本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中骨盆姿態(tài)及假體安裝角度獲取方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著人口數(shù)量的增長(zhǎng)和人口老齡化趨勢(shì)的不斷發(fā)展，人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)越來(lái)越多。以髖關(guān)節(jié)置換術(shù)為例，其主要適用于骨性關(guān)節(jié)炎、骨無(wú)菌性壞死(如股骨頭壞死等)、某些髖部骨折(如股骨頸骨折)、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、良性和惡性骨腫瘤、強(qiáng)直性脊柱炎等，應(yīng)用廣泛。

全髖關(guān)節(jié)置換中要切除壞死的髖臼杯和股骨頭，用人工假體來(lái)替換這些壞死的部分。在替換過(guò)程中一個(gè)重要方面是要確保人工髖臼假體對(duì)于骨盆的適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)。研究表明，如果髖臼部件或移植物沒(méi)有適當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)骨盆將導(dǎo)致過(guò)早磨損、傾向脫位以及患者不舒適。然而在如今的人工全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，外科醫(yī)生現(xiàn)在面臨的最大問(wèn)題是如何確定骨盆的姿態(tài)以及髖臼假體相對(duì)于骨盆的對(duì)準(zhǔn)。

全髖關(guān)節(jié)置換中，髖臼假體植入時(shí)要以骨盆為參考，如髖臼杯的軸線要與骨盆呈一定的角度，其中最重要的兩個(gè)角度為前傾角和外展角。在解剖學(xué)定義上，對(duì)于大多數(shù)病人，髖臼假體相對(duì)于骨盆的安裝角度安全范圍是：前傾角5°—25°外展角30°—50°，在全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，外科醫(yī)生將根據(jù)病人的具體情況適當(dāng)精確這兩個(gè)角度。然而，在現(xiàn)在手術(shù)中，骨盆的姿態(tài)難以確定，且病人被無(wú)菌手術(shù)單覆蓋，髖臼假體相對(duì)于骨盆的安裝角度的精確測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，僅憑外科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，例如在手術(shù)中以手術(shù)臺(tái)平面為參考，會(huì)對(duì)髖臼假體的安裝角度確定帶來(lái)比較大的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中骨盆姿態(tài)及假體安裝角度獲取方法與系統(tǒng)，能在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)進(jìn)行時(shí)，準(zhǔn)確地得到實(shí)時(shí)骨盆姿態(tài)信息和髖臼假體相對(duì)于骨盆的角度信息，使醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中能相對(duì)精準(zhǔn)地放置髖臼假體，進(jìn)而大大提高髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的成功率及手術(shù)療效。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中骨盆姿態(tài)及假體安裝角度獲取方法，包括：

通過(guò)含有運(yùn)動(dòng)傳感器的骨盆初始姿態(tài)測(cè)量裝置測(cè)量骨盆前平面，獲取骨盆初始姿態(tài)；

通過(guò)設(shè)置在骨盆側(cè)的含有運(yùn)動(dòng)傳感器的骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，結(jié)合骨盆初始姿態(tài)與骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲取骨盆實(shí)時(shí)姿態(tài)；

通過(guò)設(shè)置在髖臼假體上的含有運(yùn)動(dòng)傳感器的假體安裝角度測(cè)量裝置，結(jié)合髖臼假體軸線與實(shí)時(shí)骨盆姿態(tài)之間的角度關(guān)系，獲取假體安裝角度。

所述骨盆前平面以ABC表示，其中，特征點(diǎn)A為左側(cè)髂前上棘，特征點(diǎn)B為右側(cè)髂前上棘，特征點(diǎn)C為恥骨聯(lián)合，骨盆坐標(biāo)系以P表示，其X軸與骨盆前平面垂直，Y軸由A指向B，Z軸垂直X軸和Y軸組成的平面，外展角α是由髖臼假體軸線a在橫斷面即骨盆XY平面的投影b與骨盆Y軸間的夾角，前傾角β是由髖臼假體軸線a與骨盆Z軸間的夾角；則骨盆初始姿態(tài)通過(guò)如下方式獲?。?/p>

先將骨盆初始姿態(tài)測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)傳感器置于A處，記錄此時(shí)的姿態(tài)euler1，解算得到軸向C-A的向量和骨盆前平面上與垂直的向量

再將骨盆初始姿態(tài)測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)傳感器置于B處，記錄此時(shí)的姿態(tài)euler2，解算得到軸向C-B的向量和骨盆前平面上與垂直的向量

由和得到骨盆前平面的法向量，即骨盆的X軸該狀態(tài)時(shí)在大地坐標(biāo)系下的向量值由和得到骨盆的Y軸該狀態(tài)時(shí)在大地坐標(biāo)系下的向量值通過(guò)右手定則得到骨盆Z軸在大地坐標(biāo)系下的向量值

推算得到該狀態(tài)下骨盆相對(duì)的大地坐標(biāo)系的姿態(tài)，即骨盆的初始姿態(tài)P₀(ω_x,ω_y,ω_z)：

ω_y＝arcsin(-z′(1)_p)

式中，z′(1)_p表示向量的第一個(gè)值，z′(2)_p表示向量的第二個(gè)值，z′(3)_p表示向量的第三個(gè)值，y′(1)_p表示向量的第一個(gè)值，x′(1)_p表示向量的第一個(gè)值，ω_x由ω_x1和ω_x2根據(jù)角度范圍確定，ω_z由ω_z1和ω_z2根據(jù)角度范圍確定。

在獲取骨盆初始姿態(tài)P₀的同時(shí)，骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置的姿態(tài)D₀也同時(shí)獲取，通過(guò)求解得到骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置與骨盆初始姿態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系當(dāng)患者處于方便手術(shù)的狀態(tài)時(shí)，骨盆的實(shí)時(shí)姿態(tài)根據(jù)骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置及該裝置與骨盆之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系獲?。?/p>

式中，angle2dcm表示歐拉角轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)矩陣的轉(zhuǎn)換方程。

通過(guò)假體安裝角度測(cè)量裝置解算獲取髖臼假體姿態(tài)，進(jìn)而得到假體軸線根據(jù)安裝角度的定義得到外展角α和前傾角β：

式中，表示假體軸線在骨盆坐標(biāo)系下的向量值，表示在橫斷面上的投影值，和分別表示骨盆y軸向量和z軸向量。

所述骨盆初始姿態(tài)測(cè)量裝置包括旋轉(zhuǎn)軸31，三條帶有刻度線32的可拉伸的臂33的一端安裝在旋轉(zhuǎn)軸31上，其中兩條的另一端設(shè)置有固定腳34，另一條的另一端設(shè)置有運(yùn)動(dòng)傳感器模塊一35；所述骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，包括固定針22，固定針22的尾端設(shè)置有運(yùn)動(dòng)傳感器模塊二21；所述假體安裝角度測(cè)量裝置包括安裝在髖臼假體11上的運(yùn)動(dòng)傳感器模塊三12。

本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)所述全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中骨盆姿態(tài)及假體安裝角度獲取方法的系統(tǒng)，包括：

姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊，包括骨盆初始姿態(tài)測(cè)量裝置、骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置和假體安裝角度測(cè)量裝置；

數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)置于姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊中，包括用于獲取姿態(tài)信息的運(yùn)動(dòng)傳感器；

數(shù)據(jù)處理模塊，設(shè)置于姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊中，用于將運(yùn)動(dòng)傳感器采集的數(shù)據(jù)存在緩沖區(qū)；

數(shù)據(jù)傳輸模塊，設(shè)置于姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取模塊中，用于將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送至體外接收器；

體外處理模塊，用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而解算得到所需姿態(tài)和角度信息。

所述數(shù)據(jù)采集模塊由分別安裝于骨盆初始姿態(tài)測(cè)量裝置上的運(yùn)動(dòng)傳感器模塊一35、安裝于骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置上的運(yùn)動(dòng)傳感器模塊二21和假體安裝角度測(cè)量裝置上的運(yùn)動(dòng)傳感器模塊三12組成。

所述運(yùn)動(dòng)傳感器模塊一35、運(yùn)動(dòng)傳感器模塊二21和運(yùn)動(dòng)傳感器模塊三12的結(jié)構(gòu)相同，均包括三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)。

所述數(shù)據(jù)處理模塊由一個(gè)MCU實(shí)現(xiàn)，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊采用WIFI/藍(lán)牙將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，所述體外處理模塊，包括用于骨盆姿態(tài)及假體安裝角度解算的計(jì)算機(jī)或平板電腦。

本發(fā)明的使用，將為醫(yī)生進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)帶來(lái)極大的方便，進(jìn)而提高手術(shù)成功率和治療效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2位骨盆結(jié)構(gòu)和假體安裝角度示意圖。

圖3為本發(fā)明所述系統(tǒng)的硬件功能框圖。

圖4為本發(fā)明所述姿態(tài)解算流程圖。

圖5為本系統(tǒng)骨盆姿態(tài)和假體安裝角度解算流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。

本發(fā)明提供了一種全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中骨盆姿態(tài)及假體安裝角度獲取方法與系統(tǒng)，能在實(shí)施全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)時(shí)，實(shí)時(shí)地測(cè)得骨盆姿態(tài)和假體安裝角度，給外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)操作帶來(lái)方便。

本發(fā)明的一種實(shí)例產(chǎn)品示意圖如圖1所示，其中框圖I中為假體安裝角度測(cè)量裝置，圖II中為骨盆實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量裝置，圖III中為骨盆初始姿態(tài)測(cè)量裝置。圖I中髖臼杯假體11上固定有傳感器模塊三12，傳感器模塊三12上有其使用的傳感器和MCU等元件13，圖II中，固定針22在手術(shù)中要固定在骨盆上，其尾端有傳感器模塊二21。圖III中，旋轉(zhuǎn)軸31上安裝有三條帶刻度線32的可拉伸的臂33，兩條臂33的尾端為固定腳34，另一條臂33的尾端為傳感器模塊一35，旋轉(zhuǎn)軸31和固定腳34用來(lái)將裝置固定在骨盆前平面上，刻度線32用來(lái)表征拉伸臂33的長(zhǎng)度。

為方便下面表述，現(xiàn)在簡(jiǎn)單介紹一下骨盆結(jié)構(gòu)以及假體安裝角度，見(jiàn)圖2。圖中特征點(diǎn)A和B為左側(cè)髂前上棘和右側(cè)髂前上棘，特征點(diǎn)C為恥骨聯(lián)合，骨盆前平面由這三個(gè)點(diǎn)表示。圖中P為骨盆坐標(biāo)系，其X軸與骨盆前平面垂直，Y軸由A指向B，Z軸垂直X軸和Y軸組成的平面。圖2中α為外展角，它是由髖臼杯軸線a在橫斷面(骨盆XY平面)的投影b與骨盆Y軸間的夾角，β為前傾角，它是髖臼杯軸線a與骨盆Z軸間的夾角。

醫(yī)生在全髓關(guān)節(jié)置換手術(shù)中使用本實(shí)施例的操作流程為：

步驟1.醫(yī)生將患者的髖臼壞死、病害部分磨除；

步驟2.將患者置于某一舒適位置，并保證其骨盆前平面在可測(cè)位置；

步驟3.將動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置II固定在骨盆完好的一側(cè)；

步驟3.醫(yī)生將測(cè)量裝置III的固定旋轉(zhuǎn)軸31置于恥骨聯(lián)合，通過(guò)調(diào)整拉伸桿的長(zhǎng)度，使裝置長(zhǎng)度滿足患者骨盆測(cè)量需求，保證將兩個(gè)固定腳34分別固定在左右髂前上棘上；

步驟4.醫(yī)生打開(kāi)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)程序，將骨盆初始測(cè)量裝置的模塊35放置A側(cè)髂前上棘，通過(guò)按鍵記錄此時(shí)測(cè)量模塊的姿態(tài)D₁，進(jìn)而解算得到軸向C-A的向量和骨盆前平面上與垂直的向量繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至另一側(cè)髂前上棘B處，同樣記錄該處測(cè)量模塊的姿態(tài)D₂，同樣得到和由和可以確定骨盆前平面的法向量，即骨盆的X軸在該狀態(tài)時(shí)在大地坐標(biāo)系下的向量值通過(guò)和可以得到該狀態(tài)下骨盆Y軸在大地坐標(biāo)系下的向量值根據(jù)坐標(biāo)系右手定則可以確定骨盆Z軸在大地坐標(biāo)系下向量值進(jìn)而可推算得到該狀態(tài)下骨盆相對(duì)的大地坐標(biāo)系的姿態(tài)，即骨盆的初始姿態(tài)P₀(ω_x,ω_y,ω_z)。

ω_y＝arcsin(-z′(1)_p)

式中，z′(1)_p表示向量的第一個(gè)值，其它類似，ω_x由ω_x1和ω_x2根據(jù)角度范圍確定，同理，ω_z由ω_z1和ω_z2根據(jù)角度范圍確定。

步驟5.進(jìn)行步驟4的同時(shí)，骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置的姿態(tài)也同時(shí)獲得，通過(guò)求解，可以得到該裝置與骨盆初始姿態(tài)之間的轉(zhuǎn)換矩陣

式中，angle2dcm表示歐拉角轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)矩陣的轉(zhuǎn)換方程。

步驟6.將患者放置在方便手術(shù)的狀態(tài)，此時(shí)骨盆的實(shí)時(shí)姿態(tài)可由固定的骨盆動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置姿態(tài)D_t及該裝置與骨盆之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系可以得到骨盆實(shí)時(shí)姿態(tài)P_t。

步驟7.醫(yī)生放置帶有傳感器模塊的髖臼杯假體，該假體軸線可由該模塊的姿態(tài)解算得到，進(jìn)而根據(jù)安裝角度的定義可以得到外展角α和前傾角β。

式中，表示假體軸線在骨盆坐標(biāo)系下的向量值，表示在橫斷面上的投影值，和分別表示骨盆y軸向量和z軸向量。

步驟4到步驟7可以歸納為圖5所示的解算流程圖。

步驟8.取出髖臼杯上的傳感器模塊，完成假體安裝角度測(cè)量。

本實(shí)施例的功能實(shí)現(xiàn)主要包含硬件與軟件兩部分。硬件部分原理如圖3所示。按功能劃分為數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器模塊)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸模塊。

下面說(shuō)明該硬件部分工作流程：

步驟1.電池對(duì)各模塊供電；

步驟2.數(shù)據(jù)處理模塊由MCU對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器進(jìn)行配置；

步驟3.將運(yùn)動(dòng)傳感器采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖區(qū)；

步驟4.完成數(shù)據(jù)采集后，將數(shù)據(jù)以無(wú)線(WIFI/藍(lán)牙)模式發(fā)出；

步驟5.發(fā)送完成后，跳轉(zhuǎn)至步驟3，循環(huán)重復(fù)。

本實(shí)施例的軟件部分主要在體外處理器中實(shí)現(xiàn)，如圖3所示的計(jì)算機(jī)。完成姿態(tài)和角度解算及顯示。軟件安裝在體外的計(jì)算機(jī)上，以下是軟件的工作流程：

步驟1.計(jì)算機(jī)接收硬件傳來(lái)的混合數(shù)據(jù)，將其拆分為加速度數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)；

步驟2.解算各測(cè)量裝置中模塊的姿態(tài)，姿態(tài)解算流程見(jiàn)圖4；

步驟3.根據(jù)裝置III采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行骨盆初始姿態(tài)測(cè)量，并通過(guò)得到骨盆姿態(tài)與裝置II之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到骨盆實(shí)時(shí)姿態(tài)；

步驟4.根據(jù)髖臼杯上傳感器數(shù)據(jù)解算髖臼杯軸線向量，并根據(jù)該軸線與步驟4得到的骨盆實(shí)時(shí)姿態(tài)之間的關(guān)系解算假體安裝角度；

步驟5.將最終得到的姿態(tài)和角度數(shù)據(jù)以便于直觀理解的方式顯示出來(lái)。

在上述軟件工作完成后，醫(yī)生能夠確保人工髖臼安裝在合適的角度，進(jìn)而完成髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)。