一种临床在体检测骨组织力学性能装置及方法

1.本发明涉及到临床辅助诊疗测试技术领域，具体涉及一种骨科临床术中在体检测人体骨组织力学性能的装置及方法。


背景技术：

2.骨骼是组成人体的重要器官，起着支持、运动和保护内脏的重要作用。骨质疏松症等常见的骨科疾病会引起骨组织材料力学性能的劣化和骨折风险的显著增加。同时，骨组织力学性能对骨外科手术的固定方案设计、效果、预后、二次骨折风险等都有重要的影响。因此，骨组织力学性能的准确测试和评估，对于骨折风险预测、手术方案优化设计和日常护理均具有重要的意义。
3.目前，临床上多基于dexa、qct等医学影像计算出的骨量信息(如bmd等)来间接推测和评判骨组织的力学性能，优点在于方便、无创，缺点在于精度不高。实验室里，检测骨组织力学性能多采用离体检测，需要取样、制样和测试，优点在于直接和标准化的力学测试，精度高，缺点在于时间周期长，非在体环境，造成较大的附加创伤，不适宜临床应用。本发明涉及的检测装置，针对骨科临床术病患，在术中早期直接在体检测病患骨组织的力学性能，结果可用于指导手术方案优化设计、手术效果、预后及二次骨折风险评估、日常护理建议等，具有在体、直接、便捷、无附加创伤的优点。
4.在临床手术中，由于患者躺在手术台上体位各异，骨科手术时医生选取的开刀部位不会恰好与实验室水平面平行，这就使得实验室里固定z方向的压入试样的压痕设备不能直接适用，手术操作方向多变难定；且由于需要手术的骨组织处于人体肌肉组织的包裹下，难以观测且难以固定，受到压力的作用把骨骼向下层肌肉挤压运动，脱离原来位置，使得压痕设备采集的位移信号不仅仅是压痕设备压头的压入位移，成分复杂，以上所述临床在体检测骨组织力学性能实验的特点是目前实验室离体检测的短板，因此在体检测骨组织力学性能面临很大的挑战。


技术实现要素：

5.本发明主要是解决现有技术所存在的技术短板，本发明提供了一种时间周期短，检测方便，成本低，微损伤，结果准确的临床在体检测骨组织力学性能的装置及其方法。
6.本发明的上述技术问题主要是通过下述的技术方案得以解决的：
7.一种临床在体检测骨组织力学性能的装置，其特征在于：包括单轴方向推动压针运动的位移推进组件、测力组件、位移修正组件、以及以通过工作通道压入骨组织的压针和数据采集系统；
8.其中，所述位移推进组件包括固定支座和设置在固定支座上的单轴电动位移台；所述测力组件包括与单轴电动位移台上盖连接的转换装置，与转换装置连接的微型拉压力传感器；所述位移修正组件包括固定在上述位移推进组件单轴拉压力传感器下盖的连接板，固定在连接板上的激光位移传感器。
9.进一步地，所述固定支座底部与手术台万向支架连接，上部与单轴电动位移台下盖连接。
10.进一步地，所述转换装置包括固定在上述位移推进组件单轴电动位移台上盖的转换板，与转换板侧面连接的转换螺栓，其中所述转换螺栓另一端连接微型拉压力传感器。
11.进一步地，所述转换螺栓为两端为螺纹中间无螺纹的圆柱，一端螺纹与上述转换板侧面螺孔连接，另一端螺纹与微型拉压力传感器连接。
12.进一步地，所述压针顶端为半径1.5mm的球形，末端为m3外螺纹与上述测力组件微型拉压力传感器下端连接。
13.进一步地，所述数据采集系统采集单轴电动位移台的位移信号、微型拉压力传感器的力信号以及激光位移传感器的位移信号。
14.本发明还提供一种临床在体检测骨组织力学性能方法，包括如下步骤：
15.步骤s1.组装位移推进组件、测力组件、位移修正组件、以及以通过工作通道压入骨组织的压针；
16.步骤s2.启动单轴电动位移台，推动上盖相对于下盖低速匀速运动，上盖推动压针按照社指的行进速度和行进位移压入并撤出在体骨组织直至工作结束；
17.步骤s3.打开数据采集系统进行采集单轴电动位移台的位移信号、微型拉压力传感器的力信号以及激光位移传感器的位移信号；
18.步骤s4.微型拉压力传感器减去激光位移传感器的位移信号与单轴电动位移台分别采集得到力时间信号与位移时间信号，将两组信号整合处理后得到位移荷载(力)曲线，经曲线可计算得到刚度和强度相关的力学参数，例如弹性模量、减缩模量、压缩强度；
19.步骤s5.以刚度和强度相关的力学参数评估骨组织力学性能优劣。
20.因此，与现有技术相比，本发明具有如下优点：1.突破通过dexa、qct扫描计算骨量间接评判在体骨组织力学性能的传统方法，直接地测量出在体骨组织的力学性能；2.在患者骨外科手术过程中直接在体测量，快速，便捷，不引起附加创伤；3.适应复杂多样的手术病例，可灵活便捷地多方位、多角度术中在体检测患者骨组织的力学性能；4.本发明激光传感器用于修正位移，用以适应在体环境骨组织难以固定的特点，提供了一种在样品难以固定的环境下检测力学性能的方法。
附图说明
21.图1为本发明的装配结构示意图。
22.图2为单轴电动位移台立体结构示意图。
23.图3为固定支座结构示意图。
24.图4为转换装置结构示意图。
25.图5为转换块和转换螺栓结构示意图。
26.图6为压针结构示意图。
27.图7为连接板结构示意图
28.图8为本发明工作方式示意图。
29.图中，1、单轴电动位移台，2、转换装置，3、微型拉压力传感器，4、压针，5、固定支座，6、连接板，7、激光位移传感器，8、单轴电动位移台上盖，9、单轴电动位移台下盖，10、转
换板，11、转换螺栓。
具体实施方式
30.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
31.实施例：
32.本发明的用于临床在体检测骨组织力学性能装置，包括单轴方向推动压针运动的位移推进组件、测力组件、位移修正组件、以及顶端为半球形用以通过工作通道压入骨组织的压针。
33.位移推进组件包括通过螺钉与手术室万向支架连接的固定支座5，设置在固定支座5上通过螺钉连接下盖9的单轴电动位移台1。
34.测力组件包括通过螺钉固定在上述位移推进组件单轴电动位移台1的上盖8上的转换装置2，与转换装置2连接的微型拉压力传感器3。
35.转换装置2包括固定在位移推进组件单轴电动位移台1的上盖8上的转换板10，固定在转换板下端与微型拉压力传感器3连接的转换螺栓11。
36.压针4通过顶部自带螺纹与微型拉压力传感器下部连接。
37.上述转换装置2、微型拉压力传感器3、压针会随着位移推进组件单轴电动位移台上盖8的单轴往复运动而运动。
38.位移修正组件包括通过螺钉与单轴电动位移台下盖连接的连接板6，以及通过螺钉与连接板6连接的激光位移传感器7。
39.在上述实施例中，固定支座5共有七个螺孔，其中固定支座5底部侧边三个螺孔与手术台支架连接头连接，固定支座5上部有四个螺孔与单轴电动位移台下盖9连接。转换装置转换板10具有五个孔，其中转换板10板面上四个孔通过螺钉与上述位移推进组件单轴电动位移台上盖8的螺孔连接，转换板侧面有一个螺孔与转换螺栓11连接。转换螺栓11为两端为螺纹中间无螺纹的圆柱，上端螺纹与上述转换板10侧面螺孔连接，下端螺纹与微型拉压力传感器3连接。连接板6表面共四个孔，上端两个孔与上述位移推进组件单轴电动位移台下盖9连接，下端两个孔与激光位移传感器7连接。
40.在上述实施例中，压针顶端为半径1.5mm的球形，末端为m3外螺纹与上述测力组件微型拉压力传感器下端连接。转换板、转换螺栓、微型拉压力传感器、压针均会随着位移推进组件单轴电动位移台的驱动做单轴往复运动。
41.本实施例中提供一种临床在体检测骨组织力学性能方法，包括如下步骤：
42.步骤s1.组装位移推进组件、测力组件、位移修正组件、以及用以通过工作通道压入骨组织的压针和数据采集系统；
43.步骤s2.启动单轴电动位移台，推动上盖相对于下盖低速匀速运动，上盖推动压针按照社指的行进速度和行进位移压入并撤出在体骨组织直至工作结束；
44.步骤s3.打开数据采集系统进行采集单轴电动位移台的位移信号、微型拉压力传感器的力信号以及激光位移传感器的位移信号；
45.步骤s4.微型拉压力传感器减去激光位移传感器的位移信号与单轴电动位移台分别采集得到力时间信号与位移时间信号，将两组信号整合处理后得到位移荷载(力)曲线，经曲线可计算得到刚度和强度相关的力学参数，例如弹性模量、减缩模量、压缩强度；
46.步骤s5.以刚度和强度相关的力学参数评估骨组织力学性能优劣。
47.具体工作方式为：以针对脊椎骨的手术过程为例，如图8所示，当设备处于准备工作状态时，与位移推进组件单轴电动位移台下盖9通过螺钉连接的固定支座5通过螺钉固定在手术台万向支架上，转换装置2的转换螺栓11上端旋进转换板10侧面的螺孔，将二者固定，转换装置转换板10表面通过螺钉与单轴电动位移台1上盖8连接，微型拉压力传感器3上端螺孔与转换螺栓11下端固定，压针4固定在微型拉压力传感器3下端螺孔，连接板6通过螺钉固定在单轴电动位移台1的下盖9上，激光位移传感器7通过螺钉固定在连接板6的下端。工作前，压针4通过脊椎骨上人工创建的工作通道深入到骨组织部分，并与工作通道底端骨组织保持大约3mm以内的空隙，激光位移传感器7的激光信号发射点接收点正对工作通道外表面。
48.工作时，打开数据采集系统进行采集单轴电动位移台1的位移信号、微型拉压力传感器3的力信号以及激光位移传感器7的位移信号。启动单轴电动位移台，推动上盖相对于下盖低速匀速运动，上盖8推动压针按照社指的行进速度和行进位移压入并撤出在体骨组织直至工作结束。
49.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。