CN109846528A - 基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术器械，具体涉及一种基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法及系统，该系统包括参考惯性传感器、控制终端、基准固定架、调整惯性传感器、股骨远端截骨调整装置、股骨远端截骨导向器和股骨锯切槽，该方法包括：S1、建立参考惯性传感器、调整惯性传感器与控制终端之间的通信连接；步骤S2、标定参考惯性传感器和调整惯性传感器；S3、股骨注册；S4、计算股骨远端截骨调整装置的内/外翻角度及前/后倾角度；S5、通过股骨远端截骨调整装置调整其内/外翻角度和前/后倾角度，确定最终截骨平面；S6、截骨。本发明能够快速实现关节置换手术中相关轴线识别和定位，简化手术操作，缩短手术时间，降低成本价格。

Description

基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种手术器械，具体涉及一种基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法及系统。

背景技术

随着我国人口老龄化问题日益严重，膝关节骨性关节炎OA的发病率呈上涨趋势，患者的平均年龄呈下降趋势。目前，全膝关节置换术TKA是治疗严重OA的可靠治疗方法，由于人们岁生活医疗水平的要求越来越高，接受TKA手术的患者越来越越多。

TKA需要在截除病变骨软骨组织的同时准确恢复下肢力线，否则会出现功能欠佳、假体磨损严重、脱位、翻修等问题。这就要求TKA手术需要根据患者下肢的解剖与病变，进行精确的截骨与假体植入。

常规的TKA手术一般借助于术前的X光片手术规划，术中依靠机械机构引导的手术器械手工进行髓内和髓外定位和测量,进行截骨和假体植入，严重依赖外科医生的手感、经验和手术器械的精度。即使经验丰富的医生实施手术，术后下肢力线不理想的发生率也不低于10％。

随着计算机技术、红外线感应技术、CT技术的发展，计算机辅助导航TKA开始出现，但该类型设备，严重依赖于图像处理，体表可视化标记，并且术中定位、感应时间长，体积庞大，价格昂贵。近年来随着加速器、陀螺仪等微机械(MENS)传感器，无线数据传输技术的发展，无影化小型计算机导航在国外开始发展，并且应用于临床，此类能够实现植入物与相关轴线实现精确定位，如zimmer的i-Assist,但其价格昂贵，手术器械操作复杂，手术时间长，未能在我国进行大规模的临床应用。

MEMS传感器的发展，使医生借助该类计算机辅助系统能够对人体解剖特征进行识别和定位，实现TKA手术中植入物与相关轴线精确定位，但是如何简单快速精确的进行TKA手术中的相关轴线识别和定位，简化手术操作，缩短手术时间，降低成本价格，增加器械使用次数是本领域尚未解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法及系统，能够快速实现关节置换手术中相关轴线识别和定位，简化手术操作，缩短手术时间，降低成本价格。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

所述基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，建立参考惯性传感器、调整惯性传感器与控制终端之间的通信连接，系统初始化；

步骤S2，系统初始化完成后，将参考惯性传感器、调整惯性传感器安装在标定装置中，进行标定；

步骤S3，标定完成后,进行股骨注册，在机械力线入髓点固定股骨长钉，通过基准固定架将参考惯性传感器固定在股骨长钉上，建立参考坐标系X1、Y1、Z1，活动下肢，参考惯性传感器周期性地采集其位置坐标信息，选取分布在同一环形或星形轮廓上的N个数据采集点，坐标值分别为(x_i y_i z_i)，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，利用N个稳定点坐标，通过最小二乘法获取股骨头中心点坐标，并计算机械力线与解剖轴线的夹角α；

步骤S4，股骨注册完成后，根据步骤S4的计算结果建立股骨坐标系X0、Y0、Z0，将调整惯性传感器通过股骨远端截骨导向器的固定端固定，建立相应的角度调整坐标系X2、Y2、Z2，股骨远端截骨导向器的导向端固定有股骨锯切槽并与股骨远端截骨调整装置固定连接，调整股骨坐标系和角度调整坐标系对齐，通过一阶龙格库塔更新四元数获得从角度调整坐标系到股骨坐标系的旋转矩阵，进而获得用方向余弦表示的欧拉角并通过控制终端显示，其中，表示股骨远端截骨调整装置的内/外翻角度，θ表示股骨远端截骨调整装置的远/近端角度，ψ表示股骨远端截骨调整装置的前/后倾角度；

步骤S5，通过股骨远端截骨调整装置调整其内/外翻角度和前/后倾角度，最终获得与机械力线垂直的股骨远端截骨平面；

步骤S6，股骨远端截骨调整装置调整完成后开始截骨。

其中，优选方案为：

步骤S3的具体算法为：

S3.1、获取参考惯性传感器数据采集点坐标(x_i y_i z_i)，其中，i＝1,2,3，…，N，N为正整数；

S3.2、步骤S3.1获取的参考惯性传感器数据采集点为一组分散在球面上的数据，根据球面方程其中，L₁为参考惯性传感器中心到股骨头中心点的距离，采用最小二乘法获得股骨头中心点坐标(x₀,y₀,z₀)；

S3.3、获取机械力线，参考惯性传感器初始点坐标(x',y',z')，沿股骨长钉移动L₂的距离坐标变为(x″,y″,z″)，L₂为参考惯性传感器中心到机械力线入髓点的距离，机械力线入髓点到股骨头中心点的距离L₀计算公式为：

S3.4、通过三角余弦函数变换，获得股骨长钉与机械力线夹角β的值，通过获得的β值，获得机械力线与解剖轴线的夹角α，具体公式如下：

L₁ ²＝L₀ ²+L₂ ²-2L₀L₂cosβ

机械力线与解剖轴线的夹角α＝180°-β。

本发明还提供一种实现上述基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法的系统，包括参考惯性传感器、控制终端、基准固定架、调整惯性传感器、股骨远端截骨调整装置、股骨远端截骨导向器和股骨锯切槽，其中，参考惯性传感器和调整惯性传感器通过无线通信模块与控制终端进行通信，基准固定架用于固定参考惯性传感器和股骨远端截骨调整装置，股骨远端截骨导向器用于固定调整惯性传感器和股骨锯切槽，股骨远端截骨导向器固定股骨锯切槽的一端与股骨远端截骨调整装置固定连接。

优选地，所述基准固定架包括固定连接的传感器基座和导向套筒，导向套筒远离传感器基座的一端设置固定片，固定片两端设置固定孔，两固定孔之间设置对正片。

优选地，所述股骨远端截骨调整装置包括参考固定基座、股骨远端对正规、前后倾调节件和内外翻调节件，所述参考固定基座上通过轴承座固定内外翻调节轴，参考固定基座上设有内外翻调节轴紧定螺钉，内外翻调节轴上设置小齿轮，扇形轮的圆弧面对应小齿轮设有啮合齿，扇形轮上设置前后倾调节槽，股骨远端对正规设置顶面通过螺纹孔连接球头螺杆，球头螺杆的球头与前后倾调节槽滑动连接，扇形轮远离啮合齿的一端通过销轴与股骨远端对正规铰接；当调节到相应的内/外翻角度后，旋转参考固定座上的小齿轮轴紧定螺钉，进行锁紧，由于球头螺杆与对正规通过螺纹孔连接，螺旋传动具有自锁性，当达到所需前/后倾角度后，将固定不动，参考固定基座与通过卡簧卡接到基准固定架的导向套筒上进行固定。

优选地，所述股骨远端截骨导向器通过前后滑动器与股骨远端截骨调整装置连接，所述前后滑动器包括导向杆、Y形滑动连接头和滑动拉杆，Y形滑动连接头一端的两个分叉分别连接一根导向杆，所述股骨远端对正规顶面对应导向杆设置导向孔，Y形滑动连接头另一端连接滑动拉杆，Y形滑动连接头上对应股骨远端截骨导向器设置固定连接件。

优选地，所述固定连接件采用锁紧螺钉，所述股骨远端截骨导向器包括通过股骨远端截骨支架连接的导向头和调整固定基座，导向头上对应锁紧螺钉设置锁紧固定孔，对应股骨锯切槽设置固定槽，导向头两侧还分别设置螺钉孔，在定位完成后通过螺钉孔打入长尾钉对截骨平面进行固定。

优选地，所述股骨锯切槽包括切槽本体，切槽本体底面平行设置走位杆和测量杆，测量杆上设置刻度，导向头上对应走位杆和测量杆均设置固定槽，对应走位杆设置固定螺钉。

优选地，所述参考惯性传感器和调整惯性传感器均内置无线通信模块；所述参考惯性传感器和调整惯性传感器均通过A/D转换模块连接至控制终端，参考惯性传感器和调整惯性传感器都采用市面现售产品，主要包括9轴运动跟踪装置、蓝牙通信模块、供电模块、MCU微控制器和LED指示灯，9轴运动跟踪装置，包括3轴MEMS微陀螺仪，3轴MEMS加速度计，3轴MEMS磁力计，3轴MEMS微陀螺仪用来测量在坐标系三个轴向的旋转速率，单位:rad/s，3轴MEMS加速度计，用来检测物理在X、Y、Z轴上的重力加速度，单位:m/s^2，3轴MEMS磁力计用于误差修正和补偿需要，A/D转换模块用于传感器数据的转换，LED指示灯用于电源或工作状态的显示，蓝牙通信模块用于与控制终端进行信息交互。

使用前，需将参考惯性传感器和调整惯性传感器放置到校正器中进行校正。校正完成后，将两个传感器取下，放在无菌桌上。用骨锤将股骨长钉沿解剖轴线打入股骨远端。将校正完成后的的参考惯性传感器安装在基准固定架上，通过导向套筒将基准固定架套在股骨长钉上，滑动并旋转基准固定架，直至其头部的对正片与股骨髌骨滑车槽接触，用短尾钉通过固定孔将基准固定架固定在股骨远端上。固定完成后，患者围绕股骨头中心摆动下肢，进行股骨注册。股骨注册完成后，控制终端显示股骨远端截骨调整装置的前/后倾角度和股骨远端截骨调整装置的内/外翻角度。随后将股骨远端截骨调整装置的参考固定基座通过卡簧卡在基准固定架的导向套筒上，沿导向套筒滑动股骨远端截骨调整装置直至股骨远端对正规压在股骨远端髁上，接着将调整惯性传感器安装到股骨截骨导向器的调整固定基座上,将组装好的股骨远端截骨导向器与前后滑动器连接，并用锁紧螺钉将其锁紧。随后将股骨锯切槽的两根走位杆和测量杆插入股骨远端截骨导向器的固定槽内，参照测量杆上的刻度设置截骨深度，设置完成后用锁紧螺钉将走位杆锁紧，随后将前后滑动器的两根导向杆插入股骨远端对正规的导向孔内，分别扭转球头螺杆和前后倾调节轴调整股骨远端截骨调整装置的内/外翻角度和股骨远端截骨调整装置的前/后倾角度，直至控制终端角度指示的角度达到预期(一般预期角度为股骨远端截骨调整装置的前/后倾角度3°，股骨远端截骨调整装置的内/外翻角度0°)。为调整方便，可分为在球头螺杆和前后倾调节轴顶端设置旋钮，并用不同的颜色进行区分，调节期间，调整惯性传感器上的LED指示灯进行动态提示，调节完成即可确定股骨远端的截骨平面，截骨平面固定后将四根长尾钉，打入股骨截骨导向器的四个螺钉孔将其固定在股骨上，将两根长尾钉打入股骨锯切槽中，将其也固定在股骨上，固定完成后，拆除前后滑动器、锁紧螺钉、股骨远端截骨调整装置、基准固定架、参考惯性传感器、股骨长钉，利用电动摆锯，沿股骨锯切槽的槽体对股骨进行截骨，截骨完成后，拆除所有器械。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够快速在辅助外科医师进行相关解剖轴线的识别和定位，在使用本发明对切割的切口和假体部件的期望方向和/或位置进行术前定位后，就能进行精确切割，简化手术操作，缩短手术时间，降低成本价格的同时减轻病人痛苦。

附图说明

图1是膝关节的组成部分和相关解剖轴线示意图；

图2是股骨的简化模型、股骨头中心确定、解剖轴线与机械力线夹角的计算原理；

图3股骨注册时参考惯性传感器采集点示意；

图4股骨坐标系、参考坐标系、角度调整坐标系之间的关系图。

图5调整角度调整坐标系与股骨坐标系对齐效果图。

图6器械安装图。

图7基准固定架结构图。

图8股骨远端截骨调整装置爆炸图。

图9股骨远端截骨调整装置结构图。

图10股骨远端截骨导向器、前后滑动器及股骨锯切槽装配图。

图11股骨远端截骨导向器、前后滑动器及股骨锯切槽装配图。

图12股骨锯切槽结构图。

图中：1、股骨头；2、解剖轴线；3、股骨；4、机械力线；5、膝关节；6、胫骨；7、踝关节；8、参考惯性传感器；9、调整惯性传感器；10、基准固定架；11、股骨远端截骨导向器；12、股骨远端截骨调整装置；13、前后滑动器；14、股骨锯切槽；15、传感器基座；16、导向套筒；17、固定片；18、固定孔；19、对正片；20、参考固定基座；21、股骨远端对正规；22、内外翻调节轴；23、小齿轮；24、扇形轮；25、前后倾调节槽；26、销轴；27、球头螺杆；28、卡簧；29、旋钮；30、导向孔；31、导向杆；32、Y形滑动连接头；33、滑动拉杆；34、锁紧螺钉；35、股骨远端截骨支架；36、导向头；37、调整固定基座；38、螺钉孔；39、切槽本体；40、测量杆；41、走位杆；42、固定螺钉；43、内外翻调节轴紧定螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1-5所示，本实施例所述基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立参考惯性传感器8、调整惯性传感器9与控制终端之间的通信连接，系统初始化；

步骤S2，系统初始化完成后，将参考惯性传感器8，调整惯性传感器9安装在标定装置中，进行标定；

步骤S3，标定完成后,进行股骨注册，在机械力线4入髓点固定股骨长钉，通过基准固定架10将参考惯性传感器8固定在股骨长钉上，建立参考坐标系X1、Y1、Z1，活动下肢，参考惯性传感器8周期性地采集其位置坐标信息，选取分布在同一环形或星形轮廓上的N个数据采集点，坐标值分别为(x_i y_i z_i)，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，利用N个稳定点坐标，通过最小二乘法获取股骨头中心点坐标，并计算机械力线4与解剖轴线2的夹角α；

步骤S4，股骨注册完成后，根据步骤S4的计算结果建立股骨坐标系X0、Y0、Z0，将调整惯性传感器9通过股骨远端截骨导向器11的固定端固定，建立相应的角度调整坐标系X2、Y2、Z2，股骨远端截骨导向器11的导向端固定有股骨锯切槽14并与股骨远端截骨调整装置12固定连接，调整股骨坐标系和角度调整坐标系对齐，通过一阶龙格库塔更新四元数获得从角度调整坐标系到股骨坐标系的旋转矩阵，进而获得用方向余弦表示的欧拉角并通过控制终端显示，其中，表示股骨远端截骨调整装置的内/外翻角度，θ表示股骨远端截骨调整装置的远/近端角度，ψ表示股骨远端截骨调整装置的前/后倾角度；

步骤S5，通过股骨远端截骨调整装置12调整其内/外翻角度和前/后倾角度，最终获得与机械力线4垂直的股骨远端截骨平面；

步骤S6，股骨远端截骨调整装置12调整完成后开始截骨。

其中，优选方案为：

步骤S3的具体算法为：

S3.1、获取参考惯性传感器数8据采集点坐标(x_i y_i z_i)，其中，i＝1,2,3，…，N，N为正整数；

S3.2、步骤S3.1获取的参考惯性传感器8数据采集点为一组分散在球面上的数据，根据球面方程其中，L₁为参考惯性传感器8中心到股骨头1中心点的距离，采用最小二乘法获得股骨头中心点坐标(x₀,y₀,z₀)；

S3.3、获取机械力线，参考惯性传感器8初始点坐标(x',y',z')，沿股骨长钉移动L₂的距离坐标变为(x″,y″,z″)，L₂为参考惯性传感器8中心到机械力线入髓点的距离，机械力线入髓点到股骨头中心点的距离L₀计算公式为：

S3.4、通过三角余弦函数变换，获得股骨长钉与机械力线4夹角β的值，通过获得的β值，获得机械力线4与解剖轴线2的夹角α，具体公式如下：

L₁ ²＝L₀ ²+L₂ ²-2L₀L₂cosβ

机械力线4与解剖轴线2的夹角α＝180°-β。

实施例2：

本实施例提供一种实现上述基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法的系统，如图6所示，包括参考惯性传感器、控制终端、基准固定架、调整惯性传感器、股骨远端截骨调整装置、股骨远端截骨导向器和股骨锯切槽，其中，参考惯性传感器和调整惯性传感器通过无线通信模块与控制终端进行通信，基准固定架用于固定参考惯性传感器和股骨远端截骨调整装置，股骨远端截骨导向器用于固定调整惯性传感器和股骨锯切槽，股骨远端截骨导向器固定股骨锯切槽的一端与股骨远端截骨调整装置固定连接。

如图所示，基准固定架包括固定连接的传感器基座15和导向套筒16，导向套筒16远离传感器基座15的一端设置固定片17，固定片17两端设置固定孔18，两固定孔18之间设置对正片19。

如图8-9所示，所述股骨远端截骨调整装置包括参考固定基座20、股骨远端对正规21、内外翻调节件和前后倾调节件，所述参考固定基座20上通过轴承座固定内外翻调节轴22，参考固定基座20上有小齿轮轴紧定螺钉43，内外翻调节轴22上设置小齿轮23，扇形轮24的圆弧面对应小齿轮23设有啮合齿，当调节到相应的内/外翻角度后，旋转参考固定基座20上的内外翻调节轴紧定螺钉43，进行锁紧；扇形轮24的圆弧面对应小齿轮23设有啮合齿，扇形轮24上设置前后倾调节槽25，股骨远端对正规21设置顶面通过螺纹孔连接球头螺杆27，球头螺杆27的球头与前后倾调节槽25滑动连接，扇形轮24远离啮合齿的一端通过销轴26与股骨远端对正规21铰接，股骨远端对正规21设置顶面通过螺纹孔连接球头螺杆27，球头螺杆27的球头与前后倾调节槽25滑动连接，由于球头螺杆27与对正规21通过螺纹孔连接，螺旋传动具有自锁性，当达到所需前/后倾角度后，将固定不动。参考固定基座20与通过卡簧28卡接到基准固定架9的导向套筒16上进行固定，扇形轮24与参考固定基座20通过销轴26活动连接。

如图10-11所示，所述股骨远端截骨导向器11通过前后滑动器13与股骨远端截骨调整装置12连接，所述前后滑动器13包括导向杆31、Y形滑动连接头32和滑动拉杆33，Y形滑动连接头32一端的两个分叉分别连接一根导向杆31，所述股骨远端对正规21顶面对应导向杆设置导向孔30，Y形滑动连接头32另一端连接滑动拉杆33，Y形滑动连接头32上对应股骨远端截骨导向器11设置固定连接件；固定连接件采用锁紧螺钉34，所述股骨远端截骨导向器11包括通过股骨远端截骨支架35连接的导向头36和调整固定基座37，导向头36上对应锁紧螺钉34设置锁紧固定孔，对应股骨锯切槽14设置固定槽，导向头36两侧还分别设置螺钉孔38，在定位完成后通过螺钉孔38打入长尾钉对截骨平面进行固定。

如图12所示，所述股骨锯切槽14包括切槽本体39，切槽本体39底面平行设置走位杆40和测量杆41，测量杆41上设置刻度，导向头36上对应走位杆40和测量杆41均设置固定槽，对应走位杆40设置固定螺钉42。

所述参考惯性传感器8和调整惯性传感器9均内置无线通信模块；所述参考惯性传感器8和调整惯性传感器9均通过A/D转换模块连接至控制终端，参考惯性传感器8和调整惯性传感器9都采用市面现售产品，主要包括9轴运动跟踪装置、蓝牙通信模块、供电模块、MCU微控制器和LED指示灯，9轴运动跟踪装置，包括3轴MEMS微陀螺仪，3轴MEMS加速度计，3轴MEMS磁力计，3轴MEMS微陀螺仪用来测量在坐标系三个轴向的旋转速率，单位:rad/s，3轴MEMS加速度计，用来检测物理在X、Y、Z轴上的重力加速度，单位:m/s^2，3轴MEMS磁力计用于误差修正和补偿需要，A/D转换模块用于传感器数据的转换，LED指示灯用于电源或工作状态的显示，蓝牙通信模块用于与控制终端进行信息交互。

使用前，需将参考惯性传感器8和调整惯性传感器9放置到校正器中进行校正。校正完成后，将两个传感器取下，放在无菌桌上。用骨锤将股骨长钉沿解剖轴线打入股骨远端。将校正完成后的的参考惯性传感器8安装在基准固定架10上，通过导向套筒16将基准固定架10套在股骨长钉上，滑动并旋转基准固定架10，直至其头部的对正片19与股骨髌骨滑车槽接触，用短尾钉通过固定孔18将基准固定架10固定在股骨远端上。固定完成后，患者围绕股骨头中心摆动下肢，进行股骨注册。股骨注册完成后，控制终端显示股骨远端截骨调整装置的前/后倾角度和股骨远端截骨调整装置的内/外翻角度。随后将股骨远端截骨调整装置的参考固定基座通过卡簧卡在基准固定架10的导向套筒16上，沿导向套筒16滑动股骨远端截骨调整装置直至股骨远端对正规21压在股骨远端髁上，接着将调整惯性传感器9安装到股骨截骨导向器11的调整固定基座37上,将组装好的股骨远端截骨导向器11与前后滑动器12连接，并用锁紧螺钉将其锁紧。随后将股骨锯切槽14的两根走位杆41和测量杆40插入股骨远端截骨导向器11的固定槽内，参照测量杆40上的刻度设置截骨深度，设置完成后用锁紧螺钉34将走位杆锁紧，随后将前后滑动器13的两根导向杆31插入股骨远端对正规21的导向孔30内，分别扭转球头螺杆27和前后倾调节轴22调整股骨远端截骨调整装置12的内/外翻角度和股骨远端截骨调整装置的前/后倾角度，直至控制终端角度指示的角度达到预期(一般预期角度为股骨远端截骨调整装置的前/后倾角度3°，股骨远端截骨调整装置的内/外翻角度0°)。为调整方便，可分为在球头螺杆27和前后倾调节轴22顶端设置旋钮29，并用不同的颜色进行区分，调节期间，调整惯性传感器9上的LED指示灯进行动态提示，调节完成即可确定股骨远端的截骨平面，截骨平面固定后将四根长尾钉，打入股骨截骨导向器11的四个螺钉孔38将其固定在股骨上，将两根长尾钉打入股骨锯切槽14中，将其也固定在股骨上，固定完成后，拆除前后滑动器13、锁紧螺钉34、股骨远端截骨调整装置12、基准固定架10、参考惯性传感器8、股骨长钉，利用电动摆锯，沿股骨锯切槽14的槽体对股骨进行截骨，截骨完成后，拆除所有器械。

Claims (10)

1.一种基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，建立参考惯性传感器(8)、调整惯性传感器(9)与控制终端之间的通信连接，系统初始化；

步骤S2，系统初始化完成后，将参考惯性传感器(8)、调整惯性传感器(9)安装在标定装置中，进行标定；

步骤S3，标定完成后,进行股骨注册，在机械力线(4)入髓点固定股骨长钉，通过基准固定架(10)将参考惯性传感器(8)固定在股骨长钉上，建立参考坐标系X1、Y1、Z1，活动下肢，参考惯性传感器(8)周期性地采集其位置坐标信息，选取分布在同一环形或星形轮廓上的N个数据采集点，坐标值分别为(x_i y_i z_i)，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，利用N个稳定点坐标，通过最小二乘法获取股骨头中心点坐标，并计算机械力线(4)与解剖轴线(2)的夹角α；

步骤S4，股骨注册完成后，根据步骤S3的计算结果建立股骨坐标系X0、Y0、Z0，将调整惯性传感器(9)通过股骨远端截骨导向器(11)的固定端固定，建立相应的角度调整坐标系X2、Y2、Z2，股骨远端截骨导向器(11)的导向端固定有股骨锯切槽(14)并与股骨远端截骨调整装置(12)固定连接，调整股骨坐标系和角度调整坐标系对齐，通过一阶龙格库塔更新四元数获得从角度调整坐标系到股骨坐标系的旋转矩阵，进而获得用方向余弦表示的欧拉角并通过控制终端显示，其中，表示股骨远端截骨调整装置的内/外翻角度，θ表示股骨远端截骨调整装置的远/近端角度，ψ表示股骨远端截骨调整装置的前/后倾角度；

步骤S5，通过股骨远端截骨调整装置(12)调整其内/外翻角度和前/后倾角度，最终获得与机械力线(4)垂直的股骨远端截骨平面；

步骤S6，股骨远端截骨调整装置(12)调整完成后开始截骨。

2.根据权利要求1所述的基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法，其特征在于，步骤S3的具体算法为：

S3.1、获取参考惯性传感器(8)数据采集点坐标(x_i y_i z_i)，其中，i＝1,2,3，…，N，N为正整数；

S3.2、步骤S3.1获取的参考惯性传感器(8)数据采集点为一组分散在球面上的数据，根据球面方程其中，L₁为参考惯性传感器(8)中心到股骨头(1)中心点的距离，采用最小二乘法获得股骨头(1)中心点坐标(x₀,y₀,z₀)；

S3.3、获取机械力线(4)，参考惯性传感器(8)初始点坐标(x',y',z')，沿股骨长钉移动L₂的距离坐标变为(x”,y”,z”)，L₂为参考惯性传感器(8)中心到机械力线(4)入髓点的距离，机械力线(4)入髓点到股骨头中心点的距离L₀计算公式为：

S3.4、通过三角余弦函数变换，获得股骨长钉与机械力线(4)夹角β的值，通过获得的β值，获得机械力线(4)与解剖轴线(2)的夹角α，具体公式如下：

L₁ ²＝L₀ ²+L₂ ²-2L₀L₂cosβ

机械力线(4)与解剖轴线(2)的夹角α＝180°-β。

3.一种实现权利要求1所述的基于惯性导航的关节置换手术辅助定位方法的系统，其特征在于，包括参考惯性传感器(8)、控制终端、基准固定架(10)、调整惯性传感器(9)、股骨远端截骨调整装置(12)、股骨远端截骨导向器(11)和股骨锯切槽(14)，其中，参考惯性传感器(8)和调整惯性传感器(9)通过无线通信模块与控制终端进行通信，基准固定架(10)用于固定参考惯性传感器(8)和股骨远端截骨调整装置(12)，股骨远端截骨导向器(11)用于固定调整惯性传感器(9)和股骨锯切槽(14)，股骨远端截骨导向器(11)固定股骨锯切槽(14)的一端与股骨远端截骨调整装置(12)固定连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述基准固定架(10)包括固定连接的传感器基座(15)和导向套筒(16)，导向套筒(16)远离传感器基座(15)的一端设置固定片(17)，固定片(17)两端设置固定孔(18)，两固定孔(18)之间设置对正片(19)。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述股骨远端截骨调整装置包括参考固定基座(20)、股骨远端对正规(21)、前后倾调节件和内外翻调节件，所述参考固定基座(20)上通过轴承座固定内外翻调节轴(22)，参考固定基座(20)上设有内外翻调节轴紧定螺钉(43)，内外翻调节轴(22)上设置小齿轮(23)，扇形轮(24)的圆弧面对应小齿轮(23)设有啮合齿，扇形轮(24)上设置前后倾调节槽(25)，股骨远端对正规(21)设置顶面通过螺纹孔连接球头螺杆(27)，球头螺杆(27)的球头与前后倾调节槽(25)滑动连接，扇形轮(24)远离啮合齿的一端通过销轴(26)与股骨远端对正规(21)铰接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述股骨远端截骨导向器(11)通过前后滑动器(13)与股骨远端截骨调整装置(12)连接，所述前后滑动器(13)包括导向杆(31)、Y形滑动连接头(32)和滑动拉杆(33)，Y形滑动连接头(32)一端的两个分叉分别连接一根导向杆(31)，所述股骨远端对正规(21)顶面对应导向杆(31)设置导向孔(30)，Y形滑动连接头(32)另一端连接滑动拉杆(33)，Y形滑动连接头(32)上对应股骨远端截骨导向器(11)设置固定连接件。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述固定连接件采用锁紧螺钉(34)，所述股骨远端截骨导向器(11)包括通过股骨远端截骨支架(35)连接的导向头(36)和调整固定基座(37)，导向头(36)上对应锁紧螺钉(34)设置锁紧固定孔，对应股骨锯切槽(14)设置固定槽。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述股骨锯切槽(14)包括切槽本体(39)，切槽本体(39)底面平行设置走位杆(41)和测量杆(40)，测量杆(40)上设置刻度，导向头(36)上对应走位杆(41)和测量杆(40)均设置固定槽，对应走位杆(41)设置固定螺钉(42)。

9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述参考惯性传感器(8)和调整惯性传感器(9)均内置无线通信模块。

10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述参考惯性传感器(8)和调整惯性传感器(9)均通过A/D转换模块连接至控制终端。