多参数智能人工膝关节

周劲松

摘要：人工膝关节置换术对膝关节严重受损或畸形而导致无法正常活动的患者带来了福音。绝大多数病人经过全膝关节置换手术后可以恢复正常生活。但手术后需要维护关节的稳定性，防止过度的活动与负重，避免假体磨损松动，或出现感染。多参数智能人工膝关节通过在胫骨垫假体内植入传感器，监测患者对膝关节的使用状况和感染的发生，并通过蓝牙将数据传输到手机，并进一步经由无线网络传至云服务器，达到监控和指导患者获得的目的。

关键词：人工膝关节；传感器； 无线充电；蓝牙

人工膝关节置换是在近代逐渐发展起来的一种治疗膝关节疾病的技术，能非常有效地根除晚期膝关节病痛，极大地提高病人的生活质量。人工关节置换能很大程度重建关节功能，提高患者的生活质量。能治疗的疾病有多种，比如由创伤、骨关节炎、强性脊柱炎、类风湿关节炎等疾病所致的膝关节破坏、膝内外翻或屈曲挛缩畸形等。人工膝关节由股骨假体、胫骨假体和髌骨假体，以及由金属制成的股骨髁、胫骨托及高浓度聚乙烯等塑料材料制成的胫骨垫和髌骨假体几部分组成。塑料部分附着于胫骨及髌骨关节的金属部份上，其目的是减少和股骨金属关节面之摩擦。

人工膝关节一般可以满足患者 10～15 年以上的需要，但其使用寿命和患者的运动量、合理的使用方式有很大关系。人工关节置换术后，患者需要养成良好的生活及活动习惯，以维护关节的稳定性。术后不应进行剧烈运动，应禁止做高撞击接触性运动。过度的弯曲、活动与负重，会加速假体磨损，导致假体松动。人工膝关节一旦出现感染或无菌性松动，就需要进行关节翻修手术。翻修手术十分复杂，成本很高。因此人工膝关节置换术后的管理十分重要。如果能够随时对患者的活动和负重进行监测，并通过网络使医护人员能够及时得到数据并向病患发出合理运动的指导，将能够大大延长人工膝关节使用寿命，减少病患痛苦。

1 智能人工膝关节工作原理

一种新型的智能人工膝关节将实现这种功能。它将一套电子装置内置在胫骨垫内部。含有这套装置的胫骨垫在术后留置在人体内，实时监测温度、挤压力等，并跟踪膝盖的弯曲和行走、冲击事件，结合时间戳把数据保留在存储器内。当外部装有相应应用软件的手机等蓝牙设备靠近时，智能人工膝关节自动通过蓝牙传输将数据发送出来。内置的可充电式电池则通过无线充电的方式进行充电。如图 1 为智能人工膝关节系统概念图。

内置的传感器包括了温度传感器、红外接近传感器、加速度传感器、陀螺仪、磁力计、压力传感器、电池电量计等，和内置的蓝牙 SoC、锂电池、无线充电电路形成了一个完整的系统。当病患在做行走、起立、蹦跳等活动时，传感器可以记录病患的位移、移动速度、身体倾斜角度、旋转以及膝盖的弯曲角度等动态数据，计算出病患完整的活动过程，并通过蓝牙将这些数据发送出来，医护人员可以根据这些数据了解病患是否处于健康的活动状态。在病患进行比如蹦跳、撞击等危险动作时，可以通过手机立即发出告警。同时温度传感器则可以监测病患膝盖内部温度的变化，及时发现炎症的发生。

2 智能人工膝关节电子装置的实现

智能人工膝关节的胫骨垫是一个特殊形状的耐磨塑料制品。在该塑料件内部可以安装电路板、电池、无线充电线圈等部件。整体上胫骨垫是一个密闭的结构。主要部件的分布如图 2 显示。

胫骨垫的上部设有透明窗口，红外传感器透过窗口监测股骨的位置。当病患的膝盖弯曲或伸直时，股骨头与胫骨垫的相对位置发生变化，红外传感器可以计算出病患腿部的弯曲情况。

胫骨垫的壳体内部通过特殊的结构设计，可以在受到外部压力的情况下感知应力的变化，并转换成电信号。电路板上的微处理器通过计算可以得知病患对膝盖施加的压力，从而判断病患的活动状态以及压力是否超出正常范围。

电路板上的 9 轴传感器可以感知病患运动轨迹，冲击、身体姿态和旋转。如果膝盖内部发生感染时， 半月板周围的温度升高。温度传感器同样位于电路板，随时上报膝盖内温度，预警炎症的发生。

结合上述一系列的参数，微处理器通过特定的软件算法，能够精确地描述病患的各种活动状态，并通过蓝牙传送给手机和服务器。手机软件可以及时对病患的危险动作发出警告并做出指导，而医护人员则通过后台可以获得详细的数据并进行分析、诊断。

智能人工膝关节通过无线充电的方式维持电池电力，由内部电池管理系统监测电池容量。特制的无线充电线圈贴合人体曲线，病患可以使用手持式无线充电器，将其放置在膝盖前方进行充电。

3 結语与讨论

智能人工膝关节是对现有人工膝关节产品的功能扩展。它的实现能够为病患和医护人员提供重要的跟踪和指导。从本质上讲它并不影响目前人工膝关节产品的概念和功能，即使电子装置部分失效（比如未能及时充电而电能耗尽），停止的只是数据跟踪和传输功能，病患无需担心遭受任何伤害。而当下一次充电继续后，智能膝关节又可以重新恢复正常工作。

随着物联网技术的持续发展，越来越多的医疗器械已经逐渐向智能化、全连接方向发展。传统意义上的手术器材、植入设备也必将与智能化更加紧密地结合。蓝牙、无线充电、多参数传感器等技术的应用为这个领域提供了有力的武器。智能人工膝关节正是实践这个发展趋势的最佳诠释。

然而对于手术器材尤其是人体植入式设备，包括电子化、智能化等方面的各种新应用，都需要经过严格的安全性验证，这其中还充满了挑战。产品的发展是跨界和多领域融合的，它结合了医疗、电子、机械、材料等多种技术领域。企业、组织和个人只有逐步地培养能力，选择合适的发展路线，才能把越来越多的新产品推向市场，为更多病患带来福祉。