下肢侧力线测量装置和方法
【专利摘要】本发明揭示了一种下肢侧力线测量装置，其包括保护壳体、电路板、开关、电源和钢钉，钢钉活动设置在保护壳体上，电路板和电源设置在保护壳体的内部，开关设置在保护壳体的外部；电路板上焊接有微处理器、加速度计、陀螺仪、磁力计和蓝牙传输模块，加速度计、陀螺仪和磁力计分别与微处理器电连接，微处理器还与蓝牙传输模块电连接；加速度计、陀螺仪和磁力计测量相应的数据，并通过微处理器对数据进行算法处理，再通过蓝牙传输模块在外接显示设备显示人体下肢侧力线。
【专利说明】
下肢侧力线测量装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种下肢侧力线测量装置和方法。
【背景技术】
[0002] 在膝关节置换过程中下肢侧力线是骨科医生比较关心的问题，根据下肢侧力线安 放假体是手术成功的关键。目前，医生往往凭借个人经验判断人工关节接驳位置，有较大几 率造成置换不当甚至失败，会导致疼痛、关节活动受限、松动、磨损和关节不稳定现象，给患 者及其家属带来严重影响。对膝关节置换手术而言，若想提高成功率，使关节置换更准确， 关键在于寻找人体胫骨侧力线位置。
[0003] 目前，还尚未出现专用的设备或仪器用来测量下肢侧力线，进而辅助完成关节的 精确置换，而基于经验和主观判断具有较大的不确定性和人为视差，易产生失误，给病人带 来痛苦，这就需要一种高效的装置为手术提供判断依据。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于提供了一种可靠、结构简单且自动测量的下肢侧力线测量 装置，并且能够被广泛应用。
[0005] 本发明的另一目的在于提供一种下肢侧力线测量方法，其通过微处理器根据下肢 侧力线测量装置的运动状态，分别获取加速度计、陀螺仪和磁力计的测量值，并通过外接显 示设备显示下肢侧力线的位置信息。测量准确，且自动化程度高。
[0006]为达到以上目的，本发明提供了一种下肢侧力线测量装置，其包括保护壳体、电路 板、开关、电源和钢钉，所述钢钉活动设置在所述保护壳体上，所述电路板和所述电源设置 在所述保护壳体的内部，所述电路板和所述电源电连接，所述开关设置在所述保护壳体的 外部，并与所述电路板电连接；
[0007] 所述电路板上焊接有微处理器、加速度计、陀螺仪、磁力计和蓝牙传输模块，所述 加速度计、所述所述陀螺仪和磁力计分别与所述微处理器电连接，所述微处理器还与所述 蓝牙传输模块电连接；
[0008] 所述保护壳体包括上盖和下盖，所述上盖和所述下盖相互扣合形成若干固定槽， 所述电路板固定在所述固定槽上，所述下盖内部设置有电池槽，所述电源设置在所述电池 槽内，并位于所述电路板的下方，所述下盖外壁上设置有开关孔，所述开关设置在所述开关 孔上。
[0009] 相应地，还包括外接显示设备，所述外接显示设备与所述蓝牙传输模块通讯连接。 [0010]相应地，所述上盖的内壁上设置有若干第一支撑柱，所述下盖的内壁上设置若干 第二支撑柱，所述第一支撑柱和所述第二支撑柱配合形成所述固定槽。
[0011] 相应地，所述电池槽由两环形条组成，两所述环形条相对设置。
[0012] 相应地，所述保护壳体上设置有插槽，所述钢钉活动设置在所述插槽内。
[0013] 具体地，所述钢钉的底部设置有底座，所述底座活动设置在所述插槽内。作为优 选，所述底座呈三角形。
[0014] 具体地，所述钢钉设置在所述上盖的外部，且位于所述上盖的中心。
[0015] 相应地，所述开关位于所述保护壳体的侧面。
[0016] 相应地，所述保护壳体为塑脂材料制成的保护壳体。作为优选，所述保护壳体为 ABS材料制成的保护壳体。
[0017] 相应地，所述保护壳体呈正方体、长方体或圆柱体。
[0018] 本发明还提供了一种下肢侧力线测量方法，具体包括以下步骤：
[0019] (1)下肢侧力线测量装置通过钢钉固定在被测部位，微处理器建立三维坐标系，其 中钢钉的固定点为坐标原点，钢钉的轴线为Z轴；
[0020] (2)以坐标原点为圆心0(0,0,0)，圆周运动被测部位，形成下肢侧力线测量装置运 动坐标A(a，b，c)，则有向量乂0= (a，b, C)
[0021] (3)微处理器根据下肢侧力线测量装置的运动状态，分别获取加速度计、陀螺仪和 磁力计的测量值，并得到A的坐标值，其中速度计测量下肢侧力线测量装置运动时的线加速 度；陀螺仪测量下肢侧力线测量装置运动时的角加速度;磁力计测量下肢侧力线测量装置 运动时的磁场强度；
[0022] (4)微处理器根据加速度计、陀螺仪和磁力计的测量值，计算夕、Θ和γ形成，则计 算公式如下：
[0026] 式中，供为向量20与X轴的夹角，Θ为向量乂〇与Υ轴的夹角，γ为向量』0.与Ζ轴的 夹角。
[0027] 相应地，外接显示设备通过蓝牙传输模块获取下肢侧力线与钢钉轴线之间的夹 角。
[0028] 根据优选实施例，本发明提供了如下优点：
[0029] (1)结构简单，体积小，成本低，且操作方便。
[0030] (2)本发明通过加速度计、陀螺仪和磁力计测量相应的数据，并通过微处理器对数 据进行算法处理，再通过蓝牙传输模块在外接显示设备显示人体股骨侧力线。上述操作只 需一开关控制运行，自动化程度高，有利于推广应用。
[0031] (3)本发明采用蓝牙传输模块与外界显示设备通信，在满足装置本身的通信要求 的同时，有限避免外部的线缆缠绕的出现。
[0032] (4)本发明的保护壳体为ABS材料制成，具有防水和防尘功能。
[0033]以下结合附图及实施例进一步说明本发明。
【附图说明】
[0034]图1为本发明所述下肢侧力线测量装置的爆炸图；
[0035]图2为本发明所述下肢侧力线测量装置的主视图；
[0036]图3为图2中沿A-A的剖视图；
[0037] 图4为本发明所述下壳的结构示意图；
[0038] 图5为本发明所述电路板的结构框图。
【具体实施方式】
[0039]以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优 选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定 的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背 离本发明的精神和范围的其他技术方案。
[0040] 如图1至图5所示，一种下肢侧力线测量装置，其包括保护壳体3、电路板、开关4、电 源和钢钉1，钢钉1活动设置在保护壳体3上，电路板和电源设置在保护壳体3的内部，电路板 和电源电连接，该电源为纽扣电池，为电路板作业提供电能，开关4设置在保护壳体3的外 部，并与电路板电连接，该开关用于开启或关闭下肢侧力线测量装置的工作；
[0041] 电路板上焊接有微处理器17、加速度计14、陀螺仪15、磁力计16和蓝牙传输模块 18,加速度计14、陀螺仪15和磁力计16分别与微处理器17电连接，微处理器17还与蓝牙传输 模块18电连接；
[0042]保护壳体3包括上盖6和下盖7,上盖6和下盖7相互扣合形成若干固定槽13,电路板 固定在固定槽13上，下盖7内部设置有电池槽9,电源设置在电池槽9内，并位于电路板的下 方，下盖7外壁上设置有开关孔8，开关4设置在开关孔8上。
[0043]在一个实施例中，还包括外接显示设备，外接显示设备与蓝牙传输模块18通讯连 接。微处理器生成的数据可通过蓝牙传输模块18传输给外接显示设备，便于用户直观了解 下肢侧力线的位置。
[0044] 上述加速度计和陀螺仪采用德国BOSCH(博世)公司的BMI160型号的MEMS传感器， BMI160集成了加速度计和陀螺仪。磁力计采用德国BOSCH(博世)公司的BMM150型号的MEMS 传感器。微处理器采用意法半导体公司的STM32F401CEU6型号的微处理器。蓝牙传输模块采 用意法半导体公司的BlueNRG-MS蓝牙处理器、BlueNRG-01D3蓝牙收发器和深圳顺络电子的 蓝牙陶瓷天线SLDA31-2R800G。
[0045] 本发明下肢侧力线测量装置工作原理如下所述:首先将本装置通过钢钉固定在人 体股骨远端，打开保护壳体上的开关后，将本装置上的蓝牙与外部设备进行连接。若连接不 成功则可重新尝试连接，若成功，则可左右轻轻旋转膝关节，此时加速度计、陀螺仪和磁力 计采集关节运动数据并经微处理器处理后由蓝牙传输模块发出。此时，可以在外接显示设 备读取股骨侧力线的位置数据，最后闭合开关，使用结束。其中速度计测量下肢侧力线测量 装置运动时的线加速度;陀螺仪测量下肢侧力线测量装置运动时的角加速度;磁力计测量 下肢侧力线测量装置运动时的磁场强度。
[0046] 在一个实施例中，上盖6的内壁上设置有若干第一支撑柱12，下盖7的内壁上设置 若干第二支撑柱11，第一支撑柱12和第二支撑柱11配合形成固定槽13。电路板的四周固定 在固定槽13内，使电路板的固定稳定，有效防止装置晃动影响加速度计14、陀螺仪15和磁力 计16测量结构，且安装方便，结构简单。作为优选，固定槽13的数量为6个。
[0047] 在一个实施例中，电池槽9由两环形条10组成，两环形条10相对设置。
[0048]在一个实施例中，保护壳体3上设置有插槽2,钢钉1活动设置在该插槽2内。进一步 地，钢钉1的底部设置有底座5，底座5活动设置在插槽2内。作为优选，底座5呈三角形。
[0049] 在具体使用时，可先将钢钉1固定在膝关节上，再将保护壳体3固定在插槽2的底座 5上，便于装置的固定，若钢钉1是直接设置在保护壳体3上，给装置固定带来了难度。
[0050] 更进一步地，钢钉1设置在上盖6的外部，且位于上盖6的中心。
[0051 ]相应地，开关4位于保护壳体3的侧面。该开关4为船型开关。
[0052]在一个实施例中，保护壳体3为塑脂材料制成的保护壳体。作为优选，保护壳体3为 ABS材料制成的保护壳体，具有良好的生物相容性，具备IP6.5级别的防水防尘能力。
[0053]在一个实施例中，保护壳体3呈正方体、长方体或圆柱体。
[0054]本发明还提供了一种下肢侧力线测量方法，具体包括以下步骤：
[0055] (5)下肢侧力线测量装置通过钢钉固定在被测部位，微处理器建立三维坐标系，其 中钢钉的固定点为坐标原点，钢钉的轴线为Z轴；
[0056] (6)以坐标原点为圆心0(0,0,0)，圆周运动被测部位，形成下肢侧力线测量装置运 动坐标A(a，b，c)，则有向量石5= (a., b.f G);
[0057] (7)微处理器根据下肢侧力线测量装置的运动状态，分别获取加速度计、陀螺仪和 磁力计的测量值，并得到A的坐标值，其中速度计测量下肢侧力线测量装置运动时的线加速 度；陀螺仪测量下肢侧力线测量装置运动时的角加速度;磁力计测量下肢侧力线测量装置 运动时的磁场强度；
[0058] (8)微处理器根据加速度计、陀螺仪和磁力计的测量值，计算Ρ、θ和γ形成，则计 算公式如下：
[0062]式中，为向量^与X轴的夹角，Θ为向量通与Υ轴的夹角，γ为向量^与冗轴的 夹角。
[0063]在一个实施例中，外接显示设备通过蓝牙传输模块获取下肢侧力线与钢钉轴线之 间的夹角。
[0064]测量股骨力线和钢钉轴线之间的角度时，下肢侧力线测量装置通过钢钉固定在膝 关节，保持患者髋部不动，上下左右小幅度运动膝关节，其视为圆周运动;微处理器根据下 肢侧力线测量装置的运动状态，分别获取加速度计、陀螺仪和磁力计的测量值，并通过外接 显示设备显示下肢力线和钢钉轴线之间的角度信息。
[0065]测量胫骨力线和钢钉轴线之间的角度时，下肢侧力线测量通过钢钉固定在胫骨脊 中间位置，保护患者脚踝位置不变，胫骨近端小幅度运动;微处理器根据下肢侧力线测量装 置的运动状态，分别获取加速度计、陀螺仪和磁力计的测量值，并通过外接显示设备显示下 肢力线和钢钉轴线之间的角度信息。
[0066]以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内 的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范 围采用，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
【主权项】
1. 一种下肢侧力线测量装置，其特征在于:包括保护壳体(3)、电路板、开关(4)、电源和 钢钉(1)，所述钢钉(1)活动设置在所述保护壳体(3)上，所述电路板和所述电源设置在所述 保护壳体(3)的内部，所述电路板和所述电源电连接，所述开关(4)设置在所述保护壳体(3) 的外部，并与所述电路板电连接； 所述电路板上焊接有微处理器(17)、加速度计（14)、巧螺仪（15)、磁力计（16)和蓝牙传 输模块（18)，所述加速度计（14)、所述所述巧螺仪（15)和磁力计（16)分别与所述微处理器 (17)电连接，所述微处理器(17)还与所述蓝牙传输模块(18)电连接； 所述保护壳体(3)包括上盖(6)和下盖(7)，所述上盖(6)和所述下盖（7)相互扣合形成 若干固定槽（13)，所述电路板固定在所述固定槽（13)上，所述下盖(7)内部设置有电池槽 (9) ，所述电源设置在所述电池槽(9)内，并位于所述电路板的下方，所述下盖(7)外壁上设 置有开关孔(8 )，所述开关(4)设置在所述开关孔(8)上。2. 如权利要求1所述的下肢侧力线测量装置，其特征在于:还包括外接显示设备，所述 外接显示设备与所述蓝牙传输模块(18)通讯连接。3. 如权利要求1所述的下肢侧力线测量装置，其特征在于:所述上盖(6)的内壁上设置 有若干第一支撑柱（12)，所述下盖(7)的内壁上设置若干第二支撑柱（11)，所述第一支撑柱 (12)和所述第二支撑柱(11)配合形成所述固定槽(13)。4. 如权利要求1所述的下肢侧力线测量装置，其特征在于:所述电池槽(9)由两环形条 (10) 组成，两所述环形条(10)相对设置。5. 如权利要求1所述的下肢侧力线测量装置架，其特征在于:所述保护壳体(3)上设置 有插槽(2)，所述钢钉（1)活动设置在所述插槽(2)内，所述钢钉（1)的底部设置有底座(5)， 所述底座(5)活动设置在所述插槽(2)内。6. 如权利要求1所述的下肢侧力线测量装置，其特征在于:所述开关(4)位于所述保护 壳体(3)的侧面。7. 如权利要求1所述的下肢侧力线测量装置，其特征在于:所述保护壳体(3)为ABS材料 制成的保护壳体。8. -种下肢侧力线测量方法，其特征在于:具体包括W下步骤： (1) 下肢侧力线测量装置通过钢钉固定在被测部位，微处理器建立=维坐标系，其中钢 钉的固定点为坐标原点，钢钉的轴线为Z轴； (2) W坐标原点为圆屯、0(0,0,0)，圆周运动被测部位，形成下肢侧力线测量装置运动坐 标A(a，b，c)，则有向量.(3) 微处理器根据下肢侧力线测量装置的运动状态，分别获取加速度计、巧螺仪和磁力 计的测量值，并得到A的坐标值，其中速度计测量下肢侧力线测量装置运动时的线加速度； 巧螺仪测量下肢侧力线测量装置运动时的角加速度;磁力计测量下肢侧力线测量装置运动 时的磁场强度； (4) 微处理器根据加速度计、巧螺仪和磁力计的测量值，计算^?、0和丫形成，则计算公式 如下：式中，巧为向量完巧与X轴的夹角，0为向量与Y轴的夹角，丫为向量痛与Z轴的夹角。9.如权利要求8所述的下肢侧力线测量方法，其特征在于:外接显示设备通过蓝牙传输 模块获取下肢侧力线的位置信息。
【文档编号】A61B5/103GK105902271SQ201610216489
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】常涛, 张明, 李广勇, 肖钢, 马吉星, 施飞, 尚战颂
【申请人】爱乔（上海）医疗科技有限公司