CN110313973B - 长骨旋转截骨手术角度测量系统及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种长骨旋转截骨手术角度测量系统及数据处理方法，结构简单，设计合理，使用方便，能够实时对所需角度进行测量。所述系统包括两个相对独立的且组成完全相同的测量模块；测量模块包括壳体、长骨固定器和测量电路；壳体上定位设置测量电路，并且固定连接可拆卸的长骨固定器；测量电路包括传感器、处理器和显示单元；传感器的输出端连接处理器的输入端，处理器的输出端连接显示单元；传感器包括一个用于测量壳体与地磁方向夹角的地磁传感器，两个加速度传感器或者一个倾角传感器，以及一个陀螺仪传感器；处理器用于采集传感器实时测量数据，通过前后状态的测量数据做差后得到测量模块的空间角度；显示单元用于实时显示测量模块的空间角度。

Description

长骨旋转截骨手术角度测量系统及数据处理方法

技术领域

本发明涉及旋转截骨手术的辅助系统，具体为长骨旋转截骨手术角度测量系统及数据处理方法。

背景技术

在长骨(股骨、胫骨、肱骨、桡骨、尺骨)的旋转截骨术中，在截骨前首先在长骨的截断面上端和下端分别向骨内打入一根平行的钢针，截断长骨后旋转截骨远端，再通过手术人员目视或者用拍照等方式获得两根钢针的夹角，以此确定旋转角度。这种方法虽然简便易行，但是难以精确测量旋转角度值，导致手术效果欠佳，严重的需要进行再次手术。

上述方法缺点明显。首先，长骨硬度很高、表面是凸面，两根钢针打入骨的过程中难以保证二者的初始平行度，即钢针打入后即存在一个较小的相对角度；其次，受到观测者或拍摄者视角的影响，以及人眼或平面角度测量难以精确的固有缺点的限制，无法精确测量旋转后的角度。第三，整个过程需要台下助手的帮助，耗时较长。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种长骨旋转截骨手术角度测量系统及数据处理方法，结构简单，设计合理，使用方便，能够实时对所需角度进行测量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

长骨旋转截骨手术角度测量系统，包括两个相对独立的且组成完全相同的测量模块；所述的测量模块包括壳体、长骨固定器和测量电路；

所述壳体上定位设置测量电路，并且固定连接可拆卸的长骨固定器；

所述的测量电路包括传感器、处理器和显示单元；传感器的输出端连接处理器的输入端，处理器的输出端连接显示单元；

所述传感器包括一个用于测量壳体与地磁方向夹角的地磁传感器，两个加速度传感器或者一个倾角传感器，以及一个陀螺仪传感器；两个加速度传感器或者一个倾角传感器用于测量壳体围绕着与重力加速度方向垂直的主平面内两个坐标轴的倾角；陀螺仪传感器用于测量围绕着重力加速度方向的转角；

所述的处理器用于采集传感器实时测量数据，通过前后状态的测量数据做差后得到测量模块的空间角度；

所述的显示单元用于实时显示测量模块的空间角度。

优选的，所述的地磁传感器采用HMC5883芯片；所述的陀螺仪传感器采用ADXRS642芯片。

优选的，所述的倾角传感器采用AIS2000芯片，所述的加速度传感器采用CMA3000芯片。

优选的，所述测量电路还包括通信模块，用于两个测量模块间的测量数据传输；处理模块接收另一测量模块的测量数据，将同时刻状态的两个测量模块的测量数据做差后得到两者的相对角度变化；显示单元还用于实时显示测量模块的相对角度变化。

优选的，壳体呈长方体结构，其宽度大于高度，由长宽边形成的侧面为主平面，主平面朝上设置，主平面内设置有向内凹陷的装载槽，测量电路设置在装载槽内；装载槽的各个面与壳体的对应平面相互平行。

进一步，所述的长骨固定器为钢针或者绑带；

与主平面长边相邻的两个侧面为定位连接面，定位连接面上贯穿设置定位孔，定位孔的外端设置有锁止器；钢针一端穿过定位孔设置，锁止器用于将钢针锁紧固定在定位连接面上；

主平面上设置有与宽度方向平行的若干定位槽，绑带张紧连接在定位槽中。

进一步，传感器的各个平面与装载槽的对应平面相互平行。

长骨旋转截骨手术角度测量系统的数据处理方法，基于上述任意一项所述的测量系统，对分别固定在长骨截断面两侧的测量模块的测量数据进行处理；

步骤1，两个测量模块分别测量得到在长骨截断前自己的空间角度；

步骤2，两个测量模块分别测量得到在长骨截断后自己的空间角度；

步骤3，根据长骨截断前后各自的空间角度，对应做差后得到两个测量模块各自的空间角度变化；

步骤4，将两个测量模块的空间角度变化做差后，得到相对角度变化，即相对旋转角度。

优选的，所述的空间角度包括围绕着与重力加速度方向垂直的主平面内的两个坐标轴的倾角，以及围绕着重力加速度方向的转角。

优选的，以壳体的主平面为XY平面，XY平面的垂直方向为Z轴，Z轴为重力加速度方向，XY平面为与重力加速度方向垂直的主平面；

对测量模块采用钢针固定，并且壳体竖直放置且主平面与长骨长度方向平行时的数据进行处理时，长骨旋转使壳体围绕X轴转动；

对测量模块采用钢针固定，并且壳体竖直放置并且主平面与长骨长度方向垂直时的数据进行处理时，长骨旋转使壳体围绕Z轴转动；

对测量模块采用绑带固定，并且壳体水平放置且主平面与长骨长度方向平行时的数据进行处理时，长骨旋转使壳体围绕Y轴转动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的角度测量系统作为手术的辅助系统，通过显示单元能够实时的显示出长骨近远两端的旋转角度，便于医生进行调整和固定，提高手术效率和安全性；通过设置两个完全相同的测量模块，利用设置的传感器对角度进行精确测量，利用固定器与长骨进行刚性连接；从而能够实时、准确、动态地对长骨截断前后的角度进行精确测量，从而获得截断后的相对旋转角度，不仅通过传感器对角度的精确测量避免了原有人眼观测或照相进行角度测量的误差，还能够通过实时、动态测量省去繁琐的角度测量过程，降低医护人员的负担，提高效率。

进一步的，通过不同固定器的设置，能够更好的适应不同的操作要求和操作环境。

本发明所述的方法通过传感器的设置，将两个模块均在统一的以地磁和重力加速度方向为基准的坐标系中，从而能够实现长骨截断前后截断面两侧角度的分别进行测量和统一对比，并通过旋转后再次分别测量，通过截断面两侧的角度变化进行单独校准后，再统一在显示坐标系中得到旋转角度，从而能够精确获得旋转角度，提高对旋转数据的测量精度和对比精度。

附图说明

图1为本发明实例中所述测量模块的坐标轴和旋转角度示意图。

图2a为本发明实例中所述未装载测量电路的壳体轴侧图。

图2b为图2a的俯视图。

图2c为图2a中定位连接面的正视图。

图3为本发明实例中所述装载测量电路后的壳体示意图。

图4为本发明实例中所述采用钢针和定位孔将测量模块固定在长骨上的结构示意图。

图5为本发明实例中所述采用绑带和定位槽将测量模块固定在长骨上的固定结构示意图。

图6为本发明实例中所述系统使用时的信号对应功能示意图。

图7为本发明实例中所述系统使用时测量及角度处理过程示意图。

图中：100为壳体，101为装载槽，102为定位孔，103为定位槽，104为锁止器，201为传感器，202为处理器，203为显示屏，301为钢针，401为股骨，302为绑带。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种长骨旋转截骨手术的角度测量系统，包括两个分立但结构与组成完全相同的测量模块；每个测量模块包括壳体100、长骨固定器、传感器、处理器和显示单元。

传感器包括一个用于测量壳体100与地磁方向夹角的地磁传感器，两个加速度传感器或者一个倾角传感器，以及一个陀螺仪传感器；两个加速度传感器或者一个倾角传感器用于测量壳体100围绕着与重力加速度方向垂直的主平面内两个坐标轴的倾角；陀螺仪传感器用于测量围绕着重力加速度方向的转角。

壳体100优选的采用长方体结构，其宽度大于高度，由长宽边形成的侧面为主平面，主平面朝上设置，主平面内设置有向内凹陷的装载槽101。

其中，所述的长骨固定器为钢针301或者绑带302。

与主平面长边相邻的两个侧面为定位连接面，其上设置有贯穿设置的定位孔102，钢针301穿过定位孔102设置，定位孔102的外端设置有锁止器104，用于与钢针301可拆卸的固定连接。

主平面上设置有与宽度方向平行的若干定位槽103，绑带302张紧连接在定位槽103中。

在使用本发明所述的角度测量系统进行测量时，通过长骨固定器将两个测量模块分别固定在长骨截断面的两侧。

两个测量模块分别测量长骨截断前和截断并旋转后各自的相对角度变化，并将两个测量模块测量的空间角度变化进行比较，得到长骨旋转角度。

具体的，如图1所示，定义壳体100的主平面为XY平面，XY平面的垂直方向为Z轴。测量模块采用钢针301或绑带302两种方式固定在长骨上。当采用钢针301固定，并且壳体100竖直放置且主平面与长骨长度方向平行时，长骨旋转使壳体100围绕Y轴转动；当壳体100竖直放置并且主平面与长骨长度方向垂直时，长骨旋转使壳体100围绕Z轴转动。当采用绑带302固定，壳体100水平放置且主平面与长骨长度方向平行时，长骨旋转使壳体100围绕Y轴转动；如图1所示的，XYZ坐标系是基于壳体100的坐标系，本优选实例中，测量模块的主平面朝上，Z轴为重力加速度方向，XY平面为与重力加速度方向垂直的主平面。

如图2a、图2b和图2c所示，壳体100为长方体结构，内部带有装载槽101，本优选实例中的装载槽101设置有大小不同的两个，也可以根据需求进行与测量电路中器件的分别对应设置，或者根据壳体100的结构在需要的位置设置若干数量的装载槽101；装载槽101用于安装传感器、处理器和显示单元，或者是集成三者的印刷电路板(PCB板)。用于安装传感器的装载槽101的各个面与壳体100的对应表面相互平行。壳体100上设置安装长骨固定器的定位结构，包括垂直定位连接面的定位孔102和位于主平面并垂直定位连接面的定位槽103。锁止器104用于锁止钢针301和壳体100，防止二者之间产生相对移动。

如图3所示，测量电路包括传感器、处理器和显示单元，将传感器201及处理器202安装在装载槽101内，显示单元采用固定在壳体100上的显示屏203，或者是与处理器202集成在对应的印刷电路板上。传感器包括2个用于测量垂直重力加速度的主平面内两个坐标轴方向加速度的加速度传感器和1个用于测量与地磁夹角的地磁传感器，以及1个用于转角测量的陀螺仪传感器；或者是集成了两个加速度传感器功能的一个倾角传感器。安装过程中，保证转角传感器在装载槽101的位置与载体坐标系的三个轴对应，传感器均对正安装在装载槽101中，保证传感器的各个平面与装载槽101的对应平面相互平行。其中，所述的地磁传感器采用HMC5883芯片，所述的陀螺仪传感器采用ADXRS642芯片，所述的倾角传感器采用AIS2000芯片，所述的加速度传感器采用CMA3000芯片。处理器能够采用AT89C52单片机或者STC12C5A60S2单片机。

如图4所示，将两根钢针301分别打入长骨截断面的两侧，测量模块水平放置，图4中只显示其中一侧进行示例，通过壳体100上的定位孔102，将钢针301上穿入一个测量模块，适当调整壳体100的高度位置和方向，然后通过定位连接面上的锁止器103，将测量模块的壳体100锁定在钢针上301。钢针301打入长骨401后，二者可以视为刚性连接，没有相对位移和转动；锁定在长骨401上的测量模块壳体100与钢针301也可以视为刚性连接，二者之间也没有相对位移和转动。因此，测量模块壳体100与长骨401可以视为刚性连接，二者之间没有相对位移和转动。所述的锁止器103采用三爪夹头或者螺纹锁紧夹头等，也可以采用与钻头锁紧相同的锁紧装置，而且更好的能够从两端分别设置的锁止器103对钢针301同时进行锁紧。

由于本测量系统是通过长骨截断面两侧固定的测量模块，分别测量两个模块在长骨截断前后相对自己的空间角度变化；因此在固定测量模块时不要求截断面一侧的测量模块和钢针301与截断面另一侧的测量模块和钢针301之间有相对的位置关系，这样大大简化了钢针301打入的位置、角度和深度等参数控制过程。

如图5所示，当长骨截断面两侧的空间较大或者一侧的空间较大、并且不影响手术操作时，可以采用绑带302通过定位槽103将测量模块壳体100绑定到长骨401上，而不使用钢针301作为长骨固定器，测量模块水平放置。将绑带302穿过壳体100的定位槽103，环绕长骨401并拉紧后，将绑带302末端的尼龙扣搭接锁紧，通过绑带302将测量模块100固定到长骨401上。同样，用绑带302固定测量模块的过程中，也不要求截断面两侧的两个测量模块之间有相对位置关系；本优选实例中，设置有两个定位槽103，一个定位槽103不经过装载槽101，另一个定位槽103经过装载槽101设置。

图6所示为在长骨截断以后截断面两侧各自通过绑带302固定一个测量模块的示意图。以下定义截断面以上靠近躯干一侧的测量模块为上游测量模块，截断面以下靠近脚踝一侧的测量模块称为下游测量模块。

完成测量模块与长骨的固定后，可以实施测量过程，图7所示。将长骨截断面两侧的测量模块分别通电并各自进行测量，测量过程包括三个步骤：第一，在长骨截断前，通过上下游的测量模块分别测量二者的空间角度；第二，截断长骨并旋转截断部分后，再次通过上下游的测量模块分别测量二者的空间角度；第三，分别计算两个测量模块在长骨截断前后的空间角度变化，从而得到二者相对的角度变化，获得截断部分的真实旋转角度。

在股骨截断前，上游测量模块和下游测量模块分别测量各自的空间角度。需要注意的是尽管二者都位于同一根股骨上，但是由于钢针的平行度的差异和壳体相对钢针角度的差异，二者测量的初始空间角度并不相同。记录此时上游测量模块和下游测量模块所测量的结果为分别为上游角度1和下游角度1。上游角度1和下游角度1均包括三个空间角度，分别是围绕着与重力加速度方向垂直的主平面内的两个坐标轴的倾角，以及围绕着重力加速度方向的转角。

将长骨截断，并旋转被截断的长骨，此时下游测量模块测量的空间角度记为下游角度2。下游角度2也包括三个空间角度，仍为围绕着与重力加速度方向垂直的主平面内的两个坐标轴的倾角，以及围绕着重力加速度方向的转角。由于手术位置变化很小、时间较短，可以认为两次测量所参照的地磁南北两极和重力方向保持不变。因此，将下游角度2中的三个角度与下游角度1中的三个对应的角度相减，可以得到下游长骨旋转的相对角度，记录此相对角度变化为下游角度3。也可以通过地磁传感器通过现有技术对参照的地磁南北两极进行校正。

同时，上游测量模块对所在的空间角度进行测量，记录此空间角度为上游角度2。当长骨旋转时，理论上躯干和上游测量模块没有位置变化，因此上游角度2与上游角度1的测量结果相同，将二者对应角度相减所得到的孔教角度变化(记为上游角度3)应均为零。然而，由于切骨过程的振动和手术过程的不可预测性等因素，为了避免偶发因素导致的躯干位移对长骨旋转角度的误判，需要进行上游角度2的测量和上游角度3的计算。

上游角度3和下游角度3分别得到后，将下游角度3中对应的角度与上游角度3进行相减，就可以得到被截断的长骨相对连接躯干的长骨的相对角度变化，即转动角度。由于旋转时测量是实时进行的，因此可以在上下游测量模块的显示屏上实时显示每个测量模块的空间角度以及二者对应自己的空间角度变化，从而能够为手术提供旋转角度的参考。二者对应自己的相对角度变化即上游角度3和下游角度3。

本发明中如图6和图7所示，所述测量电路还包括通信模块，用于两个测量模块间的测量数据传输；处理模块接收另一测量模块的测量数据，将同时刻状态的两个测量模块的测量数据做差后得到两者的相对角度变化；显示单元还用于实时显示测量模块的相对角度变化。从而能够实时显示二者的相对角度变化。优选的，在测量电路中还包括无线通信模块，两个测量模块之间进行通信，将分别得到的上游角度3和下游角度3进行传输和交换，通过对应角度的相减，得到最终的转动角度，在两个显示屏上同时显示长骨的旋转角度。

本发明中的所述的上、下游角度，均是在统一的地磁和重力坐标系下的角度，优选的，三个轴分别为地磁方向、重力方向、以及与地磁方向和重力方向形成平面垂直的第三方向。

本发明能够应用在手术过程中，实现角度测量实时进行并实时显示，医生可以随时获得长骨截骨后的相对转动测量结果，使角度测量更加方便快捷，提高手术效率，缩短手术时间；利用地磁场和重力组成的角度测量系统，能够精确测量长骨的空间角度，大大提高手术的准确度、避免由于角度测量误差导致的手术失败；通过上下游两个测量模块测量各自的相对角度变化，并将上下游的角度变化相减，可以排除误操作、振动或偶发因素导致的躯干位移或转动对长骨旋转角度的错误测量。测量方便、快捷、准确，并避免测量错误，提高旋转截骨手术效率和成功率，能够避免再次手术，减少手术风险。

Claims (5)

1.长骨旋转截骨手术角度测量系统，其特征在于，包括两个相对独立的且组成完全相同的测量模块；所述的测量模块包括壳体(100)、长骨固定器和测量电路；

所述壳体(100)上定位设置测量电路，并且固定连接可拆卸的长骨固定器；

所述的测量电路包括传感器、处理器和显示单元；传感器的输出端连接处理器的输入端，处理器的输出端连接显示单元；

所述传感器包括一个用于测量壳体(100)与地磁方向夹角的地磁传感器，两个加速度传感器或者一个倾角传感器，以及一个陀螺仪传感器；两个加速度传感器或者一个倾角传感器用于测量壳体(100)围绕着与重力加速度方向垂直的主平面内两个坐标轴的倾角；陀螺仪传感器用于测量围绕着重力加速度方向的转角；

所述的处理器用于采集传感器实时测量数据，通过前后状态的测量数据做差后得到测量模块的空间角度；

所述的显示单元用于实时显示测量模块的空间角度；

壳体(100)呈长方体结构，其宽度大于高度，由长宽边形成的侧面为主平面，主平面朝上设置，主平面内设置有向内凹陷的装载槽(101)，测量电路设置在装载槽(101)内；装载槽(101)的各个面与壳体(100)的对应平面相互平行；

所述的长骨固定器为钢针(301)或者绑带(302)；

与主平面长边相邻的两个侧面为定位连接面，定位连接面上贯穿设置定位孔(102)，定位孔(102)的外端设置有锁止器(104)；钢针(301)一端穿过定位孔(102)设置，锁止器(104)用于将钢针(301)锁紧固定在定位连接面上；

主平面上设置有与宽度方向平行的若干定位槽(103)，绑带(302)张紧连接在定位槽(103)中。

2.根据权利要求1所述的长骨旋转截骨手术角度测量系统，其特征在于，所述的地磁传感器采用HMC5883芯片；所述的陀螺仪传感器采用ADXRS642芯片。

3.根据权利要求1所述的长骨旋转截骨手术角度测量系统，其特征在于，所述的倾角传感器采用AIS2000芯片，所述的加速度传感器采用CMA3000芯片。

4.根据权利要求1所述的长骨旋转截骨手术角度测量系统，其特征在于，所述测量电路还包括通信模块，用于两个测量模块间的测量数据传输；处理模块接收另一测量模块的测量数据，将同时刻状态的两个测量模块的测量数据做差后得到两者的相对角度变化；显示单元还用于实时显示测量模块的相对角度变化。

5.根据权利要求1所述的长骨旋转截骨手术角度测量系统，其特征在于，传感器的各个平面与装载槽(101)的对应平面相互平行。

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