一种基于近红外光的关节接触力测量方法及装置与流程

本发明属于人体测量领域，更具体地，涉及一种基于近红外光的关节接触力测量方法及装置。

背景技术：

在人的日常活动中，关节在承受负载、产生力矩、传导体重时都会形成关节接触力，因此关节接触力的信息在关节疾病的诊断与生物力学分析等方面具有重要的参考意义。

在关节接触力的测量方法的发展历史中，对关节接触力的直接测量往往是侵入式的，如将带有测力传感器单元的胫骨假体通过手术植入膝关节内，以此实现对关节接触力的实时准确检测。但这种方法的成本较高，应用场景因其侵入测量的特点而受到较大局限。

而非侵入式的关节接触力测量方法包括基于动力学的方法、基于优化的方法、基于肌肉电信号的方法等，这些方法都需要较多的传感器信息作为输入，例如结合运动捕捉系统、地面接触力测量系统、肌肉电信号传感器等测量手段获得肢体的相关动力学信息，并对该类信息进行处理与分析，来间接估计关节接触力及其变化情况。这些非侵入式的测量方法严重依赖于个体精确的肌骨系统模型与肢体动力学模型，且往往需要较复杂的传感器系统，计算复杂度高，难以实现便携式的实时测量。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于近红外光的关节接触力测量方法及装置，其中该方法利用近红外光在生物组织内具有穿透性的特点，使其与软骨组织发生相互作用并产生反射光，通过实时测量反射光的强度实现对关节接触力的实时监测，因而尤其适用于人体测量的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于近红外光的关节接触力测量方法，该测量方法具体为：向待测关节发射近红外光，所述近红外光与软骨组织发生相互作用后产生反射光，通过所述反射光的光强变化检测关节接触力的变化。

作为进一步优选地，所述近红外的波长为850nm～1000nm。

作为进一步优选地，利用激光二极管或发光二极管发射所述近红外光。

作为进一步优选地，利用雪崩光电二极管、光电二极管或光电倍增管检测所述反射光的光强变化。

按照本发明的另一方面，提出了一种基于近红外光的关节接触力测量装置，该测量装置包括穿戴单元、光源单元和光敏单元，其中：

所述穿戴单元用于将所述测量装置固定在待测关节的外侧；

所述光源单元固定在所述穿戴单元上，用于向所述待测关节发射近红外光，所述近红外光与软骨组织发生相互作用并产生反射光；

所述光敏单元固定在所述穿戴单元上，并位于所述光源单元的一侧，用于检测所述反射光的光强变化，以此完成关节接触力测量。

作为进一步优选地，所述光源单元采用激光二极管或发光二极管。

作为进一步优选地，所述光敏单元采用雪崩光电二极管、光电二极管或光电倍增管。

作为进一步优选地，所述光源单元与光敏单元之间的距离大于8mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提供了一种基于近红外光的关节接触力测量方法，该方法利用近红外光在生物组织内具有穿透性的特点，使其与软骨组织发生相互作用并产生反射光，通过实时测量放射光的强度实现对关节接触力的实时监测，相比于植入假体的直接测量方法，能够避免对人体产生伤害，具有实时性好、计算量小、处理过程简单的优势；

2.尤其是，本发明通过对近红外光的波长进行优化，能够使其在生物组织内穿透较深，有效提高关节接触力的检测精度；

3.此外，本发明还提供了一种基于近红外光的关节接触力测量装置，该装置只需要简单的穿戴与标定，即可实现对穿戴者负重情况下关节内部接触力的测量；不同于传统的优化迭代估计、利用表面肌电间接估计等非入侵式装置需要大量传感器的缺陷，本发明只需要一对光敏单元与光源单元即可进行关节接触力的测量，极大地降低了传感器的数量，简化了数据分析处理的复杂程度。

附图说明

图1是本发明提供的基于近红外光的关节接触力测量方法的原理图；

图2是本发明优选实施例中膝关节受力时的测量示意图，其中(a)为膝关节受力示意图，(b)测量示意图；

图3是按照本发明优选实施例构建的基于近红外光的关节接触力测量装置的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中固定件的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为剖视图；

图5是本发明优选实施例中使用的发光二极管的驱动与调制部分电路示意图；

图6是本发明优选实施例中使用的雪崩光电二极管的驱动与采集部分电路示意图；

图7是本发明优选实施例中膝关节软骨变形与反射光光强变化图；

图8是本发明优选实施例中待测关节压力变化引起的反射光光强信号变化数据图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-穿戴单元，2-光敏单元，3-光源单元，4-固定件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、2所示，本发明实施例提供了一种基于近红外光的关节接触力测量方法，该测量方法具体为：向待测关节发射近红外光，近红外光与软骨组织发生相互作用后产生反射光，通过反射光的光强变化检测关节接触力的变化。

具体地，当人站立以及负重时，膝关节会承受由体重产生的压力，这种压力会以关节接触力的形式由股骨和胫骨上的关节软骨传递，当人运动时，膝关节又需要产生关节力矩，在肌肉力的作用下，也会在关节软骨上产生接触力。这样的关节接触力就是作用在关节软骨上的压力，关节软骨在这样的压缩应力作用下，便会发生相应程度的变形，于是通过测量关节软骨变形程度，就可以实现对关节接触力的实时检测。

近红外光(波长为780nm～1000nm)在生物质组织内可穿透较深，通过测量近红外光在生物组织内吸收、散射等相互作用后出射的反射光强度，可以监测生物组织的变化情况。因此，当关节软骨由于关节接触力变化而产生变形时，近红外光吸收、散射强度也将发生变化，通过待测关节处反射光强度的变化可以实现关节接触力的测量。由于不同区域光强信号的差异性，可以通过标定的方式或多路信号分析的方式进行处理，以实现对关节接触力的准确测量。

进一步，近红外的波长为850nm～1000nm，该波长范围内的近红外光穿透性较好，近红外的波长优选为850nm左右或950nm左右；利用激光二极管或发光二极管发射近红外光；利用雪崩光电二极管、光电二极管或光电倍增管检测反射光的光强变化。

如图3、4所示，按照本发明的另一方面，提供了一种基于近红外光的关节接触力测量装置，该测量装置包括穿戴单元1、光源单元3和光敏单元2，其中：

穿戴单元1用于将测量装置固定在待测关节的外侧，使其贴近待测关节处，穿戴单元1优选采用绑带结构；

光源单元3通过固定件4固定在穿戴单元上，用于向待测关节发射一定强度的近红外光，近红外光与软骨组织发生相互作用并产生反射光；

光敏单元2通过固定件4固定在穿戴单元上，并位于光源单元的一侧，与光源单元3通过导线连接，用于检测反射光的光强变化，以此完成关节接触力测量。

可以采用一个发光元件与一个光敏元件，平行于软骨方向进行布置，或垂直于软骨方向进行布置；也可以采用多个发光元件与多个光敏元件，分布于待测关节外围，从而实现多路信号采集，同时分析多个特定区域软骨组织对不同近红外波长的探测光强变化，以实现更精确的关节接触力测量。

在使用前，通过对待测关节所受的外部载荷以及受载前后反射光光强的变化量进行离线标定，建立关节接触力与反射光光强之间的对应关系，然后在使用时就可以根据采集到的光强信号估计关节接触力，从而实现对关节接触力的实时测量。通过实时测量待测关节组织与近红外光相互作用后出射的光强信号并输入到经过标定的数据处理模块中，即可完成对待测关节接触力的实时分析与处理，实时性好，计算量小，穿戴结构简单，不需要复杂的分析处理过程，适合于关节接触力的实时测量。

进一步，光源单元3采用激光二极管或发光二极管，其中发光二极管(led)的驱动与调制部分电路如图5所示，通过电池供电驱动，并通过stm32单片机调制驱动，从而实现对led输出光强的调制；光敏单元2采用雪崩光电二极管、光电二极管或光电倍增管，其中雪崩光电二极管(apd)的驱动与调制部分电路如图6所示，通过电池驱动放大电路，通过ad转换模块采集电压信号，传输至pc机进行处理分析；光源单元3与光敏单元2之间的距离大于8mm。

在本发明的优选实施例中，选用波长为850nm的led、滨松-c12702型apd模块，搭建如图5、6所示的驱动、调制与采集电路，apd采集的漫反射信号通过光纤从待测膝关节处引出至apd感光区域，穿戴部分光源与光敏测量区域中心距离固定为10mm，测量膝关节受力变化并发生软骨变形时的漫反射光强(即漫反射探测区域出射光子数)。

结合蒙特卡洛方法进行分析，得到图7所示的数据图，可以看到，在关节软骨受压导致厚度变化时，漫反射光强会随着关节软骨的压缩而变强。

穿戴者穿戴装置进行实验数据采集，得到图8所示的数据图，在膝关节受压力变化时，漫反射光强的变化趋势呈现出与蒙特卡洛方法分析结果相同的趋势，当关节受压力较大时，漫反射光强会变强，在实验中，可以根据这种数据特性分析关节接触力的变化情况。以此实现关节接触力的实时检测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。