CN108451651A - 一种全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置和方法，属于医用器械系统领域，包括定位患者下肢力线的定位工装、截骨工装、测量全膝关节置换术中胫骨截骨前后倾角的角度测量部件和计算机系统；所述定位工装包括三根刚性杆，依次是第一杆、第二杆和第三杆；所述角度测量部件包括运动传感器、处理运动传感器数据的处理器和无线信息传输的部件。本发明能精确计算胫骨截骨的前后倾角值，再直观化显示在显示器上帮助医生进行胫骨截骨。本发明减少了以前测量的随意性和依赖手术医生的经验，即提高了测量稳定性，也提高了手术效率。

Description

一种全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及医用器械系统领域，尤其涉及一种全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置和方法。

背景技术

传统的全膝关节置换术非常复杂，在病理情况下，由于膝关节的内/外翻，正常的胫骨角发生变化，导致下肢力线偏移，这正是在膝关节置换术的术前计划和手术中需要通过测量和截骨解决的问题。通过计算和测量准确的截骨角度才能使下肢力线获得正确的重建。而重建良好的下肢力线一直是全膝关节置换的主要目的之一，全膝关节置换术的患者术后满意度和假体使用寿命在很大程度上取决于良好的术后膝关节力线。正确的下肢力线可以让患者获得理想的重力矢量传导并优化膝关节运动，同时避免假体和骨水泥之间的界面因受力不均而导致早期失败，同时最大限度的保证伸膝装置的运动功能。

确定胫骨截骨角度的现有技术为：术者根据传统的测量、定位使用术前X光片，手工丈量角度并设计截骨平面；使用一些简单的膝关节胫骨截骨定位导板装置来确定胫骨截骨的角度。将胫骨截骨定位器连接踝夹初步固定于胫骨，通过调节踝夹改变远端定位杆与胫骨前缘皮质的距离，利用目测距离或大体估计来满足截骨后倾角。其次通过调节踝夹使远端定位杆左右滑动，目测远端定位杆的矢状面在内外踝尖中心偏内侧5-10mm处或其矢状面与胫骨前缘皮质线(或距骨中心)平行来控制内外翻。术者根据传统的测量、定位是术前X光片，手工丈量角度并设计截骨平面。误差比较大，准确度取决于医生经验，使用器械多且复杂。

专利CN206333970U公开了一种膝关节胫骨截骨定位导板装置，虽然比以前的使用一些简单的膝关节胫骨截骨定位导板装置来确定胫骨截骨的角度要准确，但通过踝夹来控制内外翻和后倾角的误差比较大，日益不能满足截骨的精确要求，必将影响膝关节置换的疗效。且一般靠目测估计定位力线和角度，若操作不准确则可能导致定位不稳定，不能准确地控制内外翻、内外旋以及胫骨前后倾，而且操作较为复杂。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置和方法，使膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量更准确更方便。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量的精度的提高，以及更方便地进行测量。

为实现上述目的，本发明提供了一种全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，包括定位患者下肢力线的定位工装、截骨工装、测量全膝关节置换术中胫骨截骨前后倾角的角度测量部件和计算机系统。所述定位工装包括三根刚性杆，依次是第一杆、第二杆和第三杆。所述角度测量部件包括运动传感器、处理运动传感器数据的处理器和无线信息传输的部件。

进一步地，计算机系统计算胫骨截骨的前后倾角并成形胫骨截骨的倾角图像。

进一步地，全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置可以在全膝关节置换术过程中，相对角度测量部件在三个不同的位置，计算机系统实时提供胫骨截骨的前后倾角的变化，直观化显示在显示器上帮助医生进行胫骨截骨手术。

进一步地，无线信息传输的部件与计算机系统的通讯连接是蓝牙、移动或者WIFI。

进一步地，无线信息传输的部件与计算机系统之间可进行单向或者双向通信。

进一步地，第一杆、第二杆和第三杆上打孔，角度测量部件可安装在孔上。

进一步地，第一杆和第二杆以及第二杆和第三杆之间是链接或卡式连接。

进一步地，第一杆有四个孔，可固定安装截骨工装。

进一步地，根据角度变化数值，调节第一杆上的截骨工装位置进行截骨。

进一步地，本发明还公开了全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

第一步，通过患者在手术台上的侧卧、平卧和俯卧的固定体位，在计算机系统中设置相对应的体位的模式；

第二步，第三杆的第一端与第二杆的第二端链接在一起，第二杆的第一端与第一杆的第二端链接在一起，在进行胫骨截骨之前，先将第三杆的第二端放置在患者的胫骨截骨的脚踝中心处，第一杆的第一端固定在胫骨平台中心；

第三步，第一杆、第二杆和第三杆的侧面都有三个孔可用于固定角度测量部件，可根据计算机系统提示进行角度测量部件的位置转换；

第四步，打开角度测量部件开关，与计算机系统保持蓝牙通讯，根据计算机系统提示依次选择固定角度测量部件的位置，固定角度测量部件位置选择完毕并安装后，计算机系统将实时显示前后倾角的变化；

第五步，第一杆中间部分有四个孔，根据需要选择其中的孔用来固定连接截骨工装；

第六步，根据角度变化数值，调节第一杆上的截骨工装位置进行截骨。

进一步地，角度传感器可以是几个单独传感器的集成体，也可以为某一单独角度测量器件，功能为测量角度的变化情况，本发明的具体实施例为，运动传感器是加速度计传感器和陀螺仪传感器的集成体。

进一步地，处理器可以各种形式体现，功能体现在数据的存储及运算。

进一步地，定位工装可以是数个刚性杆组合而成，刚性杆的一个部位可以固定角度测量部件，保证角度测量部件相对稳定。

其中本发明的应用软件是针对本发明专门设计编码的程序，可使计算机系统读取从无线信息传输的部件发送的数据，计算并成形显示胫骨截骨的前后倾角。

本发明主要包含两方面，定位工装帮助定位下肢力线获取患者胫骨截骨的数据，测量角度系统获取数据，进行算法计算，计算得出胫骨截骨的前后倾角值，再直观化显示在显示器上帮助医生进行胫骨截骨。本发明可以在全膝关节置换术过程中，实时提供胫骨截骨的前后倾角，以便于医生进行胫骨截骨。

本发明使前后倾角计算更加精确，而且减少了以前测量的随意性和依赖手术医生的经验，即提高了测量稳定性。

本发明操作简单、方便。得到的角度图像直接显示在显示器上，更加直观，提高了手术效率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的角度测量部件安装在第一杆上的测量装置的示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的角度测量部件安装在第二杆上的测量装置的示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的角度测量部件安装在第三杆上的测量装置的示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置的结构示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸、厚度及其比例。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1、图2、图3和图4所示，一种全膝关节置换术中胫骨4截骨的角度测量装置，包括定位患者下肢力线的定位工装1、截骨工装2、测量全膝关节置换术中胫骨4截骨前后倾角的角度测量部件3和计算机系统5。定位工装1包括三根刚性杆，依次是第一杆11、第二杆12和第三杆13。角度测量部件3包括运动传感器31、处理运动传感器数据的处理器32和无线信息传输的部件33。其中第一杆11和第二杆12以及第二杆12和第三杆13之间是链接或卡式连接。第一杆11有四个孔，可固定安装截骨工装2。第一杆11、第二杆12和第三杆13上打孔，角度测量部件3可安装在孔上，图1是本发明的角度测量部件3安装在第一杆11上的测量装置的示意图，图2是本发明的角度测量部件3安装在第二杆12上的测量装置的示意图，图3是本发明的角度测量部件3安装在第三杆13上的测量装置的示意图，图4是本发明的一个较佳实施例的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置的结构示意图。

本发明的最佳实施例中运动传感器31使用的是加速度计传感器以及陀螺仪的组合体，角度测量部件3测量角度的工作原理如下所示：

运动传感器31采集当前位置的加速度计数据以及陀螺仪输出的加速度信息，处理器32对加速度计数据和角速度数据进行处理，而后无线传输的部件33将角度信息发送至计算机系统5，由计算机系统5进行计算。

胫骨4截骨计算的算法：

1)铰链的结构决定了第一杆11、第二杆12和第三杆13形成了一个平面A。

2)假定垂直于平面A的直线为加速度传感器的Y轴，则其X轴和Z轴位于平面A上。

3)由于重力加速度始终指向一个方向，若加速度传感器Y轴方面不改变，则其X轴和Z轴的合加速度g'方向不变且在平面A内。

4)当运动传感器31位于第一杆11时，arctan(X/Z)为X轴与g'夹角的余角。

5)当运动传感器31位于第二杆12时，arctan(X/Z)为X轴与g'夹角的余角。

6)当运动传感器31位于第三杆13时，arctan(X/Z)为X轴与g'夹角的余角。

7)根据三个不同的位置时，X轴与g'夹角关系，利用三角几何关系求解第一杆11与第二杆12的夹角α1，第二杆12与第三杆13的夹角α2。

8)由第二杆12、第三杆13以及α2构成三角形，在第二杆12的第一端与第三杆13的第二端画连线，称虚拟线。

9)已知第二杆12和第三杆13的长度以及α2的角度，由余弦定理可求虚拟线的长度以及虚拟线与第二杆12的夹角α2。

10)已知α1，α3，可求第一杆11与虚拟线夹角α4。

11)胫骨4力线、第一杆11和虚拟线形成了三角形，由余弦定理可以求出胫骨4力线与第一杆11的夹角α。

12)α-90°即为胫骨4平台的前后倾角。

本发明在手术中的使用方法：

第一步，通过患者在手术台上的侧卧、平卧和俯卧的固定体位，在计算机系统5中设置相对应的体位的模式；

第二步，第三杆13的第一端与第二杆12的第二端链接在一起，第二杆12的第一端与第一杆11的第二端链接在一起，在进行胫骨4截骨之前，先将第三杆13的第二端放置在患者的胫骨4截骨的脚踝中心处，第一杆11的第一端固定在胫骨4平台中心；

第三步，第一杆11、第二杆12和第三杆13的侧面都有三个孔可用于固定角度测量部件3，可根据计算机系统5提示进行角度测量部件3的位置转换；

第四步，打开角度测量部件3开关，与计算机系统5保持蓝牙通讯，根据计算机系统5提示依次选择固定角度测量部件3的位置，固定角度测量部件3位置选择完毕并安装后，计算机系统5将实时显示前后倾角的变化；

第五步，第一杆11中间部分有四个孔，根据需要选择其中的孔用来固定连接截骨工装2；

第六步，根据角度变化数值，调节第一杆11上的截骨工装2位置进行截骨。

无线信息传输的部件33与计算机系统5的通讯连接是蓝牙、移动或者WIFI。无线信息传输的部件33与计算机系统5之间可进行单向或者双向通信。

运动传感器31可以是几个单独传感器的集成体，也可以为某一单独角度测量器件，功能为测量角度的变化情况，本发明的具体实施例为，加速度计传感器和陀螺仪传感器的集成体。

处理器32可以各种形式体现，功能体现在数据的存储及运算。

定位工装1可以是数个刚性杆组合而成，刚性杆的一个部位可以固定角度测量部件3，保证该部件相对稳定。

其中本发明的应用软件是针对本发明专门设计编码的程序，可使计算机系统5读取从无线信息传输的部件33发送的数据，计算并成形显示胫骨4截骨的前后倾角。

本发明主要包含两方面，定位工装1帮助定位下肢力线获取患者胫骨4截骨的数据，测量角度系统获取数据，进行算法计算，计算得出胫骨4截骨的前后倾角值，再直观化显示在显示器上帮助医生进行胫骨4截骨。本系统可以在全膝关节置换术过程中，实时提供胫骨4截骨的前后倾角，以便于医生进行胫骨4截骨。

本发明使前后倾角计算更加精确，而且减少了以前测量的随意性和依赖手术医生的经验，即提高了测量稳定性。

本发明操作简单、方便。得到的角度图像直接显示在显示器上，更加直观，从而提高了手术效率。

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、推理或者有限的实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)

1.一种全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，其特征在于，包括定位患者下肢力线的定位工装、截骨工装、测量全膝关节置换术中胫骨截骨前后倾角的角度测量部件和计算机系统；所述定位工装包括三根刚性杆，依次是第一杆、第二杆和第三杆；所述角度测量部件包括运动传感器、处理运动传感器数据的处理器和无线信息传输的部件。

2.如权利要求1所述的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，其特征在于，所述计算机系统计算胫骨截骨的前后倾角并成形胫骨截骨的倾角图像。

3.如权利要求1所述的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，其特征在于，所述全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置可以在全膝关节置换术过程中，相对所述角度测量部件在三个不同的位置，所述计算机系统实时提供胫骨截骨的前后倾角的变化，直观化显示在显示器上帮助医生进行胫骨截骨手术。

4.如权利要求1所述的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，其特征在于，所述无线信息传输的部件与所述计算机系统的通讯连接是蓝牙、移动或者WIFI。

5.如权利要求1所述的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，其特征在于，所述无线信息传输的部件和计算机系统之间可进行单向或者双向通信。

6.如权利要求1所述的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，其特征在于，所述第一杆、第二杆和第三杆上打孔，所述角度测量部件可安装在所述孔上。

7.如权利要求6所述的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，其特征在于，所述第一杆和第二杆以及第二杆和第三杆之间是链接或卡式连接。

8.如权利要求7所述的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，其特征在于，所述第一杆有四个孔，可固定安装截骨工装。

9.如权利要求1所述的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置，其特征在于，根据角度变化数值，调节第一杆上的截骨工装位置进行截骨。

10.一种利用如权利要求1-9中任意一项所述的全膝关节置换术中胫骨截骨的角度测量装置测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，通过患者在手术台上的侧卧、平卧和俯卧的固定体位，在计算机系统中设置相对应的体位的模式；

第二步，第三杆的第一端与第二杆的第二端链接在一起，第二杆的第一端与第一杆的第二端链接在一起，在进行胫骨截骨之前，先将第三杆的第二端放置在患者的胫骨截骨的脚踝中心处，第一杆的第一端固定在胫骨平台中心；

第三步，第一杆、第二杆和第三杆的侧面都有三个孔可用于固定角度测量部件，可根据计算机系统提示进行角度测量部件的位置转换；

第四步，打开角度测量部件开关，与计算机系统保持蓝牙通讯，根据计算机系统提示依次选择固定角度测量部件的位置，固定角度测量部件位置选择完毕并固定安装后，计算机系统将实时显示前后倾角的变化；

第五步，第一杆中间部分有四个孔，根据需要选择其中的孔用来固定连接截骨工装；

第六步，根据角度变化数值，调节第一杆上的截骨工装位置进行截骨。