一种基于LC无源无线传感器的智能人工关节及其使用方法

一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节及其使用方法
技术领域
1.本发明涉及lc传感器技术，特别是涉及一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节及其使用方法。

背景技术：

2.人工关节置换术是骨科发展的里程碑，已成为医治各类中晚期关节疾病的有效手段。全膝关节置换术(total knee arthroplasty，tka)和全膝关节置换术(total hip arthroplasty，tha)是指根据人体骨关节的形态和构造，采用人工材料制成的假体来替代被疾病或损伤所破坏的髋、膝关节，从而减轻或消除疼痛、纠正关节畸形、增大关节活动度和关节稳定性。
3.而人工关节是否稳定主要取决于人工关节材料表面与骨界面之间的骨整合能力，也被称为骨长入能力。当人工关节表面多孔涂层的微孔结构的孔径大于100μm，骨细胞(50-70μm)小于微孔的间隙，骨细胞就可以长入多孔材料中去，而骨细胞沿着人工关节表面的孔隙结构长入并与材料表面的孔隙结构形成交锁的机制被称为骨长入。骨长入可以使人工关节与人体骨骼紧密的结合在一起，形成长期稳定的结构。
4.骨长入通常包含三个阶段，即第一阶段，骨创面与人工关节之间的血液凝块和坏死组织被清除并形成肉芽结缔组织，该过程通常在2周内完成；第二阶段，成骨前体细胞分化成为成骨细胞吸附在人体关节表面，并形成新生类骨后逐渐扩大，最后钙化为骨组织，该过程通常在术后2-3个月完成；第三阶段为骨改造塑型期，骨组织密度逐渐增大，该过程在术后6个月达到稳定。
5.在现有技术中，对于骨长入状态的检测还没有较为有效的方法，如需要对骨长入状态进行分析，通常需要对该部位进行再次手术，对其进行取样后再利用扫描电镜和x射线衍射等技术进行分析，不仅会造成二次创伤而且成本昂贵。因此需要一种无创的、实时的、连续的监测骨长入状态的检测装置以及方法。

技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节及其使用方法，实现了对骨长入状态的实时、连续和无创的监测，该传感装置结构简单，使用方便，解决了现有技术对于骨长入状态检测困难和成本昂贵的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节，包括：
9.人工关节；
10.lc传感系统，其包括lc传感器以及与之电连接的读出装置，其中，该lc传感器设置于所述人工关节的材料表面孔隙中并且随人工关节植入人体内；该读出装置设置于人体外部人工关节附近处；
11.其中，所述lc传感器包括上衬底、下衬底、第一电感线圈和第二电感线圈；所述读
出装置包括读出电感线圈和信号处理电路。
12.进一步的，所述的lc传感器采用可降解材料。
13.进一步的，所述的lc传感器使用3d打印的制造工艺制成。
14.进一步的，上衬底和下衬底为悬臂梁结构，在受到外部压力时会产生形变，衬底由可降解的有机材料制成；
15.第一电感线圈和第二电感线圈分别安装于传感器的上衬底和下衬底，制作电感线圈的材料为可降解的镁合金。
16.进一步的，所述lc传感器1与读出装置2通过电感耦合进行能量和信号的传输。
17.进一步的，所述读出装置的读出电感线圈与信号处理电路并联。
18.一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节的使用方法，该方法包括：
19.步骤s1、将所述安装有lc传感器的智能人工关节植入到人体内；
20.步骤s2、在人体骨骼和人工关节的连接处，骨细胞沿人工关节的表面的孔隙结构长入，随着骨细胞的不断长入，对孔隙内lc传感器的上衬底造成挤压并使其发生形变，使传感器的上衬底和下衬底之间的间距减小，安装在衬底上的第一电感线圈和第二电感线圈之间的间距也随之减小，致使两电感线圈之间的寄生电容发生变化，从而导致lc传感器的谐振频率发生变化；
21.步骤s3、将读出装置放置于人工关节与人体骨骼的连接处附近，使读出电感线圈与lc传感器产生电感耦合从而进行信号的传输；
22.步骤s4、将读出电感线圈接收到的电信号通过信号处理电路处理以实现对信号频率的测量，其包括：对lc传感器的谐振频率的测量，通过对谐振频率的分析得出传感器所受的压力情况，从而实现对骨细胞长入状态的检测；
23.步骤s5、重复步骤s3-s4，实现对骨长入状态的连续检测，直到骨细胞与人工关节紧密结合形成长期稳定的结构后，lc传感器逐渐降解至完全消失
24.本发明的有益效果是：
25.1、本发明采用的lc传感器结构简单，且尺寸非常小；
26.2、本发明提供的智能人工关节使用3d打印技术将人工关节与lc传感器集成在一起，制造工艺简单；
27.3、本发明基于lc无源无线传感器技术，可以实现读出装置在体外以无创无接触的方式检测骨长入的状态，避免了传感器本身安装电源和导线而造成的不便；
28.4、发明中提供的lc传感器在植入人体内一段时间后会逐渐降解至完全消失，不会对人体造成不良影响；
29.5、本发明的读出装置在体外可以快速、实时和连续的监测骨长入的状态。
附图说明
30.图1为实施例1中提供的基于lc无源无线传感器的智能人工关节的示意图；
31.图2为实施例1中受到挤压后发生形变的lc传感器示意图；
32.附图中：
33.lc传感器1、上衬底11、下衬底12、第一电感线圈13、第二电感线圈14；
34.读出装置2、读出电感线圈21、信号处理电路22。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1
37.参见图1和图2，本实施例提供一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节，其结构如图1所示，其具体包括：
38.人工关节；
39.lc传感系统，其包括lc传感器1和读出装置2，并且该lc传感器1与读出装置2可以通过电感耦合进行能量和信号的传输，其中，该lc传感器1安装于人工关节的材料表面孔隙中随人工关节植入人体内，并且在一段时间后自动降解；该读出装置2放置于人体外部人工关节附近。
40.具体的说，在本实施例中，该lc传感器1由3d打印的制造工艺制成，其包括上衬底11、下衬底12、第一电感线圈13和第二电感线圈14，其中，该上衬底11和下衬底12为悬臂梁结构，在受到外部压力时会产生一定的形变，且衬底由可降解的有机材料制成，如聚乳酸和聚酯等材料；而第一电感线圈13和第二电感线圈14分别安装于传感器的上衬底11和下衬底12，制作电感线圈的材料为可降解的镁合金。
41.具体的说，在本实施例中，上述的读出装置2包括读出电感线圈21和信号处理电路22，其中，读出装置2的读出电感线圈21与信号处理电路22并联。
42.更具体的说，如图2所示，当骨细胞不断生长挤压lc传感器的上衬底11使其发生形变，从而使传感器的谐振频率发生改变，处于人体外部的读出线圈21与传感器产生耦合，信号处理电路22对接收到的电信号进行处理得到传感器的谐振频率，通过分析谐振频率的变化可以得出传感器所受压力的变化从而实现了对骨长入状态的检测。
43.实施例2
44.本实施例在实施例1的基础之上，提供该一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节的使用方法，其包括：
45.步骤s1、将所述安装有lc传感器1的智能人工关节通过手术植入到人体内。
46.步骤s2、在人体骨骼和人工关节的连接处，骨细胞沿人工关节的表面的孔隙结构长入，随着骨细胞的不断长入，对孔隙内lc传感器的上衬底11造成挤压并使其发生形变，使传感器的上衬底11和下衬底12之间的间距减小，安装在衬底上的第一电感线圈13和第二电感线圈14之间的间距也随之减小，致使两电感线圈之间的寄生电容发生变化，从而导致lc传感器的谐振频率发生变化。
47.步骤s3、将读出装置2放置于人工关节与人体骨骼的连接处附近，使读出电感线圈21与lc传感器产生电感耦合从而进行信号的传输，lc传感器将在读出电感线圈21中耦合出相应的电信号。
48.步骤s4、信号处理电路22对读出电感线圈21接收到的电信号进行处理，可以实现对电信号频率的测量，即对lc传感器的谐振频率的测量，通过对谐振频率的分析可得出传感器所受的压力情况，从而达到对骨长入状态进行检测的目的。
49.步骤s5、重复步骤s3-步骤s4，可以实现对骨长入状态的连续监测，直到骨细胞不断长入与人工关节紧密结合形成长期稳定的结构后，lc传感器上衬底11的形变趋于稳定，即传感器的谐振频率不再发生改变，随后传感器将逐渐降解至完全消失。
50.本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
51.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节，其特征在于，包括：人工关节；lc传感系统，其包括lc传感器以及与之电连接的读出装置，其中，该lc传感器设置于所述人工关节的材料表面孔隙中并且随人工关节植入人体内；该读出装置设置于人体外部人工关节附近处；其中，所述lc传感器包括上衬底、下衬底、第一电感线圈和第二电感线圈；所述读出装置包括读出电感线圈和信号处理电路。2.根据权利要求1所述的一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节，其特征在于，所述的lc传感器采用可降解材料。3.根据权利要求1所述的一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节，其特征在于，所述的lc传感器使用3d打印的制造工艺制成。4.根据权利要求1所述的一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节，其特征在于，上衬底和下衬底为悬臂梁结构，在受到外部压力时会产生形变，衬底由可降解的有机材料制成；第一电感线圈和第二电感线圈分别安装于传感器的上衬底和下衬底，制作电感线圈的材料为可降解的镁合金。5.根据权利要求1所述的一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节，其特征在于，所述lc传感器1与读出装置2通过电感耦合进行能量和信号的传输。6.根据权利要求1所述的一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节，其特征在于，所述读出装置的读出电感线圈与信号处理电路并联。7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的一种基于lc无源无线传感器的智能人工关节的使用方法，其特征在于，该方法包括：步骤s1、将所述安装有lc传感器的智能人工关节植入到人体内；步骤s2、在人体骨骼和人工关节的连接处，骨细胞沿人工关节的表面的孔隙结构长入，随着骨细胞的不断长入，对孔隙内lc传感器的上衬底造成挤压并使其发生形变，使传感器的上衬底和下衬底之间的间距减小，安装在衬底上的第一电感线圈和第二电感线圈之间的间距也随之减小，致使两电感线圈之间的寄生电容发生变化，从而导致lc传感器的谐振频率发生变化；步骤s3、将读出装置放置于人工关节与人体骨骼的连接处附近，使读出电感线圈与lc传感器产生电感耦合从而进行信号的传输；步骤s4、将读出电感线圈接收到的电信号通过信号处理电路处理以实现对信号频率的测量，其包括：对lc传感器的谐振频率的测量，通过对谐振频率的分析得出传感器所受的压力情况，从而实现对骨细胞长入状态的检测；步骤s5、重复步骤s3-s4，实现对骨长入状态的连续检测，直到骨细胞与人工关节紧密结合形成长期稳定的结构后，lc传感器逐渐降解至完全消失。

技术总结

本发明公开了一种基于LC无源无线传感器的智能人工关节及其使用方法，包括：LC传感系统与人工关节两部分，其中LC传感系统又包括可降解的微型传感器和读出装置两部分，微型传感装置被安装固定到人工关节材料表面的孔隙中；外部的读出装置可与微型的传感装置进行能量耦合和信号传输。本发明的尺寸微小，结构简单，而且无需外接电源，可以实现对骨长入状态的无线检测，并在一段时间后自动降解。并在一段时间后自动降解。并在一段时间后自动降解。