一种膝关节组织平衡测量装置及其测量方法与流程

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种膝关节组织平衡测量装置及其测量方法。

背景技术

膝关节主要有股骨、胫骨、髌骨组成，随着社会人口的老龄化，膝关节疾病已经成为影响老年人一种常见的疾病，全膝关节置换手术是治疗晚期病变的一种有效的方法，全膝关节置换是指用假体取代已经严重受损且不能正常行驶的膝关节，在全膝关节的置换过程中恢复重建膝关节与屈膝间隙之间的平衡、内外侧间隙的平衡及相应的软组织的平衡是非常关键的步骤，而对于膝关节间的伸屈间隙的测量是确定膝关节软组织是否平衡的一个非常重要的指标，现有的技术虽然提供配套的器械，且能够综合的对于各个特征值进行相应的检测，但是检测的结果较为粗略，不利于后期数据的采集从而不能精确的针对问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有技术检测的结果较为粗略，不利于后期数据的采集从而不能精确的针对问题。

现有技术中常采用手动助推杆，推动滑块，使得测量的准确性较差；现有技术中数据的读取存在认为误差，给测量带来不便，不能足够真实的反映测量情况；现有技术中涉及到的电子读数装置，普遍为电池提供电源，提高了测量用具的成本。

现有技术中，测量方法获得的数据准确度差，不能为手术的准确运行提供条件。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种膝关节组织平衡测量装置及其测量方法。

本发明是这样实现的，一种膝关节组织平衡测量装置的测量方法，所述膝关节组织平衡测量装置的测量方法包括：

主控制器通过螺钉固定在尺身上并通过导线与太阳能蓄电装置连接；太阳能蓄电装置通过导线连接助推杆；助推杆上通过螺丝固定用于显示助推杆运行轨迹的电子显示屏；助推杆与滑块焊接，滑块上通过螺栓固定有距离传感器；滑块的上方焊接有测量爪；

主控制器对助推杆进行移动距离和测量爪工作状态进行调节；

主控制器对测量爪工作状态进行调节中，确定获取相应的运动距离偏移概率，构建出过渡状态过程；获取最后两种评价状态策略成功、策略失败；构建相应的运动轨迹状态图；

距离传感器采用如下模型，对测量间隙距离进行准确识别，具体如下：

设f(x)∈c[a,b],pn(x)是次数不超过n的全体多项式构成的集合；如果则称p＊(x)是f(x)在[a,b]上的最佳极小化极大多项式，采用里米兹算法；由切比雪夫定理得如下公式：

其中，ak(k＝0,1,…n)为待求多项式系数；ρ为最佳逼近值；xi用反复校正法取得高精度的读数；

主控制器对助推杆进行移动距离调节中，采取gm(1，n)模型对助推杆进行建模处理：

助推杆按照数据时间顺序构造，数据序算法如下：

式中，称d为x⁽⁰⁾的一次累加生成算子；通过数据的累加处理，提高序列的光滑度，降低原序列数据的离散度，使原始数据的特性与规律明显；

电子显示屏显示助推杆运行轨迹中，显示的灰度级以发光时间长短表示，显示屏的色度坐标计算公式如下：

其中，x、y、z为三刺激值，t为发光时间。

灰度级和xyz三刺激值之间存在与时间t相关的线性关系；当显示屏总的灰度级级数为n时，每一个灰度级步长“1”所对应的xyz三刺激值为：

显示一个任意的颜色，当红、绿、蓝显示屏发光灰度级分别为m，n，k时其对应的xyz三刺激值为：

进一步，x0为初始状态，x1，x2，x3……xi为由x0通过运动距离安全评价后转移的状态；

p01，p02，p03……p0i为由x0到x1，x2，x3……xi的概率，xi+1，xi+2为最后经过主控制器评价后获取的两个状态，分别代表成功策略和失败策略；

r1,i+1，r1,i+2为x1到xi+1，xi+2的概率，r2,i+1，r2,i+2为x2到xi+1，xi+2的概率……ri,i+1，ri,i+2为xi到xi+1，xi+2的概率，从概率得到运动距离安全评价后转移的状态：

在矩阵中，p为从状态过渡态的概率，r为吸收态的概率，p和r的关系如下形式：

基本矩阵f：

f＝(i-q)^-1

吸收矩阵b如下：

b＝fr＝(i-q)^-1×r。

进一步，运动距离安全评价包括：

安全评价指标量化：

选用的指标量化参数被定义为s，其中每个因素定义为(s0，s1，s2，……)，并对每种因素赋予相应的权重值(n0，n1，n2，……)，则该算法的安全总值为：

s＝s0*n0+s1*n1+s2*n2……；

效率评价指标量化：

选用量化参数被定义为e，其中每个因素定义为(e0，e1，e2，……)，并对每种因素赋予相应的权重值(m0，m1，m2，……)，则算法的效率总值为：

e＝e0*m0+e1*m1+e2*m2……；

对每种规则的策略进行排序，以s/e的值为标量，接近1的说明安全性与效率最好，大于1的说明安全性高效率低，小于1的说明安全性低效率高，根据离1的距离划分相应的概率，离1越远概率越小，离1越近概率越大。

进一步，

构建相应的运动轨迹状态图中，测量爪上集成的位移感应器测得测量爪到达待测量部位的相对距离|ob|；

建立基于相对运动的坐标系，坐标原点为测量爪的质心，y轴为指向达待测量部位坐标原点的方向，x轴为测量爪绕滑块运动轨迹的切线方向，z轴方向通过右手坐标系确定；

于是，待测量部位相对于测量爪的动态模型用如下的状态矢量表示:

上式中，r和v分别表示待测量部位相对于测量爪的位置和速度；待测量部位相对测量爪运动轨道的动态模型用如下的hill方程描述：

上式中，分别表示相对加速度，n是测量爪的角速度；

根据上述所述动态模型和hill方程得出相对轨道的状态方程如下：

这里，a表示系统矩阵，t表示时间，n是测量爪的角速度，g是系统噪声矩阵，w是系统噪声；

通过测量爪上集成的位移感应器测量待测量部位相对于测量爪位置的仰角和方位角，得到测量矢量如下：

z＝[rθφ]^t；

其中，r为得出测量爪和待测量部位的相对距离，θ为待测量部位相对测量爪位置的仰角，φ为待测量部位相对测量爪的方位角；

进一步得到测量方程为：

其中，[vrvθvφ]^t是测量噪声；

得到关于卡尔曼滤波器的测量jacobean矩阵如下：

上式中，

运用卡尔曼滤波器,完成轨道的估计。

进一步，测量爪上集成的位移感应器测量测量爪和待测量部位的相对距离|ob|的计算过程具体包括：

1)位移感应器的信号光子和闲散光子的状态用下式进行描述：

|ψ>是希尔伯特空间中的态矢量，分别相对于信号光子和闲散光子的上升算符，d是微分算符，脚标s和i分别表示信号光子和闲散光子，ωp表示泵浦光频率，ω＝ωs-ωp/2＝ωp/2-ωi，ωi和ωs分别是闲散光子和信号光子的频率，系数c依赖于泵浦光的强度和磁化率，f(ω)是信号光子与闲散光子辐射的频谱幅度；

2到达时间的二阶glauber相关函数如下：

其中，(rs,ts)和(ri,ti)表示时空上的两个点，ri表示已知的闲散光子的参考路径，rs表示未知的信号光子路径，ts和ti分别为信号光子和闲散光子的到达时间；同时t′j表示光子在非线性晶体中的传播时间；

在平稳的情况下，g⁽²⁾(ts,rs；ti,ri)取决于到达的时间差ti-ts，对于自发参量下转换过程，有

其中，l是非线性晶体的长度，所述非线性晶体是作为产生纠缠态光子的基本材料，d是纠缠光子对的群速差的倒数；于是，到达时间的二阶glauber相关函数计算为

显然的，得到：

其中，τc是到达时间差，也即是表达式g⁽²⁾(τ)的对称中心，并且由多信道分析仪决定；

3)从推出，两路信号之间的时间延迟δt1和两路信号的时间延迟δt2：

τc1为步骤1中测得的到达时间差，τc2是步骤2中测得的到达时间差；

4)根据两路光子的到达时间以及两路光子的到达时间分别得到如下等式：

2(|ab|+|ob|-|oa|)＝cδt1；

2(|oa|+|ob|-|ab|)＝cδt2；

5)根据3)和4)得到相对距离|ob|为:

本发明的另一目的在于提供一种实现所述膝关节组织平衡测量装置的测量方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述膝关节组织平衡测量装置的测量方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的膝关节组织平衡测量装置的测量方法。

本发明的另一目的在于提供一种膝关节组织平衡测量装置，设置有尺身；

所述尺身的上方天套接有滑块，所述滑块分为左右两端滑块，左端滑块通过螺母固定在尺身上，右端滑块通过紧固螺钉固定在尺身上，在尺身上滑动，且右端滑块的右侧焊接有游标尺；

所述游标尺的下端通过螺母固定有助推杆；所述助推杆套接在尺身上；所述尺身焊接在手柄上；所述滑块的上方焊接有测量爪；

主控制器通过螺钉固定在尺身上；主控制器通过导线与太阳能蓄电装置连接；太阳能蓄电装置通过导线连接助推杆；助推杆上通过螺丝固定有电子显示屏；助推杆与滑块焊接，滑块上通过螺栓固定有距离传感器；滑块的上方焊接有测量爪，测量爪前端套接硅胶圈；

太阳能蓄电装置，用于为助推杆、电子显示屏和距离传感器提供电源。

进一步，所述手柄为圆柱形，且设置有防滑纹；

所述测量爪为针状。

本发明的优点及积极效果为：

本发明的手柄为圆柱状且设置有防滑纹，便于医师手持，所述右侧滑块固定有游标尺，能够更加精确的测量伸屈间隙的距离，便于后期医师做有关的记录并且针对性的采取措施，所述游标尺的下端固定有助推杆，能够更加便利的推动游标尺。

本发明提供的太阳能蓄电装置，利用光能进行蓄电，节约成本，同时用于为助推杆、电子显示屏和距离传感器提供电源，有效支撑膝关节组织平衡测量装置的使用，有利于提高测量速度和准确性；距离传感器通过反复校正法取得高精度的读数；助推杆采取gm(1，n)模型，采用通过数据的累加处理，提高序列的光滑度，降低原序列数据的离散度，使得原始数据的特性与规律更明显；电子显示屏经过灰度处理，使得读数更加清晰明了，给使用带来极大方便；

本发明主控制器对测量爪工作状态进行调节中，确定获取相应的运动距离偏移概率，构建出过渡状态过程；获取最后两种评价状态策略成功、策略失败；构建相应的状态图；

距离传感器采用如下模型，对测量间隙距离进行准确识别，具体如下：

设f(x)∈c[a,b],pn(x)是次数不超过n的全体多项式构成的集合；如果则称p＊(x)是f(x)在[a,b]上的最佳极小化极大多项式，采用里米兹算法；由切比雪夫定理得如下公式：

保证了膝关节组织平衡测量装置测量精度的需求。而且测量数据准确。为手术的顺利进行提供依据。

本发明构建相应的运动轨迹状态图中，测量爪上集成的位移感应器测得测量爪到达待测量部位的相对距离|ob|；

建立基于相对运动的坐标系，坐标原点为测量爪的质心，y轴为指向达待测量部位坐标原点的方向，x轴为测量爪绕滑块运动轨迹的切线方向，z轴方向通过右手坐标系确定；

于是，待测量部位相对于测量爪的动态模型用如下的状态矢量表示:

上式中，r和v分别表示待测量部位相对于测量爪的位置和速度；待测量部位相对测量爪运动轨道的动态模型用如下的hill方程描述：

上式中，分别表示相对加速度，n是测量爪的角速度；

根据上述所述动态模型和hill方程得出相对轨道的状态方程如下：

可获得测量爪准确的运动距离和获得准确的控制方式，为手术的准确控制提供依据。相比于现有技术准确控制数据百分比提高很多。

附图说明

图1是本发明实施例提供的膝关节组织平衡测量装置及其测量方法的测量装置示意图。

图2是本发明实施例提供的主控制器连接示意图。

图中：1、尺身；2、滑块；3、测量爪；4、紧固螺钉；5、游标尺；6、助推杆；7、手柄、8、主控制器；9、太阳能蓄电装置；10、电子显示屏；11、距离传感器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明实施例提供的膝关节组织平衡测量装置，设置有：尺身1、滑块2、测量爪3、紧固螺钉4、游标尺5、助推杆6、手柄7。

所述尺身1的上方天套接有滑块2，所述滑块2分为左右两端滑块，左端的滑块2通过螺母固定在尺身1上，右端的滑块2通过紧固螺钉固定在尺身1上，可在尺身1上滑动，且右端的滑块2的右侧焊接有游标尺5，所述游标尺5的下端通过螺母固定有助推杆6，所述助推杆6套接在尺身1上，所述尺身1焊接在手柄7上，所述滑块2的上方焊接有测量爪3。

主控制器8通过螺钉固定在尺身上；主控制器通过导线与太阳能蓄电装置9连接；太阳能蓄电装置通过导线连接助推杆；助推杆上通过螺丝固定有电子显示屏10；助推杆与滑块焊接，滑块上通过螺栓固定有距离传感器11；滑块的上方焊接有测量爪，测量爪前端套接硅胶圈；

所述手柄7为圆柱形，且设置有防滑纹。

所述测量爪3为针状。

本发明的工作原理：

通过手柄7将测量装置手持，分别将测量爪3内卡接在膝关节形成的伸直间隙与屈曲间隙中，通过助推杆6移动游标尺5，直到滑动的测量爪3固触碰间隙的另一边，将尺身1的读数与游标尺5的读数相加(游标尺的分度值为50分度精确值)，测量的结果为间隙的距离，如果伸直间隙与去曲间隙的矩形相等，且内外侧间隙无紧张与松弛，伸直屈曲90°位，股骨的内外侧踝抬高1-3mm，则为膝关节软组织平衡。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的膝关节组织平衡测量装置的测量方法，包括：

主控制器通过螺钉固定在尺身上并通过导线与太阳能蓄电装置连接；太阳能蓄电装置通过导线连接助推杆；助推杆上通过螺丝固定用于显示助推杆运行轨迹的电子显示屏；助推杆与滑块焊接，滑块上通过螺栓固定有距离传感器；滑块的上方焊接有测量爪；

主控制器对助推杆进行移动距离和测量爪工作状态进行调节；

主控制器对测量爪工作状态进行调节中，确定获取相应的运动距离偏移概率，构建出过渡状态过程；获取最后两种评价状态策略成功、策略失败；构建相应的运动轨迹状态图；

距离传感器采用如下模型，对测量间隙距离进行准确识别，具体如下：

设f(x)∈c[a,b],pn(x)是次数不超过n的全体多项式构成的集合；如果则称p＊(x)是f(x)在[a,b]上的最佳极小化极大多项式，采用里米兹算法；由切比雪夫定理得如下公式：

其中，ak(k＝0,1,…n)为待求多项式系数；ρ为最佳逼近值；xi用反复校正法取得高精度的读数；

主控制器对助推杆进行移动距离调节中，采取gm(1，n)模型对助推杆进行建模处理：

助推杆按照数据时间顺序构造，数据序算法如下：

式中，称d为x⁽⁰⁾的一次累加生成算子；通过数据的累加处理，提高序列的光滑度，降低原序列数据的离散度，使原始数据的特性与规律明显；

电子显示屏显示助推杆运行轨迹中，显示的灰度级以发光时间长短表示，显示屏的色度坐标计算公式如下：

其中，x、y、z为三刺激值，t为发光时间。

灰度级和xyz三刺激值之间存在与时间t相关的线性关系；当显示屏总的灰度级级数为n时，每一个灰度级步长“1”所对应的xyz三刺激值为：

显示一个任意的颜色，当红、绿、蓝显示屏发光灰度级分别为m，n，k时其对应的xyz三刺激值为：

x0为初始状态，x1，x2，x3……xi为由x0通过运动距离安全评价后转移的状态；

p01，p02，p03……p0i为由x0到x1，x2，x3……xi的概率，xi+1，xi+2为最后经过主控制器评价后获取的两个状态，分别代表成功策略和失败策略；

r1,i+1，r1,i+2为x1到xi+1，xi+2的概率，r2,i+1，r2,i+2为x2到xi+1，xi+2的概率……ri,i+1，ri,i+2为xi到xi+1，xi+2的概率，从概率得到运动距离安全评价后转移的状态：

在矩阵中，p为从状态过渡态的概率，r为吸收态的概率，p和r的关系如下形式：

基本矩阵f：

f＝(i-q)^-1

吸收矩阵b如下：

b＝fr＝(i-q)^-1×r。

运动距离安全评价包括：

安全评价指标量化：

选用的指标量化参数被定义为s，其中每个因素定义为(s0，s1，s2，……)，并对每种因素赋予相应的权重值(n0，n1，n2，……)，则该算法的安全总值为：

s＝s0*n0+s1*n1+s2*n2……；

效率评价指标量化：

选用量化参数被定义为e，其中每个因素定义为(e0，e1，e2，……)，并对每种因素赋予相应的权重值(m0，m1，m2，……)，则算法的效率总值为：

e＝e0*m0+e1*m1+e2*m2……；

对每种规则的策略进行排序，以s/e的值为标量，接近1的说明安全性与效率最好，大于1的说明安全性高效率低，小于1的说明安全性低效率高，根据离1的距离划分相应的概率，离1越远概率越小，离1越近概率越大。

构建相应的运动轨迹状态图中，测量爪上集成的位移感应器测得测量爪到达待测量部位的相对距离|ob|；

建立基于相对运动的坐标系，坐标原点为测量爪的质心，y轴为指向达待测量部位坐标原点的方向，x轴为测量爪绕滑块运动轨迹的切线方向，z轴方向通过右手坐标系确定；

于是，待测量部位相对于测量爪的动态模型用如下的状态矢量表示:

上式中，r和v分别表示待测量部位相对于测量爪的位置和速度；待测量部位相对测量爪运动轨道的动态模型用如下的hill方程描述：

上式中，分别表示相对加速度，n是测量爪的角速度；

根据上述所述动态模型和hill方程得出相对轨道的状态方程如下：

这里，a表示系统矩阵，t表示时间，n是测量爪的角速度，g是系统噪声矩阵，w是系统噪声；

通过测量爪上集成的位移感应器测量待测量部位相对于测量爪位置的仰角和方位角，得到测量矢量如下：

z＝[rθφ]^t；

其中，r为得出测量爪和待测量部位的相对距离，θ为待测量部位相对测量爪位置的仰角，φ为待测量部位相对测量爪的方位角；

进一步得到测量方程为：

其中，[vrvθvφ]^t是测量噪声；

得到关于卡尔曼滤波器的测量jacobean矩阵如下：

上式中，

运用卡尔曼滤波器,完成轨道的估计。

测量爪上集成的位移感应器测量测量爪和待测量部位的相对距离|ob|的计算过程具体包括：

1)位移感应器的信号光子和闲散光子的状态用下式进行描述：

|ψ>是希尔伯特空间中的态矢量，分别相对于信号光子和闲散光子的上升算符，d是微分算符，脚标s和i分别表示信号光子和闲散光子，ωp表示泵浦光频率，ω＝ωs-ωp/2＝ωp/2-ωi，ωi和ωs分别是闲散光子和信号光子的频率，系数c依赖于泵浦光的强度和磁化率，f(ω)是信号光子与闲散光子辐射的频谱幅度；

2到达时间的二阶glauber相关函数如下：

其中，(rs,ts)和(ri,ti)表示时空上的两个点，ri表示已知的闲散光子的参考路径，rs表示未知的信号光子路径，ts和ti分别为信号光子和闲散光子的到达时间；同时t′j表示光子在非线性晶体中的传播时间；

在平稳的情况下，g⁽²⁾(ts,rs；ti,ri)取决于到达的时间差ti-ts，对于自发参量下转换过程，有

其中，l是非线性晶体的长度，所述非线性晶体是作为产生纠缠态光子的基本材料，d是纠缠光子对的群速差的倒数；于是，到达时间的二阶glauber相关函数计算为

显然的，得到：

其中，τc是到达时间差，也即是表达式g⁽²⁾(τ)的对称中心，并且由多信道分析仪决定；

3)从推出，两路信号之间的时间延迟δt1和两路信号的时间延迟δt2：

τc1为步骤1中测得的到达时间差，τc2是步骤2中测得的到达时间差；

4)根据两路光子的到达时间以及两路光子的到达时间分别得到如下等式：

2(|ab|+|ob|-|oa|)＝cδt1；

2(|oa|+|ob|-|ab|)＝cδt2；

5)根据3)和4)得到相对距离|ob|为:

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。