CN111904682A - 一种骨骼智能矫形系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种骨骼智能矫形系统，包括矫形装置和电源装置，所述矫形装置由若干个形状记忆合金棒组成，所述形状记忆合金棒上设有温度传感器和应力传感器，该系统还包括控制器，所述温度传感器和应力传感器分别将采集到的数据传输到控制器，控制器对数据进行读取，然后根据读取结果对电源装置的输出进行自动控制。本发明能减少手动控制的主观性，提高操作的灵敏性，实现形状记忆合金棒的智能调控，同时还具有舒适性、安全性、依从性好，使用方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种骨骼智能矫形系统，属于医疗器械领域。
背景技术
骨骼畸形不但会引发驼背、高低肩、长短腿、骨骼发育不对称等外在畸形，还会引起脏器发育畸形和功能障碍，严重的可导致心肺衰竭、瘫痪乃至死亡。通过医疗辅具的方式帮助轻度畸形的患者矫正是最普遍、最可靠的治疗方法。然而目前的矫形装置多是一次成型，不具备智能变形和智能调控的功能，治疗周期长且经济成本较高，支具使用的硬质材料不具备超弹性，往往也会在治疗过程中带来极大的不舒适感甚至损伤人体，这些缺陷均导致患者依从性比较差，矫形效果不满意。
自20世纪60年代发现镍钛形状记忆合金以来，该材料已广泛应用于航空航天、冶金、制造等诸多领域。镍钛合金由于具有良好的形状记忆效应、超弹性、低磁性、耐磨性、抗疲劳性和生物相容性，在医学领域也有着广泛的应用。例如，各种体内固定装置，如正畸弓丝、U形钉、肋骨爪、腓骨环抱器、腕三角融合器、椎间融合器等，广泛应用于血管支架、血管栓塞器、血管吻合器、肠吻合器等手术以及制造各种新型假肢和矫形器等医疗器械。
与已有的骨骼矫形器相比，镍钛合金能够在电流、磁场、加热等条件下自动产生形变，而且形变量可控，因此适应性更好，使用更加舒适，安全性也更高。但是，现有的基于镍钛形状记忆合金的骨骼矫形装置仍处于应用开发的初始阶段，存在智能化程度低，操作不灵敏等缺陷，需要研发一种新的骨骼矫形系统，一方面可以利用记忆合金本身的超弹性提供持续的矫形力，另一方面可以智能控制合金的形变量，进而提供动态可调节的矫形力，从而提高矫形的准确性、灵敏性和疗效。
发明内容
本发明的目的是提供一种骨骼智能矫形系统，该系统利用镍钛合金的形状记忆功能，结合先进的智能检测控制与传感器，实现了对骨骼矫形的自动控制，同时还提高了矫形效果以及使用的舒适性和安全性。
上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种骨骼智能矫形系统，包括矫形装置和电源装置，所述矫形装置由若干个形状记忆合金棒组成，所述形状记忆合金棒与电源装置电连接，所述电源装置用于向每一个形状记忆合金棒独立输出电流并使其产生形变，所述形状记忆合金棒上设有温度传感器和应力传感器，所述温度传感器用于采集形状记忆合金棒的发热温度，所述应力传感器用于采集形状记忆合金棒形变后与人体接触部位产生的压力，该系统还包括控制器，所述控制器设有输入装置、存储芯片和微处理器，所述输入装置用于使用者向存储芯片输入控制指令，所述温度传感器和应力传感器分别与存储芯片通过数据线连接并将采集到的数据传输到存储芯片，所述微处理器用于读取存储芯片中数据并向电源装置发出的输出电流的指令。
优选地，所述电源装置包括储能装置和供能装置，所述储能装置用于为整个系统提供能量来源，可以为蓄电池，所述供能装置用于根据微处理器的指令分别向每一个形状记忆合金棒输出电流。
优选地，所述输入装置为液晶触控屏。
优选地，该系统还包括穿戴式人体生理信号采集装置，用于采集人体的生理信号，并将采集到生理信号传输到存储芯片。
进一步优选地，所述穿戴式人体生理信号采集装置通过蓝牙与存储芯片进行数据连接。
进一步优选地，所述生理信号包括体温、血氧和心率。
优选地，该系统还包括加速度传感器，用于感知骨骼的运动状态，所述加速度传感器将采集到的数据传输到存储芯片。
进一步优选地，所述加速度传感器通过蓝牙与存储芯片进行数据连接。
优选地，该系统还包括通讯装置，所述微处理器将输入和输出的数据同步传输到通讯装置，通讯装置再通过无线网络将该数据传输到服务器。
进一步优选地，所述无线网络为5G网络。
本发明的有益效果是：本发明根据镍钛形状记忆合金其电流－温度－形变量三者之间的关系，通过检测形状记忆合金棒上的温度自动控制其形变量，从而实现了对骨骼畸形的自动矫正和智能调控。本发明减少了手动控制的主观性，而且能适时地对形变量进行调整，从而使矫形更加精密和准确，另外，本发明还能根据形状记忆合金棒的应力和患者的生理信号自动控制电源输出，因此具有很高的安全性。本发明还具有使用方便、舒适、依从性好、使用寿命长等优点。
附图说明
图1是系统的电路框图。
图2是形状记忆合金棒的结构示意图，图中：1－形状记忆合金棒；2-温度传感器；3－应力传感器，图中I表示电路系统。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细地说明。
实施例：本发明提供一种骨骼智能矫形系统，如图1所示，该系统由矫形装置、电源装置、控制器、穿戴式人体生理信号采集装置、加速度传感器和通讯装置六大部分组成。
其中，矫形装置和电源装置是该系统的核心部件，所述矫形装置由若干个形状记忆合金棒组成，所述形状记忆合金棒与电源装置电连接，所述电源装置用于向每一个形状记忆合金棒独立输出电流。形状记忆合金棒在通电后产生形变，该形变是由温度直接驱动的，形变量与温度的高低直接相关，而电流能够使合金温度升高且温度的高低与电流量直接相关，因此可以利用形状记忆合金的这一性质对患者骨骼畸形部位进行矫正。使用时将若干个形状记忆合金棒固定在待矫正的畸形骨骼周围，通过控制形状记忆合金棒上的电流量使其产生不同的形变，从而对骨骼畸形进行矫正。
然而，现有的矫形系统大多都是根据患者或医生的使用感受手动地对电流进行控制，这种控制主观性很大，而且操作很不灵敏且非常繁琐，经常导致达不到矫形目的，甚至还会发生操作失误而加重畸形。为此，我们针对这些缺陷提供了一种智能化矫形系统解决方案：所述形状记忆合金棒上设有温度传感器和应力传感器(如图2所示)，所述温度传感器用于采集形状记忆合金棒的发热温度，所述应力传感器用于采集形状记忆合金棒形变后与人体接触部位产生的压力，该系统还包括控制器，所述控制器设有输入装置、存储芯片和微处理器，所述输入装置为液晶触控屏，用于使用者向存储芯片输入控制指令，所述温度传感器和应力传感器分别与存储芯片通过数据线连接并将采集到的数据传输到存储芯片，所述微处理器用于读取存储芯片中数据并向电源装置发出的输出电流的指令。
由于骨骼畸形的程度不同，形状记忆合金棒所需要产生的形变量也不同，本发明通过检测形状记忆合金棒的温度可实现输出电流和形变量的自动控制。另外，在使用记忆合金对畸形骨骼进行矫正时，记忆合金棒形变后与人体接触部位产生压力，而压力的大小直接决定了患者使用的舒适性及依从性，当应力感受器检测到局部施力点应力过大或过小时，可以实时将信息反馈到控制器，控制器再根据预先设定的压力值调整电源装置的输出，使形状记忆合金棒的形变量降低或增加，从而减轻患者疼痛，提高矫形治疗的舒适性、依从性和疗效。
所述温度传感器可使用LMT70小型可穿戴设备温度传感器。所述应力传感器可使用柔性力学传感器，其工作原理是将形状记忆合金棒在形变时与人体部位产生的压力信号转换为电信号，在传感器中集成信号处理与运算电路，使其具有简单的信号处理能力，具体可参阅《用于可穿戴设备的柔性力学传感器研究》学术论文中的类似力学传感器。
本发明通过检测形状记忆合金棒上的温度和应力，控制器对温度传感器和应力传感器检测到的数据进行简单地处理，即可实现对形状记忆合金棒形变量的自动调节，从而实现了矫形系统的智能化，该系统不仅提高了矫形操作的灵敏度和准确度，而且患者使用时更加舒适和安全。
所述电源装置包括储能装置和供能装置，所述储能装置用于为整个系统提供能量来源，可以为蓄电池，所述供能装置根据微处理器的指令分别向形状记忆合金棒输出电流。
对于一些体质较差或具有基础性疾病的患者，在矫形过程中容易发生发热、心率失常、缺氧等不良反应，因此需要对患者的生理体征进行监控以提高治疗的安全性，为此该系统还设有穿戴式人体生理信号采集装置，用于采集人体的体温、血氧、心率等生理信号，该装置目前已在运动手环等智能穿戴设备中得到广泛应用。人体生理信号采集装置将采集到生理信号通过蓝牙传输到存储芯片，微处理器读取后经过简单的比较判断生理信号是否出现异常，然后再根据判断结果控制电源装置的输出，该装置大幅提高了系统的使用安全性。
由于人体在行走、站立以及坐、卧时矫形装置的工作参数有所不同，需要根据相应的动作对形状记忆合金棒上的电流和形变量进行调整，因此本发明还设有一个加速度传感器，用于感知待矫形骨骼的运动状态，所述加速度传感器将采集到的数据通过蓝牙传输到存储芯片，微处理器经过读取并控制电源装置的输出，例如，当人体处于行走、劳动等运动状态时，可适当降低形状记忆合金棒的形变量，当人体处于站立或休息状态时，则适当增加形状记忆合金棒的形变量，从而进一步提高矫形的疗效和舒适性。
该系统还包括通讯装置，所述控制器将所输入和输出的数据同步传输到通讯装置，通讯装置再通过5G无线网络将数据传输到服务器，医生可根据服务器终端随时掌握矫形装置的工作状态，并根据患者使用和治疗情况及时对矫形装置的工作参数进行远程调整。
下面以脊柱畸形为例对该装置的使用方法做进一步详细说明：
使用前，患者将矫形装置穿戴在身上，医生或者患者对脊柱畸形的方位和程度进行选择，并在液晶触摸屏上输入选择结果。液晶触摸屏上显示的畸形方位可为左倾、右倾、前倾或后倾，畸形程度分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，级数越高畸形程度越大，所需的记忆合金形变量也越高。同时，医生或者患者还可根据需要在液晶触摸屏上输入患者能够耐受的压力值，该压力值以大、中、小表示，不同性别、年龄、体质的患者对压力的耐受程度不同，例如针对妇女和儿童，可将压力值设定为小，针对青壮年，可将压力值设定为大，针对老年，可将压力设定为“中”。另外，液晶触摸屏上还具有行走、站立、坐、卧四种模式以及体温、血氧、心率数值的显示功能。
液晶触摸屏将输入的结果传输到存储芯片，微处理器读取后进行计算，得出相应的形状记忆合金棒产生形变所需的电流量和温度。畸形程度-记忆合金形变量-温度-电流之间的关系申请人已在本专利申请之前通过试验得出，并根据试验结果设计了相应的计算程序，本发明的改进点在于结构而不依赖于该程序。并且，由于现有技术中已有大量文献报道了记忆合金的形变原理以及温度、电流与形变量之间的关系，本领域技术人员根据该原理也能很容易独立设计出相应的计算软件，因此，本发明所涉及的程序是本领域简单、已知的程序。
微处理器根据计算结果向电源发出输出电流的指令，例如，当为“左倾、Ⅰ级”时，电源向装置左侧的形状记忆合金棒输出相对较低的电流，从而使左侧的记忆合金升温产生形变以矫正畸形。温度传感器将检测到的记忆合金温度传输到存储芯片，微处理器进行读取从而将该记忆合金的温度和形变量始终控制在合理范围内。
治疗过程中，当记忆合金形变量过大所产生的应力超出设定的压力值，微处理器向电源发出降低输出电流的指令，反之，当应力过低时则增加输出电流以提高疗效。该系统使用压力值优先的原则，即当压力值一旦接近设定值，即使记忆合金形变量未达到所设定的级别，系统也会自动降低其电流从而维持该形变量，以确保治疗中的舒适性和安全性。
生理信号采集器将采集到生理信号数据通过蓝牙反馈到存储芯片，存储芯片内同时还存储有正常人的体温、血氧、心率数据，微处理器读取存储芯片内的数据，经过简单的比较判断生理信号是否出现异常，然后再根据判断结果控制电源的输出，例如，当检测到的体温、血氧、心率中的任何一个数值大于正常值，微处理器立即向电源发出停止电流输出的指令，使记忆合金迅速恢复到形变前的状态，从而大幅提高了该装置的使用安全性。
在行走、站立、坐、卧四种模式下，记忆合金的形变量设定为卧>坐>站立>行走，系统可在每一种模式下自动将记忆合金的电流量调整一定级别。
本发明中的形状记忆合金棒、控制器、温度传感器、应力传感器、生理信号采集器等均为已有装置，本文中未详细描述的其它装置均为本领域现有技术，可通过各种商业途径或在现有装置的基础上进行简单改造获得。
Claims (10)
1.一种骨骼智能矫形系统，包括矫形装置和电源装置，所述矫形装置由若干个形状记忆合金棒组成，所述形状记忆合金棒与电源装置电连接，所述电源装置用于向每一个形状记忆合金棒独立输出电流并使其产生形变，其特征在于：所述形状记忆合金棒上设有温度传感器和应力传感器，所述温度传感器用于采集形状记忆合金棒的发热温度，所述应力传感器用于采集形状记忆合金棒形变后与人体接触部位产生的压力，该系统还包括控制器，所述控制器设有输入装置、存储芯片和微处理器，所述输入装置用于使用者向存储芯片输入控制指令，所述温度传感器和应力传感器分别与存储芯片通过数据线连接并将采集到的数据传输到存储芯片，所述微处理器用于读取存储芯片中数据并向电源装置发出的输出电流的指令。
2.如权利要求1所述的骨骼智能矫形系统，其特征在于：所述电源装置包括储能装置和供能装置，所述储能装置用于为整个系统提供能量来源，可以为蓄电池，所述供能装置用于根据微处理器的指令分别向每一个形状记忆合金棒输出电流。
3.如权利要求1所述的骨骼智能矫形系统，其特征在于：所述输入装置为液晶触控屏。
4.如权利要求1所述的骨骼智能矫形系统，其特征在于：还包括穿戴式人体生理信号采集装置，用于采集人体的生理信号，并将采集到生理信号传输到存储芯片。
5.如权利要求4所述的骨骼智能矫形系统，其特征在于：所述穿戴式人体生理信号采集装置通过蓝牙与存储芯片进行数据连接。
6.如权利要求4所述的骨骼智能矫形系统，其特征在于：所述生理信号包括体温、血氧和心率。
7.如权利要求4所述的骨骼智能矫形系统，其特征在于：还包括加速度传感器，用于感知骨骼的运动状态，所述加速度传感器将采集到的数据传输到存储芯片。
8.如权利要求7所述的骨骼智能矫形系统，其特征在于：所述加速度传感器通过蓝牙与存储芯片进行数据连接。
9.如权利要求7所述的骨骼智能矫形系统，其特征在于：还包括通讯装置，所述微处理器将输入和输出的数据同步传输到通讯装置，通讯装置再通过无线网络将该数据传输到服务器。
10.如权利要求9所述的骨骼智能矫形系统，其特征在于：所述无线网络为5G网络。
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