CN110974493B - 基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量方法，属于骨科倾角检测领域。其通过将骨科定位器用固定钉固定在股骨远端，将下肢力线导航模块卡入骨科定位器中，通过导航模块测量得到运动参数；将固定单元固定于胫骨上，以胫骨底部内髁、外髁之间的位置为传感器测量的初始位置；驱动连接杆运动使得触碰单元分别与初始位置、胫骨底部的内髁、外髁分别接触，通过导航模块测量得到的运动参数，进而可以准确的测得胫骨倾角和股骨的倾角，进而确定下肢侧力线的情况。

Description

基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统
技术领域
本发明涉及属于骨科倾角检测领域，更具体地说，基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量方法。
背景技术
关节置换手术往往是用一个或多个假体关节部件置换患者的关节。在膝关节置换过程中下肢侧力线是骨科医生比较关心的问题，根据下肢侧力线安放假体是手术成功的关键。对膝关节置换手术而言，若想提高成功率，使关节置换更准确，关键在于寻找人体胫骨侧力线位置。
目前，医生往往凭借个人经验判断人工关节接驳位置，基于经验和主观判断具有较大的不确定性和人为视差，易产生失误，有较大几率造成置换不当甚至失败，会导致疼痛、关节活动受限、松动、磨损和关节不稳定现象，给患者及其家属带来严重影响。或者是在关节置换的过程中使用复杂的计算机导航装置或者系统，其需要一个或多个计算机以及三维成像来跟踪人体中外科器械或界标的空间位置和/或运动；不仅成本高、设备庞大，而且下肢侧力线往往难以有效的测量。
特别是针对下肢侧力线的胫骨部分，目前还尚未出现专用的设备或仪器用来在胫骨截骨的过程中进行测量，使得胫骨截骨不准确，亟需开发出一种专门应用与胫骨截骨的导航测量装置，进而辅助完成关节的精确置换。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中，无法准确的测量和判断下肢侧力线的倾角情况的不足，提供基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量方法，将股骨倾角测量装置固定于股骨远端，导航模块采集由静止到加速运动的运动参数，并确定股骨的倾角；将胫骨倾角测量装置固定于胫骨上，调节连杆并带动导航模块同时运动，导航模块采集触碰单元触碰每个位置时的运动参数，并确定胫骨的倾角；进而可以实现采用单个导航模块准确的测得胫骨倾角和股骨的倾角，进而确定下肢侧力线的情况。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量方法，
(1)股骨倾角的测量步骤
将股骨倾角测量装置固定于股骨远端，将下肢力线导航模块卡入骨科定位器中；摆动股骨带动导航模块运动，使得膝关节做静止到加速的运动，导航模块采集由静止到加速运动的运动参数，根据由静止到加速运动的运动参数确定股骨的倾角；
(2)胫骨倾角的测量步骤
将胫骨倾角测量装置固定于胫骨上，调节第一连杆和第二连杆，调节连杆并带动导航模块同时运动，使得胫骨倾角测量装置的触碰单元与胫骨底部的至少2个位置接触，导航模块采集触碰单元触碰每个位置时的运动参数，根据每个位置时的运动参数确定胫骨的倾角。
本发明通过将股骨倾角测量装置固定于股骨远端，通过导航模块测量得到运动参数，进而可以获得股骨的倾角；将胫骨倾角测量装置固定于胫骨上，调节连杆并带动导航模块同时运动，通过导航模块测量得到的运动参数，进而可以准确的测得胫骨倾角和股骨的倾角，进而确定下肢侧力线的倾斜状况。
优选地，在进行股骨倾角的测量和胫骨倾角的测量之前需要对导航模块进行校准，具体的校准方法为，将导航模块放入校准工装中并在水平面上进行静止校准。
优选地，测量胫骨倾角时，调节定位单元的定位杆，使定位件与胫骨结节相对应。
优选地，测量胫骨倾角时，将胫骨倾角测量装置的固定单元固定于胫骨粗隆位置。
优选地，测量胫骨倾角时，
采用三点触碰的方式，采集触碰单元触碰胫骨上的至少三个点时的运动参数，根据上述触碰位置的运动参数确定胫骨内外翻角；和/或
采用两点触碰方式，采集触碰单元触碰胫骨上的至少两个点时的运动参数，根据上述触碰位置的运动参数确定胫骨前后倾角。
优选地，测量胫骨内外翻角，触碰单元触碰的触碰位置至少包括初始位置、胫骨内踝和胫骨外踝；和/或测量胫骨前后倾角，触碰单元触碰的触碰位置至少包括初始位置和胫骨内踝与外踝之间正前方位置。
优选地，测量胫骨内外翻角的测量步骤为：
采集触碰单元触碰初始位置时刻的加速度：(X1，Y1，Z1)，其中X1、Y1、Z1分别是加速度沿三个坐标轴方向上的分量；
采集触碰单元触碰内踝位置时刻的加速度：(X2，Y2，Z2)，其中X2、Y2、Z2分别是加速度沿三个坐标轴方向上的分量；
采集触碰单元触碰外踝位置时刻的加速度：(X3，Y3，Z3)，其中X3、Y3、Z3分别是沿加速度三个坐标轴方向上的分量；
定义参考垂线，并分别计算：
触碰单元触碰初始位置时刻，第一连杆的轴线与参考垂线的夹角α1，计算公式为：
Figure BDA0002322198690000031
触碰单元触碰内踝位置时刻，第一连杆的轴线与参考垂线的夹角α2，计算公式为：
Figure BDA0002322198690000032
触碰单元触碰外踝位置时刻，第一连杆的轴线与参考垂线的夹角α3，计算公式为：
Figure BDA0002322198690000033
则胫骨的内外翻角α0为：
Figure BDA0002322198690000034
测量胫骨前后倾角的测量步骤为：
采集触碰单元与脚踝之间正前方位置接触时刻的加速度：(X4，Y4，Z4)，其中X4、Y4、 Z4分别是沿加速度坐标系三个坐标轴方向上的分量；
采用如下公式胫骨的前后倾角：
Figure BDA0002322198690000035
其中，γ0表示前后倾角。
本发明以胫骨底部内髁、外髁之间的位置为传感器测量的初始位置；驱动连接杆运动使得触碰单元分别与初始位置、胫骨底部的内髁、外髁和脚踝之间正前方位置接触时的加速度，从而通过加速度的运动参数检测得到胫骨的倾斜角度，从而大大提高了胫骨倾斜角度检测的准确性。
优选地，测量股骨倾角时，以导航单元中的运动传感器的三个轴建立参考坐标系，并拟合运动传感器的空间运动轨迹，计算得出股骨髋臼窝的坐标值，并根据髋臼窝的坐标值计算得出股骨的内外翻角和前后倾角。
优选地，运动传感器的空间运动轨迹采用最小二乘球法进行拟合。
优选地，采用最小二乘球法拟合运动传感器的空间运动轨迹的具体方法为：
定义股骨远端上的任一点P，坐标表示为P(x，y，z)，采用最小二乘球法，拟合非完整球面则方程形式为：(x+a)2+(y+b)2+(x+c)2＝R2，其中球心为A(-a，-b，-c)，半径为R；
令a2+b2+c2-R2＝d，d为常数，记点P在不同位置时，实际被测非完成球面上的各采样点的空间坐标为Pi(xi，yi，zi)，并代入球面方程式，球面方程式可能会不等于零，设：
Figure BDA0002322198690000041
式中，ki为实际非完整球面上各采样点与拟合最小二乘球球面上相应点的函数偏差值；
当
Figure BDA0002322198690000042
为最小时，拟合的最小二乘球逼近实际非完整球，式中n表示采样点数量；
令：
Figure BDA0002322198690000043
根据求最小值的方法：
Figure BDA0002322198690000044
得到以下方程组：
Figure BDA0002322198690000045
其中i＝1，2，...，n为非完整球面上的实际采样点序号，n为采样点数量；
求得拟合最小二乘球的球心A(-a，-b，-c)，即可得到股骨髋臼窝的坐标，根据髋臼窝的坐标求得股骨的内外翻角η和前后倾角ψ，具体如下：
Figure BDA0002322198690000046
3、有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量方法，将股骨倾角测量装置固定于股骨远端，导航模块采集由静止到加速运动的运动参数，进而确定股骨的倾角；将胫骨倾角测量装置固定于胫骨上，调节第一连杆和第二连杆带动导航模块同时运动，导航模块采集触碰单元触碰每个位置时的运动参数，进而确定胫骨的倾角，在检测的过程可以采用单个导航模块准确的测得胫骨倾角和股骨的倾角，并且可以提高检测的准确度。
(2)本发明基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量方法，在胫骨倾角测量的过程中触碰单元分别触碰初始位置、胫骨内踝和胫骨外踝，导航单元采集触碰三个位置时刻的运动参数，进而实现胫骨内外翻角的测量；同理，可以通过测量实施位置和最终位置的运动参数，进而实现股骨倾角的测量，操作简单，易于操作；
(3)本发明基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量方法，在股骨的倾斜角度测量的过程中，摆动股骨使得膝关节做静止到加速的运动，带动导航模块运动，导航模块进行数据采集，采集运动参数，并通过股骨倾角测量算法确定股骨的倾角，实现了单个导航模块即可以实现股骨角度的测量，操作简单，易于操作；
(4)测量股骨倾角的算法，采用最小二乘球法拟合导航模块的空间运动轨迹，从而求得股骨的髋臼窝的坐标，本发明的方法中，考虑了重力加速度度测量的影响，通过陀螺仪识别运动传感器的空间姿态，通过坐标变换滤除重力加速度的偏移分量，从而避免了重力的影响，有效地提高了测量的准确率。
附图说明
图1本发明的股骨倾角测量装置的骨科定位器的结构示意图；
图2为本发明的胫骨倾角测量装置的导航模块的结构示意图；
图3为本发明的胫骨倾角测量装置的结构示意图；
图4为本发明的胫骨倾角测量装置的连接杆结构示意图；
图5为本发明的胫骨倾角测量装置的固定单元结构示意图；
图6为本发明的胫骨倾角测量装置的固定板结构示意图
图7为本发明的胫骨倾角测量装置的连接杆拆解结构示意图；
图8为本发明的胫骨倾角测量装置的触碰单元结构示意图；
图9为本发明的方法的流程图；
图10为股骨最小二乘法确定圆心的示意图。
示意图中的标号说明：
110、固定单元；111、固定孔；112、固定钉；113、固定板；114、第一固定板；115、第二固定板；
120、本体基座；121、基座安装杆；122、转动轴；123、基座安装件；
130、定位单元；131、定位杆；132、定位件；
210、导航单元；211、导航安装座；212、导航安装槽；213、导航机械开关；214、导航锁钮；
220、第一连杆；221、驱动器；222、内杆；223、外杆；
230、第二连杆；
240、触碰单元；241、内外髁触碰面；242、传感器本体端部；243、前部触碰面；244、空腔；
250、导航模块；
260、骨科定位器；261、股骨固定本体；262、髁间窝定位杆；263、导航安装槽；264、固定孔；
271、第一压力传感器；272、第二压力传感器。
具体实施方式
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
关节置换手术往往是用一个或多个假体关节部件置换患者的关节。在膝关节置换过程中下肢侧力线是骨科医生比较关心的问题，根据下肢侧力线安放假体是手术成功的关键。
本实施例的基于单个导航模块的下肢侧力线的倾角的测量系统包括胫骨倾角测量装置和股骨倾角测量装置；如图1所示，股骨倾角测量装置的包括骨科定位器260和导航模块250，其中骨科定位器260包括股骨固定本体261，该股骨固定本体261上设置有导航安装槽263，该导航安装槽263用于安装导航模块250，导航模块250如图2所示，所述股骨固定本体261 上设置有固定孔264，固定钉可以穿过固定孔264将骨科定位器260固定于股骨上。股骨固定本体261中部设置有髁间窝定位杆262，该髁间窝定位杆262与股骨的髁间窝对应设置。
结合图3，胫骨倾角测量装置包括固定单元110、本体基座120、定位单元130、导航单元210和触碰单元240；定位单元130包括定位杆131和定位件132，定位件132设置于定位杆131的一端，定位杆131远离定位件132的位置与本体基座120相连。定位单元130的作用在于将本体基座120进行定位，定位基准在胫骨结节，所以通过定位件132在胫骨结节处固定设置，将定位杆131进行固定，再将定位杆131上的本体基座120进行定位。本实施例中定位件132为定位钉，定位杆131上设置有与该定位钉相配合的钉孔，定位钉通过该钉孔定位至胫骨结节处，并将定位杆131进行固定，从而实现定位杆131另一端本体基座120的固定连接；另外定位杆131上还可设置有其他的定位钉，以辅助对应设置于胫骨结节处定位钉的固定。此处需要说明的是，虽然此处描述的为定位杆131，但是定位杆131不能只理解为“杆”状，也可以为如长条板状或者甚至其他不规则形状，只需满足其通过定位件132对本体基座120的定位即可。
本实施例中，本体基座120的上部向上延伸设置有基座安装杆121，定位杆131远离定位件132的位置设置有基座安装件123，基座安装件123用于对基座安装杆121远离本体基座120的位置进行安装，本实施例中基座安装件123为安装孔，所述基座安装杆121通过安装孔安装固定在基座安装杆121上；或者所述基座安装件123也可以为齿条，基座安装杆121远离本体基座120的一端设置有与上述齿条相配合的齿条驱动套，所述齿条驱动套可沿齿条长度方向运动并在齿条长度方向上任意位置进行固定定位；或者基座安装杆121远离本体基座120的一端设置有杆套，该杆套即为基座安装件123，配合设置于定位杆131上，使得基座安装杆121可以沿定位杆131的轴向进行滑动，操作者通过手动即可滑动。
如图5所示，本体基座120靠近定位件132安装的一侧，设置有固定单元110，固定单元110包括固定板113，所述固定板113固定在本体基座120靠近定位件132安装的一侧，固定单元110上设置有固定孔111，固定孔111可设置有多个，固定单元110还包括固定钉112，所述固定钉112可插装于固定孔111内，通过将固定钉112插装于固定孔111内，使得固定板113固定在胫骨上。所述固定钉112可以为光面的固定钉和/或螺钉，如果为螺钉，固定该螺钉的固定孔111为螺孔。
另外，如图6所示，本实施例中固定板113包括第一固定板114和第二固定板115，第一固定板114远离胫骨的一侧设置与本体基座120相连，第二固定板115上设置有固定孔111，所述固定孔111的孔轴方向与第一固定板114所在面之间存在夹角β，所述40°≤β≤60°，本实施例中β＝50°。通过该设置，可以将本体基座120与胫骨更好的固定，提高后续的检测精度。
需要说明的是，所述本体基座120上还设置有导航单元210，所述导航单元210包括导航安装座211和导航模块250，本实施例中导航安装座211设置于本体基座120相对于固定单元110的另一侧，导航安装座211和本体基座120之间设置有转动轴122，所述转动轴122轴向与图1中的X方向平行，导航安装座211通过转动轴122可相对于本体基座120进行转动，转动平面与图3中的YZ平面相平行；导航安装座211与本体基座120对应位置上设置有螺孔，螺孔内配合设置有导航锁钮214，通过旋转导航锁钮214，使得导航锁钮214紧压本体基座120，从而实现导航安装座211位置的固定。导航安装座211上设置有导航安装槽212，所述导航安装槽212可安装导航模块250，导航安装座211运动时，导航模块250用于检测运动参数，即检测导航单元210的运动信号，所述的导航模块250包括加速度传感器和/或陀螺仪和/或角速度传感器；另外，如图2所示，导航模块250上设置有弹珠251，导航安装座 211上设置有与弹珠251相配合的定位孔，通过弹珠251与定位孔的配合，不仅提高导航模块250固定的稳定性，也提高其拆卸的便捷性。导航模块250加速度传感器和/或陀螺仪和/ 或角速度传感器分别与微处理器电连接。
如图4所示，导航安装座211的下端延伸设置有连接杆，导航安装座211通过连接杆与触碰单元240相连接，连接杆包括第一连杆220和第二连杆230，第一连杆220的顶端与导航安装座211的底部相连，第一连杆220远离导航安装座211的一端设置有第二连杆230，所述第二连杆230的轴线方向与第一连杆220垂直，所述第一连杆220远离第二连杆230的一端设置有触碰单元240。
本实施例中第一连杆220的轴线方向竖直向下，即与图3中的Y方向平行；第二连杆230 的轴线方向与图3中的X方向平行。值得一提的是，第一连杆220为可伸缩杆，如图7所示，本实施例中第一连杆220包括内杆222和外杆223，所述内杆222和外杆223内外配合，通过内杆222和外杆223之间的滑动实现第一连杆220的可伸缩，本实施例中内杆222的顶端与导航安装座211相连，外杆223的底端与第二连杆230相连。外杆223上设置有扳扣224，所述扳扣224用于固定内杆222与外杆223之间的相对位置，从而实现第一连杆220长度的确定。
另外第二连杆230可相对于第一连杆220沿第二连杆230的轴向进行滑动，从而使得触碰单元240与第一连杆220之间的距离可变。本实施例中，第一连杆220的底端设置有驱动器221，第二连杆230可滑动地设置于驱动器221内，所述驱动器221用于驱动第二连杆230沿第二连杆230的轴向进行滑动。本实施例中，第二连杆230上设置有齿条，驱动器221内设置有与齿条相配合的齿轮，驱动器221内还设置有驱动电机，所述驱动电机可驱动齿轮转动，齿轮转动通过齿条传动驱动第二连杆230进行滑动。当然，也可以不设置驱动器221，直接进行手动操作使得第二连杆230相对于第一连杆220进行滑动即可。
如图8所示，所述第二连杆230内设置有空腔244，所述空腔244的截面为矩形，所述矩形沿第二连杆230轴向的长度为a，本实施例中a＝30mm，所述矩形沿垂直于第二连杆230轴向方向的长度为b，所述a＝kb，其中1.65≤k≤2.53，本实施例中k＝2。另外所述触碰单元240包括相对于第二连杆230另一侧设置的前部触碰面243以及沿第二连杆230轴向两侧设置的内外髁触碰面241，所述前部触碰面243为向触碰单元240内部下凹的凹面，所述凹面为曲面，所述曲面所在球面的球面半径为R1，该66mm≤R1≤72mm，本实施例中R1＝70mm；内外髁触碰面241也为向触碰单元240内部下凹的凹面，所述凹面为曲面，所述曲面所在球面的球面半径为r，该3mm≤r≤7mm，本实施例中r＝5mm。
值得一提的是，前部触碰面243凹形底部可以设置有第一压力传感器271，内外髁触碰面241凹形底部设置有第二压力传感器272，在前部触碰面243或内外髁触碰面241与胫骨触碰过程中，第一压力传感器271或第二压力传感器272对压力进行检测，当压力传感器检测到设定值时，导航模块250对此时的运动参数进行收集，其精度更高。
如图9所示，采用胫骨倾角测量装置的测量胫骨倾角的方法是：
先将胫骨倾角测量装置固定于胫骨上，将导航模块250放入校准工装中并在水平面上进行静止校准，将校准后的导航模块250安装在胫骨倾角测量装置内，安装在导航安装槽212 中；其中所述的校准工装为公开号为：CN207007877U的校准工装。然后安装胫骨倾角测量装置，将固定单元110固定于胫骨的粗隆位置，且将定位单元130的定位杆131与胫骨结节对应，整体胫骨倾角测量装置保持竖直状态，然后根据待测量的胫骨的长度，调节第一连杆 220，当第二连杆230能够基本与脚的内踝和外踝的连线平齐的位置时，然后调节第二连杆 230，将此时触碰单元240恰好触碰到的胫骨的位置作为初始位置，然后开始进行胫骨倾角的测量。
测量胫骨的内外翻角时，需采集导航单元240触碰胫骨上三个位置时刻的运动参数，因为导航单元250中设置的运动传感器为加速度传感器，因此采集的运动参数为加速度数据。其中，这三个位置分别为：初始位置、胫骨内踝、胫骨外踝，调节第一连杆220和第二连杆 230，使得触碰单元240分别触碰初始位置、胫骨内踝和胫骨外踝，导航单元240分别采集触碰单元240触碰上述三个位置时刻的加速度数据，具体表示为：
采集触碰单元触碰初始位置时刻的加速度：(X1，Y1，Z1)，其中X1、Y1、Z1分别是加速度沿三个坐标轴方向上的分量；值得说明的是，初始位置为胫骨前方位置，初始位置其位于内踝和外踝中心线的前方；
采集触碰单元触碰内踝位置时刻的加速度：(X2，Y2，Z2)，其中X2、Y2、Z2分别是加速度沿三个坐标轴方向上的分量；
采集触碰单元240触碰外踝位置时刻的加速度：(X3，Y3，Z3)，其中X3、Y3、Z3分别是沿加速度三个坐标轴方向上的分量。
然后根据上述三个位置的加速度数据计算胫骨内外翻角，具体计算方式为：
定义参考垂线，参考垂线是指在进行胫骨截骨手术中，会根据胫骨情况，确定的一根垂线，然后分别计算触碰单元240触碰初始位置、胫骨内踝、胫骨外踝这三个位置时，第一连接杆220的轴线与参考垂线的夹角α1、α2和α3。
触碰单元240触碰初始位置时刻，第一连杆220的轴线与参考垂线的夹角α1的计算公式为：
Figure BDA0002322198690000101
触碰单元240触碰内踝位置时刻，第一连杆220的轴线与参考垂线的夹角α2的计算公式为：
Figure BDA0002322198690000102
触碰单元240触碰外踝位置时刻，第一连杆220的轴线与参考垂线的夹角α3的计算公式为：
Figure BDA0002322198690000103
则胫骨的内外翻角α0为：
Figure BDA0002322198690000104
计算胫骨的前后倾角时，需要采集触碰单元240触碰胫骨上两个位置时刻的运动参数，这两个位置分别为：初始位置、胫骨内踝与外踝之间正前方位置，初始位置的运动参数在计算内外翻角时已经采集，可以直接使用，只需再采集胫骨内踝与外踝之间正前方位置运动参数即可。调节第一连杆220和第二连杆230，使得触碰单元240触碰胫骨内踝与外踝之间正前方位置，采集触碰单元240脚踝之间正前方位置时刻的加速度：(X4，Y4，Z4)，其中X4、 Y4、Z4分别是沿加速度坐标系三个坐标轴方向上的分量，则采用如下公式计算胫骨的前后倾角γ0：
Figure BDA0002322198690000105
测量股骨倾角的方法为：
先将股骨倾角测量装置固定于股骨远端，即将骨科定位器260固定于股骨远端，且髁间窝定位杆262与髁间窝相对应，先将导航模块250放入校准工装中并在水平面上进行静止校准，再将校准后的导航模块250安装在导航安装槽263内，摆动股骨使得膝关节做由静止到加速的运动，导航模块250进行数据采集，采集运动参数，根据由静止到加速运动的运动参数确定股骨的倾角。测量股骨倾角的核心在于倾角测量算法，股骨倾角的测量算法具体如下：
导航模块250安装在骨科定位器260中后，运动传感器的位置相对股骨已经固定，以此时位置作为初始位置，导航模块250中运动传感器包括加速度传感器和陀螺仪，其中加速度传感器为三轴加速度传感器，因此以加速度传感器的三个轴建立参考坐标系，参考坐标系的原点为加速度传感器的中心O(0，0，0)，在参考坐标系中，定义股骨的髋臼窝的坐标为 A(-a，-b，-c)，a、b、c均为正数。分析股骨的运动可知，当任意摆动股骨时，股骨远端上任一点形成的运动轨迹均为以髋臼窝为球心、股骨长度为半径的非完整球面，只要拟合出非完成球面的方程，即可求出髋臼窝的坐标。因为导航模块250是固定在股骨远端的，因此，在摆动股骨时，可将其等效为一个点，也可以认为运动传感器等效为一个点。
如图10所示，定义股骨远端上的任一点P，坐标表示为P(x，y，z)，说明的是，这里点P 就是导航模块250等效的点，采用最小二乘球法，拟合非完整球面则方程形式为：
(x+a)2+(y+b)2+(x+c)2＝R2 (6)
其中球心为A(-a，-b，-c)，半径为R。
令a2+b2+c2-R2＝d，d为常数，记点P在不同位置时，实际被测非完成球面上的各采样点的空间坐标为Pi(xi，yi，zi)，并代入球面方程式，球面方程式可能会不等于零，且设为：
Figure BDA0002322198690000111
式中，ki为实际非完整球面上各采样点与拟合最小二乘球球面上相应点的函数偏差值，所以当
Figure BDA0002322198690000112
为最小时，拟合的最小二乘球逼近实际非完整球，式中n表示采样点数量。
令：
Figure BDA0002322198690000113
根据求最小值的方法有：
Figure BDA0002322198690000114
得到以下方程组：
Figure BDA0002322198690000121
其中i＝1，2，...，n为非完整球面上的实际采样点序号，n为实际采样点数量。求解上述方程组，即可得到a，b，c，d，由此求得拟合最小二乘球的球心A(-a，-b，-c)，即可得到股骨髋臼窝的坐标，从而根据髋臼窝的坐标A(-a，-b，-c)，即可求得股骨的内外翻角η和前后倾角ψ，其中：
Figure BDA0002322198690000122
Figure BDA0002322198690000123
通过以上计算方法，即求得股骨倾角。
值得说明的是，导航模块250中的运动传感器采集的是加速度数据，但各采样点的坐标值为该点在三个坐标轴方向上位移。
计算点P位移的方法为：定义点P在时刻t的加速度为a[t]，在X、Y、Z三个坐标轴上的分量分别为ax[t]、ay[t]、az[t]；速度为v[t]，在X、Y、Z三个坐标轴上的分量分别为vx[t]、vy[t]、vz[t]；位移为s[t]，在X、Y、Z三个坐标轴上的分量为sx[t]、sy[t]、sz[t]。
根据运动参数的运算关系，对加速度进行积分可得到速度，对速度进行积分可得到位移，以X轴上的分量为例，
Figure BDA0002322198690000124
其中Δt为采样周期；
Figure BDA0002322198690000125
同理，可积分得到vy[t]、vz[t]、sy[t]、sz[t]，则在t-Δt时间段内，点P的空间运动的位移为：
Figure BDA0002322198690000131
则t时刻点P的空间坐标为：(sx[t]，sy[t]，sz[t])，在拟合运动轨迹方程时，与(xi，yi，zi)一一对应。
由于点P在进行空间运动时，重力加速度会在X、Y、Z轴上引起偏移分量，因此在计算点P的空间坐标时，必须考虑重力加速度的影响。本发明中，导航模块250中设置有陀螺仪，通过陀螺仪识别点P的空间姿态，然后通过滤除重力加速度的影响。通过陀螺仪，可得到旋转矩阵中的参数
Figure BDA0002322198690000132
θ、γ，然后通过欧拉角法，可计算得到重力加速度g在X、Y、Z三个轴上的偏移分量gx、gy、gz，计算公式为：
Figure BDA0002322198690000133
在t时刻，定义加速度传感器测得的加速度值分别为acx[t]、acy[t]、acy[t]，则在计算点 P在t时刻的速度和位移时，应有：ax[t]＝acx[t]-gx，ay[t]＝acy[t]-gy，az[t]＝acz[t]-gz，然后再采用式(13)和(14)计算出速度和位移，进而用于拟合运动轨迹方程。
测量股骨倾角的算法，采用最小二乘球法拟合导航模块250的空间运动轨迹，从而求得股骨的髋臼窝的坐标，本发明的方法中，考虑了重力加速度度测量的影响，通过陀螺仪识别点P的空间姿态，通过坐标变换滤除重力加速度的偏移分量，从而避免了重力的影响，有效地提高了测量的准确率。在测量的过程可以采用单个导航模块250准确的测得胫骨倾角和股骨的倾角，有效地提高了测量的准确度。而且，股骨倾角测量装置的导航模块250可与胫骨倾角测量装置的导航模块250替换使用。
本发明通过将股骨倾角测量装置固定于股骨远端，通过导航模块250测量得到运动参数，进而可以获得股骨的倾角；将胫骨倾角测量装置固定于胫骨上，调节连杆并带动导航模块250 同时运动，通过导航模块250测量得到的运动参数，进而可以准确的测得胫骨倾角和股骨的倾角，进而确定下肢侧力线的倾斜状况。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

Claims (13)

1.基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：包括股骨倾角测量装置和胫骨倾角测量装置；所述股骨倾角测量装置包括骨科定位器和导航模块，其中骨科定位器包括股骨固定本体，该股骨固定本体上设置有导航安装槽，该导航安装槽用于安装导航模块，所述股骨固定本体上设置有固定孔，固定钉可以穿过固定孔将骨科定位器固定于股骨上；
所述胫骨倾角测量装置包括固定单元、本体基座、定位单元、导航单元和触碰单元；
所述的定位单元设置于本体基座的顶部，该定位单元用于将本体基座进行定位，所述定位单元包括定位杆和定位件，定位件设置于定位杆的一端，定位杆远离定位件的位置与本体基座相连；
所述固定单元设置于本体基座的一侧，固定单元用于将本体基座固定在胫骨上；
所述的导航单元设置于本体基座上，导航单元上设置有导航模块，该导航模块用于检测运动信号；
导航单元的导航安装座通过连接杆与触碰单元相连接；
所述连接杆包括第一连杆和第二连杆，第一连杆的顶端与导航安装座的底部相连，第一连杆的底端设置有第二连杆，所述第二连杆的轴线方向与第一连杆垂直，所述第一连杆远离第二连杆的一端设置有触碰单元；
在测量股骨倾角时，将股骨倾角测量装置固定于股骨远端，将导航模块卡入骨科定位器中；摆动股骨带动导航模块运动，使得膝关节做静止到加速的运动，导航模块采集由静止到加速的运动参数，根据由静止到加速运动的运动参数确定股骨的倾角；
在测量胫骨倾角时，将胫骨倾角测量装置固定于胫骨上，调节第一连杆和第二连杆，调节连杆并带动导航模块同时运动，使得胫骨倾角测量装置的触碰单元与胫骨底部的至少2个位置接触，导航模块采集触碰单元触碰每个位置时的运动参数，根据每个位置时的运动参数确定胫骨的倾角。
2.根据权利要求1所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：所述的导航模块包括加速度传感器和/或角速度传感器。
3.根据权利要求1所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：第一连杆为可伸缩杆，包括内杆和外杆，所述内杆和外杆内外配合，通过内杆和外杆之间的滑动实现第一连杆的可伸缩；和/或
第二连杆相对于第一连杆沿第二连杆的轴向滑动设置，第一连杆的底端设置有驱动器，第二连杆可滑动地设置于驱动器内，所述驱动器用于驱动第二连杆沿第二连杆的轴向进行滑动；
第二连杆内设置有空腔，所述空腔的截面为矩形。
4.根据权利要求3所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：触碰单元包括相对于第二连杆另一侧设置的前部触碰面以及沿第二连杆轴向两侧设置的内外髁触碰面；所述前部触碰面为向触碰单元内部下凹的凹面，所述凹面为曲面；和/或所述内外髁触碰面为向触碰单元内部下凹的凹面，所述凹面为曲面。
5.根据权利要求1所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：
在进行股骨倾角的测量和胫骨倾角的测量之前需要对导航模块进行校准，具体的校准方法为，将导航模块放入校准工装中并在水平面上进行静止校准。
6.根据权利要求1所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：测量胫骨倾角时，调节定位单元的定位杆，使定位件与胫骨结节相对应。
7.根据权利要求1所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：测量胫骨倾角时，将胫骨倾角测量装置的固定单元固定于胫骨粗隆位置。
8.根据权利要求1所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：测量胫骨倾角时，
采用三点触碰的方式，采集触碰单元触碰胫骨上的至少三个点时的运动参数，根据上述触碰位置的运动参数确定胫骨内外翻角；和/或
采用两点触碰方式，采集触碰单元触碰胫骨上的至少两个点时的运动参数，根据上述触碰位置的运动参数确定胫骨前后倾角。
9.根据权利要求8所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：
测量胫骨内外翻角，触碰单元触碰的触碰位置至少包括初始位置、胫骨内踝和胫骨外踝；和/或
测量胫骨前后倾角，触碰单元触碰的触碰位置至少包括初始位置和胫骨内踝与外踝之间正前方位置。
10.根据权利要求9所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：测量胫骨内外翻角时：
采集触碰单元触碰初始位置时刻的加速度：（X1，Y1，Z1），其中X1、Y1、Z1分别是加速度沿三个坐标轴方向上的分量；
采集触碰单元触碰内踝位置时刻的加速度：（X2，Y2，Z2），其中X2、Y2、Z2分别是加速度沿三个坐标轴方向上的分量；
采集触碰单元触碰外踝位置时刻的加速度：（X3，Y3，Z3），其中X3、Y3、Z3分别是沿加速度三个坐标轴方向上的分量；
定义参考垂线，并分别计算：
触碰单元触碰初始位置时刻，第一连杆的轴线与参考垂线的夹角
Figure 578562DEST_PATH_IMAGE001
，计算公式为：
Figure 8406DEST_PATH_IMAGE002
；
触碰单元触碰内踝位置时刻，第一连杆的轴线与参考垂线的夹角
Figure 561616DEST_PATH_IMAGE003
，计算公式为：
Figure 836740DEST_PATH_IMAGE004
；
触碰单元触碰外踝位置时刻，第一连杆的轴线与参考垂线的夹角
Figure 480210DEST_PATH_IMAGE005
，计算公式为：
Figure 877694DEST_PATH_IMAGE006
；
则胫骨的内外翻角
Figure 606615DEST_PATH_IMAGE007
为：
Figure 685430DEST_PATH_IMAGE008
；
测量胫骨前后倾角的测量步骤为：
采集触碰单元与脚踝之间正前方位置接触时刻的加速度：（X4，Y4，Z4），其中X4、Y4、Z4分别是沿加速度坐标系三个坐标轴方向上的分量；
胫骨的前后倾角
Figure 183407DEST_PATH_IMAGE009
为：
Figure 768103DEST_PATH_IMAGE010
，其中，
Figure 718742DEST_PATH_IMAGE009
表示前后倾角。
11.根据权利要求1所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：测量股骨倾角时，以导航单元中的运动传感器的三个轴建立参考坐标系，并拟合运动传感器的空间运动轨迹，计算得出股骨髋臼窝的坐标值，并根据髋臼窝的坐标值计算得出股骨的内外翻角和前后倾角。
12.根据权利要求11所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：运动传感器的空间运动轨迹采用最小二乘球法进行拟合。
13.根据权利要求12所述的基于单个导航模块的下肢侧力线倾角的测量系统，其特征在于：采用最小二乘球法拟合运动传感器的空间运动轨迹的具体方法为：
定义股骨远端上的任一点P坐标表示为P(x, y, z)，采用最小二乘球法，拟合非完整球面则方程形式为：
Figure 601247DEST_PATH_IMAGE011
，其中球心为A(-a,-b,-c)，半径为R；
令
Figure 16048DEST_PATH_IMAGE012
，d为常数，记点P在不同位置时，实际被测非完整球面上的各采样点的空间坐标为
Figure 958596DEST_PATH_IMAGE013
，并代入球面方程式；
Figure 396531DEST_PATH_IMAGE014
，式中，
Figure 131662DEST_PATH_IMAGE015
为实际非完整球面上各采样点与拟合最小二乘球球面上相应点的函数偏差值；
当
Figure 604232DEST_PATH_IMAGE016
为最小时，拟合的最小二乘球逼近实际非完整球，式中n表示采样点数量；
令：
Figure 717681DEST_PATH_IMAGE017
根据求最小值的方法：
Figure 642912DEST_PATH_IMAGE018
得到以下方程组：
Figure 929537DEST_PATH_IMAGE019
其中i=1,2,…,n为非完整球面上的实际采样点序号，n为采样点数量；
求得拟合最小二乘球的球心A(-a,-b,-c)，即可得到股骨髋臼窝的坐标，根据髋臼窝的坐标求得股骨的内外翻角
Figure 991034DEST_PATH_IMAGE020
和前后倾角
Figure 275385DEST_PATH_IMAGE021
，具体如下：
Figure 500961DEST_PATH_IMAGE022
。
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