CN103735303B - 全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统 - Google Patents

全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统 Download PDF

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Abstract

全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，分为硬件与软件两部分：硬件按功能可分为传感数据采集、数据合并与处理、数据传输三个模块，负责将图像、加速度等信息采集并封装成一帧图像数据并传输到计算机或平板电脑上；软件按功能可分为数据提取、位置与姿态测算、数据融合、3D显示四个部分，负责通过各种传感数据计算出人工股骨头和髋臼的相对位置和姿态，并由冗余数据的融合提高测算的精确性和可靠性，以3D形式动态呈现给医生，本发明通过图像传感器与运动传感器的配合，实时地呈现股骨头在髋臼内的运动情况及股骨头和髋臼的相对位置关系，辅助医生在手术过程中直观地看到人工股骨头与髋臼的安装情况，大大提高全髋关节置换术的成功率及手术疗效。

Description

全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统
技术领域
本发明涉及医学电子技术领域，具体涉及一种全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统。
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。再加上当今人口日趋老龄化，骨性关节炎患者数量呈上涨趋势，医院每年进行的人工关节置换手术也越来越多。
然而，髋关节置换术仍存在有需要改进的地方。在现今的髋关节置换术中，将股骨头假体装入髋臼的过程全凭借手术医生的经验进行操作，医生无法直观地看到股骨头假体在髋臼中的运动情况，无法准确地肯定股骨头假体是否安装在了髋臼中合适的位置。假如置换时假体的安装位置不正确，重则导致患者在术后出现运动受限或是假关节脱臼的现象，轻则由于假体长期受力不均，加速磨损，导致假体使用寿命锐减。一般而言，成功的人工髋关节置换手术可以为进行了人工髋关节置换的病人提供20年甚至更长时间的服务；但如果由安装位置偏差导致了关节长期受力不均，那么人工髋关节的使用寿命将锐减至7-8年甚至更短。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，能在全髋关节置换术进行时，以3D的方式实时地、精确地、动态地呈现出股骨头假体在髋关节内的位置与姿态，方便医生更直观地判断出人工髋关节安装位置与角度是否正确，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：
全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，包括：
人工股骨头试模，安装于人工髋臼内，其中人工髋臼的内表面设置有多个各不相同的二维码标识；
数据采集模块，设置于人工股骨头试模中，包括用于获取自身位置与姿态的运动传感器以及用于采集所述二维码标识的图像传感器；
数据合并与处理模块，设置于人工股骨头试模中，用于将所述运动传感器采集的运动数据伪装成一行图像数据，并替换掉图像传感器所采集的一帧图像中的首行数据，使所有数据最终统一按图像数据格式存储在等待发送的缓冲区内，缓冲区以一帧数据为存储/发送单位，存储完一帧图像后开始发送，发送完一帧图像后再次存储新的一帧图像；
数据传输模块，设置于人工股骨头试模中，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，提取图像数据和运动数据，获得人工髋臼在人体内的安装角度和人工股骨头试模在髋臼内的位置与姿态。
所述人工髋臼为金属制造，在其内表面镀有二维码图案阵列，当图像传感器拍到一帧图像并发送至体外，体外处理器将分辨出图像中的二维码图案个数、种类，从而判断出此时人工股骨头试模与人工髋臼的相对位置。
所述人工股骨头试模包括一个底座和一个透明的半球罩，半球罩位于人工髋臼内，所述运动传感器、图像传感器、数据合并与处理模块和数据传输模块设置于底座和半球罩之间，图像传感器的图像采集部分采用朝向人工髋臼的微距广角镜头。
所述运动传感器包括三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪。
所述数据合并与处理模块由一个FPGA或MCU实现。
所述数据传输模块采用wifi或者USB或者以太网线方式将数据外送。
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图像数据、加速度数据、地磁数据和角速度数据的数据提取模块；
用于根据数据提取模块的提取数据进行人工股骨头试模和人工髋臼的静态与动态的位置与姿态测算的位置与姿态测算模块；
用于融合根据图像传感器数据测算出的位置与姿态同根据运动传感器数据测算出的位置与姿态之间数据冗余的数据融合模块；图像数据测算出的位置与姿态和运动传感数据测算出的位置与姿态存在数据冗余，使用卡尔曼滤波器将冗余的数据融合，一方面能提高数据的可靠性和准确性，另一方面能校准加速度计、陀螺仪随使用时间产生的漂移现象。
以及用于根据数据融合模块的输出数据，利用3D引擎渲染出人工髋臼在人体内的安装角度和人工股骨头试模在髋臼内运动过程的3D显示模块。医生可以由此直观地看到患者腿部在正常范围内运动时人工股骨头试模是否会碰撞人工髋臼边缘甚至出现脱臼。根据观察3D图像和带动患者腿部运动，医生将对人工髋臼和人工股骨头的安装角度、深度、位置等进行调整。
所述体外处理器为计算机或平板电脑。
所述位置与姿态测算模块中，对静态位置与姿态进行测算时，保持人工髋关节静止不动，根据图像数据中出现的二维码图案个数和图案种类，测算得到拍摄此帧图像时人工股骨头试模与人工髋臼的相对位置；根据三轴加速度数据、地磁数据和重力加速度、地磁方向的夹角，测算出人工股骨头试模相对于大地的绝对姿态；再通过将相对位置与绝对姿态结合，最终可测算出人工股骨头试模和人工髋臼静态的、相对或绝对的位置与姿态。
所述位置与姿态测算模块中，对动态位置与姿态进行测算时，图像传感器通过连续拍摄的图像数据测算出连续运动的位置与姿态，运动传感器通过在静态位置与姿态上叠加位移、转动得到动态的位置与姿态，位移通过三轴加速度积分得到，转动通过三轴角速度积分得到。
本发明的使用，将大大减少医生进行全髋关节置换的手术难度，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为本发明所述系统的硬件功能框图。
图3为本发明所述系统的硬件工作流程图。
图4为本发明所述图像与运动数据合并缓存方法的示意图。
图5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对本发明做进一步详细说明。
本发明提供了一种全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，能在全髋关节置换术进行时，以3D的方式实时地、精确地、动态地呈现出股骨头假体在髋关节内的位置与姿态。
本发明的一种实施例产品示意图如图1所示，由人工髋臼1、人工股骨头试模2和体外处理器3三部分组成。人工髋臼1为金属制造，在其内表面镀有多个各不相同的二维码标识11组成的二维码图案阵列。人工股骨头试模2是在装入高耐磨的人工股骨头之前，用于检测人工髋关节安装位置姿态是否合适的试验用一次性消耗品。其结构如图1所示，由透明的半球罩21、底座22和内部功能模块23三部分组成。人工股骨头试模2与最终装入人体的人工股骨头有着完全相同的外形尺寸，内部带有大量电路，但不具备高耐磨性。在使用试模确认人工髋关节安装位置姿态合适之后，人工股骨头试模2将被替换为相同外形尺寸的高耐磨人工股骨头，其中内部功能模块23包括数据采集模块、数据合并与处理模块以及数据传输模块，数据采集模块包括运动传感器（由三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪组成）和图像传感器，图像传感器的图像采集部分采用朝向人工髋臼的微距广角镜头24。体外处理器3可以采用计算机或平板电脑。
根据以上结构，下面为医生在全髋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，并将人工髋臼1装入；
步骤2.切除坏死的股骨头，将电池装入人工股骨头试模2使其内部功能模块23开始工作（上电），再将人工股骨头试模2安装于钢钉上并插入股骨加以固定；
步骤3.医生打开计算机/平板电脑和相应程序，操作患者的腿部，将人工股骨头试模2放入人工髋臼1内；
步骤4.在程序确认人工股骨头试模入臼后，医生将操作患者腿部按人体腿部正常活动范围进行运动，同时观察计算机/平板电脑中的3D动画，确保人工股骨头试模始终处在良好的入臼状态，否则，将拔出人工股骨头试模2，调整人工髋臼1或人工股骨头试模2的角度与位置；
步骤5.在确保人工髋关节安装位置合适后，将人工股骨头试模2摘除换成具有高耐磨特性的人工股骨头，装入人工髋臼1并做缝合处理即可。
由于人工股骨头是固定在钢钉上的，当确定人工股骨头底座在钢钉上的安装位置后，将人工股骨头试模2更换为高耐磨人工股骨头将不会改变之前试模确定的最佳安装角度，可以提高手术成功率和患者术后的舒适度。
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内部功能模块23，如图2所示，可按功能划分为数据采集模块、数据合并与处理模块以及数据传输模块，实现这些功能的电路均位于人工股骨头试模内。硬件部分从上述操作步骤2中，医生为试模装入电池（上电）后便开始工作，直至手术完成才停止工作。
下面将说明该硬件部分工作流程，如图3所示：
步骤1.电池对各模块供电；
步骤2.数据合并与处理模块由FPGA（或MCU）实现，在上电后开始对传感数据采集模块中的图像传感器、运动传感器进行配置；
步骤3.各传感器开始采集数据，图像传感器透过透明半球罩以20帧/秒对二维码图案阵列进行图像采集，运动传感器则以50Hz频率对三轴加速度、角速度、地磁场强度进行采样；
步骤4.数据处理与合并模块中有两个FIFO作为数据数据缓冲区，FIFO_1被配置为写模式（不可读），不断接收运动传感器采集的运动数据，FIFO_1为每个数据（如x轴加速度）分配8-bit的存储空间，使运动数据以像素数据的格式存储于FIFO_1中；
步骤5.FIFO_2被配置为写模式，处理器根据图像传感器的场同步、行同步信号判断图像传感器是否正在采集首行图像，若图像传感器正在采集首行信号，将FIFO_1配置为读模式（不可写），并且以图像传感器的像素时钟为读取时钟，从FIFO_1中读取伪像素数据，存于FIFO_2中；
步骤6.当FIFO_1为空且首行采集仍未结束时，将FIFO_1配置为写模式继续接收运动数据，以图像传感器的像素时钟为FIFO_2的写入时钟，向FIFO_2写入纯白像素点（0xFF）；
步骤7.图像传感器完成首行信号采集，FIFO_1被配置为写模式继续接收运动数据，而将图像传感器采集的数据存入FIFO_2中；
步骤8.图像传感器完成一帧图像采集，FIFO_2被配置为读模式，图像数据发送模块从FIFO_2中读取数据并以无线（Wi-Fi）或有线（USB、以太网）方式将数据发送出去；
步骤9.FIFO_2数据发送完毕，跳转至第5步，循环重复。
上述硬件完成了将所需数据采集并发送至体外的工作，其中，数据合并与处理主要利用了“图像传感器数据量比其他传感器大得多”和“消去图像首/末行数据对图像的可识别性无影响”这两个特点，实现了将多传感数据合并为一种数据（图像数据）进行传输。缓冲区以一帧数据为存储/发送单位，存储完一帧图像后开始发送，发送完一帧图像后才可再次存储新的一帧图像。
其中多传感数据合并存储的方法如图4所示，最终第一行为三轴线加速度、角速度和地磁强度数据，其余各行为图像数据。
本实施例的软件部分主要在体外处理器3中实现，如图5所示，可按功能分为数据提取模块、位置与姿态测算模块、数据融合模块、3D显示模块四个部分，软件安装在体外的计算机或平板电脑上，从操作步骤4开始工作直至手术完成。本实施例以计算机作为体外处理器，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，将其解包拆分为图像数据、加速度数据、地磁数据和角速度数据；
步骤2.初始化阶段，医生将人工股骨头试模2放入髋臼并保持静止，等待程序确认入臼；程序检测到人工髋臼1内表面中心处的二维码图案也位于图像数据的中心区域时，判断人工股骨头试模2已入臼，完成初始化；
步骤3.自适应阶段，图像传感器检测人工髋臼1的尺寸及表面二维码图案分布，调整自身内部参数，完成自适应调整；
步骤4.静态位置与姿态测量，医生操作患者腿部保持试模在初始入臼位置（或其他特定位置）静止1秒，此阶段图像数据将被用于测算试模与人工髋臼的相对位置、姿态，三轴加速度和地磁强度将被用于测算试模相对于大地的绝对位置、姿态，二者结合可得到人工髋关节的绝对位置、姿态；
步骤5.动态位置与姿态测量，医生操作患者腿部在正常活动范围内运动，此时图像传感器根据连续拍摄的图像数据来描述运动，运动传感器根据对加速度、角速度积分得到位移与转动信息，二者存在数据冗余，经过卡尔曼滤波器融合后得到更为可靠、准确的位移和转动数据；
步骤6.3D显示，实时、动态地将人工股骨头试模的位移和转动呈现，医生可从显示器中看到人工股骨头试模是否出现偏转、与人工髋臼边缘碰撞甚至脱臼等信息。
在上述软件工作完成后，医生能够确保人工髋关节安装后患者能拥有正常、舒适的腿部活动功能，将试模替换为高耐磨材料制造的人工股骨头，装入人体并进行缝合工作，全髋关节置换手术结束，而实施例中的人工股骨头试模作为一次性消耗品将被丢弃。

Claims (9)

1.全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，其特征在于，包括：
人工股骨头试模，安装于人工髋臼内，其中人工髋臼的内表面设置有多个各不相同的二维码标识；
数据采集模块，设置于人工股骨头试模中，包括用于获取自身位置与姿态的运动传感器以及用于采集所述二维码标识的图像传感器；
数据合并与处理模块，设置于人工股骨头试模中，用于将所述运动传感器采集的运动数据伪装成一行图像数据，并替换掉图像传感器所采集的一帧图像中的首行数据，使所有数据最终统一按图像数据格式存储在等待发送的缓冲区内，缓冲区以一帧数据为存储/发送单位，存储完一帧图像后开始发送，发送完一帧图像后再次存储新的一帧图像；
数据传输模块，设置于人工股骨头试模中，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，提取图像数据和运动数据，获得人工髋臼在人体内的安装角度和人工股骨头试模在髋臼内的位置与姿态。
2.根据权利要求1所述全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，其特征在于，所述人工髋臼为金属制造，在其内表面镀有二维码图案阵列，当图像传感器拍到一帧图像并发送至体外，体外处理器将分辨出图像中的二维码图案个数、种类，从而判断出此时人工股骨头试模与人工髋臼的相对位置。
3.根据权利要求1所述全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，其特征在于，所述人工股骨头试模包括一个底座和一个透明的半球罩，半球罩位于人工髋臼内，所述运动传感器、图像传感器、数据合并与处理模块和数据传输模块设置于底座和半球罩之间，图像传感器的图像采集部分采用朝向人工髋臼的微距广角镜头。
4.根据权利要求1所述全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，其特征在于，所述运动传感器包括三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪。
5.根据权利要求1所述全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，其特征在于，所述数据合并与处理模块由一个FPGA或MCU实现。
6.根据权利要求1所述全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，其特征在于，所述数据传输模块采用wifi或者USB或者以太网线方式将数据外送。
7.根据权利要求1所述全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，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图像数据、加速度数据、地磁数据和角速度数据的数据提取模块；
用于根据数据提取模块的提取数据进行人工股骨头试模和人工髋臼的静态与动态的位置与姿态测算的位置与姿态测算模块；
用于融合根据图像传感器数据测算出的位置与姿态同根据运动传感器数据测算出的位置与姿态之间数据冗余的数据融合模块；
以及用于根据数据融合模块的输出数据，利用3D引擎渲染出人工髋臼在人体内的安装角度和人工股骨头试模在髋臼内运动过程的3D显示模块。
8.根据权利要求7所述全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，其特征在于，所述位置与姿态测算模块中，对静态位置与姿态进行测算时，保持人工髋关节静止不动，根据图像数据中出现的二维码图案个数和图案种类，测算得到拍摄此帧图像时人工股骨头试模与人工髋臼的相对位置；根据三轴加速度数据、地磁数据和重力加速度、地磁方向的夹角，测算出人工股骨头试模相对于大地的绝对姿态；再通过将相对位置与绝对姿态结合，最终可测算出人工股骨头试模和人工髋臼静态的、相对或绝对的位置与姿态。
9.根据权利要求7所述全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，其特征在于，所述位置与姿态测算模块中，对动态位置与姿态进行测算时，图像传感器通过连续拍摄的图像数据测算出连续运动的位置与姿态，运动传感器通过在静态位置与姿态上叠加位移、转动得到动态的位置与姿态，位移通过三轴加速度积分得到，转动通过三轴角速度积分得到。
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