CN103892921B - 一种医用骨外科三维定位导向器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用骨外科三维定位导向器，设置静态测量单元和动态测量单元两大测量系统，实现了实时测量各种环境下的方位角和矢状角，静止测量系统为动态测量系统提供一个相对静止的参考坐标系，实时保持与患者的皮肤成垂直状态，不会因为患者身体的移动而出现偏差，医护人员可以得到实时的位置准确信息提骨外科手术以及其他手术的成功率。本发明可以实时显示器械位置情况的便携式骨外科手术三维定位导向器，可以在临床中辅助医护人员准确确定器械位置与人体皮肤之间的矢状角和方位角的大小，实现精确导向；可进行实时校准，避免了各种人为失误。

Description

一种医用骨外科三维定位导向器

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种医用骨外科三维定位导向器。

背景技术

已有的骨外科手术操作中，穿刺技术应用、极为广泛，特别是在进行脊柱外科的经椎弓根手术操作时，必须在唯一正确的骨性通道内进行穿刺，从而使螺钉或骨水泥等置入位置准确，故而要求临床医师能高精度地确定器械操作的矢状角和方位角。然而，目前一般都是靠医生眼观目测的经验来粗略估计角度的大小，因此，即使是经验很丰富的医生，也无法保证角度的完全正确或者基本准确。文献报道椎弓根螺钉的误置率介于10％～33.7％，并发症后果严重。矢状角不准确可能使椎弓根钉置于椎间盘或者伤及椎间孔内的神经根，导致内固定失效或感觉运动功能障碍：方位角(内倾角)过大或者过小，可使椎弓根钉进入椎管内或者穿出椎体外壁，伤及脊髓和腹内大血管及脏器，造成严重的后果。

专利号为9724488.1的中国实用新型专利、专利号为200620024102.8的中国实用新型专利、专利号为200920101434.5的中国实用新型专利公开了几种用于椎弓根固定手术的辅助装置，但基本上是同一个类型，差别在于材料，以及在实现工艺上的改进。其中，专利号为9724488.1的中国实用新型专利所公开一种机械式椎弓根固定手术的辅助装置：通过调节连接板和定位板上的螺栓和螺母来将定位板，连接板和弯板固定以保持调整好的角度和横向距离。手术时，固定弯板上的导向孔中的打孔器即所对位置。该辅助装置的不足之处在于：在打孔之前，固定好角度和横向距离，不可能做到依据具体的个体的差异及时调整这个角度和横向距离。

整个装置由木头，螺钉和螺母构成。从本身的材料的物理特性很难保证其固有精度；再经过加工时的工具精度，同样影响其装置的精度。在手术中医护人员的差异，很难要求每一个使用人员在读取刻度是遵守读取规则，从实际使用中又引入人为误差。由于定位板和链接板，以及弯板是通过螺钉和螺母的方式固定，很唯保证在使用前和使用中，不会由于外力的作用而产生相对位移，而造成定位角度上的偏差。从其装置本身的构造的描述，决定其体积过大，不便携，不能提供动态的位置信息使医护人员根据个体差异及时调整角度满足具体情况要求，而且使用相对繁琐复杂。其装置必须锚定于棘突等骨性结构之上，只适合于开放手术中相应的解剖标志获得清楚显露的情况之下，无法应用于目前广泛兴起的微创脊柱外科手术，如：经皮椎弓根螺钉固定术、经皮椎体成形术、经皮椎体后凸成形术等术式。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种医用骨外科三维定位导向器，旨在解决现有的椎弓根固定手术辅助装置存在的使用复杂，精度较低的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种医用骨外科三维定位导向器，该医用骨外科三维定位导向器包括：静态测量单元和动态测量单元；

获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，并转换为方位角和矢状角信息，同时将信息显示的静态测量单元；

与静态测量单元连接，接收静态测量单元转换的方位角和矢状角信息，获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，转换为动态测量单元的方位角和矢状角，与接收的静态测量单元方位角和矢状角信息进行对比分析，从而得到医疗器械与患者需要穿刺位置的皮肤之间的方位角和矢状角信息的动态测量单元；

静态测量单元还包括：第一供电单元、第一传感器单元、激光准直单元、第一微控制器单元、无线发送单元、第一显示单元；

第一供电单元与第一微控制器单元连接，用于为第一微控制器单元提供稳定的电源；

第一传感器单元与第一微控制器单元连接，用于获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量；

激光准直单元与第一微控制器单元连接，用于通过发射激光准直信号，通过照射贴在患者皮肤上面的反光纸来实时调整静态测量单元与皮肤之间是否为垂直状态；

第一微控制器单元接收第一传感器单元获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，并转换为静态测量单元的方位角和矢状角信息；

无线发送单元，用于实现转换静态测量单元的方位角和矢状角信息的发送；

第一显示单元，用于实现转换静态测量单元的方位角和矢状角信息的显示；

动态测量单元还包括：第二供电单元、第二传感器单元、第二微控制器单元、无线接收单元、第二显示单元；

第二供电单元与第二微控制器单元连接，用于为第二微控制器单元提供稳定的电源；

第二传感器单元与第二微控制器单元连接，用于获取医疗器械的方位角和矢状角信息；

第二微控制器单元，用于接收第二微控制器单元获取的医疗器械方位角和矢状角信息、无线接收单元接收无线发送单元发送的转换静态测量单元的方位角和矢状角信息，并分析获得的两种方位角和矢状角信息；

无线接收单元与第二微控制器单元连接，用于接收无线发送单元发送的转换静态测量单元方位角和矢状角信息；

第二显示单元与第二微控制器单元连接，用于将对比分析得到的方位角和矢状角信息显示。

进一步，第一供电单元由锂电池供电，采用电池管理芯片BQ24703。

进一步，第一传感器单元与第二传感器单元中的磁场加速度传感器采用RM-G144磁场加速度传感器模块。

进一步，第一微处理器单元与第二微处理器单元采用MSP430系列微处理器。

进一步，第一显示单元与第二显示单元采用有相应的中文提示字符和符号的液晶显示屏。

进一步，第一无线发送单元与第二无线接收单元采用WIFI、红外、蓝牙或zigbee。

进一步，静态测量单元的处理步骤包括：

步骤一，初始化：即设定测量参考点在寄存器中的保持值置零；

步骤二，发射激光准直信号判断静态测量单元时候与皮肤垂直；

步骤三，获取的加速度分量和磁场强度分量转换为所需的方位角和矢状角信息；

步骤四，将方位角和矢状角信息在第一显示单元上显示，并通过无线传输传输到动态测量单元。

进一步，动态测量单元处理步骤包括：

步骤一，初始化：即设定测量参考点在寄存器中的保持值置零；

步骤二，获取动态测量单元的加速度分量和磁场强度分量转换为所需的方位角和矢状角信息；

步骤三，获取由无线接收单元接收到的静态测量单元的方位角和矢状角信息；

步骤四，将两组方位角和矢状角信息进行处理在第二显示单元显示处理结果和角度信息。

本发明提供的医用骨外科三维定位导向器，设置静态测量单元和动态测量单元两大测量系统，实现了实时测量各种环境下的方位角和矢状角，静止测量系统可以为动态测量单元提供一个相对静止的参考坐标系，实时保持与患者的皮肤成垂直状态，不会因为患者身体的移动而出现偏差，医护人员可以得到实时的位置准确信息提骨外科手术以及其他手术的成功率。本发明可以实时显示器械位置情况的便携式骨外科手术三维定位导向器，可以在临床中辅助医护人员准确确定器械位置与人体皮肤之间的矢状角和方位角的大小，实现精确导向；可进行实时校准，避免了各种人为失误。

附图说明

图1是本发明实施例提供的医用骨外科三维定位导向器的结构示意图；

图中：1、静态测量单元；1-1、第一供电单元：1-2、第一传感器单元；1-3、激光准直单元；1-4、第一微控制器单元；1-5、无线发送单元：1-6、第一显示单元；2、动态测量单元；2-1、第二供电单元；2-2、第二传感器单元；2-3、第二微控制器单元；2-4、无线接收单元：2-5、第二显示单元；

图2是本发明实施例提供的静态测量单元的工作流程图；

图3是本发明实施例提供的动态测量单元的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

扣图1所示，本发明实施例的医用骨外科三维定位导向器主要由静态测量单元1和动态测量单元2组成；

获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，并转换为方位角和矢状角信息，同时将信息显示的静态测量单元1：

与静态测量单元1连接，接收静态测量单元1转换的方位角和矢状角信息，获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，转换为动态测量单元的方位角和矢状角；与接收的静态测量单元方位角和矢状角信息进行对比分析，从而得到医疗器械与忠者需要穿刺位置的皮肤之间的方位角和矢状角信息的动态测量单元2。

静态测量单元1还包括：第一供电单元1-1、第一传感器单元1-2、激光准直单元1-3、第一微控制器单元1-4、无线发送单元1-5、第一显示单元1-6组成；

第一供电单元1-1与第一微控制器单元1-4连接，用于为第一微控制器单元1-4提供稳定的电源；

第一传感器单元1-2与第一微控制器单元1-4连接，用于获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量；

激光准直单元1-3与第一微控制器单元1-4连接，用于通过发射激光准直信号，通过照射贴在患者皮肤上面的反光纸来实时调整静态测量单元1与皮肤之间是否为垂直状态；

第一微控制器单元1-4接收第一传感器单元1-2获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，并转换为静态测量单元1的方位角和矢状角信息；

无线发送单元1-5，用于实现转换静态测量单元1的方位角和矢状角信息的发送；

第一显示单元1-6，用于实现转换静态测量单元1的方位角和矢状角信息的显示：

动态测量单元2还包括：第二供电单元2-1、第二传感器单元2-2、第二微控制器单元2-3、无线接收单元2-4、第二显示单元2-5组成；

第二供电单元2-1与第二微控制器单元2-3连接，用于为第二微控制器单元2-3提供稳定的电源；

第二传感器单元2-2与第二微控制器单元2-3连接，用于获取医疗器械的方位角和矢状角信息；

第二微控制器单元2-3，用于接收第二微控制器单元获取的医疗器械方位角和矢状角信息、无线接收单元2-4接收无线发送单元发送的转换静态测量单元1的方位角和矢状角信息，并分析获得的两种方位角和矢状角信息；

无线接收单元2-4与第二微控制器单元2-3连接，用于接收无线发送单元发送的转换静态测量单元1方位角和矢状角信息；

第二显示单元2-5与第二微控制器单元2-3连接，用于将对比分析得到的方位角和矢状角信息显示。

第一供电单元1-1由锂电池供电，整个供电系统采用电池管理芯片BQ24703管理，BQ24703是专门为笔记本电脑设计的电池充电控制器和选择器，用于给锂离子和锂聚合物电池进行充放电；利用动态电源管一理和适配器来自动调节电池的充电电流，从而使电池充电时间缩至最短。对锂电池充电时，充电电压精度为0.4％；在对Ni/Cd，Ni/MH、锂离子电池、锂聚合物电池充电时，充电电流精度为±4％；同时它利用300KHZ的固定频率和PWM来精确控制电池的充电电流和电压。

通过使用BQ24703，本发明可以实现设定充电适配器电流大小，设定充电压的大小，动态的电源管理，电池耗尽检测。

在静态测量单元1中，第一微控制器单元1-4、第一传感器单元1-2和第一无线发送单元1-5，第一显示单元1-6封装为一体的印刷电路板，传感器应该布置在印刷电路板的中心位置：由于传感器易受铁性，磁性材料的影响，为了减少这种干扰，将无线发送单元1-5布置在印刷电路板的末端，尽最大可能离传感器的最远处；在布置传感器周围的器件应避免在传感器四周围10毫米内出现；印刷电路板在设备器械上的固定位置，要保证印刷电路板的中轴线与整个设备器械的中轴线重合，否则将会给测量带来误差。整个印刷电路板不需要导线与外界联系，从而实现无线传输，无线传输相应数据在第一显示单元1-6上显示。

在动态的测量单元2中，第一微控制器单元2-3、第二传感器单元2-2、第二无线接收单元2-4、第二显示单元2-5封装为一体的印刷电路板，由于静态测量单元1与动态测量单元2采用相同的传感器作为传感器测量单元。

第一传感器单元1-2与第二传感器单元2-2中的磁场加速度传感器采用RM-G144磁场加速度传感器模块，RM-G144为六轴电子罗盘加速度模块，使用一颗3轴加速度的ADXL345，以及一颗3轴磁场传感器HMC5843，模块上面除了传感器芯片，周围还设计了保护电路，可避免由于误操作而烧毁模块的情况发生。整个RM-G144大小为2cm x 2cm，以I2C介面通訊，最高传输速度可达到400kbps，具有双向的对接插座，使用相当灵活。

第一微处理器单元1-4与第二微处理器单元2-3为超低功耗高性能的微处理器，使用TI公司的MSP430系列微处理器，也可以使用ATMEL公司、NXP公司、意法公司或AD公司的微处理器。

第一显示单元1-6与第二显示单元2-5采用的是小尺寸的液晶，有相应的中文提示字符和符号，当然也可以采取其它显示载体，显示单元可以安装于方便医护人员方便察看的器械上。

第一无线发送单元1-5与第二无线接收单元2-4为WIFI传输芯片。也可以通过其它无线数据传输技术，如：红外、蓝牙、zigbee等。

本发明的工作原理：

第一微处理器单元1-4接收处理静态测量单元1的方位角和矢状角信息，然后，第一微处理器单元1-4将信息经过WIFI传输到动态测量单元2的WIFI第二无线接收单元2-4，第二微处理器单元2-3将得到的两组方位角和矢状角信息进行相应的处理。

由第一传感器单元1-2与第二传感器单元2-2所得到加速度分量(Xg，Yg，Zg)和磁场强度分量(Xh，Yh，Zh)，依据上述地理坐标系和器械体坐标系变化过程与矢状角和方位角的关系，可以测得方位角，其计算公式：

公式1

$\mathrm{\ρ}=-a\tan 2\left(\frac{(-Xg)}{\sqrt{{(-Yg)}^2+{(-Zg)}^2}}\right)=a\tan 2\left(\frac{Xg}{\sqrt{{(-Yg)}^2+{(-Zg)}^2}}\right)$

公式2

$\mathrm{\φ}=a\tan 2\left(\frac{-(-Yg)}{-(-Zg)}\right)=a\tan 2\left(\frac{Yg}{Zg}\right)$

公式3

Xh＝Xm*cos(ρ)-Ym*sin(ρ)*sin(φ)-Zm*cos(φ)*sin(ρ)

Yh＝Ym*cos(φ)-Zm*sin(φ)

$azimuth=a\tan 2\left(\frac{-Xh}{Yh}\right)$

其中：ρ为roll角，φ为pitch角，azimuth为方位角。

本发明还可结合使用软件，软件体现为计算机和微控制器可读介质上的可读代码；可读介质是任何数据储存装置，该储存装置能够储存其后可以有计算机和微处理器读取的数据。微处理器可读介质示例包括闪存(FLASH)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)；计算机可读介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、CD-ROM，磁带、光数据存储装置、以及载波(例如：通过因特网传输数据)。可读介质能够分布在连接到处理器的网络上，从而使可读代码分布式存储和执行。静态测量单元流程如图2，处理步骤包括：

S201：初始化：即设定测量参考点在寄存器中的保持值置零；

S202：发射激光准直信号判断静态测量单元时候与皮肤垂直；

S203：获取的加速度分量和磁场强度分量转换为所需的方位角和矢状角信息；

S204：将方位角和矢状角信息在第一显示单元上显示，并通过无线传输传输到动态测量单元。

动态测量单元2流程如图3，处理步骤包括：

S301：初始化：即设定测量参考点在寄存器中的保持值置零；

S302：获取动态测量单元的加速度分量和磁场强度分量转换为所需的方位角和矢状角信息；

S303：获取由无线接收单元接收到的静态测量单元的方位角和矢状角信息。

S304：将两组方位角和矢状角信息进行处理在第二显示单元显示处理结果和角度信息。

本发明利用磁北方向和重力方向以及磁西方向建立一个地理坐标系，来作为本装置的绝对参考系。通过磁场加速度传感器测得在绝对坐标系下的器械实时三轴重力分量(Xg，Yg，Zg)和磁场强度分量(Xh，Yh，Zh)，再通过器械体坐标系与地理坐标系之间的转换关系，经过数学变换，就可以提取方位角和矢状角信息，测量得到静态测量系统的方位角和矢状角信息和动态测量单元的方位角和矢状角信息后在经过比较计算后就可以得到相应的器械与患者皮肤之间的角度信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种医用骨外科三维定位导向器，其特征在于，该医用骨外科三维定位导向器包括：静态测量单元和动态测量单元；

获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，并转换为方位角和矢状角信息，同时将信息显示的静态测量单元；

与静态测量单元连接，接收静态测量单元转换的方位角和矢状角信息，获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，转换为动态测量单元的方位角和矢状角，与接收的静态测量单元方位角和矢状角信息进行对比分析，从而得到医疗器械与患者需要穿刺位置的皮肤之间的方位角和矢状角信息的动态测量单元；

静态测量单元还包括：第一供电单元、第一传感器单元、激光准直单元、第一微控制器单元、无线发送单元、第一显示单元；

第一供电单元与第一微控制器单元连接，用于为第一微控制器单元提供稳定的电源；

第一传感器单元与第一微控制器单元连接，用于获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量；

激光准直单元与第一微控制器单元连接，用于通过发射激光准直信号，通过照射贴在患者皮肤上面的反光纸来实时调整静态测量单元与皮肤之间是否为垂直状态；

第一微控制器单元接收第一传感器单元获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，并转换为静态测量单元的方位角和矢状角信息；

无线发送单元，用于实现转换静态测量单元的方位角和矢状角信息的发送；

第一显示单元，用于实现转换静态测量单元的方位角和矢状角信息的显示；

动态测量单元还包括：第二供电单元、第二传感器单元、第二微控制器单元、无线接收单元、第二显示单元；

第二供电单元与第二微控制器单元连接，用于为第二微控制器单元提供稳定的电源；

第二传感器单元与第二微控制器单元连接，用于获取医疗器械的方位角和矢状角信息；

第二微控制器单元，用于接收第二微控制器单元获取的医疗器械方位角和矢状角信息、无线接收单元接收无线发送单元发送的转换静态测量单元的方位角和矢状角信息，并分析获得的两种方位角和矢状角信息；

无线接收单元与第二微控制器单元连接，用于接收无线发送单元发送的转换静态测量单元方位角和矢状角信息；

第二显示单元与第二微控制器单元连接，用于将对比分析得到的方位角和矢状角信息显示。

2.如权利要求1所述的医用骨外科三维定位导向器，其特征在于，第一供电单元由锂电池供电，采用电池管理芯片BQ24703。

3.如权利要求1所述的医用骨外科三维定位导向器，其特征在于，第一传感器单元与第二传感器单元中的磁场加速度传感器采用RM-G144磁场加速度传感器模块。

4.如权利要求1所述的医用骨外科三维定位导向器，其特征在于，第一微处理器单元与第二微处理器单元采用MSP430系列微处理器。

5.如权利要求1所述的医用骨外科三维定位导向器，其特征在于，第一显示单元与第二显示单元采用有相应的中文提示字符和符号的液晶显示屏。

6.如权利要求1所述的医用骨外科三维定位导向器，其特征在于，无线发送单元与无线接收单元采用WIFI、红外、蓝牙或zigbee。

7.如权利要求1所述的医用骨外科三维定位导向器，其特征在于，静态测量单元的处理步骤包括：

步骤一，初始化：即设定测量参考点在寄存器中的保持值置零；

步骤二，发射激光准直信号判断静态测量单元是否与皮肤垂直；

步骤三，获取的加速度分量和磁场强度分量转换为所需的方位角和矢状角信息；

步骤四，将方位角和矢状角信息在第一显示单元上显示，并通过无线传输传输到动态测量单元。

8.如权利要求1所述的医用骨外科三维定位导向器，其特征在于，动态测量单元处理步骤包括：

步骤一，初始化：即设定测量参考点在寄存器中的保持值置零；

步骤二，获取动态测量单元的加速度分量和磁场强度分量转换为所需的方位角和矢状角信息；

步骤三，获取由无线接收单元接收到的静态测量单元的方位角和矢状角信息；

步骤四，将两组方位角和矢状角信息进行处理在第二显示单元显示处理结果和角度信息。