CN109528306B - 一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置。该装置包括磁阻双模态传感器模块，所述磁阻双模态传感器模块包括用于套在人体髋关节外面的环形外套、电磁层析成像传感器和电阻层析成像传感器，环形外套包括内导体环和外屏蔽环，电磁层析成像传感器的输入端与第一多通道选通开关的输出端相连接，电磁层析传感器的输出端与信号采集及处理模块的第一输入端相连接，电阻层析成像传感器的输入端与第二多通道选通开关的输出端相连接，电阻层析成像传感器的输出端与信号采集及处理模块的第二输入端相连接。本发明提供的引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，具有结构简单、响应速度快、实时性好的特点。

Description

一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置

技术领域

本发明涉及医学电子技术领域，特别是涉及一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置。

背景技术

自20世纪60年代第一例人工髋关节置换术成功以来，髋关节置换术已成为20世纪最重要的外科手术之一，随着人工髋关节置换术更趋成熟，手术患者年龄逐渐下降，人工关节在体内留置时间延长，术后活动量较大，因此需进行翻修术的患者日益增多。据统计约有10％的人工髋关节置换术需要进行人工髋关节翻修。

人工髋关节翻修术不是单纯的用新假体替换旧假体的过程，而是远较初次人工髋关节置换术复杂的手术，与初次髋关节置换术相比，翻修手术时间更长，失血更多，并发症发生率也更高，需要采用可视化医学影像方法对该手术进行辅助，以判断手术成效果。

目前，可为人工髋关节翻修术提供医学影像的方法均为基于辐射的方法，如X光片及X-CT，且只能为手术提供诊断、确定治疗方案及术后效果评估，并不能为手术提供实时的引导。在人工髋关节翻修术中，需要使用金属的钻孔或打磨用手术工具，为减小手术中对骨头的损坏并提高手术效率，非常需要提供一种对人体无害的实时成像手术引导方法，可准确获得该工具在大腿骨截面上的位置及其上下移动过程中的轴向位置。

发明内容

本发明提供一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，能够获得手术中金属工具的实时位置，为手术提供实时引导，而且具有结构简单、响应速度快、实时性好的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，包括磁阻双模态传感器模块、第一多通道选通开关、第二多通道选通开关、主控模块、信号采集及处理模块、激励信号产生及功率放大模块和计算机，所述磁阻双模态传感器模块包括用于套在人体髋关节外面的环形外套、电磁层析成像传感器和电阻层析成像传感器，所述环形外套包括内导体环和外屏蔽环，所述内导体环与外屏蔽环之间设置有电磁层析成像传感器和电阻层析成像传感器，所述电磁层析成像传感器包括N个圆形磁线圈，所述电阻层析成像传感器包括N个矩形金属电极，所述N个圆形磁线圈与所述N个矩形金属电极以等间距交替粘贴在所述内导体环上，并环绕所述内导体环一周，所述圆形磁线圈、所述矩形金属电极均设置有信号输入端和信号输出端，所述N个圆形磁线圈的各信号输入端由一根导线引出作为所述电磁层析成像传感器的输入端，所述N个圆形磁线圈的各信号输出端由一根导线引出作为所述电磁成像传感器的输出端，所述电磁层析成像传感器的输入端与所述第一多通道选通开关的输出端相连接，所述电磁层析成像传感器的输出端与所述信号采集及处理模块的第一输入端相连接，所述N个矩形金属电极的各信号输入端由一根导线引出作为所述电阻层析成像传感器的输入端，所述N个矩形金属电极的各信号输出端由一根导线引出作为所述电阻层析成像传感器的输出端，所述电阻层析成像传感器的输入端与所述第二多通道选通开关的输出端相连接，所述电阻层析成像传感器的输出端与所述信号采集及处理模块的第二输入端相连接，所述信号采集及处理模块的第一输出端、第二输出端均与所述计算机的输入端相连接，所述计算机的输出端与所述主控模块的输入端相连接，所述主控模块的输出端与所述激励信号产生及功率放大模块的输入端相连接，所述激励信号产生及功率放大模块的第一输出端与所述第一多通道选通开关的输入端相连接，所述激励信号产生及功率放大模块的第二输出端与所述第二多通道选通开关的输入端相连接。

可选的，所述计算机包括图像重建模块和图像显示模块，所述信号采集及处理模块的第一输出端、第二输出端分别与所述图像重建模块的第一输入端、第二输入端相连接，所述图像重建模块的第一输出端、第二输出端分别与所述图像显示模块的第一输入端、第二输入端相连接。

可选的，所述信号采集及处理模块包括相幅检测器、现场可编程门阵列处理器和数字信号处理器，所述相幅检测器的第一输入端与所述电磁层析成像传感器的输出端相连接，所述相幅检测器的第二输入端与所述电阻层析成像传感器的输出端相连接，所述相幅检测器的第一输出端、第二输出端分别与所述现场可编程门阵列处理器的第一输入端、第二输入端相连接，所述现场可编程门阵列处理器的第一输出端、第二输出端分别与所述数字信号处理器的第一输入端、第二输入端相连接，所述数字信号处理器的第一输出端、第二输出端分别与所述图像重建模块的第一输入端、第二输入端相连接。

可选的，所述圆形磁线圈采用的数量是12个，所述矩形金属电极采用的数量是12个。

可选的，所述相幅检测器采用的型号为AD8032。

可选的，所述主控模块为单片机。

可选的，所述单片机采用的型号为STM32F105。

一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像方法，包含以下步骤：

步骤1：所述计算机的输出端发送指令信号，在主控模块的控制下，所述激励信号产生与功率放大模块产生不同幅值不同频率的激励信号，所述第一多通道选通开关接通到所述电磁层析成像传感器中N个圆形磁线圈中的任意一个圆形磁线圈作为激励线圈，产生交变的激励磁场；

步骤2：依次选通所述电磁层析成像传感器中N个圆形磁线圈中的其它N-1个圆形磁线圈作为接收线圈，检测出所述接收线圈的感应电动势信号，并通过相幅检测器从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移；

步骤3：采集感应电势的幅度和相移信号，经过现场可编程门阵列处理，将采集的数据送入数字信号处理器；

步骤4：重复所述步骤1、步骤2和步骤3，直至N个圆形磁线圈都被用作激励线圈为止，得到一组N×(N-1)/2个测量的数据；

步骤5：使用上述数据进行图像重建，得到手术时骨骼截面的磁导率分布图像；

步骤6：所述计算机的输出端发送指令信号，在主控模块的控制下，所述激励信号产生与功率放大模块产生不同幅值不同频率的激励信号，所述第二多通道选通开关接通到所述电阻层析成像传感器中N个矩形金属电极中的任意一个矩形金属电极作为激励电极，产生交变的激励磁场；

步骤7：依次选通所述电阻层析成像传感器中N个矩形金属电极中的其它N-1个矩形金属电极作为接收电极，检测出所述接收电极的感应电动势信号，并通过相幅检测器从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移；

步骤8：采集感应电势的幅度和相移信号，经过现场可编程门阵列处理，将采集的数据送入数字信号处理器；

步骤9：重复所述步骤6、步骤7和步骤8，直至N个矩形金属电极都被用作激励电极为止，得到一组N×(N-1)/2个测量的数据；

步骤10：使用上述数据进行图像重建，得到金属手术工具截面的电导率分布图像；

步骤11：通过图像显示模块对手术时骨骼截面的磁导率分布图像和金属手术工具截面的电导率分布图像进行融合，得到实时手术图像。

该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供的一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，进行人工髋关节翻修术时，人体大腿包含肌肉、大腿骨及假体，进行手术时，金属手术工具将在大腿骨中进行精细操作，肌肉、大腿骨及假体等各部分具有不同的磁导率，各种金属手术工具具有不同的电导率，通过电磁层析成像技术可获得肌肉、大腿骨及假体等各截面磁导率分布图像，而通过电阻层析成像技术可获得金属手术工具的截面磁电导率分布图像，通过图像显示模块对手术时骨骼截面的磁导率分布图像和金属手术工具截面的电导率分布图像进行图像融合得到实时手术图像，可获得金属手术工具的实时位置，为手术提供实时引导，减少手术损伤，提高手术成功率，电磁及电阻成像均属于低频电磁场测量，对人体无害。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图说明

图1为本发明实施例引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像的工作流程图；

图3为本发明实施例磁阻双模态传感器模块的侧视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，能够获得手术中金属工具的实时位置，为手术提供实时引导，而且具有结构简单、响应速度快、实时性好的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置的结构示意图，如图1所示，一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，包括磁阻双模态传感器模块、第一多通道选通开关3、第二多通道选通开关4、主控模块1、信号采集及处理模块、激励信号产生及功率放大模块2和计算机12，所述圆形磁线圈13、所述矩形金属电极14均设置有信号输入端和信号输出端，所述N个圆形磁线圈13的各信号输入端由一根导线引出作为所述电磁层析成像传感器5的输入端，所述N个圆形磁线圈13的各信号输出端由一根导线引出作为所述电磁成像传感器5的输出端，所述电磁层析成像传感器5的输入端与所述第一多通道选通开关3的输出端相连接，所述电磁层析成像传感器5的输出端与所述信号采集及处理模块的第一输入端相连接，所述N个矩形金属电极14的各信号输入端由一根导线引出作为所述电阻层析成像传感器6的输入端，所述N个矩形金属电极14的各信号输出端由一根导线引出作为所述电阻层析成像传感器6的输出端，所述电阻层析成像传感器6的输入端与所述第二多通道选通开关4的输出端相连接，所述电阻层析成像传感器6的输出端与所述信号采集及处理模块的第二输入端相连接，所述信号采集及处理模块的第一输出端、第二输出端均与所述计算机12的输入端相连接，所述计算机12的输出端与所述主控模块1的输入端相连接，所述主控模块1的输出端与所述激励信号产生及功率放大模块2的输入端相连接，所述激励信号产生及功率放大模块2的第一输出端与所述第一多通道选通开关3的输入端相连接，所述激励信号产生及功率放大模块2的第二输出端与所述第二多通道选通开关4的输入端相连接。所述计算机12包括图像重建模块10和图像显示模块11，图像显示模块11主要是将电磁层析成像技术和电阻层析成像技术重建的图像进行融合，然后进行成像，方便手术时观察。所述信号采集及处理模块的第一输出端、第二输出端分别与所述图像重建模块10的第一输入端、第二输入端相连接，所述图像重建模块10的第一输出端、第二输出端分别与所述图像显示模块11的第一输入端、第二输入端相连接。所述信号采集及处理模块包括相幅检测器7、现场可编程门阵列处理器8和数字信号处理器9，所述相幅检测器7的第一输入端与所述电磁层析成像传感器5的输出端相连接，所述相幅检测器7的第二输入端与所述电阻层析成像传感器6的输出端相连接，所述相幅检测器7的第一输出端、第二输出端分别与所述现场可编程门阵列处理器8的第一输入端、第二输入端相连接，所述现场可编程门阵列处理器8的第一输出端、第二输出端分别与所述数字信号处理器9的第一输入端、第二输入端相连接，所述数字信号处理器9的第一输出端、第二输出端分别与所述图像重建模块10的第一输入端、第二输入端相连接。所述相幅检测器7采用的型号为AD8032。所述主控模块1为单片机。所述单片机采用的型号为STM32F105。

图2为本发明实施例引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像的工作流程图，如图2所示，一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像方法，包含以下步骤：

步骤1：所述计算机12的输出端发送指令信号，在主控模块1的控制下，所述激励信号产生与功率放大模块2产生不同幅值不同频率的激励信号，所述第一多通道选通开关3接通到所述电磁层析成像传感器5中N个圆形磁线圈13中的任意一个圆形磁线圈作为激励线圈，产生交变的激励磁场；

步骤2：依次选通所述电磁层析成像传感器5中N个圆形磁线圈13中的其它N-1个圆形磁线圈13作为接收线圈，检测出所述接收线圈的感应电动势信号，并通过相幅检测器7从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移；

步骤3：采集感应电势的幅度和相移信号，经过现场可编程门阵列处理8，将采集的数据送入数字信号处理器9；

步骤4：重复所述步骤1、步骤2和步骤3，直至N个圆形磁线圈13都被用作激励线圈为止，得到一组N×(N-1)/2个测量的数据；所述圆形磁线圈13采用的数量N是12个，则得到一组66个测量的数据；

步骤5：使用上述数据进行图像重建，得到手术时骨骼截面的磁导率分布图像；

步骤6：所述计算机12的输出端发送指令信号，在主控模块1的控制下，所述激励信号产生与功率放大模块2产生不同幅值不同频率的激励信号，所述第二多通道选通开关4接通到所述电阻层析成像传感器6中N个矩形金属电极14中的任意一个矩形金属电极14作为激励电极，产生交变的激励磁场；

步骤7：依次选通所述电阻层析成像传感器6中N个矩形金属电极14中的其它N-1个矩形金属电极14作为接收电极，检测出所述接收电极的感应电动势信号，并通过相幅检测器7从中解调出其幅度及相对于所述激励信号的相移；

步骤8：采集感应电势的幅度和相移信号，经过现场可编程门阵列处理8，将采集的数据送入数字信号处理器9；

步骤9：重复所述步骤6、步骤7和步骤8，直至N个矩形金属电极14都被用作激励电极为止，得到一组N×(N-1)/2个测量的数据；所述矩形金属电极14采用的数量N是12个，则得到一组66个测量的数据。

步骤10：使用上述数据进行图像重建，得到金属手术工具截面的电导率分布图像；

步骤11：通过图像显示模块11对手术时骨骼截面的磁导率分布图像和金属手术工具截面的电导率分布图像进行融合，得到实时手术图像。

电磁层析成像(EMT)技术是一种基于电磁感应原理的过程层析成像技术。对安装在物场周围的激励线圈施以激励电流，在物场空间产生平行或扇形激励磁场，检测线圈上的感生电动势，经过数据处理后重建物场空间介质的分布。电阻层析成像(ERT)技术实质上是根据敏感场的电导率分布获得物场的媒质分布信息，在敏感场边界施加激励电流，当场内电导率分布变化时，导致场内电势分布变化，从而场域边界上的测量电压发生变化，通过一定的图像重建算法，可以重建出场内的电导率分布。为了获取更为丰富测量信息，提高测量精度，将ERT和EMT所得到的分布信息进行像素融合。

手术时，将电磁/电阻双模态传感器绑在手术部分外围进行检测，提取EMT激励时各线圈间的激励磁场分布变化，ERT激励时的各电极间电势变化，然后进行数据处理。

图3为本发明实施例电磁/电阻双模态传感器模块的侧视图，如图3所示，所述磁阻双模态传感器模块包括用于套在人体髋关节外面的环形外套、电磁层析成像传感器5和电阻层析成像传感器6，所述环形外套包括内导体环16和外屏蔽环15，所述内导体环16与外屏蔽环15之间设置有电磁层析成像传感器5和电阻层析成像传感器6，所述电磁层析成像传感器5包括N个圆形磁线圈13，所述电阻层析成像传感器6包括N个矩形金属电极14，所述N个圆形磁线圈13与所述N个矩形金属电极14以等间距交替粘贴在所述内导体环16上，并环绕所述内导体环16一周。所述内导体环16可以是环形的捆绑带，所述捆绑带为可导材料制成。

本发明提供的一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，进行人工髋关节翻修术时，人体大腿包含肌肉、大腿骨及假体，进行手术时，金属手术工具将在大腿骨中进行精细操作，肌肉、大腿骨及假体等各部分具有不同的磁导率，各种金属手术工具具有不同的电导率，通过电磁层析成像技术可获得肌肉、大腿骨及假体等各截面磁导率分布图像，而通过电阻层析成像技术可获得金属手术工具的截面磁电导率分布图像，通过图像显示模块对手术时骨骼截面的磁导率分布图像和金属手术工具截面的电导率分布图像进行图像融合得到实时手术图像，可获得金属手术工具的实时位置，为手术提供实时引导，减少手术损伤，提高手术成功率，电磁及电阻成像均属于低频电磁场测量，对人体无害。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，其特征在于，包括磁阻双模态传感器模块、第一多通道选通开关、第二多通道选通开关、主控模块、信号采集及处理模块、激励信号产生及功率放大模块和计算机，所述磁阻双模态传感器模块包括用于套在人体髋关节外面的环形外套、电磁层析成像传感器和电阻层析成像传感器，所述环形外套包括内导体环和外屏蔽环，所述内导体环与外屏蔽环之间设置有电磁层析成像传感器和电阻层析成像传感器，所述电磁层析成像传感器包括N个圆形磁线圈，所述电阻层析成像传感器包括N个矩形金属电极，所述N个圆形磁线圈与所述N个矩形金属电极以等间距交替粘贴在所述内导体环上，并环绕所述内导体环一周，所述圆形磁线圈、所述矩形金属电极均设置有信号输入端和信号输出端，所述N个圆形磁线圈的各信号输入端由一根导线引出作为所述电磁层析成像传感器的输入端，所述N个圆形磁线圈的各信号输出端由一根导线引出作为所述电磁成像传感器的输出端，所述电磁层析成像传感器的输入端与所述第一多通道选通开关的输出端相连接，所述电磁层析成像传感器的输出端与所述信号采集及处理模块的第一输入端相连接，所述N个矩形金属电极的各信号输入端由一根导线引出作为所述电阻层析成像传感器的输入端，所述N个矩形金属电极的各信号输出端由一根导线引出作为所述电阻层析成像传感器的输出端，所述电阻层析成像传感器的输入端与所述第二多通道选通开关的输出端相连接，所述电阻层析成像传感器的输出端与所述信号采集及处理模块的第二输入端相连接，所述信号采集及处理模块的第一输出端、第二输出端均与所述计算机的输入端相连接，所述计算机的输出端与所述主控模块的输入端相连接，所述主控模块的输出端与所述激励信号产生及功率放大模块的输入端相连接，所述激励信号产生及功率放大模块的第一输出端与所述第一多通道选通开关的输入端相连接，所述激励信号产生及功率放大模块的第二输出端与所述第二多通道选通开关的输入端相连接；

所述计算机包括图像重建模块和图像显示模块，所述信号采集及处理模块的第一输出端、第二输出端分别与所述图像重建模块的第一输入端、第二输入端相连接，所述图像重建模块的第一输出端、第二输出端分别与所述图像显示模块的第一输入端、第二输入端相连接；

所述信号采集及处理模块包括相幅检测器、现场可编程门阵列处理器和数字信号处理器，所述相幅检测器的第一输入端与所述电磁层析成像传感器的输出端相连接，所述相幅检测器的第二输入端与所述电阻层析成像传感器的输出端相连接，所述相幅检测器的第一输出端、第二输出端分别与所述现场可编程门阵列处理器的第一输入端、第二输入端相连接，所述现场可编程门阵列处理器的第一输出端、第二输出端分别与所述数字信号处理器的第一输入端、第二输入端相连接，所述数字信号处理器的第一输出端、第二输出端分别与所述图像重建模块的第一输入端、第二输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，其特征在于，所述圆形磁线圈采用的数量是12个，所述矩形金属电极采用的数量是12个。

3.根据权利要求1所述的引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，其特征在于，所述相幅检测器采用的型号为AD8032。

4.根据权利要求1所述的引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，其特征在于，所述主控模块为单片机。

5.根据权利要求4所述的引导髋关节置换修正术的电磁/电阻双模态成像装置，其特征在于，所述单片机采用的型号为STM32F105。

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