摘要
关节间隙平衡法是一种医学上用于治疗中晚期关节炎或严重的关节损伤手术过程中常采用的辅助医疗技术，该技术的主要目的是在关节置换术中确保关节间隙达到医学上的平衡状态，从而使患者恢复后的关节活动特性达到最佳水平。传统的间隙平衡测量方法多采用金属垫片，医生通过调整垫片的厚度来感受间隙之间的摩擦力从而估计间隙平衡状态。近年来也有电子垫片进入医疗器械市场，其原理是利用微型传感器测量间隙之间的压力，然后通过无线通信技术传输到接收端以供医生读取间隙之间的压力。 本文结合蓝牙5.0无线通信技术和神经网络技术设计了一种智能医用骨关节间隙平衡器，实现了超低功耗和小型化以及智能化等特点。其工作原理利用柔性压力传感器获取间隙压力，然后利用蓝牙无线技术将数据传输到上位机端，上位机解析数据后保存至患者数据库，医生需要对患者术后恢复状态进行评估并记录，之后上位机需要利用这些评估值作为训练样本对神经网络进行训练，训练完成后该神经网络将应用于实时平衡状态预测，随着训练样本和训练次数的不断增加，该平衡器的预测能力和准确度将不断提高。此外，将不同医生手术中采集的数据对网络进行训练，其预测能力将综合多个医生的评估经验。 本文针对上述设计原理给出了具体实现过程，最终设计的智能医用骨关节间隙平衡器的物理尺寸为54.5*36.6*10mm，功耗仅为33.67mW，可持续工作29.7h，有效传输距离50m，压力分辨率为1.1N，误差为2.4N，对几种典型的平衡状态具有显著的预测能力，同时给出具体的平衡预测值。本文详细阐述了硬件和软件原理以及实现过程，包括蓝牙固件开发、上位机开发、神经网络编写。硬件部分实现了数据采集和传输，软件部分实现了患者信息管理、数据库建立、压力曲线动态显示、预测值动态显示以及额外部分扩展功能。整个系统的功能性和重要指标都进行了测试，均满足预期的设计要求。本文最后通过等比例关节模型对本系统进行了功能性验证，测试了600组左右数据并对网络进行训练，实验结果表明本系统在关节间隙平衡状态预测方面具有显著的区分能力，并给出了具体的预测结果。
NETL