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申请/专利权人：中山大学附属第一医院

摘要：本发明提供一种膝关节关节面损伤检测系统及其使用方法，该膝关节关节面损伤检测系统包括：振动接收单元，所述振动接收单元用于感受膝关节运动时的振动情况以获取振动模拟信号；信号处理单元，所述信号处理单元与所述振动接收单元电连接，用于接收所述振动模拟信号，并将所述振动模拟信号进行预处理；以及信息存储单元，所述信息存储单元与所述信号处理单元电连接，用于存储预处理后的信号。本发明的膝关节关节面损伤检测系统及使用方法能够无创、快速、准确地初步评估膝关节的损伤情况。

主权项：1.一种膝关节关节面损伤检测系统，其特征在于，包括：振动接收单元，所述振动接收单元用于感受膝关节运动时的振动情况以获取振动模拟信号；信号处理单元，所述信号处理单元与所述振动接收单元电连接，用于接收所述振动模拟信号，并将所述振动模拟信号进行预处理；以及信息存储单元，所述信息存储单元与所述信号处理单元电连接，用于存储预处理后的信号；所述膝关节关节面损伤检测系统还包括信号分析单元，所述信号分析单元用于分析预处理后的信号以得到振动波谱图；膝关节不适症状的严重程度与膝关节振谱波幅和波宽成正相关；根据振动波谱图的波峰出现时的运动时相，确定膝关节可能的损伤部位；其中，波峰出现的时相是指波峰出现在膝关节运动过程中的哪个阶段；确定膝关节运动处于哪个阶段采用其他的检测装置，包括，采用同步拍摄的摄像机对膝关节运动进行同步拍摄，进而确定波峰出现时，膝关节运动处于哪个阶段，进而确定膝关节可能的损伤部位；根据振动波谱图实现横向上的定性比较，以确定受试者膝关节的情况是否异常；根据振动波谱图实现纵向上的定量比较，表征膝关节骨性关节炎早期进展规律，以确定受试者膝关节面损伤的情况是否加重。

全文数据：一种膝关节关节面损伤检测系统及其使用方法技术领域[0001]本发明涉及一种膝关节关节面损伤检测系统及其使用方法。背景技术[0002]膝关节在人体中属负重最大和运动最多的关节，因而也是人体中退化最早、损伤最多的关节。膝关节软骨磨损，又称膝关节退行性变、骨关节炎、骨关节病、退行性关节病、增生性关节^病、肥大性^节炎、老年性关节炎等，是最常见的一种慢性、进展性关节疾病。[0003]目前，主要可以采用X光检查和MRI检查两种方法来评估膝关节软骨的损伤情况。然而，X光检查虽然能够间接评估膝关节软骨的损伤情况，但其对软骨的早期损伤并不敏感，且存在辐射损伤，难以作为筛查膝关节早期退变的检测手段。MRI检查能够较为准确的评估关节软骨的损伤情况，但其费用高昂，而且往往需要预约检查，难以作为普查性的手段来筛查膝关节早期退变的患者以及定期监测病情的进展。发明内容[0004]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种膝关节关节面损伤检测系统及使用方法，其能无创、快速、准确地初步评估膝关节的损伤。[0005]为实现上述目的，本发明提供一种膝关节关节面损伤检测系统，其包括:振动接收单元，所述振动接收单元用于感受膝关节运动时的振动情况以获取振动模拟信号;信号处理单元，所述信号处理单元与所述振动接收单元电连接，用于接收所述振动模拟信号，并将所述振动模拟信号进行预处理；以及信息存储单元，所述信息存储单元与所述信号处理单元电连接，用于存储预处理后的信号。[0006]进一步的，所述振动接收单元包括微型压电式振动接收器，所述微型压电式振动接收器包括接收器探头及用于固定接收器探头的探头固定带，所述接收器探头包括用于感受膝关节运动时的振动情况以获取振动电信号的信号接收模组及将所述振动电信号转换成模拟信号的信号转换模组。[0007]进一步的，所述信号处理单元包括:信号放大器，所述信号放大器用于放大所述振动模拟信号;及信号过滤器，所述信号过滤器用于过滤放大后的振动模拟信号；所述信号过滤器为低频滤波器。[0008]进一步的，所述信号处理单元还包括信号转换器，所述信号转换器用于将过滤后的振动模拟信号转换为数字信号。[0009]进一步的，所述膝关节关节面损伤检测系统还包括信号分析单元，所述信号分析单元用于分析预处理后的信号以得到振动波谱图。[0010]进一步的，所述信号分析单兀包括振动频谱彳目号分析软件。[0011]进一步的，所述信息存储单兀为硬盘或U盘。[0012]同时，本发明还提供上述膝关节关节面损伤检测系统的使用方法，其包括以下步骤：[0013]1通过振动接受单元收集受试者的膝关节在屈伸或旋转运动过程中的振动情况以获取振动模拟信号；2通过信号处理单元对所述振动模拟信号进行预处理;3通过信息存储单元存储预处理后的信号。[0014]进一步的，还包括:4通过信号分析单元分析预处理后得到的信号以得到振动波谱图；以及5分析所述振动波谱图，以确定膝关节的损伤程度以及可能的损伤部位。[0015]进一步的，所述步骤5包括分析所述振动波谱图的频率和幅值，以确定膝关节的损伤程度。[0016]根据本发明提供的膝关节关节面损伤检测系统及其使用方法，其具有以下有益效果：[0017]1、能够无创、快速、准确地初步评估膝关节软骨表面的光滑程度和关节运动稳定性，从而能更好的做到早期干预;也可作为筛查膝关节早期病损的辅助检测手段。[0018]2、对早期膝关节骨性关节炎患者，利用无创无害、简便实用的手段，动态获取膝关节振动信号，为膝关节骨性关节炎的早期发生、发展提供无创、无害、简便实用的诊断手段。[0019]3、本发明的发明人在研宄中发现:膝关节不适症状的严重程度与膝关节振谱波幅和波宽成正相关，因此，结合病变发展的影像学表现的动态变化，对受试者个体在不同随访时间点所采集的振动信号，对关节振动信号特征性参数的变化进行纵向比较分析，可以表征膝关节骨性关节炎早期进展的规律，而且，对于膝关节早期病变保守治疗效果，本发明可以提供无创动态的监测手段。[0020]4、综合多元分析手段，可将关节运动力学基础研究和临床影像学分析紧密结合，对帮助指导临床早期诊断、检测病变早期进展，判断疾病预后，决定合理治疗方案具有较大的实用价值。[0021]5、本发明的技术方案还可以应用在膝关节运动保护智能穿戴装备上，用以探测膝关节运动损伤的伤害性动作。附图说明[0022]图1为本发明一个实施例的膝关节关节面损伤检测系统的结构示意图；[0023]图2为本发明另一个实施例的膝关节关节面损伤检测系统的结构示意图；[0024]图3为本发明又一个实施例的膝关节关节面损伤检测系统的结构示意图。具体实施方式[0025]为了更好的说明本发明，下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步说明。可以理解的是，这些具体实施例及附图均为示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。[0026]参照图1、图2所示，本发明提供一种膝关节关节面损伤检测系统，其包括振动接收单元10,信号处理单元20及信息存储单元30。其中，振动接收单元10用于感受膝关节运动时的振动情况以获取振动模拟信号;信号处理单元20与振动接受单元10电连接，用于接收振动模拟信号，并将振动模拟信号进行预处理;信息存储单元30与信号处理单元20电连接，用于存储预处理后的信号。膝关节运动可以为屈伸运动，旋转（内旋或外旋运动等。例如，在本发明的一些实施例中，膝关节运动为屈伸运动，膝关节运动的角度范围为90度-180度。[0027]临床研究表明，膝关节受到损伤时，会产生一系列的炎症反应，由于该炎症反应的存在，会导致关节腔内关节液的粘稠度发生变化。而膝关节不同程度的损伤程度对应着不同程度的炎症反应，进而也对应着不同程度的关节腔内关节液的粘稠度。发明人在研宄中意外发现，关节腔内关节液粘稠度的改变会导致膝关节在运动时产生的振动波谱的频率和幅值发生改变，而且，膝关节关节表面的结构损伤或者关节稳定性结构损伤会导致膝关节在运动时出现异常摩擦，进而膝关节运动时产生的振动波谱的频率和幅值也会有所改变，因此，可以通过检测收集膝关节运动时产生的振动波谱的频率和幅值来确定膝关节的损伤程度。进而，本发明的发明人提出本发明的膝关节关节面损伤检测系统及使用方法。[0028]可以理解的是，本发明对振动接收单元10、信号处理单元20及信息存储单元30之间的连接方式（即电连接没有特殊限定，其相互之间可以通过有线和或无线的方式进行连接，以实现信号的传递。例如，振动接收单元10、信号处理单元20及信息存储单元30之间可以通过数据线进行电连接，即振动接收单元10、信号处理单元20及信息存储单元30之间是通过有线的方式进行连接的。[0029]可以理解的是，本发明的振动接收单元10可以采用各种常用的振动接收装置来实现，例如各种振动传感器等，只要能准确感受膝关节在运动时的振动情况，并获取相应的振动信号即可。[0030]在本发明的一些实施例中，振动接收单元10为微型压电式振动接收器，微型压电式接收器利用压电晶体的压电效应，具有频率范围宽、动态范围大、体积小和重量轻等优点。进一步的，在本发明的一些实施例中，微型压电式振动接收器包括接收器探头及用于固定接收器探头的探头固定带。在使用的过程中，接收器探头紧贴在受试者的膝关节髌骨前面的皮肤上，接收器探头可以通过探头固定带固定在受试者膝关节上，由此，在受试者膝关节的运动过程中，接收器探头可以一直紧贴在髌骨前面的皮肤表面，进而可以稳定获取受试者膝关节运动时的振动情况，当然，本发明不限于将接收器探头紧贴于髌骨前方，也可以将接收器探头固定于胫骨和股骨侧等，骨面和皮肤间没有肌肉阻隔，软组织厚度较薄的地方，也可稳定获取受试者膝关节运动时的振动情况。[0031]进一步的，微型压电式振动接收器可以包括用于感受膝关节运动时的振动情况以获取振动电信号的信号接收模组及将所述振动电信号转换成模拟信号的信号转换模组。可以理解的是，微型压电式振动接收器的信号接收模组和信号转换模组的结构和工作原理为本领域普通技术人员所公知，因此，本发明对此不再进行赘述。[0032]在本发明的膝关节关节面损伤检测系统中，信号处理单元20用于接收信号接收单元10传送的振动模拟信号，并将该振动模拟信号进行预处理。在本发明的一些实施例中，如图2所示，信号处理单元20包括:信号放大器22及信号过滤器24。信号放大器22用于放大接收到的振动模拟信号，以利于振动模拟信号的区分、检视及记录。信号过滤器24用于过滤放大后的振动模拟信号，以避免杂信在取样过程中造成的干扰。即，在此实施例中，信号处理单元20对振动模拟信号进行的预处理主要先对振动模拟信号进行放大处理，然后对放大后到的振动模拟信号进行过滤处理。可以理解的是，也可以先对振动模拟信号进行过滤处理，然后对过滤后到的振动模拟信号进行放大处理。[0033]可以理解的是，可以采用现有的各种常用的信号放大器如信号增益器及信号过滤器，本发明对此没有特殊限制。优选的，在本发明的一个实施例中，信号过滤器24采用低频滤波器，以过滤放大后的振动模拟信号，避免高频杂信在取样过程中造成干扰效应。对于信号放大器22及信号过滤器24的具体结构及工作原理，为本领域普通技术人员公知，本发明对此不再进行赘述。[0034]当然，信号处理单元2〇还可以对振动模拟信号进行其他的预处理，例如，如图3所示，在本发明的一个实施例中，信号处理单元20还包括信号转换器26,信号转换器26可以将过滤后的振动模拟信号转换为数字信号。可以理解的是，可以采用各种常用的信号转换器，本发明对此没有特殊限制，只要其可以将振动模拟信号转换为数字信号即可，如模拟数字信号转换器。同样的，对于信号转换器26的具体结构及工作原理为本领域普通技术人员所公知，本发明对此不再赘述。[0035]可以理解的是，可以将上述的信号放大器22,信号过滤器24及信号转换器26可以为三个独立的部件，也可以将其集成在一起，本发明对此没有特殊限制。[0036]本发明提供的膝关节关节面损伤检测系统中的信息存储单元30主要用于存储预处理后的信号，因此，可以理解的是，本发明的信息存储单元30可以采用各种常用的存储介质，本发明没有特殊限制，例如硬盘或U盘等。同样可以理解的是，可以采用各种常用的存储方式将预处理后的信号存储在硬盘内，例如，直接以档案形式存入硬盘中，便于后期的检视或对比处理。[0037]进一步的，在一些实施例中，本发明提供的膝关节关节面损伤检测系统还可以包括信号分析单元（图中未示出），以分析预处理后的信号以得到振动波谱图。可以理解的是，可以采用本领域常用的信号分析方法对预处理如放大处理、过滤处理、模数转换处理等）后的信号进行分析，以便得到振动波谱图，本发明对此没有特殊限定。例如，在本发明的一些实施例中，该信号分析单元包括振动频谱信号分析软件，该振动频谱信号分析软件可以对预处理如放大处理、过滤处理、模数转换处理等）后的信号进行分析，进而得到膝关节振动时的振动波谱图。[0038]可以理解的是，信号分析单元主要是用于分析经过预处理如放大、过滤、转换等）后得到的数字信号，以便获得膝关节运动时的振动波谱图。该信号分析单元可以设置于信号处理单元20和信息存储单元30之间，此时，经过预处理后得到的数字信号先经过分析，得到膝关节运动时的振动波谱图后，该振动波谱图存储在所述信息存储单元30中。[0039]当然，该信号分析单元也可以设置于信息存储单元30之后，即此时，存储在信息存储单元30内的信息为经过预处理后得到的数字信号，信号分析单元从信息储存单元30中读取相应的数字信号进行分析后，得到膝关节振动的波谱图。[0040]即，分析步骤可以在存储之前完成，然后将振动波谱图存储在硬盘中；也可以在存储之后完成，此时，该信号分析单元可以是外界的电脑终端等装置，该电脑中存储有振动频谱信号分析软件。[0041]本发明以采用微型压电式振动接收器作为振动接收单元10,信息处理单元20包括信号放大器，低频过滤器及模拟数字信号转换器，信号分析单元设置在信息存储单元30之后，以及振动接收单元10、信号处理单元2〇、信息存储单元30及信息分析单元之间通过数据线连接为例，对本发明的膝关节关节面损伤检测系统的工作过程进行详细描述。[0042]首先，通过探头固定带将微型压电式振动接收器的接收器探头固定在受试者膝关节髌骨前方的皮肤表面，使其紧贴于膝关节髌骨前方皮肤表面，受试者的膝关节做屈伸活动（当然，受试者或被测量者可正坐于椅子上进行测量，也可以在膝关节日常活动或进行运动时进行测量），此时，微型压电式振动接收器感受到受试者膝关节在屈伸运动时的振动情况后获取膝关节在运动时的振动模拟信号，并将该振动模拟信号通过数据线传送给信息处理单元20的信号放大器，信号放大器将该振动模拟信号进行放大，以利于信号的区分、检视及记录，然后将放大后的模拟信号传送给低频过滤器，低频滤波器对其加以过滤，以避免高频杂信在取样过程中造成干扰效应，然后将过滤后的模拟信号传送给模拟数字信号转换器，模拟数字信号转换器将其转换为数据信号后直接以档案形式存入硬盘中。在后续需要对数据进行检视和分析时，通过电脑终端读取硬盘中存储的信息，电脑中的振动频谱信号分析软件对其进行分析处理，以便得到膝关节运动时的振动波谱图，进而，根据得到的振动波谱图（如频率和幅值可以分析得出受试者的膝关节的损伤程度。[0043]同时，本发明还提供一种上述膝关节关节面损伤检测系统的使用方法，其主要包括以下步骤:1通过振动接受单元收集受试者的膝关节在屈伸或旋转运动过程中的振动情况以获取振动模拟信号；2通过信号处理单元对所述振动模拟信号进行预处理;3通过信息存储单元存储预处理后的信号。进一步的，为确定膝关节的损伤程度，该方法还可包括：4通过信号分析单元分析预处理后得到的信号以得到振动波谱图；以及5分析所述振动波谱图，以确定膝关节的损伤程度以及可能的损伤部位。[0044]S卩，本发明提供的膝关节关节面损伤检测系统在临床上检测膝关节关节面损伤的主要步骤为:首先收集受试者的膝关节在做屈伸活动过程中的振动情况以获取振动模拟信号;然后对所述振动模拟信号进行预处理;进一步对分析预处理后得到的信号以得到振动波谱图；最后，分析所述振动波谱图，以确定膝关节的损伤程度。[0045]可以理解的是，所述预处理同样的可以包括本发明上述的放大处理、过滤处理及模数转换处理等，本发明对此不在进行赘述。[0046]在本发明的一些实施例中，为获得较为全面的膝关节关节面损伤情况，受试者膝关节的屈伸活动的角度范围为90度-180度。[0047]发明人在研究中意外发现，关节腔内关节液粘稠度的改变会导致膝关节在运动如屈伸、内旋或外旋运动时产生的振动波谱的频率和幅值发生改变，因此，可以通过检测收集膝关节在做屈伸运动时产生的振动波谱的频率和幅值来确定膝关节的损伤程度。进而，在本发明的一个实施例中，该使用方法的步骤5包括分析所述振动波谱图的频率和幅值，以确定膝关节的损伤程度。同时，还可以根据振动波谱图的波峰出现时的运动时相，确定膝关节可能的损伤部位。其中，波峰出现的时相是指波峰出现在膝关节运动过程中的哪个阶段，确定膝关节运动处于哪个阶段可采用其他的检测装置，例如，可以采用同步拍摄的摄像机对膝关节运动进行同步拍摄，进而可以确定波峰出现时，膝关节运动处于那个阶段，进而可以确定膝关节可能的损伤部位。[0048]可以理解的是，在本发明提供的使用方法的步骤1中，可以采用各种常用的方法收集受试者的膝关节在做屈伸活动过程中的振动情况并获取振动模拟信号，本发明对此没有特殊限制，只要能准确收集振动情况并获取振动模拟信号即可，例如，可以采用本发明前述的一个实施例所述的膝关节关节面损伤检测装置中的微信压电式振动接收器来收集受试者的膝关节在运动如屈伸、内旋或外旋运动过程中的振动情况并获取振动模拟信号。[0049]可以理解的是，本发明提供的膝关节关节面损伤检测系统及其使用方法可以检测U余大TtfJ仓贝1力『目优，例如，软骨损伤，髌骨轨迹不良，半月板损伤，韧带损伤等。可以理解的是，膝关节振动频谱的异常是一种综合情况的反应，其中可能包含了多种结构的损伤问题，在临床上可以综合其他手段，确定膝关节的具体的哪一部位发生了损伤。[00S0]本发明提供的膝关节关节面损伤检测系统及其使用方法，通过采集受试者的膝关节在做屈伸活动过程中的振动情况，得到膝关节运动如屈伸、内旋或外旋运动时产生的振动波谱图，进而分析得到的振动波谱图，可以实现横向上的定性比较，以确定受试者膝关节的情况是否异常，并且也可以实现纵向上的定量比较，以确定受试者膝关节关节面损伤的情况是否加重。[0051]例如，对于横向上的定性比较，医院或者检测中心等医疗部门可以通过网络大数据系统，收集大量正常人群的膝关节运动如屈伸、内旋或外旋运动等时产生的振动波谱图（即正常人群的膝关节振动波谱图），存储在医疗部门的数据库中。当受试者进行检测后得到受试者的膝关节振动波谱图，通过与数据库中的正常人群的膝关节振动波谱图进行比对，可以了解受试者膝关节的情况是否异常，进而快速、准确地初步评估膝关节是否收到损伤，从而对早期膝关节退行性病变进行初步诊断，更好的做到早期干预。对于纵向上的定量比较，当受试者确诊为膝关节受到损伤，受试者在治疗膝关节关节面损伤的过程中，可以进行多次检测，通过比较受试者不同时期的膝关节振动波谱图，可以辅助判断受试者的膝关节关节面损伤情况是否加重或好转。[0052]以上尽管已经对本发明做了示例性的描述，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

权利要求：1.一种膝关节关节面损伤检测系统，其特征在于，包括：振动接收单元，所述振动接收单元用于感受膝关节运动时的振动情况以获取振动模拟信号；_信号处理单元，所述信号处理单元与所述振动接收单元电连接，用于接收所述振动模拟信号，并将所述振动模拟信号进行预处理；以及信息存储单元，所述信息存储单元与所述信号处理单元电连接，用于存储预处理后的信号。2.如权利要求1所述的膝关节关节面损伤检测系统，其特征在于，所述振动接收单元包括微型压电式振动接收器，所述微型压电式振动接收器包括接收器探头及用于固定接收器探头的探头固定带，所述接收器探头包括用于感受膝关节运动时的振动情况以获取振动电信号的信号接收模组及将所述振动电信号转换成模拟信号的信号转换模组。3.如权利要求1或2所述的膝关节关节面损伤检测系统，其特征在于，所述信号处理单元包括：信号放大器，所述信号放大器用于放大所述振动模拟信号;及信号过滤器，所述信号过滤器用于过滤放大后的振动模拟信号；所述信号过滤器为低频滤波器。4.如权利要3所述的膝关节关节面损伤检测系统，其特征在于，所述信号处理单元还包括信号转换器，所述信号转换器用于将过滤后的振动模拟信号转换为数字信号。5.如权利要求1所述的膝关节关节面损伤检测系统，其特征在于，所述膝关节关节面损伤检测系统还包括信号分析单元，所述信号分析单元用于分析预处理后的信号以得到振动波谱图。6.如权利要求5所述的膝关节关节面损伤检测系统，其特征在于，所述信号分析单元包括振动频谱信号分析软件。7.如权利要求1所述的膝关节关节面损伤检测系统，其特征在于，所述信息存储单元为硬盘或U盘。8.—种权利要求1所述的膝关节关节面损伤检测系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：1通过振动接受单元收集受试者的膝关节在屈伸或旋转运动过程中的振动情况以获取振动模拟信号；2通过信号处理单元对所述振动模拟信号进行预处理；3通过信息存储单元存储预处理后的信号。9.如权利要求8所述的使用方法，其特征在于，还包括:4通过信号分析单元分析预处理后得到的信号以得到振动波谱图；以及5分析所述振动波谱图，以确定膝关节的损伤程度。10.如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，所述步骤5包括分析所述振动波谱图的频率和幅值，以确定膝关节的损伤程度以及可能的损伤部位。

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