CN110236640A - 一种骨科智能截骨导航装置及其使用方法 - Google Patents

一种骨科智能截骨导航装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种骨科智能截骨导航装置及其使用方法，该装置包括：运动感知单元，用于实时采集和记录患者下肢的运动加速度和运动角速度数据；中央处理单元，用于将获取的数据转化成描述截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度，并计算出截骨导航装置的偏移角度；通讯模块，用于将中央处理单元传输过来的角度信息传输给近场移动设备；激光定位模块，用于在待截骨表面投射线性激光以形成截骨指示标志。本发明可以在术中实时和迅速地追踪截骨角度，并进一步地通过激光定位器进行截骨导向，可以实现简便、准确、高效地截骨，从而提高假体安装位置的满意度，进而使安装后人工关节受力更为合理，减少磨损，延长关节使用寿命，降低翻修率，提高关节置换的远期效果。

Description

一种骨科智能截骨导航装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种截骨导航装置，具体是关于一种基于运动传感器的骨科智能截骨导航装置及其使用方法。
背景技术
在骨科临床中，关节外科发展迅速，目前关节置换是严重关节炎的主要治疗方法。在关节外科领域，关节置换技术不断普及，并逐渐被基层医院应用，但关节置换后远期效果取决于多种因素，包括人工关节设计、术中假体安装、软组织平衡、术后康复等，这其中最为重要因素的为术中假体安装，在安装假体前需要进行关节面的截骨，主要是指膝关节的股骨髁截骨和胫骨平台截骨。
此外，随着关节置换技术日臻成熟，越来越多的严重关节畸形患者接受手术治疗，在手术过程中，由于关节畸形严重带来截骨难度的增加。关节置换过程一般包括显露关节、截骨导向器安装、关节面截骨、试模安装、确认假体型号、安装植入假体以及缝合伤口，如何进行精准合理的截骨一直是关节置换手术操作中的重要环节。目前较为常见的方法是通过解剖学标志进行定位并安装复杂的截骨导向器，但在实际安装过程中受畸形、器械的固定效果影响，往往存在一定误差，主要原因是术中无法确定虚拟的下肢力线，因为下肢力线不同于解剖轴，是一个虚拟的受力方向，因此目前没有合理的方法进行确认。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于运动传感器的骨科智能截骨导航装置及其使用方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种骨科智能截骨导航装置，包括：运动感知单元，用于实时采集和记录患者下肢的运动加速度和运动角速度数据；中央处理单元，与所述运动感知单元连接，用于将获取的运动加速度和运动角速度数据转化成描述截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度，同时所述中央处理单元根据预设的目标截骨角度与截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度之差计算出截骨导航装置的偏移角度；通讯模块，与所述中央处理单元连接，用于将所述中央处理单元传输过来的角度信息传输给近场移动设备，并在所述近场移动设备的用户交互界面上进行显示；激光定位模块，用于在待截骨表面投射线性激光以形成截骨指示标志。
所述的骨科智能截骨导航装置，优选的，该截骨导航装置还包括：输入/输出单元，所述输入/输出单元的输入端与所述运动感知单元连接，用于接收所述运动感知单元传输的运动加速度和运动角速度数据并进行过滤；数据存储单元，所述数据存储单元的输入端与所述输入/输出单元的输出端连接，所述数据存储单元的输出端与所述中央处理单元的输入端连接，用于将运动加速度和运动角速度数据传输至所述中央处理单元之前进行存储。
所述的骨科智能截骨导航装置，优选的，所述运动感知单元包括加速度传感器和陀螺仪，其中所述加速度感应器为可编程满量程为±2g，±4g，±8g，±16g的三轴加速度计，最高敏感度为1mg/LSB；所述陀螺仪为数字输出X-、Y-和Z-轴角速率且全量程为±250、±500、±1000和±2000°/sec的芯片。
所述的骨科智能截骨导航装置，优选的，所述中央处理单元采用基于ARM架构的Cortex-A/Coretex-M系列处理器。
所述的骨科智能截骨导航装置，优选的，该截骨导航装置还包括供电模块，用于为所述中央处理单元、通讯模块和激光定位模块供电。
所述的骨科智能截骨导航装置，优选的，所述通讯模块通过蓝牙、NFC或Wi-Fi与所述外场移动设备连接。
一种上述骨科智能截骨导航装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：将固定连接器固定于患者股骨侧或胫骨侧的指定位置；
步骤二：将截骨导航装置安装在导向器内，然后将导向器与固定连接器相连，开启截骨导航装置，通过通讯模块与近场移动设备连接；
步骤三：在近场移动设备上进行与截骨导航装置的交互操作：首先通过运动感知单元的陀螺仪进行水平矫正，然后进行90°垂直定位，完成初始位置矫正后截骨导航装置进入工作状态；
步骤四：进行下肢力线定位：在任意两个方向上快速晃动患者下肢，运动感知单元实时采集和记录运动加速度和运动角速度数据，并将这些数据传输给中央处理单元；
步骤五：中央处理单元将获取的运动加速度和运动角速度数据转化成描述导航装置所指方向与下肢力线所成角度，同时中央处理单元根据预设的目标截骨角度与截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度之差计算出截骨导航装置的偏移角度，并将角度信息通过通讯模块传输到近场移动设备上进行显示；
步骤六：根据截骨导航装置计算出的偏移角度调节固定连接器的导板上的微调螺丝，对预截骨平面进行微调，达到目标截骨角度；
步骤七：打开激光定位模块，激光定位模块根据目标截骨角度在患者股骨髁或胫骨表面投射线性激光以形成截骨指示标志，完成截骨导航。
所述的使用方法，优选的，患者股骨侧的指定位置为髁间窝后叉韧带止点前约1cm处，患者胫骨侧的指定位置为胫骨结节中内1/3、胫骨平台前后1/3处。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明通过运动感知单元获得下肢力线方向，可以在术中实时和迅速地追踪截骨角度，并进一步地通过激光定位器进行截骨导向，由此可以实现简便、准确、高效地截骨，从而提高假体安装位置的满意度，进而使安装后人工关节受力更为合理，减少磨损，延长关节使用寿命，降低翻修率，提高关节置换的远期效果。
附图说明
图1是本发明截骨导航装置的结构框图；
图2是本发明截骨导航装置的使用状态示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
如图1所示，本发明提供的骨科智能截骨导航装置100包括：
运动感知单元1，用于实时采集和记录患者下肢的运动加速度和运动角速度数据；
中央处理单元2，与运动感知单元1连接，用于将获取的运动加速度和运动角速度数据转化成描述截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度，同时中央处理单元2根据预设的目标截骨角度与截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度之差计算出截骨导航装置100的偏移角度；
通讯模块3，与中央处理单2元连接，用于将中央处理单元2传输过来的角度信息传输给近场移动设备，并在近场移动设备的用户交互界面上进行显示；
激光定位模块4，用于在待截骨表面投射线性激光以形成截骨指示标志。
在上述实例中，优选的，还包括输入/输出单元5和数据存储单元6，输入/输出单元5的输入端与运动感知单元2连接，用于接收运动感知单元2传输的运动加速度和运动角速度数据并进行过滤；数据存储单元6的输入端与输入/输出单元5的输出端连接，数据存储单元6的输出端与中央处理单元2的输入端连接，用于将运动加速度和运动角速度数据传输至中央处理单元2之前进行存储。
在上述实例中，优选的，运动感知单元1包括加速度传感器和陀螺仪，其中加速度感应器为可编程满量程为±2g，±4g，±8g，±16g的三轴加速度计，最高敏感度为1mg/LSB；陀螺仪为数字输出X-、Y-和Z-轴角速率且全量程为±250、±500、±1000和±2000°/sec的芯片。
在上述实例中，优选的，中央处理单元2采用基于ARM架构的Cortex-A/Coretex-M系列处理器。
在上述实例中，优选的，还包括供电模块7，用于为中央处理单元2、通讯模块3和激光定位模块4供电。
在上述实例中，优选的，通讯模块3通过蓝牙、NFC或Wi-Fi与外场移动设备连接。
如图2所示，基于上述实施例中提供的骨科智能截骨导航装置100，本发明还提出了该骨科智能截骨导航装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：将固定连接器200固定于患者股骨侧或胫骨侧的指定位置；
步骤二：将截骨导航装置100安装在导向器300内，然后将导向器300与固定连接器200相连，开启截骨导航装置100，通过通讯模块3与近场移动设备连接；
步骤三：在近场移动设备上进行与截骨导航装置100的交互操作：首先通过运动感知单元1的陀螺仪进行水平矫正，然后进行90°垂直定位，完成初始位置矫正后截骨导航装置100进入工作状态；
步骤四：进行下肢力线定位：在任意两个方向上快速晃动患者下肢，运动感知单元1实时采集和记录运动加速度和运动角速度数据，并将这些数据传输给中央处理单元2；
步骤五：中央处理单元2将获取的运动加速度和运动角速度数据转化成描述导航装置所指方向与下肢力线所成角度，同时中央处理单元2根据预设的目标截骨角度与截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度之差计算出截骨导航装置100的偏移角度，并将角度信息通过通讯模块3传输到近场移动设备上进行显示；
步骤六：根据截骨导航装置100计算出的偏移角度调节固定连接器200的导板上的微调螺丝，对预截骨平面进行微调，达到目标截骨角度；
步骤七：打开激光定位模块4，激光定位模块4根据目标截骨角度在股骨髁或胫骨表面投射线性激光以形成截骨指示标志，完成截骨导航。
在上述实施例中，优选的，患者股骨侧的指定位置为髁间窝后叉韧带止点前约1cm处，患者胫骨侧的指定位置为胫骨结节中内1/3、胫骨平台前后1/3处。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种骨科智能截骨导航装置，其特征在于，包括：
运动感知单元(1)，用于实时采集和记录患者下肢的运动加速度和运动角速度数据；
中央处理单元(2)，与所述运动感知单元(1)连接，用于将获取的运动加速度和运动角速度数据转化成描述截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度，同时所述中央处理单元(2)根据预设的目标截骨角度与截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度之差计算出截骨导航装置的偏移角度；
通讯模块(3)，与所述中央处理单(2)元连接，用于将所述中央处理单元(2)传输过来的角度信息传输给近场移动设备，并在所述近场移动设备的用户交互界面上进行显示；
激光定位模块(4)，用于在待截骨表面投射线性激光以形成截骨指示标志。
2.根据权利要求1所述的骨科智能截骨导航装置，其特征在于，该截骨导航装置还包括：
输入/输出单元(5)，所述输入/输出单元(5)的输入端与所述运动感知单元(2)连接，用于接收所述运动感知单元(2)传输的运动加速度和运动角速度数据并进行过滤；
数据存储单元(6)，所述数据存储单元(6)的输入端与所述输入/输出单元(5)的输出端连接，所述数据存储单元(6)的输出端与所述中央处理单元(2)的输入端连接，用于将运动加速度和运动角速度数据传输至所述中央处理单元(2)之前进行存储。
3.根据权利要求1所述的骨科智能截骨导航装置，其特征在于，所述运动感知单元(1)包括加速度传感器和陀螺仪，其中所述加速度感应器为可编程满量程为±2g，±4g，±8g，±16g的三轴加速度计，最高敏感度为1mg/LSB；所述陀螺仪为数字输出X-、Y-和Z-轴角速率且全量程为±250、±500、±1000和±2000°/sec的芯片。
4.根据权利要求1所述的骨科智能截骨导航装置，其特征在于，所述中央处理单元(2)采用基于ARM架构的Cortex-A/Coretex-M系列处理器。
5.根据权利要求1所述的骨科智能截骨导航装置，其特征在于，该截骨导航装置还包括供电模块(7)，用于为所述中央处理单元(2)、通讯模块(3)和激光定位模块(4)供电。
6.根据权利要求1所述的骨科智能截骨导航装置，其特征在于，所述通讯模块(3)通过蓝牙、NFC或Wi-Fi与所述外场移动设备连接。
7.一种如权利要求3到6任一项所述骨科智能截骨导航装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将固定连接器固定于患者股骨侧或胫骨侧的指定位置；
步骤二：将截骨导航装置安装在导向器内，然后将导向器与固定连接器相连，开启截骨导航装置，通过通讯模块(3)与近场移动设备连接；
步骤三：在近场移动设备上进行与截骨导航装置的交互操作：首先通过运动感知单元(1)的陀螺仪进行水平矫正，然后进行90°垂直定位，完成初始位置矫正后截骨导航装置进入工作状态；
步骤四：进行下肢力线定位：在任意两个方向上快速晃动患者下肢，运动感知单元(1)实时采集和记录运动加速度和运动角速度数据，并将这些数据传输给中央处理单元(2)；
步骤五：中央处理单元(2)将获取的运动加速度和运动角速度数据转化成描述导航装置所指方向与下肢力线所成角度，同时中央处理单元(2)根据预设的目标截骨角度与截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度之差计算出截骨导航装置的偏移角度，并将角度信息通过通讯模块(3)传输到近场移动设备上进行显示；
步骤六：根据截骨导航装置计算出的偏移角度调节固定连接器的导板上的微调螺丝，对预截骨平面进行微调，达到目标截骨角度；
步骤七：打开激光定位模块(4)，激光定位模块(4)根据目标截骨角度在患者股骨髁或胫骨表面投射线性激光以形成截骨指示标志，完成截骨导航。
8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，患者股骨侧的指定位置为髁间窝后叉韧带止点前约1cm处，患者胫骨侧的指定位置为胫骨结节中内1/3、胫骨平台前后1/3处。
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