CN105559884B - 一种全髋关节置换手术中骨盆姿态获取方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种全髋关节置换手术中骨盆姿态获取方法与系统，在术前，利用骨盆静态测量装置，通过测量初始静态骨盆前平面确定骨盆初始姿态；在术中，以该初始姿态为基准，将骨盆动态测量装置与骨盆对齐，实现术中骨盆姿态的实时测量；其中，骨盆静态测量装置和骨盆动态测量装置具有相同的测量模块，测量模块中设置有数据采集模块，数据采集模块包括运动传感器。系统按功能可分为数据采集、数据处理和数据传输三个模块；按组成部分可分为骨盆静态测量装置和骨盆动态测量装置，每一部分装置都安装传感器，将传感器数据实时传输到计算机终端，在计算机上计算并显示骨盆姿态，本发明可实时获取骨盆姿态，并将获取的骨盆姿态作为髋关节置换手术的参考。

Description

一种全髋关节置换手术中骨盆姿态获取方法与系统

技术领域

本发明属于医学电子技术领域，特别涉及一种全髋关节置换手术中骨盆姿态获取方法与系统。

背景技术

从上世纪60年代起，人工关节置换术在我国逐渐发展，成为了无数关节疾病患者的福音。以髋关节置换术为例，其首选适应征是骨性关节炎，其它依次为骨无菌性坏死(如股骨头坏死等)、某些髋部骨折(如股骨颈骨折)、类风湿性关节炎、创伤性关节炎、良性和恶性骨肿瘤、强直性脊柱炎等，应用广泛，为患者解除了痛苦。随着人口的老龄化，骨性关节炎患者数量呈上涨趋势，每年进行的人工关节置换手术也越来越多。

髋关节置换的一个重要方面是要确保髋臼假体相对于骨盆的适当对准。研究表明髋臼假体没有适当地对准骨盆将导致过早磨损、倾向脱位以及患者不舒适。然而，外科医生现在面临的关于人工髋关节置换手术中最大问题是如何实现适当的髋臼假体植入对准。

髋臼假体植入最重要的两个角度为外展角和前倾角。一般地在整形外科医生之中统一的是将髋臼假体植入定位于宿主髋臼的原生骨骼内的理想解剖位置(对于大多数病人而言是处于外展角45°、前倾角20°)。然而，这些特定角度的测量和假体的放置仅凭医生经验，难以实现精准置放，并且这些理想角度是相对于病人的骨盆而言，而病人在髋关节置换手术的过程中被无菌手术单覆盖。病人骨盆的任何位置和姿态的变化在手术过程中无法被实时观察到，仅凭外科医生的经验放置髋臼假体会带来比较大的误差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全髋关节置换手术中骨盆姿态获取方法与系统，能在髋关节置换术进行时，准确地仿真出实时骨盆姿态，使医生在手术过程中能相对精准的放置髋臼假体，大大提高了髋关节置换术的成功率及手术疗效。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种全髋关节置换手术中骨盆姿态获取方法，其中：

在术前，利用骨盆静态测量装置，通过测量初始静态骨盆前平面确定骨盆初始姿态；

在术中，以该初始姿态为基准，将骨盆动态测量装置与骨盆对齐，实现术中骨盆姿态的实时测量；

其中，所述骨盆静态测量装置和骨盆动态测量装置具有相同的测量模块，所述测量模块中设置有数据采集模块，所述数据采集模块包括运动传感器。

所述运动传感器获取骨盆姿态数据，将获取的姿态数据以无线的方式发出，利用无线接收装置接收该数据信号并在计算机上进行处理，最终显示出骨盆的实时姿态数据。

一种全髋关节置换手术中骨盆姿态获取系统，包括：

用于测量骨盆初始姿态的骨盆静态测量装置；

用于根据骨盆初始姿态测量骨盆实时姿态的骨盆动态测量装置；

其中，骨盆静态测量装置和骨盆动态测量装置中均设置有骨盆测量模块，所述骨盆测量模块包括数据采集模块，所述数据采集模块包括运动传感器。

所述骨盆静态测量装置包括固定基座一2和固定基座二6，固定基座一2和固定基座二6上均设置有旋转杆1，标有刻度3的可拉伸杆4连接在两旋转杆1之间，其中一个旋转杆1的顶部安装骨盆测量模块一5。

所述骨盆动态测量装置包括骨盆测量模块二11和用于将骨盆测量模块二11固定在骨盆平面的针12。

所述骨盆测量模块一5和骨盆测量模块二11结构一致，均包含保护壳21，保护壳21内设置运动传感器22，所述运动传感器22包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。

所述全髋关节置换手术中骨盆姿态获取系统还可包括：

数据处理模块，用于将运动传感器采集的数据存在缓冲区；

数据传输模块，用于将所述缓冲区中的一帧数据发送至体外处理器；

体外处理器，接收所述数据传输模块发送的数据，提取运动数据，获得髋关节置换手术中骨盆的实时姿态。

所述数据处理模块由一个MCU实现；所述数据传输模块采用wifi方式将数据外送，所述体外处理器为计算机。

所述体外处理器包括：

用于将来自数据传输模块的数据拆解为加速度数据、地磁数据和角速度数据的数据提取模块；

用于根据获得的数据进行骨盆静态与动态的姿态测算模块；

用于显示姿态测算模块测算得到的姿态数据，方便外科医生更好地进行髋关节置换手术的显示模块。

本发明的使用，将大大减少医生进行全髋关节置换手术的难度，提高手术成功率及疗效。

附图说明

图1为本发明所述系统的产品及机械结构示意图。

图2为骨盆结构图。

图3为本发明所述系统的硬件功能框图。

图4为本发明所述系统的软件功能框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明提供了一种全髋关节置换术中骨盆姿态获取方法与系统，能在全髋关节置换手术进行时，实时地测得骨盆姿态，给外科医生进行手术操作带来方便。

本发明的一种实例产品示意图如图1所示，其中框II中所示装置为骨盆静态测量装置，用于测量静态骨盆前平面即骨盆初始姿态，包括固定基座一2和固定基座二6，固定基座一2和固定基座二6上均设置有旋转杆1，标有刻度3的可拉伸杆4连接在两旋转杆1之间，其中固定基座二6上的旋转杆1的顶部安装骨盆测量模块一5。

框I中所示装置为骨盆动态测量装置，包括骨盆测量模块二11和用于将骨盆测量模块二11固定在骨盆平面的针12。

框Ⅲ为骨盆测量模块一5和骨盆测量模块二11的放大图，骨盆测量模块一5和骨盆测量模块二11结构一致，均包含保护壳21，保护壳21内设置运动传感器22以及其他一些必要元件，运动传感器22包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。

为保证以下叙述清晰，现在简单介绍一下骨盆结构，见图2。图中特征点A为耻骨联合，特征点B和C分别为右侧髂前上棘和左侧髂前上棘。测量骨盆姿态即测量由此三点组成的骨盆前平面的姿态。

根据以上结构，下面为医生在全髓关节置换手术中使用本实施例的操作流程：

步骤1.医生将患者髋臼坏死、病害部分磨除；

步骤2.将电池装入骨盆测量模块一5中(上电)，将患者置于某一舒适位置，并保证其骨盆前平面在可测位置；

步骤3.医生将骨盆静态测量装置的固定基座一2置于耻骨联合，通过调整拉伸杆的长度，使装置长度满足患者骨盆测量需求(如：使固定基座一2和固定基座二6之间的距离等于右侧髂前上棘和耻骨联合之间的距离)，并将测量装置另一端的固定基座二6置于右侧髂前上棘；

步骤4.医生打开计算机和相应程序，此时可测得骨盆测量模块一5在右侧髂前上棘处的姿态，通过按键记录此时骨盆测量模块一5的姿态。旋转杆1绕轴旋转至左侧髂前上棘处，同样记录该处测量模块一5的姿态。具体原理如下：

(1)分别记录动态测量装置在图2中C-A和B-A处测量模块一5的姿态，用欧拉角表示为euler1和euler2。

(2)通过(1)中测得的角度，解算出对应的测量模块一5的x轴在世界坐标系中的向量值和将和进行叉乘，得到冠状面(与骨盆前平面平行)的法向量

(3)通过(1)中测得的角度，解算出对应的测量模块一5的y轴在世界坐标系中的向量值和将和进行叉乘，得到矢状面的法向量(由左到右，即图2中的C→B)。

(4)得到和即得到了骨盆的姿态。

步骤5.医生取下骨盆静态测量装置，将骨盆动态测量装置与步骤4测量得到的骨盆初始姿态对齐，并将骨盆动态测量装置的针12固定在某一特征点上，如右侧髂前上棘B处。

步骤6.医生可将患者置于便于进行手术操作的姿态，由于通过步骤5已经将骨盆动态测量装置与骨盆固定，因而可实时测得骨盆姿态。

步骤7.医生根据步骤6测得的骨盆实时姿态放置髋臼，髋臼上应放置同样的测量装置，以便于通过参考骨盆姿态计算出髋臼相对于骨盆的角度。

本实施例的功能实现主要包含硬件与软件两部分。硬件部分主要是上述的骨盆测量模块，其实现原理如图3所示。按功能划分为数据采集模块(传感器模块)、数据处理以及数据传输模块，实现这些功能的电路均位于骨盆测量模块中。

下面说明该硬件部分工作流程：

步骤1.电池对各模块供电；

步骤2.数据处理模块由MCU实现，在上电后开始对运动传感器进行配置；

步骤3.各传感器开始采集数据，运动传感器以50HZ频率对三轴加速度、角速度、地磁场强度进行采样；

步骤4.数据处理模块将运动传感器采集的数据存储在缓冲区；

步骤5.完成数据采集后，将数据以无线(wifi)模式发出；

步骤6.发送完成后，跳转至步骤3，循环重复。

本实施例的软件部分主要在体外处理器中实现，如图4所示的计算机。按功能可分为数据提取模块、姿态测算模块、姿态显示模块三个部分，如图4所示。软件安装在体外的计算机上，以下是软件的工作流程：

步骤1.数据获取阶段，计算机接收硬件传来的混合数据，将其拆分为加速度数据、地磁数据和角速度数据；

步骤2.静态姿态测量，根据三轴地磁数据确定绕垂直轴的转角，通过三轴加速度数据确定绕两水平轴转角，进而得到静态姿态数据；

步骤3.动态姿态测量，根据三轴角速度数据可进行动态姿态检测，其基本原理是将三轴角速度数据进行积分，得到绕每个轴的旋转角度；

步骤4.将通过静态姿态解算得到的数据与通过角速度积分得到的数据进行数据融合，即图4中的卡尔曼滤波，可得到最终的骨盆动态姿态数据；

步骤5.将最终得到的姿态数据以便于直观理解的方式显示出来。

在上述软件工作完成后，医生能够确保人工髋臼安装在合适的角度，进而避免过早磨损、倾向脱位以及患者不舒适。

Claims (5)

1.一种全髋关节置换手术中骨盆姿态获取系统，其特征在于，包括：

用于测量骨盆初始姿态的骨盆静态测量装置，所述骨盆静态测量装置包括固定基座一(2)和固定基座二(6)，固定基座一(2)和固定基座二(6)上均设置有旋转杆(1)，标有刻度(3)的可拉伸杆(4)连接在两旋转杆(1)之间，其中一个旋转杆(1)的顶部安装骨盆测量模块一(5)；

用于根据骨盆初始姿态测量骨盆实时姿态的骨盆动态测量装置，骨盆动态测量装置包括骨盆测量模块二(11)和用于将骨盆测量模块二(11)固定在骨盆平面的针(12)；

所述骨盆测量模块一(5)和骨盆测量模块二(11)结构一致，均包含保护壳(21)，保护壳(21)内设置运动传感器(22)，所述运动传感器(22)包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。

2.根据权利要求1所述全髋关节置换手术中骨盆姿态获取系统，其特征在于，还包括：

数据处理模块，用于将运动传感器采集的数据存在缓冲区；

数据传输模块，用于将所述缓冲区中的一帧数据发送至体外处理器；

体外处理器，接收所述数据传输模块发送的数据，提取运动数据，获得髋关节置换手术中骨盆的实时姿态。

3.根据权利要求2所述全髋关节置换手术中骨盆姿态获取系统，其特征在于，所述数据处理模块由一个MCU实现；所述数据传输模块采用wifi方式将数据外送，所述体外处理器为计算机。

4.根据权利要求2或3所述全髋关节置换手术中骨盆姿态获取系统，其特征在于，所述体外处理器包括：

用于将来自数据传输模块的数据拆解为加速度数据、地磁数据和角速度数据的数据提取模块；

用于根据获得的数据进行骨盆静态与动态的姿态测算模块；

用于显示姿态测算模块测算得到的姿态数据，方便外科医生更好地进行髋关节置换手术的显示模块。

5.根据权利要求4所述全髋关节置换手术中骨盆姿态获取系统，其特征在于，所述体外处理器根据骨盆静态测量装置中三轴地磁数据，确定绕垂直轴的转角，通过三轴加速度数据确定绕两水平轴转角，进而得到静态姿态数据；所述体外处理器根据骨盆动态测量装置中三轴角速度数据进行动态姿态检测，其基本原理是将三轴角速度数据进行积分，得到绕每个轴的旋转角度，将通过静态姿态解算得到的数据与通过角速度积分得到的数据进行数据融合，即卡尔曼滤波，从而得到最终的骨盆动态姿态数据。