智能钩椎关节应力监测系统及方法与流程

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种智能钩椎关节应力监测系统方法。

背景技术：

颈椎前路减压融合术(anteriorcervicaldecompressionandfusion，acdf)一直是治疗颈椎退变性疾病的有效的经典的手术方式。颈椎前路钢板、椎间融合器等内植物材料提高了acdf手术初始稳定性、支撑强度、植骨融合率。椎间融合器的设计基本目的就是在提供良好的初始稳定性、支撑强度的基础上，维持和改善颈椎曲度，为椎间融合提供良好的生物学和生物力学环境来促进植骨融合。

钩椎关节融合应力分析研究对探究钩椎关节融合的机制和椎间融合器的设计改进有重要的帮助。

现有技术对椎间隙应力研究采用：

(1)计算机有限元分析研究法：即便有限元研究最大程度上完成颈椎几何模型和材料属性的模拟，但在建模过程中不可避免地需要进行了一些简化处理，有限元分析只能提供一种变化趋势，难以提供真实的应力数据，而且钩椎关节融合器植入术后，钩椎关节应力在不同姿态下是一个动态的发展的变化过程，有限元分析难以准确反应动态的变化趋势；

(2)采用导线连接的压敏片的研究相关的方法：将压敏片插入到钩椎关节及椎间隙中央区域等需要检测的区域。比如：设计专用的可以同时行钩椎关节植骨融合与椎间隙终板间融合的专用融合器(已经完成)，行山羊颈椎间盘切除减压融合术，将微型亚敏片植入双侧钩椎关节区域与椎间隙终板间区域，用微型导丝埋置到山羊颈部皮下，从颈后部穿出连接压敏片监测仪器，记录山羊钩椎关节区域与椎间隙终板间区域的压应力大小和变化趋势，比较钩椎关节区域与终板间区域的应力差异。整个试验过程中山羊均需要笼养在专用的试验笼中，避免山羊剧烈活动造成对导丝和监测设备的损坏。然而此法往往成功率较低，比较笨拙，经常仅适用于尸体生物力学单次研究，在人体内或动物实验的时候，电线穿过皮肤到达体外，存在感染风险，也存在断裂风险，同时插入到融合器-骨面之间的应力片也不利于骨愈合；同时，应力监测的外接设备连接后，人体或实验动物活动均不方便。

现有技术不能灵活实时地监测颈部活动，并根据颈部活动数据识别出颈部的活动姿态，以及计算出不同颈部活动姿态对应的应力大小；不能对颈部活动的不健康姿态进行预警纠正；不能对颈部活动姿态及其对应应力大小数据进行收集、记录分析，进一步为设计优化钩椎关节融合器提供有效的大数据支持。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种智能钩椎关节应力监测系统及方法，能够灵活实时地监测颈部活动，并根据颈部活动数据识别出颈部的活动姿态，再结合应力数据得出不同颈部活动姿态对应的应力数据，对不健康的姿态进行预警，并记录相关应力数据，进一步为设计优化椎间融合器提供有效的大数据支持。

本发明采取如下技术方案实现上述目的，智能钩椎关节应力监测系统，应用于钩椎关节融合器，所述钩椎关节融合器包括椎体间支撑体100与钩椎关节融合部件200，所述椎体间支撑体100的左右两侧分别设置有一个钩椎关节融合部件200，所述椎体间支撑体100与钩椎关节融合部件200的上表面以及下表面均设置有一层融合器材料，融合器材料下方有一层腔隙，还包括应力传感器、加速度传感器、重力传感器、数据传输模块以及数据处理模块，所述应力传感器均匀分布在钩椎关节融合器的椎体间支撑体100的腔隙内，所述加速度传感器、重力传感器、数据传输模块以及数据处理模块均设置在椎体间支撑体100内部，所述应力传感器、加速度传感器以及重力传感器均与数据处理模块连接，数据处理模块与数据传输模块连接，所述数据处理模块用于根据加速度传感器与重力传感器实时采集的数据分析出颈部活动姿态，以及结合应力传感器的应力数据计算出不同颈部活动姿态下对应的应力分布数据，并通过数据传输模块将应力分布数据信息发送至外部移动终端。

进一步的是，为了增加感应范围，所述应力传感器还均匀分布在钩椎关节融合部件200的腔隙内。

进一步的是，所述应力传感器设置有区分标记，所述区分标记用于区分应力数据信号的来源。

进一步的是，所述计算出不同颈部活动姿态下对应的应力数据包括：根据应力传感器设置的区分标记以椎体间支撑体(100)以及钩椎关节融合部件(200)的上表面或下表面为平面建立x-y直角坐标系，再结合识别出的活动姿态计算出不同颈部活动姿态下对应的应力。

进一步的是，为了增加数据存储的能力，智能钩椎关节应力监测系统还包括数据存储模块，所述数据存储模块安装于椎体间支撑体100的内部，所述数据存储模块与数据处理模块连接。

进一步的是，为了增加系统的供电能力，智能钩椎关节应力监测系统还包括电源模块，所述电源模块用于给整个系统供电，所述电源模块安装于椎体间支撑体100的内部。

进一步的是，为了实现灵活的无线充电，智能钩椎关节应力监测系统还包括经皮能量传输模块，所述经皮能量传输模块用于给电源模块无线充电。

进一步的是，为了实时直观监测不同颈部姿态对应的应力变化曲线，智能钩椎关节应力监测系统还包括移动终端，所述移动终端与数据传输模块无线连接。

智能钩椎关节应力监测方法，应用于上述所述的智能钩椎关节应力监测系统，包括：

步骤(1)、实时获取加速度传感器与重力传感器采集的颈部活动数据，并将颈部活动数据发送至数据处理模块；

步骤(2)、数据处理模块根据颈部活动数据计算识别出颈部活动姿态；

步骤(3)、实时获取应力传感器的应力数据，并将应力数据发送至数据处理模块；

步骤(4)、根据颈部活动姿态以及应力数据，计算出不同颈部活动姿态对应的应力数据；

步骤(5)、将应力分布数据发送至外部移动终端。

进一步的是，为了实现对不健康姿态的预警，智能钩椎关节应力监测方法还包括：步骤(6)、将当前颈部活动姿态对应的应力大小与当前颈部活动姿态对应的标准应力大小进行对比，若当前颈部活动姿态对应的应力大于当前颈部活动姿态对应的标准应力，则发出提示进行预警。

进一步的是，为了实现大数据支持，智能钩椎关节应力监测方法还包括：步骤(7)、实时记录存储颈部活动姿态、活动姿态持续时间、活动姿态对应应力大小及其变化数据。

本发明应用于钩椎关节融合器，所述钩椎关节融合器包括椎体间支撑体100与钩椎关节融合部件200，所述椎体间支撑体100的左右两侧分别设置有一个钩椎关节融合部件200，所述椎体间支撑体100与钩椎关节融合部件200的上表面以及下表面均设置有一层融合器材料，融合器材料下方有一层腔隙；应力传感器均匀分布在钩椎关节融合器的椎体间支撑体100的腔隙内，避免了与颈椎直接接触，加速度传感器、重力传感器、数据传输模块以及数据处理模块均设置在椎体间支撑体100的内部，所述应力传感器、加速度传感器以及重力传感器均与数据处理模块连接，数据处理模块与数据传输模块连接，所述数据处理模块用于根据加速度传感器与重力传感器的实时数据分析出当前颈部的姿态，再结合应力传感器的应力数据计算出不同颈部活动姿态下对应的应力数据，将当前颈部活动姿态对应的应力大小与当前颈部活动姿态对应的标准应力大小进行对比，若当前颈部活动姿态对应的应力大于当前颈部活动姿态对应的标准应力，则发出提示进行预警，并通过数据传输模块将应力数据发送至外部移动终端；电源模块负责为整个系统提供电源，经皮能量传输模块实现对电源模块的无线充电；能够实现灵活实时地监测颈部活动，并根据颈部活动数据识别出颈部的活动姿态，再结合应力传感器的应力数据计算出不同颈部活动姿态对应的应力分布数据，并将实时的应力分布曲线数据发送至移动终端；实现了在移动终端实时直观的监测不同颈部姿态对应的应力分布数据，为设计优化椎间融合器提供了实际有效的指导数据。

附图说明

图1是本发明智能钩椎关节应力监测系统中所应用的一种钩椎关节融合器的结构原理图。

图2是本发明智能钩椎关节应力监测系统的电路结构原理框图。

图3是本发明钩椎关节应力监测方法的方法流程图。

附图中，100为钩椎关节融合器的椎体间支撑体，200为钩椎关节融合器的钩椎关节融合部件。

具体实施方式

附图1为本发明应用的钩椎关节融合器的结构原理图，包括椎体间支撑体100与钩椎关节融合部件200，在椎体间支撑体100的左右两侧分别设置有一个钩椎关节融合部件200，所述椎体间支撑体100与钩椎关节融合部件200的上表面以及下表现设置有一层融合器材料，融合器材料下方有一层腔隙。

附图2为本发明智能钩椎关节应力监测系统的电路结构原理框图，包括应力传感器、加速度传感器、重力传感器、数据传输模块以及数据处理模块，所述应力传感器、加速度传感器以及重力传感器均与数据处理模块连接，数据处理模块与数据传输模块连接，所述数据处理模块用于根据加速度传感器与重力传感器实时采集的数据分析出颈部活动姿态，以及结合应力传感器的应力数据计算出不同颈部活动姿态下对应的应力分布曲线，并通过数据传输模块将应力分布曲线信息发送至外部移动终端。

本发明智能钩椎关节应力监测系统，应用于钩椎关节融合器，所述钩椎关节融合器包括椎体间支撑体100与钩椎关节融合部件200，所述椎体间支撑体100的左右两侧分别设置有一个钩椎关节融合部件200，所述椎体间支撑体100与钩椎关节融合部件200的上表面以及下表面均设置有一层融合器材料，融合器材料下方有一层腔隙，还包括应力传感器、加速度传感器、重力传感器、数据传输模块以及数据处理模块，所述应力传感器均匀分布在钩椎关节融合器的椎体间支撑体100的腔隙内，所述加速度传感器、重力传感器、数据传输模块以及数据处理模块均安装在椎体间支撑体100内部，所述应力传感器、加速度传感器以及重力传感器均与数据处理模块连接，数据处理模块与数据传输模块连接，所述数据处理模块用于根据加速度传感器与重力传感器实时采集的数据分析出颈部活动姿态，以及结合应力传感器的应力数据计算出不同颈部活动姿态下对应的应力分布数据，并通过数据传输模块将应力分布数据信息发送至外部移动终端。

为了增加感应范围，应力传感器还均匀分布在钩椎关节融合器的钩椎关节融合部件200的腔隙内。

其中，应力传感器设置有区分标记，区分标记用来区分应力数据信号的来源。

在计算活动姿态对应的应力大小时，根据应力传感器设置的区分标记以椎体间支撑体100以及钩椎关节融合部件200的上表面或下表面为平面建立x-y直角坐标系，在坐标系中，每个应力传感器对应有相应的坐标，根据设置的区分标记，就可以知道应力数据来源的具体位置，方向以及大小。

颈部每活动一次，可以在特定分布区域的特定的方向测到应力集中或应力改变，根据应力改变可以获得颈椎活动方向，根据应力改变次数和周期可以获得颈椎活动的活动量。还可以实现记录特定姿态和活动情况的应力分布；再结合姿态识别模块：加速传感器可以感知植入部位处于活动状态或静止状态，并可以感知在空间运动范围内的活动方向，感知后经过数据处理模块分析后可存储数据到数据存储模块，包含各个方向上的运动的时间点；重力传感器和水平仪，可以测量钩椎关节融合器在三维空间坐标系上的水平面、冠状面、矢状面的夹角，从而得出钩椎关节融合器的姿态，钩椎关节融合器与人体植入部位处位置固定，存在一定的夹角，通过数据处理再次计算，可以换算成人体的空间姿态。通过上述传感器的协同作用，可以获取某一时刻，植入部位的的姿态(比如前屈多少度、后仰多少度)、静止或运动方向，将这些数据同应力监测数据对应后，即可获得不同特定姿态情况下的特定目标位置的应力情况。加速度传感器和重力感受器可以获得颈椎的姿态和活动量，结合应力分布和改变，就可以获得：1、植入部位姿态，2、植入部位不同姿态的持续时间、活动量和钩椎关节融合器的活动情况，3、不健康姿态的持续时间，然后提出预警，预防疾病；4，特定姿态下的应力分布情况及应力大小。

为了增加数据存储的能力，智能钩椎关节应力监测系统还包括数据存储模块，所述数据存储模块安装于椎体间支撑体100的内部，所述数据存储模块与数据处理模块连接。

为了增加系统的供电能力，智能钩椎关节应力监测系统还包括电源模块，所述电源模块用于给整个系统供电，所述电源模块安装于椎体间支撑体100的内部。

为了实现灵活的无线充电，智能钩椎关节应力监测系统还包括经皮能量传输模块，所述经皮能量传输模块用于给电源模块无线充电。

为了实时直观监测不同颈部姿态对应的应力变化曲线，智能钩椎关节应力监测系统还包括移动终端，所述移动终端与数据传输模块无线连接。

在一种实施例中，该移动终端可以为智能设备中的app(application)，该智能设备可以为智能手机或者电脑或者任何可以安装第三方应用程序的智能设备。

智能钩椎关节应力监测方法，其方法流程图如图3所示，包括：

步骤101：实时获取加速度传感器与重力传感器采集的颈部活动数据，并将颈部活动数据发送至数据处理模块；

步骤102：数据处理模块根据颈部活动数据计算识别出颈部活动姿态；

步骤103：实时获取应力传感器的应力数据，并将应力数据发送至数据处理模块；

步骤104：根据颈部活动姿态以及应力数据，计算出不同颈部活动姿态对应的应力分布数据；

步骤105：通过数据传输模块将应力分布数据发送至外部移动终端。

为了实现对不健康姿态的预警，钩椎关节应力监测方法还包括：步骤106、将当前颈部活动姿态对应的应力大小与当前颈部活动姿态对应的标准应力大小进行对比，若当前颈部活动姿态对应的应力大于当前颈部活动姿态对应的标准应力，则发出提示进行预警。

为了实现大数据支持，钩椎关节应力监测方法还包括：步骤107、实时记录存储颈部活动姿态、活动姿态持续时间、活动姿态对应应力大小及其变化数据。

步骤101中，加速度传感器可以用来感知人体颈椎的状态，比如活动或静止，并可以感知在空间运动范围内头颈的活动方向，数据包含各个方向上的运动的时间点。

重力传感器，可以测量融合器本体在三维空间坐标系上的水平面、冠状面、矢状面的夹角，从而得出钩椎关节融合器本体的姿态，融合器与颈椎间隙的椎体位置固定夹角，通过中央处理器再次计算，可以换算成人体颈椎及头部的空间姿态。

通过加速度传感器与重力传感器协同作用就可以实现实时获取某一时刻颈部的姿态，再结合应力传感器的数据，就可以获取不同颈部姿态对应的应力大小。

钩椎关节融合器在改善颈椎曲度，促进植骨融合的过程中，相同颈部活动姿态对应的应力分布曲线也会发生变化，本发明能够记录不同时期不同颈部活动姿态下对应的应力数据分布。

综上所述，本发明实现了灵活实时地监测颈部活动，并根据颈部活动数据识别出颈部的活动姿态，以及再结合应力数据得出不同颈部活动姿态对应的应力分布曲线，记录不同时期颈部活动姿态对应的应力数据，为设计优化钩椎关节融合器提供了有效的大数据支持。