CN106880425A - 全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明为全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法与系统，此方法可以实时地获取骨盆姿态，并以获取的骨盆姿态为参考进行假体安装，确定安装角度，本系统硬件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初始姿态测量装置、骨盆动态测量装置和假体安装角度测量装置，每一部分装置都安装同样的传感器模块，将传感器获取的数据传输到计算机，在计算机上完成骨盆姿态和假体安装角度解算；本发明的使用，将为医生进行全髋关节置换手术带来极大的方便，进而提高手术成功率和治疗效果。

Description

全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法与 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及假体安装角度获取方法与系统。

背景技术

随着人口数量的增长和人口老龄化趋势的不断发展，人工关节置换手术越来越多。以髋关节置换术为例，其主要适用于骨性关节炎、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。

全髋关节置换中要切除坏死的髋臼杯和股骨头，用人工假体来替换这些坏死的部分。在替换过程中一个重要方面是要确保人工髋臼假体对于骨盆的适当对准。研究表明，如果髋臼部件或移植物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。然而在如今的人工全髋关节置换手术中，外科医生现在面临的最大问题是如何确定骨盆的姿态以及髋臼假体相对于骨盆的对准。

全髋关节置换中，髋臼假体植入时要以骨盆为参考，如髋臼杯的轴线要与骨盆呈一定的角度，其中最重要的两个角度为前倾角和外展角。在解剖学定义上，对于大多数病人，髋臼假体相对于骨盆的安装角度安全范围是：前倾角5°—25°外展角30°—50°，在全髋关节置换手术中，外科医生将根据病人的具体情况适当精确这两个角度。然而，在现在手术中，骨盆的姿态难以确定，且病人被无菌手术单覆盖，髋臼假体相对于骨盆的安装角度的精确测量难以实现，仅凭外科医生的经验，例如在手术中以手术台平面为参考，会对髋臼假体的安装角度确定带来比较大的误差。

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及假体安装角度获取方法与系统，能在髋关节置换术进行时，准确地得到实时骨盆姿态信息和髋臼假体相对于骨盆的角度信息，使医生在手术过程中能相对精准地放置髋臼假体，进而大大提高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及假体安装角度获取方法，包括：

通过含有运动传感器的骨盆初始姿态测量装置测量骨盆前平面，获取骨盆初始姿态；

通过设置在骨盆侧的含有运动传感器的骨盆动态测量装置，结合骨盆初始姿态与骨盆动态测量装置之间的转换关系，获取骨盆实时姿态；

通过设置在髋臼假体上的含有运动传感器的假体安装角度测量装置，结合髋臼假体轴线与实时骨盆姿态之间的角度关系，获取假体安装角度。

所述骨盆前平面以ABC表示，其中，特征点A为左侧髂前上棘，特征点B为右侧髂前上棘，特征点C为耻骨联合，骨盆坐标系以P表示，其X轴与骨盆前平面垂直，Y轴由A指向B，Z轴垂直X轴和Y轴组成的平面，外展角α是由髋臼假体轴线a在横断面即骨盆XY平面的投影b与骨盆Y轴间的夹角，前倾角β是由髋臼假体轴线a与骨盆Z轴间的夹角；则骨盆初始姿态通过如下方式获取：

先将骨盆初始姿态测量装置的运动传感器置于A处，记录此时的姿态euler1，解算得到轴向C-A的向量和骨盆前平面上与垂直的向量

再将骨盆初始姿态测量装置的运动传感器置于B处，记录此时的姿态euler2，解算得到轴向C-B的向量和骨盆前平面上与垂直的向量

由和得到骨盆前平面的法向量，即骨盆的X轴该状态时在大地坐标系下的向量值由和得到骨盆的Y轴该状态时在大地坐标系下的向量值通过右手定则得到骨盆Z轴在大地坐标系下的向量值

推算得到该状态下骨盆相对的大地坐标系的姿态，即骨盆的初始姿态P₀(ω_x,ω_y,ω_z)：

ω_y＝arcsin(-z′(1)_p)

式中，z′(1)_p表示向量的第一个值，z′(2)_p表示向量的第二个值，z′(3)_p表示向量的第三个值，y′(1)_p表示向量的第一个值，x′(1)_p表示向量的第一个值，ω_x由ω_x1和ω_x2根据角度范围确定，ω_z由ω_z1和ω_z2根据角度范围确定。

在获取骨盆初始姿态P₀的同时，骨盆动态测量装置的姿态D₀也同时获取，通过求解得到骨盆动态测量装置与骨盆初始姿态之间的转换关系当患者处于方便手术的状态时，骨盆的实时姿态根据骨盆动态测量装置及该装置与骨盆之间的姿态转换关系获取：

式中，angle2dcm表示欧拉角转换成旋转矩阵的转换方程。

通过假体安装角度测量装置解算获取髋臼假体姿态，进而得到假体轴线根据安装角度的定义得到外展角α和前倾角β：

式中，表示假体轴线在骨盆坐标系下的向量值，表示在横断面上的投影值，和分别表示骨盆y轴向量和z轴向量。

所述骨盆初始姿态测量装置包括旋转轴31，三条带有刻度线32的可拉伸的臂33的一端安装在旋转轴31上，其中两条的另一端设置有固定脚34，另一条的另一端设置有运动传感器模块一35；所述骨盆动态测量装置，包括固定针22，固定针22的尾端设置有运动传感器模块二21；所述假体安装角度测量装置包括安装在髋臼假体11上的运动传感器模块三12。

本发明还提供了实现所述全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法的系统，包括：

姿态数据获取模块，包括骨盆初始姿态测量装置、骨盆动态测量装置和假体安装角度测量装置；

数据采集模块，设置于姿态数据获取模块中，包括用于获取姿态信息的运动传感器；

数据处理模块，设置于姿态数据获取模块中，用于将运动传感器采集的数据存在缓冲区；

数据传输模块，设置于姿态数据获取模块中，用于将缓冲区中的数据发送至体外接收器；

体外处理模块，用于对数据传输模块发送的数据进行处理，进而解算得到所需姿态和角度信息。

所述数据采集模块由分别安装于骨盆初始姿态测量装置上的运动传感器模块一35、安装于骨盆动态测量装置上的运动传感器模块二21和假体安装角度测量装置上的运动传感器模块三12组成。

所述运动传感器模块一35、运动传感器模块二21和运动传感器模块三12的结构相同，均包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。

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/蓝牙将传感器数据进行传输，所述体外处理模块，包括用于骨盆姿态及假体安装角度解算的计算机或平板电脑。

本发明的使用，将为医生进行全髋关节置换手术带来极大的方便，进而提高手术成功率和治疗效果。

附图说明

图1为本发明所述系统结构示意图。

图2位骨盆结构和假体安装角度示意图。

图3为本发明所述系统的硬件功能框图。

图4为本发明所述姿态解算流程图。

图5为本系统骨盆姿态和假体安装角度解算流程图。

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及假体安装角度获取方法与系统，能在实施全髋关节置换手术时，实时地测得骨盆姿态和假体安装角度，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，其中框图I中为假体安装角度测量装置，图II中为骨盆实时姿态测量装置，图III中为骨盆初始姿态测量装置。图I中髋臼杯假体11上固定有传感器模块三12，传感器模块三12上有其使用的传感器和MCU等元件13，图II中，固定针22在手术中要固定在骨盆上，其尾端有传感器模块二21。图III中，旋转轴31上安装有三条带刻度线32的可拉伸的臂33，两条臂33的尾端为固定脚34，另一条臂33的尾端为传感器模块一35，旋转轴31和固定脚34用来将装置固定在骨盆前平面上，刻度线32用来表征拉伸臂33的长度。

为方便下面表述，现在简单介绍一下骨盆结构以及假体安装角度，见图2。图中特征点A和B为左侧髂前上棘和右侧髂前上棘，特征点C为耻骨联合，骨盆前平面由这三个点表示。图中P为骨盆坐标系，其X轴与骨盆前平面垂直，Y轴由A指向B，Z轴垂直X轴和Y轴组成的平面。图2中α为外展角，它是由髋臼杯轴线a在横断面(骨盆XY平面)的投影b与骨盆Y轴间的夹角，β为前倾角，它是髋臼杯轴线a与骨盆Z轴间的夹角。

医生在全髓关节置换手术中使用本实施例的操作流程为：

步骤1.医生将患者的髋臼坏死、病害部分磨除；

步骤2.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.将动态测量装置II固定在骨盆完好的一侧；

步骤3.医生将测量装置III的固定旋转轴31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，保证将两个固定脚34分别固定在左右髂前上棘上；

步骤4.医生打开计算机和相应程序，将骨盆初始测量装置的模块35放置A侧髂前上棘，通过按键记录此时测量模块的姿态D₁，进而解算得到轴向C-A的向量和骨盆前平面上与垂直的向量绕旋转轴旋转至另一侧髂前上棘B处，同样记录该处测量模块的姿态D₂，同样得到和由和可以确定骨盆前平面的法向量，即骨盆的X轴在该状态时在大地坐标系下的向量值通过和可以得到该状态下骨盆Y轴在大地坐标系下的向量值根据坐标系右手定则可以确定骨盆Z轴在大地坐标系下向量值进而可推算得到该状态下骨盆相对的大地坐标系的姿态，即骨盆的初始姿态P₀(ω_x,ω_y,ω_z)。

ω_y＝arcsin(-z′(1)_p)

式中，z′(1)_p表示向量的第一个值，其它类似，ω_x由ω_x1和ω_x2根据角度范围确定，同理，ω_z由ω_z1和ω_z2根据角度范围确定。

步骤5.进行步骤4的同时，骨盆动态测量装置的姿态也同时获得，通过求解，可以得到该装置与骨盆初始姿态之间的转换矩阵

式中，angle2dcm表示欧拉角转换成旋转矩阵的转换方程。

步骤6.将患者放置在方便手术的状态，此时骨盆的实时姿态可由固定的骨盆动态测量装置姿态D_t及该装置与骨盆之间的姿态转换关系可以得到骨盆实时姿态P_t。

步骤7.医生放置带有传感器模块的髋臼杯假体，该假体轴线可由该模块的姿态解算得到，进而根据安装角度的定义可以得到外展角α和前倾角β。

式中，表示假体轴线在骨盆坐标系下的向量值，表示在横断面上的投影值，和分别表示骨盆y轴向量和z轴向量。

步骤4到步骤7可以归纳为图5所示的解算流程图。

步骤8.取出髋臼杯上的传感器模块，完成假体安装角度测量。

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。

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对运动传感器进行配置；

步骤3.将运动传感器采集的数据存储在缓冲区；

步骤4.完成数据采集后，将数据以无线(WIFI/蓝牙)模式发出；

步骤5.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3所示的计算机。完成姿态和角度解算及显示。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.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.解算各测量装置中模块的姿态，姿态解算流程见图4；

步骤3.根据装置III采集的数据进行骨盆初始姿态测量，并通过得到骨盆姿态与装置II之间的转换关系得到骨盆实时姿态；

步骤4.根据髋臼杯上传感器数据解算髋臼杯轴线向量，并根据该轴线与步骤4得到的骨盆实时姿态之间的关系解算假体安装角度；

步骤5.将最终得到的姿态和角度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，进而完成髋关节置换手术。

Claims (9)

1.一种全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法，其特征在于，包括：

通过含有运动传感器的骨盆初始姿态测量装置测量骨盆前平面，获取骨盆初始姿态；

通过设置在骨盆侧的含有运动传感器的骨盆动态测量装置，结合骨盆初始姿态与骨盆动态测量装置之间的转换关系，获取骨盆实时姿态；

通过设置在髋臼假体上的含有运动传感器的假体安装角度测量装置，结合髋臼假体轴线与实时骨盆姿态之间的角度关系，获取假体安装角度。

2.根据权利要求1所述全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法，其特征在于，所述骨盆前平面以ABC表示，其中，特征点A为左侧髂前上棘，特征点B为右侧髂前上棘，特征点C为耻骨联合，骨盆坐标系以P表示，其X轴与骨盆前平面垂直，Y轴由A指向B，Z轴垂直X轴和Y轴组成的平面，外展角α是由髋臼假体轴线a在横断面即骨盆XY平面的投影b与骨盆Y轴间的夹角，前倾角β是由髋臼假体轴线a与骨盆Z轴间的夹角；则骨盆初始姿态通过如下方式获取：

先将骨盆初始姿态测量装置的运动传感器置于A处，记录此时的姿态euler1，解算得到轴向C-A的向量和骨盆前平面上与垂直的向量

再将骨盆初始姿态测量装置的运动传感器置于B处，记录此时的姿态euler2，解算得到轴向C-B的向量和骨盆前平面上与垂直的向量

由和得到骨盆前平面的法向量，即骨盆的X轴该状态时在大地坐标系下的向量值由和得到骨盆的Y轴该状态时在大地坐标系下的向量值通过右手定则得到骨盆Z轴在大地坐标系下的向量值

${\stackrel{\→}{x}}_p={\stackrel{\→}{x}}_1\×{\stackrel{\→}{x}}_2$

${\stackrel{\→}{y}}_p=({\stackrel{\→}{y}}_1+{\stackrel{\→}{y}}_2)/2$

${\stackrel{\→}{z}}_p={\stackrel{\→}{x}}_p\×{\stackrel{\→}{y}}_p$

推算得到该状态下骨盆相对的大地坐标系的姿态，即骨盆的初始姿态P₀(ω_x,ω_y,ω_z)：

ω_y＝arcsin(-z′(1)_p)

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{x1}=arcsin(z^{\′}{\left(2\right)}_p/cos({\mathrm{\ω}}_y\left)\right)\\ {\mathrm{\ω}}_{x2}=\arccos (z^{\′}{\left(3\right)}_p/cos({\mathrm{\ω}}_y\left)\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{z1}=arcsin(y^{\′}{\left(1\right)}_p/cos({\mathrm{\ω}}_y\left)\right)\\ {\mathrm{\ω}}_{z2}=arccos(x^{\′}{\left(1\right)}_p/cos({\mathrm{\ω}}_y\left)\right)\end{array}\right.$

式中，z′(1)_p表示向量的第一个值，z′(2)_p表示向量的第二个值，z′(3)_p表示向量的第三个值，y′(1)_p表示向量的第一个值，x′(1)_p表示向量的第一个值，ω_x由ω_x1和ω_x2根据角度范围确定，ω_z由ω_z1和ω_z2根据角度范围确定。

3.根据权利要求2所述全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法，其特征在于，在获取骨盆初始姿态P₀的同时，骨盆动态测量装置的姿态D₀也同时获取，通过求解得到骨盆动态测量装置与骨盆初始姿态之间的转换关系当患者处于方便手术的状态时，骨盆的实时姿态根据骨盆动态测量装置及该装置与骨盆之间的姿态转换关系获取：

$C_d^p=angle2dcm\left(P_0\right){\left(angle2dcm\right(D_0\left)\right)}^{\′}$

式中，angle2dcm表示欧拉角转换成旋转矩阵的转换方程。

4.根据权利要求2所述全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法，其特征在于，通过假体安装角度测量装置解算获取髋臼假体姿态，进而得到假体轴线根据安装角度的定义得到外展角α和前倾角β：

$\mathrm{\α}=ar\cos \left(\frac{{\stackrel{\→}{z}}_c^{p^{\′}}\·{\stackrel{\→}{y}}_p}{\left|{\stackrel{\→}{z}}_c^{p^{\′}}\right|\·\left|{\stackrel{\→}{y}}_p\right|}\right)$

$\mathrm{\β}=ar\cos \left(\frac{{\stackrel{\→}{z}}_c^p\·{\stackrel{\→}{z}}_p}{\left|{\stackrel{\→}{z}}_c^p\right|\·\left|{\stackrel{\→}{z}}_p\right|}\right)$

式中，表示假体轴线在骨盆坐标系下的向量值，表示在横断面上的投影值，和分别表示骨盆y轴向量和z轴向量。

5.根据权利要求1所述全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法，其特征在于，所述骨盆初始姿态测量装置包括旋转轴(31)，三条带有刻度线(32)的可拉伸的臂(33)的一端安装在旋转轴(31)上，其中两条的另一端设置有固定脚(34)，另一条的另一端设置有运动传感器模块一(35)；所述骨盆动态测量装置，包括固定针(22)，固定针(22)的尾端设置有运动传感器模块二(21)；所述假体安装角度测量装置包括安装在髋臼假体(11)上的运动传感器模块三(12)。

6.实现权利要求1所述全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取方法的系统，其特征在于，包括：

姿态数据获取模块，包括骨盆初始姿态测量装置、骨盆动态测量装置和假体安装角度测量装置；

数据采集模块，设置于姿态数据获取模块中，包括用于获取姿态信息的运动传感器；

数据处理模块，设置于姿态数据获取模块中，用于将运动传感器采集的数据存在缓冲区；

数据传输模块，设置于姿态数据获取模块中，用于将缓冲区中的数据发送至体外接收器；

体外处理模块，用于对数据传输模块发送的数据进行处理，进而解算得到所需姿态和角度信息。

7.根据权利要求6所述全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取系统，其特征在于，所述数据采集模块由分别安装于骨盆初始姿态测量装置上的运动传感器模块一(35)、安装于骨盆动态测量装置上的运动传感器模块二(21)和假体安装角度测量装置上的运动传感器模块三(12)组成。

8.根据权利要求7所述全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取系统，其特征在于，运动传感器模块一(35)、运动传感器模块二(21)和运动传感器模块三(12)的结构相同，均包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。

9.根据权利要求6所述全髋关节置换手术中骨盆姿态及假体安装角度获取系统，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/蓝牙将传感器数据进行传输，所述体外处理模块，包括用于骨盆姿态及假体安装角度解算的计算机或平板电脑。