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CN113171077A - 一种用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置和方法 - Google Patents

一种用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置和方法 Download PDF

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CN113171077A
CN113171077A CN202110265355.3A CN202110265355A CN113171077A CN 113171077 A CN113171077 A CN 113171077A CN 202110265355 A CN202110265355 A CN 202110265355A CN 113171077 A CN113171077 A CN 113171077A
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gyroscope
ankle
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朱晨
张贤祚
李广勇
蔡振
刘成龙
刘子洋
陈敏
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Abstract

本发明提供了一种基于惯性传感器的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置，包括传感设备、固定件和终端设备。其中，传感设备包括加速度计和陀螺仪，加速度计用于感应并输出运动的加速度，陀螺仪用于感应并输出运动的角速度；固定件包括传感设备固定件和脚踝固定件，传感设备固定件用于固定传感设备，脚踝固定件用于将测量装置固定在患者的脚踝上；终端设备用于接收加速度计和陀螺仪获得的加速度和角速度数据，计算并实时显示患者的下肢长度。本发明通过术中有效的抬踝或放踝运动，可以计算出实时的下肢长度，医生通过此时的长度值对假体安装进行调整，最后得到理想的下肢长度，有效地预防了因下肢不等长而产生的术后不适症状。

Description

一种用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置和方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置和方法。
背景技术
全髋关节置换术(THA)是临床上用来治疗髋部疾病的常用方式，临床效果显著，但术后容易出现双下肢不等长(LLD)的并发症。LLD的出现可能会导致患者出现脊柱侧弯、骨盆倾斜、坐骨神经麻痹、腰背痛、假体松动、跛行等现象，不利于患者术后康复。因此，临床上对全髋关节置换术中的LLD现象高度重视。
现有技术中，为了预防LLD现象的出现，医生采用的术中技术有PCA肢体长度测量器、克氏针定位法、缝线定位法等。这些测量方式各有优缺点，例如术中缝线法虽然操作简单、成本低，但可能会因为患者皮肤弹性、患肢放置位置变动等使结果出现误差；克氏针定位法虽然术后能有效控制患者肢体延长且操作简单，但其精度不高。因此需要一种操作简单、可控性强、精确度高的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量设备和方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于惯性传感器的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置和方法，通过术中有效的抬踝或放踝运动，可以计算出实时的下肢长度，医生通过此时的长度值对假体安装进行调整，最后得到理想的下肢长度，有效地预防了因下肢不等长而产生的术后不适症状。
为了达到上述目的，在第一个方面，本发明提供了一种用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置，包括传感设备、固定件和终端设备；其中，
传感设备包括加速度计和陀螺仪，加速度计用于感应并输出运动的加速度，陀螺仪用于感应并输出运动的角速度；
固定件包括传感设备固定件和脚踝固定件，传感设备固定件用于固定传感设备，脚踝固定件用于将测量装置固定在患者的脚踝上；
终端设备用于接收加速度计和陀螺仪获得的加速度和角速度数据，计算并实时显示患者的下肢长度。
进一步地，加速度计为三轴加速度计，可以输出X、Y、Z三个轴向的加速度；陀螺仪为三轴陀螺仪，可以输出X、Y、Z三个轴的角速度。
进一步地，传感设备还包括无线通讯模块，用于将加速度计和陀螺仪获得的加速度和角速度数据传输给终端设备。
进一步地，无线通讯模块选自蓝牙、WiFi、Zig-Bee、蜂窝网络通讯模块(例如3G、4G、5G模块)中的一种，优选为蓝牙模块。
进一步地，传感设备固定件包括具有凸起的固定座，凸起用于与传感设备上的凹孔相配合，以将传感设备固定在固定座上。
进一步地，脚踝固定件为绑带。
进一步地，终端设备为一集成有无线数据接收模块、数据处理模块和显示模块的一体化电子设备，例如台式电脑、笔记本电脑、平板电脑或智能手机等具有数据接收、处理和显示功能的智能终端设备。出于便携性和显示效果综合考虑，终端设备优选为平板电脑。
在第二个方面，本发明提供了一种利用上述测量装置在全髋关节置换术中测量下肢长度的方法，包括以下步骤：
步骤1、将测量装置固定在患者脚踝前方，保证测量装置在测试过程中不会随着患者下肢运动而晃动；
步骤2、将患者下肢以一定的速度进行抬起脚踝和/或放下脚踝动作，抬起脚踝和/或放下脚踝动作的方向大致与水平面垂直，即患者下肢所扫过的平面大致与水平面垂直；
步骤3、传感设备将上述动作过程中的加速度和角速度数据输出给终端设备，终端设备接收上述加速度和角速度数据，计算并实时显示患者的下肢长度。
进一步地，步骤2中“以一定的速度”是指动作过程中通过加速度计感应的速度数据计算得到的合速度的最大值的范围为0.4～1.5m/s，即合速度的最大值不低于阈值下限0.4m/s，并且不超过阈值上限1.5m/s。
进一步地，步骤3中计算患者的下肢长度的方法具体包括以下步骤：
(4)将加速度计和陀螺仪的坐标系均设为北东地；
(5)根据陀螺仪的三轴值判断开始运动的时刻；
(6)选取开始运动前的加速度计的一组三轴值为accx0，accy0，accz0作为静止值，计算出测得的重力分量：
Figure BDA0002972218510000021
(4)运动时，加速度计的三轴值分别为accx，accy，accz，陀螺仪的三轴值分别为gx，gy，gz，先对数据进行单位转化：
Figure BDA0002972218510000022
Figure BDA0002972218510000031
其中，typ1和typ2分别为加速度计和陀螺仪根据所选量程对应的灵敏度；
(5)根据加速度计运动时的第一组三轴值计算横滚角θ和俯仰角
Figure BDA0002972218510000032
首先将重力分量(0，0，-1)通过旋转矩阵转到载体坐标系：
Figure BDA0002972218510000033
计算得到：
Figure BDA0002972218510000034
(6)根据陀螺仪的三轴值对横滚角及俯仰角进行更新：
Figure BDA0002972218510000035
Figure BDA0002972218510000036
其中，
Figure BDA0002972218510000037
(7)将重力矢量从大地坐标系转到载体坐标系：
Figure BDA0002972218510000038
(8)通过去掉重力矢量得到加速度计三轴真实的加速度：
Figure BDA0002972218510000039
(9)加速度计三轴的分速度分别为vx，vy,vz，合速度为vsum，且此次运动过程中合速度的最大值必须在0.4～1.5m/s的阈值范围内：
Figure BDA00029722185100000310
Figure BDA00029722185100000311
Figure BDA0002972218510000041
Figure BDA0002972218510000042
(10)计算运动过程中陀螺仪三轴的合角速度：
Figure BDA0002972218510000043
(11)令下肢长度
Figure BDA0002972218510000044
整个运动过程中vsum会先增大后减小，因此会出现一个最大值，最大值处对应的r即为真实的下肢长度。
本发明的有益技术效果至少体现在以下方面：
(1)本发明在全髋关节置换术中，通过抬起脚踝或放下脚踝的动作即可实时计算出患者的下肢长度，操作十分简单；又通过严密的算法设计，使得测量精度较现有技术更加准确。
(2)本发明的测量装置密封性好，手术过程中无感染风险；所使用的传感器成本低廉，可作为一次性设备使用。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，在一个较佳实施例中，本发明的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置包括传感设备1、固定件和终端设备(图中未示出)；其中，
传感设备1包括加速度计和陀螺仪，加速度计用于感应并输出运动的加速度，陀螺仪用于感应并输出运动的角速度；
固定件包括传感设备固定件2和脚踝固定件3，传感设备固定件2用于固定传感设备1，脚踝固定件3用于将测量装置固定在患者的脚踝上；
终端设备用于接收加速度计和陀螺仪获得的加速度和角速度数据，计算并实时显示患者的下肢长度。
本实施例中，加速度计为三轴加速度计，可以输出X、Y、Z三个轴向的加速度；陀螺仪为三轴陀螺仪，可以输出X、Y、Z三个轴的角速度。
本实施例中，传感设备1还包括无线通讯模块，用于将加速度计和陀螺仪获得的加速度和角速度数据传输给终端设备。
本实施例中，无线通讯模块为蓝牙模块。
本实施例中，传感设备固定件包括具有凸起的固定座2，凸起用于与传感设备1上的凹孔11相配合，以将传感设备1固定在固定座2上。
本实施例中，脚踝固定件3为绑带。
本实施例中，终端设备为平板电脑。
本实施例中，利用上述测量装置在全髋关节置换术中测量下肢长度的方法，包括以下步骤：
步骤1、将测量装置固定在患者脚踝前方，保证测量装置在测试过程中不会随着患者下肢运动而晃动；
步骤2、将患者下肢以一定的速度进行抬起脚踝和/或放下脚踝动作，抬起脚踝或放下脚踝动作的方向大致与水平面垂直，即患者下肢运动所扫过的平面大致与水平面垂直；
步骤3、传感设备将上述动作过程中的加速度和角速度数据输出给终端设备，终端设备接收上述加速度和角速度数据，计算并实时显示患者的下肢长度。
步骤2中“以一定的速度”是指动作过程中通过加速度计感应的速度数据计算得到的合速度的最大值在一定的阈值范围内，优选为0.4～1.5m/s，即合速度的最大值不低于阈值下限0.4m/s，并且不超过阈值上限1.5m/s。
步骤3中计算患者的下肢长度的方法具体包括以下步骤：
(1)将加速度计和陀螺仪的坐标系均设为北东地；
(2)根据陀螺仪的三轴值判断开始运动的时刻；
(3)选取开始运动前的加速度计的一组三轴值为accx0，accy0，accz0作为静止值，计算出测得的重力分量：
Figure BDA0002972218510000051
(4)运动时，加速度计的三轴值分别为accx，accy，accz，陀螺仪的三轴值分别为gx，gy，gz，先对数据进行单位转化：
Figure BDA0002972218510000052
Figure BDA0002972218510000053
其中，typ1和typ2分别为加速度计和陀螺仪根据所选量程对应的灵敏度；
(5)根据加速度计运动时的第一组三轴值计算横滚角θ和俯仰角
Figure BDA0002972218510000061
首先将重力分量(0，0，-1)通过旋转矩阵转到载体坐标系：
Figure BDA0002972218510000062
计算得到：
Figure BDA0002972218510000063
(6)根据陀螺仪的三轴值对横滚角及俯仰角进行更新：
Figure BDA0002972218510000064
Figure BDA0002972218510000065
其中，
Figure BDA0002972218510000066
(7)将重力矢量从大地坐标系转到载体坐标系：
Figure BDA0002972218510000067
(8)通过去掉重力矢量得到加速度计三轴真实的加速度：
Figure BDA0002972218510000068
(9)加速度计三轴的分速度分别为vx，vy,vz，合速度为vsum，且此次运动过程中合速度的最大值必须在一定阈值范围内：
Figure BDA0002972218510000069
Figure BDA00029722185100000610
Figure BDA00029722185100000611
Figure BDA0002972218510000071
(10)计算运动过程中陀螺仪三轴的合角速度：
Figure BDA0002972218510000072
(11)令下肢长度
Figure BDA0002972218510000073
整个运动过程中vsum会先增大后减小，因此会出现一个最大值，最大值处对应的r即为真实的下肢长度。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置，其特征在于，包括传感设备、固定件和终端设备；其中，
所述传感设备包括加速度计和陀螺仪，所述加速度计用于感应并输出运动的加速度，所述陀螺仪用于感应并输出运动的角速度；
所述固定件包括传感设备固定件和脚踝固定件，所述传感设备固定件用于固定所述传感设备，所述脚踝固定件用于将所述测量装置固定在患者的脚踝上；
所述终端设备用于接收所述加速度计和所述陀螺仪获得的加速度和角速度数据，计算并实时显示患者的下肢长度。
2.如权利要求1所述的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置，其特征在于，所述加速度计为三轴加速度计，可以输出X、Y、Z三个轴向的加速度；所述陀螺仪为三轴陀螺仪，可以输出X、Y、Z三个轴的角速度。
3.如权利要求1所述的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置，其特征在于，所述传感设备还包括无线通讯模块，用于将所述加速度计和所述陀螺仪获得的加速度和角速度数据传输给所述终端设备。
4.如权利要求3所述的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置，其特征在于，所述无线通讯模块选自蓝牙、WiFi、Zig-Bee、蜂窝网络通讯模块中的一种。
5.如权利要求1所述的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置，其特征在于，所述传感设备固定件包括具有凸起的固定座，所述凸起用于与所述传感设备上的凹孔相配合，以将所述传感设备固定在所述固定座上。
6.如权利要求1所述的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置，其特征在于，所述脚踝固定件为绑带。
7.如权利要求1所述的用于全髋关节置换术中的下肢长度测量装置，其特征在于，所述终端设备为台式电脑、笔记本电脑、平板电脑或智能手机。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的测量装置在全髋关节置换术中测量下肢长度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将测量装置固定在患者脚踝前方，保证所述测量装置在测试过程中不会随着患者下肢运动而晃动；
步骤2、将患者下肢以一定的速度进行抬起脚踝和/或放下脚踝动作，所述抬起脚踝和/或放下脚踝动作的方向大致与水平面垂直；
步骤3、所述传感设备将上述动作过程中的加速度和角速度数据输出给终端设备，所述终端设备接收上述加速度和角速度数据，计算并实时显示患者的下肢长度。
9.如权利要求8所述的在全髋关节置换术中测量下肢长度的方法，其特征在于，步骤2中“以一定的速度”是指动作过程中通过所述加速度计感应的速度数据计算得到的合速度的最大值在0.4～1.5m/s。
10.如权利要求8所述的在全髋关节置换术中测量下肢长度的方法，其特征在于，步骤3中计算患者的下肢长度的方法具体包括以下步骤：
(1)将加速度计和陀螺仪的坐标系均设为北东地；
(2)根据陀螺仪的三轴值判断开始运动的时刻；
(3)选取开始运动前的加速度计的一组三轴值为accx0，accy0，accz0作为静止值，计算出测得的重力分量：
Figure FDA0002972218500000021
(4)运动时，加速度计的三轴值分别为accx，accy，accz，陀螺仪的三轴值分别为gx，gy，gz，先对数据进行单位转化：
Figure FDA0002972218500000022
Figure FDA0002972218500000023
其中，typ1和typ2分别为加速度计和陀螺仪根据所选量程对应的灵敏度；
(5)根据加速度计运动时的第一组三轴值计算横滚角θ和俯仰角
Figure FDA0002972218500000024
首先将重力分量(0，0，-1)通过旋转矩阵转到载体坐标系：
Figure FDA0002972218500000025
计算得到：
Figure FDA0002972218500000026
(6)根据陀螺仪的三轴值对横滚角及俯仰角进行更新：
Figure FDA0002972218500000031
Figure FDA0002972218500000032
其中，
Figure FDA0002972218500000033
(7)将重力矢量从大地坐标系转到载体坐标系：
Figure FDA0002972218500000034
(8)通过去掉重力矢量得到加速度计三轴真实的加速度：
Figure FDA0002972218500000035
(9)加速度计三轴的分速度分别为vx，vy,vz，合速度为vsum，且此次运动过程中合速度的最大值必须在0.4～1.5m/s的阈值范围内：
Figure FDA0002972218500000036
Figure FDA0002972218500000037
Figure FDA0002972218500000038
Figure FDA0002972218500000039
(10)计算运动过程中陀螺仪三轴的合角速度：
Figure FDA00029722185000000310
(11)令下肢长度
Figure FDA00029722185000000311
整个运动过程中vsum会先增大后减小，因此会出现一个最大值，最大值处对应的r即为真实的下肢长度。
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