括力传感器，
支链载荷传感器模块与采集支链力的力传感器相连，支链载荷传感器模块与支链载荷监测系统相连；地面反力传感模块与采集足底力的足底压力鞋垫相连，地面反力传感模块与地面反力监测系统相连，支链载荷监测系统、地面反力监测系统均接入到动态载荷负重比监测系统中。
[0010]更进一步的，所述支链载荷监测系统还与支链载荷数据模块相连，支链载荷数据模块读取支链载荷传感器模块和骨痂部位所受的六维外载荷。
[0011]更进一步的，所述地面反力监测系统还与地面反力数据模块相连，地面反力数据模块读取足底压力信息并进行显示。
[0012]更进一步的，所述支链载荷传感器模块与信号变送采集模块相连，信号变送采集模块实现数字信号的转换以及上行通讯。
[0013]一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统的检测方法，包括以下步骤：
[0014]ⅰ
.安装载荷检测装置并连接支链载荷监测系统；
[0015]ⅱ
.识别骨外固定装置和骨痂的相对位置；
[0016]ⅲ
.压力鞋垫示数
‑
地面反力关系拟合；
[0017]ⅳ
.进行行走运动的支链载荷数据以及地面反力数据测量；
[0018]ⅴ
.进行骨骼
‑
外固定器结构载荷分析；
[0019]ⅵ
.进行动态载荷负重比计算。
[0020]更进一步的，步骤
ⅰ
安装载荷检测装置并连接支链载荷监测系统，具体过程如下：
[0021]首先，拆除原始六轴并联骨外固定装置的六个支链；
[0022]然后，安装装测力支链，组成载荷检测装置；
[0023]最后，将载荷检测装置接入到支链载荷监测系统。
[0024]更进一步的，步骤
ⅲ
压力鞋垫示数
‑
地面反力关系拟合，具体过程如下：
[0025]首先，用线性函数对所述足底压力鞋垫的测点的压力值与真实地面反力进行拟合；
[0026]然后，将患者的足底贴上足底压力鞋垫后，分别采用足跟、全足和足尖着地的三种不同姿态，对应足底着地时足跟
‑
全足
‑
足尖接触的三种时间区域；
[0027]再后，使用体重秤分别对三种时间区域进行地面反力的测量；
[0028]最后，通过足底压力鞋垫的测点压力值和体重秤示数，拟合三种姿态的映射函数关系。
[0029]更进一步的，步骤
ⅳ
进行行走运动的支链载荷数据以及地面反力数据测量，具体过程如下：
[0030]首先，患者在平地采取正常步态行走，使用支链载荷监测系统和地面反力监测系统同步记录六支链的支链载荷数据和足底压力鞋垫的测点压力值；
[0031]然后，选择确定通讯周期，形成以通讯周期为间隔的离散化载荷数据表；
[0032]最后，数据表的每一帧对应每次同步测量时刻的支链载荷和足底鞋垫测点压力。
[0033]更进一步的，步骤
ⅴ
进行骨骼
‑
外固定器结构载荷分析，具体过程如下：
[0034]首先，根据支链载荷数据，计算骨痂部位所受的六维外载荷；
[0035]然后，提取线性力沿骨轴线方向的分量f
fr,i
，得到外固定器总载荷的动态变化序列[f
fr,1 f
fr,2 ··· f
fr,m
]；
[0036]再后，根据数据表中的测点压力值，定位肢体每次着地期的脚跟接触至脚尖离地对应的帧位置；
[0037]再后，确定行走步态每次着地时期的足跟、全足和足尖着地时间区域；
[0038]最后，分别使用三种姿态的映射函数计算对应时间区域的地面反力，获得数据表每一帧的地面反力，作为结构轴向外载荷的动态变化序列[F
load,1 F
load,2 ··· F
load,m
]。
[0039]更进一步的，步骤
ⅵ
进行动态载荷负重比计算，具体过程如下：
[0040]首先，记录测量中外固定器总载荷的动态序列和骨骼
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统，包括力传感器(8)，其特征在于：支链载荷传感器模块(4)与采集支链力的力传感器(8)相连，支链载荷传感器模块(4)与支链载荷监测系统(2)相连；地面反力传感模块(6)与采集足底力的足底压力鞋垫(13)相连，地面反力传感模块(6)与地面反力监测系统(3)相连，支链载荷监测系统(2)、地面反力监测系统(3)均接入到动态载荷负重比监测系统(1)中。2.根据权利要求1所述的一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统，其特征在于：所述支链载荷监测系统(2)还与支链载荷数据模块(5)相连，支链载荷数据模块(5)读取支链载荷传感器模块(4)和骨痂部位所受的六维外载荷。3.根据权利要求1所述的一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统，其特征在于：所述地面反力监测系统(3)还与地面反力数据模块(7)相连，地面反力数据模块(7)读取足底压力信息并进行显示。4.根据权利要求2所述的一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统，其特征在于：所述支链载荷传感器模块(4)与信号变送采集模块(9)相连，信号变送采集模块(9)实现数字信号的转换以及上行通讯。5.一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：(
ⅰ
)安装载荷检测装置并连接支链载荷监测系统；(
ⅱ
)识别骨外固定装置和骨痂的相对位置；(
ⅲ
)压力鞋垫示数
‑
地面反力关系拟合；(
ⅳ
)进行行走运动的支链载荷数据以及地面反力数据测量；(
ⅴ
)进行骨骼
‑
外固定器结构载荷分析；(
ⅵ
)进行动态载荷负重比计算。6.根据权利要求5所述的一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统的检测方法，其特征在于：步骤(
ⅰ
)安装载荷检测装置并连接支链载荷监测系统，具体过程如下：首先，拆除原始六轴并联骨外固定装置的六个支链；然后，安装装测力支链，组成载荷检测装置；最后，将载荷检测装置接入到支链载荷监测系统。7.根据权利要求5所述的一种骨外固定式动态载荷负重比监测系统的检测方法，其特征在于：步骤(
ⅲ
)压力鞋垫示数
‑
地面反力关系拟合，具体过程如下：首先，用线性函数对所述足底压力鞋垫(13)的测点的压力值与真实地面反力...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙涛，柴志伟，连宾宾，宋轶民，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：