CN102641155B - 一种骨科手术中实时定位导航仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨科手术中实时定位导航仪器，包括：激振钻头，用于对被术者的皮质骨或松质骨进行钻动；声信号采集系统，用于在所述激振钻头钻动的同时收集声信号；声信号分析系统，用于对所述声信号采集系统提供的声信号进行分析处理。本发明具有即时、简单、低廉、易于推广等诸多优点。

Description

一种骨科手术中实时定位导航仪器

技术领域

本发明涉及定位导航技术领域，特别是涉及一种骨科手术中实时定位导航仪器。

背景技术

目前在骨科手术中，内固定物的准确植入是医疗安全的重要环节。以椎弓根钉内固定手术为例，近年来，椎弓根钉内固定术中所发生的血管神经损伤等并发症的发生率一直居高不下。既往所开展的椎弓根钉内固定导航方式多不理想，例如，导向仪器可以协助限定植钉角度，但是体积较大，应用不方便。

影像导航是目前的主流，国内多采用连续X线照相术及c-arm荧光透视确定植钉情况，其放射线损害较大，手术时间较长，操作过程烦琐。也有人应用以X线为基础的计算机导航，如二维虚拟X线透视导航技术和三维虚拟X线透视导航技术；还有人开始应用术前CT图像导航，将术前螺旋CT检查所获取数据输入影像引导外科系统；术中固定患者，以棘突、横突及关节突等为标志，在单个或多个椎体自由注册其标志点，将椎体与图像相匹配；在进行椎弓根钉内固定时，金属工具的位置就被数码摄像仪采集并叠加至上述图像，使术者能够看到并及时调整其方向及位置。由于皮肤肌肉的活动、呼吸活动、患者术中体位的变动等因素皆可导致所注册标志点的失真，从而使椎弓根钉的方向及位置错误，损伤周围结构。鉴于此，产生了应用术前CT图像进行目标跟踪的三维图像导航，无须固定患者，在注册后，应用同步记录仪记录患者术中所发生的一切运动，输入并叠加至上述图像，排除术中诸活动因素的干扰，为术者提供较为精确图像。另外，在影像导航中还有应用术中专用的CT设备即时导航者，可简化注册、增加注册精确度，消除术中椎体节段性运动的干扰。其缺点是需要专门配置手术室CT设备，需要特制的手术床，花费大，并存在一定的人机工程学问题。应用三维旋转X线图像配合核磁共振图像导航，既适于骨又适于软组织的手术导航。综上，前述影像导航可以随时显示进钉位置及方向，但是价格昂贵、难以普及推广。

电生理监测包括术中电刺激肌电图和体感诱发电位(SSEP)的监测。前者应用直接电刺激椎弓根钉诱发出相应部位的肌电图反应。监测电极植入可能被不良钉干扰的肌肉内，逐渐增加对钉子的刺激电压，直至出现肌电图反应。当椎弓根破裂时阈值较正常者明显降低。但是由于对钉子刺激部位的不同，其结果相差很大。后者SSEP常用于脊髓、神经根的手术中监测，能够辅助发现新的神经损伤及术中生命体征的早期变化。当术中解剖结构不清时可以协助判断所遇到的各种组织，而用于后路脊椎关节固定术及椎弓根钉内固定较少。由于很多因素都会影响SSEP的测量结果，故认为其评价作用有限。国外有应用椎弓根电阻法判断术中是否发生椎弓根皮质破裂者，但由于电极置放位置的差异、患者神经损害的程度、手术台上台下配合等情况的影响，假阴性发生率较高，有时即使钉子穿破椎弓根壁损伤了周围组织也不会被发现。国内有人应用生物电阻抗式椎弓根导向仪进行术中监测者，但是因为测试电流十分微弱，电极板必须紧贴于所测椎弓根邻近，例如3-5cm，的肌肉上，并用手套薄膜将其隔离后用拉钩拉紧，否则难以测出椎弓根阻抗值。上述电生理监测方法难以随时显示钉尖与周围组织的关系，因此不能进行即时导航。

因此，由上述可知，现有技术存在诸多弊端，业界急需开发一种新型的骨科手术中实时定位导航仪器，以克服现有技术的不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种新型的骨科手术中实时定位导航仪器，能够克服上述现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：

一种骨科手术中实时定位导航仪器，包括：

激振钻头，用于对被术者的皮质骨或松质骨进行钻动；

声信号采集系统，用于在所述激振钻头钻动的同时收集声信号；

声信号分析系统，用于对所述声信号采集系统提供的声信号进行分析处理；

所述的激振钻头：包括钻杆刻度、钻杆、钻头、钻头横断面，由头部、体部和尾部组成，激振钻头头部末端横截面呈米字形，具有从中心向周围辐射状排列的刃，用于钻动时切割骨组织，体部周围光滑，对组织无摩擦，尾部具有能够与骨科手术中即时定位导航仪器体部相互镶嵌的连接头，骨科手术中即时定位导航仪器体部埋藏着声信号采集器。

优选的，所述骨科手术中实时定位导航仪器还包括：倾角传感系统，用于设定安全倾斜角度范围值，当所述激振钻头在矢状面和横断面上的倾斜角度超过该范围值时产生报警信息。

优选的，所述声信号分析系统包括：

皮质骨数据库，根据预先收集的皮质骨的声信号建立；

松质骨数据库，根据预先收集的松质骨的声信号建立；

分析器，用于对预先收集的皮质骨和松质骨的声波频谱特征进行分析，建立皮质骨和松质骨的鉴别标准。

进一步的，所述分析器采用Mel分析软件和声波似然度分析软件综合对预先收集的皮质骨和松质骨的声波频谱特征进行分析。

此外，所述皮质骨数据库、松质骨数据库及分析器集成一体设置。

优选的，所述声信号分析系统还包括：

鉴别器，用于根据预先建立的皮质骨和松质骨的鉴别标准对所述声信号采集系统提供的声信号进行鉴别；

声信号-图像转换器，用于将所述鉴别器的鉴别结果转换成图像信号并显示；

声信号放大系统，用于对所述鉴别器的鉴别结果进行放大并播放。

其中：所述声信号-图像转换器还包括：主机和显示屏，用于显示皮质骨、松质骨的图像以及所述激振钻头的倾斜角度。

优选的，所述声信号分析系统还包括：声信号报警处理器，用于当所述鉴别器的鉴别结果为皮质骨信号时产生报警信息。

进一步的，所述骨科手术中实时定位导航仪器还包括：报警器，用于当收到所述倾角传感系统产生的报警信息时或者当收到所述声信号报警处理器产生的报警信息时进行蜂鸣报警。

优选的，所述骨科手术中实时定位导航仪器还包括：指示器，用于通过不同的指示标识分别指示所述激振钻头位于皮质骨内或松质骨内。

本发明提供的骨科手术中实时定位导航仪器，能够对松质骨、皮质骨的声信号进行分析、鉴别，实现术中操作骨组织的即时判断，保证手术安全。如此则可避免术中患者、医生接受太多的射线损伤、同时可以避免影像飘逸、实现即时导航。此外，针对业界现有情况，本发明骨科手术中实时定位导航仪器的应用和推广，可以极大地降低医疗费用，减少进口国外导航系统的开支，取得良好的社会和经济效益。使用本发明可以使术者能够随时得知手术操作部位的组织特征，比既往的导航方法更加安全、并发症发生率更低、手术疗效会更好，且无放射线损害，可减轻手术副损伤。因此，本发明具有即时、简单、低廉、易于推广等诸多优点。

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。

附图说明

图1所示为根据本发明实施例提供的骨科手术实时定位导航仪器的框架结构示意图；

图2所示为根据本发明实施例提供的骨科手术实时定位导航仪器的具体结构示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。

下面将通过多个实施例对本发明的具体实现进行详细阐述。

如图1所示为本发明实施例提供的骨科手术中实时定位导航仪器的框架结构示意图。所述骨科手术中实时定位导航仪器包括：激振钻头110、声信号采集系统120和声信号分析系统130。其中，所述激振钻头110，用于对被术者的皮质骨或松质骨进行钻动；所述声信号采集系统120，用于在所述激振钻头110钻动的同时收集声信号；所述声信号分析系统130，用于对所述声信号采集系统120提供的声信号进行分析处理。

在一个实施例中，所述骨科手术中实时定位导航仪器还可以进一步包括：倾角传感系统140，用于设定安全倾斜角度范围值，当所述激振钻头110在矢状面和横断面上的倾斜角度超过该范围值时产生报警信息。此外，所述骨科手术中实时定位导航仪器还可以包括：指示器，用于通过不同的指示标识分别指示所述激振钻头110位于皮质骨内或松质骨内。

在另一个实施例中，所述声信号分析系统130可以包括：皮质骨数据库、松质骨数据库、分析器。其中，所述皮质骨数据库可以是根据预先收集的皮质骨的声信号建立的；同样的，所述松质骨数据库是根据预先收集的松质骨的声信号建立。而分析器则用于对预先收集的皮质骨和松质骨的声波频谱特征进行分析，建立皮质骨和松质骨的鉴别标准。进一步的，所述分析器可以采用Mel分析软件和声波似然度分析软件综合对预先收集的皮质骨和松质骨的声波频谱特征进行分析，这样可以提高安全性能。此外，所述皮质骨数据库、松质骨数据库及分析器在实际应用中可以集成一体设置，例如制成声波分析识别芯片。

在另一个实施例中，所述声信号分析系统130还可以包括：鉴别器、声信号-图像转换器132、声信号放大系统131。其中，所述鉴别器用于根据预先建立的皮质骨和松质骨的鉴别标准对所述声信号采集系统120提供的声信号进行鉴别。所述声信号-图像转换器132，用于对所述鉴别器的鉴别结果转换成图像信号并显示。所述声信号放大系统131，用于对所述鉴别器的鉴别结果进行放大并播放，例如可以通过扬声器1310进行播放。其中：所述声信号-图像转换器132还包括：主机和显示屏，用于显示皮质骨、松质骨的图像以及所述激振钻头的倾斜角度。

进一步的，所述声信号分析系统130还包括：声信号报警处理器133，用于当所述鉴别器的鉴别结果为皮质骨信号时产生报警信息。在一个实施例中，所述骨科手术中实时定位导航仪器还包括：报警器150，用于当收到所述倾角传感系统140产生的报警信息时或者当收到所述声信号报警处理器133产生的报警信息时进行蜂鸣报警。

下面针对声信号分析系统对声信号进行分析处理的具体过程进行详细说明。

本发明主要应用Mel分析方法、似然度分析方法对皮质骨和松质骨的声波频谱特征进行分析，分别说明如下：

(1)Mel分析方法

大量研究表明，人耳对声音的频率分辨能力是不均匀的，对低频部分的分辨率较高，对高频部分的分频率较低。人耳的这种频率分辨特性可以用Mel频率来描述，Mel频率与实际频率的变换关系为：

$f_{\mathrm{mel}}=2595{\log }_{10}(1+\frac{f_{\mathrm{lin}}}{700})---\left(1\right)$

其中，f_mel是Mel频率，f_lin表示实际频率。在Mel频域，人耳的频率分辨率是均匀的，将整个Mel频带等间距划分，得到若干个中心频率，以每个中心频率为中点，以上一个和下一个中心频率为截止频率，构建一系列三角带通滤波器，并通过式(1)将其变换回实际频域，即可以得到Mel滤波器组。用每个三角带通滤波器对音频信号的幅度谱加权求和，作为Mel滤波器组的输出，作为信号分析的数据。

此外，在信号处理时，主要包括对原始信号进行数字化、分帧、预加重和加窗等处理，得到每一帧的时域信号x，然后通过FFT求x的幅度谱X：

$X\left(k\right)=\left|\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πkn}}{N})\right|k=\mathrm{0,1},...,N-1---\left(2\right)$

其中，N为帧长。再用Mel滤波器组的每个三角滤波器对幅度谱X进行加权求和：

$S\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)W_m\left(k\right)m=1,...,M---\left(3\right)$

其中，W_m(k)为Mel滤波器组第m个三角滤波器在频率k处的加权因子，M为滤波器个数，S(m)为第m个滤波器的输出。

具体处理过程为：

1、对信号进行数字化，采样率为44100，对信号进行预加重处理，放大信号，并且将信号有用信号取出，以5s数据为长度。

2、对每个长度为5s的数据进行分桢，每桢长度为4410个点(0.1s数据)，对数据加hanning窗，然后进行FFT获得信号的幅度谱。

3、构建Mel滤波器组，去滤波器个数取30。利用式(3)可以得到皮质骨信号和松质骨信号的Mel谱图。从皮质骨信号和松质骨信号的Mel谱图可以非常明显的获取二者的区别。所以通过Mel滤波的方法可以很好区分皮质骨信号和松质骨信号。

(2)似然度分析方法

首先进行声音的前端处理：即在训练声音模型和对测试声音进行分类时，需要对原始声音文件进行前端处理，提取声音的有用信息，即声音的参数，在这里使用子带能量参数。

首先将声音信号分帧，在这里假设将每20ms的声音信号作为一帧。

a)对声音信号前端做预处理，在这里假设用维纳滤波对输入声音信号滤波。

b)预处理后的声音信号经过如下补偿高频信号能量差值：

S′_n＝S_n-kS_n-1其中k设置为0.97(1’)

c)对输入声音帧加Hamming窗后作(快速傅利叶变换，Fast FourierTransformation，FFT)，将时域信号转化为频域信号。其中Hamming窗为：

$s_n^{\′}=\{0.54-0.46\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}(n-1)}{N-1}\right)\}\·s_n---\left(2^{,}\right)$

在对每帧信号做快速傅利叶变换变换后，将信号的频带均分为N个子带，计算信号在每个子带内的能量分布，得到N维的参数来描述该帧信号。通过上述处理发现声音信号的能量主要集中在1KHZ以下，所以在做快速傅利叶变换时，将频谱限制在1KHZ以下，另外N设为10。

然后进行模型训练：即用混合高斯模型(GMM)来描述每类声音信号。混合高斯模型是用高斯混合密度函数来描述声音信号参数的分布概率。高斯混合密度函数是M个高斯密度函数分量的加权和：

$p\left(\stackrel{\→}{x}\right|\mathrm{\λ})=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{b}_i\left(\stackrel{\→}{x}\right)---\left(1^{,,}\right)$

其中，是一帧声音的特征矢量，是混合密度中各个分量的密度函数。

其中每个高斯分量的密度函数均为如下形式的高斯函数：

$b_i\left(\stackrel{\→}{x}\right)=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^{D/2}{\left|{\mathrm{\Σ}}_i\right|}^{1/2}}\exp \{-\frac{1}{2}{(\stackrel{\→}{x}-{\stackrel{\→}{\mathrm{\μ}}}_i)}^{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}_i^{-1}(\stackrel{\→}{x}-{\stackrel{\→}{\mathrm{\μ}}}_i)\}---\left(2^{,,}\right)$

这里是均值矢量，为协方差矩阵，D是特征矢量。其中假设了各维特征分量之间不相关，就是一个对角矩阵，对角线上的元素为各维特征的方差。另外，设定M＝64，并对每一类信号建立一个GMM模型。

最后进行测试：提取测试声音的参数，对每帧参数用(2”)式计算其对应GMM模型的似然度，其中式中的为对应于该GMM模型的参数，并将整段声音中每帧的似然度相乘，得到该测试声音对每类GMM模型的似然度：

$P=\underset{t=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\log p_t$

其中P为该声音文件对GMM模型的似然度，P_t为声音文件中每帧信号对GMM模型的似然度，T为声音的帧数。

对每个测试文件，计算其对每一类的GMM模型的似然度，将其归为似然度最大的一类。

实验结果如下：

1.训练声音：

第一类：A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7

第二类：B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7，

用各类对应的声音文件去训练各类对应的模型。

2.测试声音：

A8，A9，A10，A11，A12，A13，A14，B8，B9，B10，B11，B12，B13，B14

3.测试结果：

其中文件名后的数字对应该声音文件的分类结果。1代表第一类，2代表第二类。

A8  1

A9  1

A10 1

A11 1

A12 1

A13 1

A14 1

B8  2

B9  2

B10 2

B11 2

B12 2

B13 2

B14 2

分类正确率为100％。

需要说明的是，上述仅为理解方便而列举出的一个具体实例，本领域技术人员可以理解的是，在实际应用中可以有很多种变化及具体实现方式。

图2所示为根据本发明实施例提供的骨科手术中实时定位导航仪器的具体结构示意图。如图2所示，从上至下可以看到，本发明实施例提供的骨科手术中实时定位导航仪器包括：圆球手柄1，直径可以在5-6cm；可充电电池2；倾角传感器3，其体积可以为2-3cm³，测定范围为前后左右各75度，精确度为0.5度；蜂鸣报警器4，可以对钻头倾斜角度进行报警，具体为，设定矢状面和横断面安全倾斜角度，显示屏16显示该角度，当倾角超过安全角度时蜂鸣报警。还可以对钻头钻动过程中皮质骨的声信号进行报警，具体为：设定松质骨信号为安全信号，皮质骨信号为危险信号，一旦出现皮质骨信号就即时报警。声信号放大系统的扬声器5，可以对钻头钻动过程中松质骨、皮质骨的声信号进行放大。绿灯6，可以表示钻头位于松质骨内。红灯7，可以表示钻头位于皮质骨内。声波传感器芯片，包含有松质骨和皮质骨声波信号编程处理器，将声波信号转换成灯光信号、蜂鸣报警信号等。声信号采集器9，接收钻头传来的声波。钻头夹10；钻杆刻度11；钻杆12；钻头13；钻头横断面14，呈米字形，具有数个从中心向周围辐射的刃。信息输送电缆15；主机和显示屏16，用于显示皮质骨、松质骨图像以及钻头的倾斜角度。

其中，钻杆刻度11、钻杆12、钻头13、钻头横断面14共组成激振钻头。由头部、体部和尾部组成，头部末端横截面呈米字形，具有从中心向周围辐射状排列的刃，用于钻动时切割骨组织。体部周围光滑，对组织无摩擦。尾部具有能够与骨科手术中即时定位导航仪器体部相互镶嵌的连接头。骨科手术中即时定位导航仪器体部埋藏着声信号采集器。

在具体实现时，本发明骨科手术中即时定位导航仪器可以通过上述钻头对松质骨和皮质骨进行钻动，收集松质骨和皮质骨的原始声信号，建立数据库；应用Mel分析软件、似然度分析软件对声信号的频谱特征进行鉴别；编写声信号-图像处理软件：包括松质骨原始声信号与松质骨的图像的相互关联、皮质骨原始声信号与皮质骨的图像的相互关联；编写声信号-报警处理软件：包括松质骨原始声信号与安全信号的相互关联、皮质骨原始声信号与危险报警信号的相互关联；将原始声信号进行放大处理，在操作的同时能够让术者听到所操作组织的特征信号；编写正常钻头倾斜角度范围与安全信号的相互关联、超出该角度范围的倾斜角度与危险报警信号的相互关联。如此通过声信号-图像、声信号-报警信号、放大声音信号等多重途径反映手术操作组织的特性，并通过对钻头倾斜角度的监控，实现即时导航。

综上所述，从上述各个实施例中可以看出，本发明提供的骨科手术中实时定位导航仪器，能够对松质骨、皮质骨的声信号进行分析、鉴别，实现对术中操作骨组织的即时判断，保证手术安全。如此则可避免术中患者、医生接受太多的射线损伤、同时可以避免影像飘逸、实现即时导航。此外，针对业界现有情况，本发明骨科手术中实时定位导航仪器的应用和推广，可以极大地降低医疗费用，减少进口国外导航系统的开支，取得良好的社会和经济效益。使用本发明可以使术者能够随时得知手术操作部位的组织特征，比既往的导航方法更加安全、并发症发生率更低、手术疗效会更好，且无放射线损害，可减轻手术副损伤。因此，本发明具有即时、简单、低廉、易于推广等诸多优点。

上文具体实施方式和附图仅为本发明的常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露的实施例仅用于说明而非限制，本发明的范围由所附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前的描述。

Claims (10)

1.一种骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于，包括：

激振钻头，用于对被术者的皮质骨或松质骨进行钻动；

声信号采集系统，用于在所述激振钻头钻动的同时收集声信号；

声信号分析系统，用于对所述声信号采集系统提供的声信号进行分析处理；

所述的激振钻头：包括钻杆刻度、钻杆、钻头、钻头横断面，由头部、体部和尾部组成，激振钻头头部末端横截面呈米字形，具有从中心向周围辐射状排列的刃，用于钻动时切割骨组织，体部周围光滑，对组织无摩擦，尾部具有能够与骨科手术中即时定位导航仪器体部相互镶嵌的连接头，骨科手术中即时定位导航仪器体部埋藏着声信号采集器。

2.根据权利要求1所述的骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于，还包括：

倾角传感系统，用于设定安全倾斜角度范围值，当所述激振钻头在矢状面和横断面上的倾斜角度超过该范围值时产生报警信息。

3.根据权利要求2所述的骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于，所述声信号分析系统包括：

皮质骨数据库，根据预先收集的皮质骨的声信号建立；

松质骨数据库，根据预先收集的松质骨的声信号建立；

分析器，用于对预先收集的皮质骨和松质骨的声波频谱特征进行分析，建立皮质骨和松质骨的鉴别标准。

4.根据权利要求3所述的骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于，所述分析器采用Mel分析软件和声波似然度分析软件综合对预先收集的皮质骨和松质骨的声波频谱特征进行分析。

5.根据权利要求3所述的骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于，所述皮质骨数据库、松质骨数据库及分析器集成一体设置。

6.根据权利要求3所述的骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于：所述声信号分析系统还包括：

鉴别器，用于根据预先建立的皮质骨和松质骨的鉴别标准对所述声信号采集系统提供的声信号进行鉴别；

声信号-图像转换器，用于将所述鉴别器的鉴别结果转换成图像信号并显示；

声信号放大系统，用于对所述鉴别器的鉴别结果进行放大并播放。

7.根据权利要求6所述的骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于：所述声信号-图像转换器还包括：

主机和显示屏，用于显示皮质骨、松质骨的图像以及所述激振钻头的倾斜角度。

8.根据权利要求6所述的骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于，所述声信号分析系统还包括：

声信号报警处理器，用于当所述鉴别器的鉴别结果为皮质骨信号时产生报警信息。

9.根据权利要求8所述的骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于，所述骨科手术中实时定位导航仪器还包括：

报警器，用于当收到所述倾角传感系统产生的报警信息时或者当收到所述声信号报警处理器产生的报警信息时进行蜂鸣报警。

10.根据权利要求1所述的骨科手术中实时定位导航仪器，其特征在于，还包括：

指示器，用于通过不同的指示标识分别指示所述激振钻头位于皮质骨内或松质骨内。