多參數智能人工膝關節

周勁松

摘要：人工膝關節置換術對膝關節嚴重受損或畸形而導致無法正常活動的患者帶來了福音。絕大多數病人經過全膝關節置換手術后可以恢復正常生活。但手術后需要維護關節的穩定性，防止過度的活動與負重，避免假體磨損松動，或出現感染。多參數智能人工膝關節通過在脛骨墊假體內植入傳感器，監測患者對膝關節的使用狀況和感染的發生，并通過藍牙將數據傳輸到手機，并進一步經由無線網絡傳至云服務器，達到監控和指導患者獲得的目的。

關鍵詞：人工膝關節；傳感器； 無線充電；藍牙

人工膝關節置換是在近代逐漸發展起來的一種治療膝關節疾病的技術，能非常有效地根除晚期膝關節病痛，極大地提高病人的生活質量。人工關節置換能很大程度重建關節功能，提高患者的生活質量。能治療的疾病有多種，比如由創傷、骨關節炎、強性脊柱炎、類風濕關節炎等疾病所致的膝關節破壞、膝內外翻或屈曲攣縮畸形等。人工膝關節由股骨假體、脛骨假體和髕骨假體，以及由金屬制成的股骨髁、脛骨托及高濃度聚乙烯等塑料材料制成的脛骨墊和髕骨假體幾部分組成。塑料部分附著于脛骨及髕骨關節的金屬部份上，其目的是減少和股骨金屬關節面之摩擦。

人工膝關節一般可以滿足患者 10～15 年以上的需要，但其使用壽命和患者的運動量、合理的使用方式有很大關系。人工關節置換術后，患者需要養成良好的生活及活動習慣，以維護關節的穩定性。術后不應進行劇烈運動，應禁止做高撞擊接觸性運動。過度的彎曲、活動與負重，會加速假體磨損，導致假體松動。人工膝關節一旦出現感染或無菌性松動，就需要進行關節翻修手術。翻修手術十分復雜，成本很高。因此人工膝關節置換術后的管理十分重要。如果能夠隨時對患者的活動和負重進行監測，并通過網絡使醫護人員能夠及時得到數據并向病患發出合理運動的指導，將能夠大大延長人工膝關節使用壽命，減少病患痛苦。

1 智能人工膝關節工作原理

一種新型的智能人工膝關節將實現這種功能。它將一套電子裝置內置在脛骨墊內部。含有這套裝置的脛骨墊在術后留置在人體內，實時監測溫度、擠壓力等，并跟蹤膝蓋的彎曲和行走、沖擊事件，結合時間戳把數據保留在存儲器內。當外部裝有相應應用軟件的手機等藍牙設備靠近時，智能人工膝關節自動通過藍牙傳輸將數據發送出來。內置的可充電式電池則通過無線充電的方式進行充電。如圖 1 為智能人工膝關節系統概念圖。

內置的傳感器包括了溫度傳感器、紅外接近傳感器、加速度傳感器、陀螺儀、磁力計、壓力傳感器、電池電量計等，和內置的藍牙 SoC、鋰電池、無線充電電路形成了一個完整的系統。當病患在做行走、起立、蹦跳等活動時，傳感器可以記錄病患的位移、移動速度、身體傾斜角度、旋轉以及膝蓋的彎曲角度等動態數據，計算出病患完整的活動過程，并通過藍牙將這些數據發送出來，醫護人員可以根據這些數據了解病患是否處于健康的活動狀態。在病患進行比如蹦跳、撞擊等危險動作時，可以通過手機立即發出告警。同時溫度傳感器則可以監測病患膝蓋內部溫度的變化，及時發現炎癥的發生。

2 智能人工膝關節電子裝置的實現

智能人工膝關節的脛骨墊是一個特殊形狀的耐磨塑料制品。在該塑料件內部可以安裝電路板、電池、無線充電線圈等部件。整體上脛骨墊是一個密閉的結構。主要部件的分布如圖 2 顯示。

脛骨墊的上部設有透明窗口，紅外傳感器透過窗口監測股骨的位置。當病患的膝蓋彎曲或伸直時，股骨頭與脛骨墊的相對位置發生變化，紅外傳感器可以計算出病患腿部的彎曲情況。

脛骨墊的殼體內部通過特殊的結構設計，可以在受到外部壓力的情況下感知應力的變化，并轉換成電信號。電路板上的微處理器通過計算可以得知病患對膝蓋施加的壓力，從而判斷病患的活動狀態以及壓力是否超出正常范圍。

電路板上的 9 軸傳感器可以感知病患運動軌跡，沖擊、身體姿態和旋轉。如果膝蓋內部發生感染時， 半月板周圍的溫度升高。溫度傳感器同樣位于電路板，隨時上報膝蓋內溫度，預警炎癥的發生。

結合上述一系列的參數，微處理器通過特定的軟件算法，能夠精確地描述病患的各種活動狀態，并通過藍牙傳送給手機和服務器。手機軟件可以及時對病患的危險動作發出警告并做出指導，而醫護人員則通過后臺可以獲得詳細的數據并進行分析、診斷。

智能人工膝關節通過無線充電的方式維持電池電力，由內部電池管理系統監測電池容量。特制的無線充電線圈貼合人體曲線，病患可以使用手持式無線充電器，將其放置在膝蓋前方進行充電。

3 結語與討論

智能人工膝關節是對現有人工膝關節產品的功能擴展。它的實現能夠為病患和醫護人員提供重要的跟蹤和指導。從本質上講它并不影響目前人工膝關節產品的概念和功能，即使電子裝置部分失效（比如未能及時充電而電能耗盡），停止的只是數據跟蹤和傳輸功能，病患無需擔心遭受任何傷害。而當下一次充電繼續后，智能膝關節又可以重新恢復正常工作。

隨著物聯網技術的持續發展，越來越多的醫療器械已經逐漸向智能化、全連接方向發展。傳統意義上的手術器材、植入設備也必將與智能化更加緊密地結合。藍牙、無線充電、多參數傳感器等技術的應用為這個領域提供了有力的武器。智能人工膝關節正是實踐這個發展趨勢的最佳詮釋。

然而對于手術器材尤其是人體植入式設備，包括電子化、智能化等方面的各種新應用，都需要經過嚴格的安全性驗證，這其中還充滿了挑戰。產品的發展是跨界和多領域融合的，它結合了醫療、電子、機械、材料等多種技術領域。企業、組織和個人只有逐步地培養能力，選擇合適的發展路線，才能把越來越多的新產品推向市場，為更多病患帶來福祉。