本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種輔助椎弓根釘打孔的定位裝置。
背景技術(shù):
在脊柱創(chuàng)傷復(fù)位、畸形矯正等骨科手術(shù)中,普遍認(rèn)為利用椎弓根釘內(nèi)固定是一種最為穩(wěn)定的脊柱固定方式。但是由于從腰椎向上,胸椎、頸椎的椎弓根的直徑逐漸減小,進(jìn)行椎弓根釘固定的難度和危險性也逐漸增加,失誤后可能造成極大損害,因此,如何確定打孔點(diǎn)及建立安全的進(jìn)針通道是實(shí)現(xiàn)椎弓根釘成功安全置入的關(guān)鍵。為保證操作安全性,醫(yī)生主要依據(jù)個人經(jīng)驗(yàn)及手感控制手術(shù)工具的使用力度與方向,避免椎弓根釘穿出或用力過大直接穿透透骨骼時傷及下層血管及神經(jīng)組織。因此,如何提高手術(shù)的安全性成為外科醫(yī)生關(guān)注的重要問題。
為降低個體差異帶來的潛在手術(shù)風(fēng)險,各種輔助定位技術(shù)被引入到骨骼切割或打孔操作中,如x線監(jiān)測、計算機(jī)輔助導(dǎo)航、體感誘發(fā)電位、運(yùn)動誘發(fā)電位等,這些輔助技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上降低了手術(shù)風(fēng)險,同時帶來了輻射污染、醫(yī)療費(fèi)用提高等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種輔助椎弓根釘打孔的定位裝置,其原理是利用了皮質(zhì)骨或松質(zhì)骨的超聲阻抗特性差異。本發(fā)明能夠輔助醫(yī)生在進(jìn)行骨骼打孔的手術(shù)過程中識別骨組織為皮質(zhì)骨或松質(zhì)骨,一方面輔助醫(yī)生提高打孔的精確度進(jìn)而提高手術(shù)的安全性,另一方面相對于現(xiàn)有的x線監(jiān)測、計算機(jī)輔助導(dǎo)航、體感誘發(fā)電位、運(yùn)動誘發(fā)電位等輔助定位技術(shù),避免了輻射污染,且降低了手術(shù)成本。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一個方面,提供了一種輔助椎弓根釘打孔的定位裝置,包括:超聲裝置、支撐體、壓力傳感器和信號處理模塊;超聲裝置,用于接觸骨組織并產(chǎn)生超聲振動以將所述超聲振動傳遞至骨組織,還用于感測骨組織在超聲振動下的生物阻抗特性參數(shù);支撐體,與所述超聲裝置固定連接,用于直接或間接承受用戶施加于其上的壓力,并將所述壓力傳遞至所述壓力傳感器和/或超聲裝置;壓力傳感器,固定設(shè)置在所述支撐體的承受所述壓力的一端或輸出所述壓力的一端,以感測其所承受的壓力;信號處理模塊,固定于所述支撐體,分別與所述壓力傳感器和超聲裝置電連接,用于接收所述壓力傳感器感測的壓力值f和所述超聲裝置測得的生物電阻抗特性參數(shù),并基于所述壓力值f和生物電阻抗特性參數(shù)進(jìn)行計算,得到骨組織的超聲振動特性參數(shù)。
進(jìn)一步,所述的定位裝置,其中,所述生物電阻抗特性參數(shù)包括:電壓值u、電流值i和相位值θ。
進(jìn)一步,所述的定位裝置,其中,所述信號處理模塊,還用于對n次測量得到的所述骨組織的超聲振動特性參數(shù)進(jìn)行信號濾波處理;或用于對不同頻率下產(chǎn)生的超聲振動特性參數(shù)進(jìn)行信號濾波處理。
進(jìn)一步,所述的定位裝置,其中,支撐體呈便于人手握持的立體形體,其內(nèi)部設(shè)置有容納腔。
進(jìn)一步,所述的定位裝置,其中,所述超聲裝置,其與骨組織接觸一端為前端,且所述前端裸露在所述支撐體外;所述超聲裝置與所述前端縱向隔開的一端為后端,所述后端容納在所述支撐體內(nèi)部設(shè)置的容納腔內(nèi);所述超聲裝置在所述前端與后端之間設(shè)置有法蘭,所述超聲裝置通過所述法蘭與所述支撐體固定連接。
進(jìn)一步,所述的定位裝置,其中,所述壓力傳感器,固定設(shè)置在所述法蘭與所述支撐體之間,或固定設(shè)置在所述支撐體在承受壓力處的外壁。
進(jìn)一步,所述的定位裝置,其中,所述信號處理模塊,固定設(shè)置于所述支撐體的外壁,或固定設(shè)置于所述支撐體內(nèi)部設(shè)置的容納腔內(nèi)。
進(jìn)一步,所述的定位裝置,其中,超聲測量裝置,包括:驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊、超聲振動換能模塊和超聲變幅桿;驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊,固定設(shè)置在所述支撐體外壁上和/或內(nèi)部,用于產(chǎn)生特定頻率的驅(qū)動信號,并將所述驅(qū)動信號發(fā)送至超聲振動換能模塊;超聲振動換能模塊,接收所述驅(qū)動信號,并將所述驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為超聲振動,并將所述超聲振動傳遞至與其連接的超聲變幅桿;超聲變幅桿,根據(jù)所述超聲振動進(jìn)行超聲振動,并將超聲振動能量集中在其與骨組織接觸的一端。
進(jìn)一步,所述的定位裝置,其中,所述超聲振動換能模塊包括:電極片、多個壓電陶瓷片和后質(zhì)量塊;所述電極片,設(shè)置在所述多個壓電陶瓷片之間,通過導(dǎo)線與所述驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊電連接;所述壓電陶瓷片通過所述后質(zhì)量塊緊固在所述超聲變幅桿的后端。
進(jìn)一步,所述的定位裝置,其中,所述超聲變幅桿為實(shí)心結(jié)構(gòu);所述超聲變幅桿與骨組織接觸的前端形成圓錐狀或棱錐狀。
本發(fā)明實(shí)施例的有益效果在于,相對于現(xiàn)有技術(shù)中的x線監(jiān)測、計算機(jī)輔助導(dǎo)航、體感誘發(fā)電位、運(yùn)動誘發(fā)電位等打孔定位裝置或系統(tǒng),一方面能顯著識別待打孔的骨組織的特性,以便于醫(yī)生根據(jù)骨組織特性進(jìn)行定位打孔,從而提高骨組織打孔的安全性。另一方面具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、手術(shù)操作便捷、污染少等優(yōu)點(diǎn)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的各組件的信號和力的傳遞關(guān)系示意圖;
圖2是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置在操作過程中穿透骨組織時的超聲振動特性參數(shù)和打孔穿透預(yù)測參數(shù)隨時間變化的歸一化曲線圖;
圖3是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的支撐體的立體結(jié)構(gòu)圖;
圖4是圖3的剖面圖;
圖5是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的超聲裝置與支撐體的連接關(guān)系的立體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6是圖5的剖面圖;
圖7是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的超聲測量裝置的坡面結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8是圖7的等軸側(cè)視圖。
附圖標(biāo)記:
10、超聲裝置,20、支撐體,30、壓力傳感器,40、信號處理模塊;50、法蘭;
10-1、驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊,10-2、超聲振動換能模塊,10-3、超聲變幅桿;
102-1、電極片,102-2、壓電陶瓷片,102-3、后質(zhì)量塊,
20-1、容納腔,20-2,封口板。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了,下面結(jié)合具體實(shí)施方式并參照附圖,對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該理解,這些描述只是示例性的,而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外,在以下說明中,省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述,以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。
圖1是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的各組件的信號和力的傳遞關(guān)系示意圖。
如圖1所示,在本發(fā)明中,輔助椎弓根釘打孔的定位裝置包括:超聲裝置10、支撐體20、壓力傳感器30和信號處理模塊40。
其中,超聲裝置10與信號處理模塊40電氣連接。超聲裝置10用于產(chǎn)生超聲振動、電信號和感測骨組織在超聲振動下的生物阻抗特性參數(shù)。具體的,超聲裝置10的一端接觸骨組織為了便于描述和理解,下文中將超聲裝置10接觸骨組織的一端稱為前端,與前端相對的一端或與所述前端縱向隔開的一端稱為后端。需要說明的是,前、后僅用于描述目的,而不能理解為限定方位,當(dāng)超聲裝置10產(chǎn)生超聲振動時,超聲裝置10的前端通過接觸骨組織以將所述超聲振動、電信號傳遞至骨組織。當(dāng)超聲裝置10接觸到骨組織時,由于骨組織具有生物阻抗特性,此時骨組織形成等效電路。超聲裝置10感測到骨組織在超聲振動下的生物阻抗特性參數(shù),并將感測的生物阻抗特性參數(shù)發(fā)送給信號處理模塊40。具體地,生物電阻抗特性參數(shù)包括:電壓值u、電流值i和兩者的相位值θ。
其中,支撐體20與所述超聲裝置10固定連接。壓力傳感器30與所述信號處理模塊40電氣連接。壓力傳感器30固定設(shè)置在所述支撐體20的承受用戶施加于其上的壓力的一端,或固定設(shè)置在所述支撐體20的輸出所述壓力的一端。支撐體20用于承受用戶施加于其上的壓力,并將所述壓力傳遞至所述壓力傳感器30和/或超聲裝置10,壓力傳感器30用于感測其所承受的壓力,并將感測的壓力值發(fā)送給信號處理模塊40。
具體地,本發(fā)明提供了以下兩種壓力傳感器30的固定方式。當(dāng)壓力傳感器30固定設(shè)置在支撐體20的承受用戶施加于其上的壓力的一端時,此時,壓力傳感器30直接承受用戶施加于其上的壓力,并將所述壓力依次傳遞至所述支撐體20和超聲裝置10支撐體20間接承受用戶施加于其上的壓力。當(dāng)壓力傳感器30固定設(shè)置在支撐體20的輸出所述壓力的一端時,此時,支撐體20直接承受用戶施加于其上的壓力,并將所述壓力依次傳遞至所述壓力傳感器30和超聲裝置10。
其中,信號處理模塊40固定于所述支撐體20,具體地,信號處理模塊40可以固定于支撐體20外壁或內(nèi)部。信號處理模塊40可以是一塊具有信號處理功能的集成電路,信號處理模塊40分別與所述壓力傳感器30和超聲裝置10電連接,用于接收所述壓力傳感器30感測的壓力值f和所述超聲裝置10測得的生物電阻抗特性參數(shù),并基于所述壓力值f和生物電阻抗特性參數(shù)進(jìn)行計算,得到骨組織的超聲振動特性參數(shù)。
骨組織的超聲振動特性參數(shù)可以表示為:特定頻率下,壓力的平方與壓電陶瓷的電功率比值。即:
骨組織的超聲振動特性參數(shù)還可以僅用壓電陶瓷電功率表示,即:
根據(jù)連續(xù)記錄n次超聲振動特性參數(shù)
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)基于所述壓力值f和生物電阻抗特性參數(shù)進(jìn)行計算得到骨組織的超聲振動特性參數(shù)是可以通過程序來指令相關(guān)硬件來完成,所述的程序可以存儲于一計算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中。其中,所述的存儲介質(zhì)可為磁碟、光盤、只讀存儲記憶體(read-onlymemory,簡稱rom)或隨機(jī)存取存儲器(randomaccessmemory,簡稱ram)等。
在本發(fā)明另一個實(shí)施例中,輔助椎弓根釘打孔的定位裝置還包括:上位機(jī)。信號處理模塊40得到測得的超聲振動特性參數(shù)后,將該超聲振動特性參數(shù)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)的顯示裝置顯示出超聲振動特性參數(shù)和打孔穿透預(yù)測參數(shù)隨時間變化的歸一化曲線圖,醫(yī)生可根據(jù)顯示的曲線圖識別骨組織特性判斷骨組織為皮質(zhì)骨還是松質(zhì)骨,從而實(shí)現(xiàn)在骨組織上打孔的安全性的提高。
圖2是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置在操作過程中穿透骨組織時的超聲振動特性參數(shù)和打孔穿透預(yù)測參數(shù)隨時間變化的歸一化曲線圖。
如圖2所示,其中,橫坐標(biāo)表示椎弓根打孔裝置打孔過程依次穿透皮質(zhì)骨-松質(zhì)骨-皮質(zhì)骨時采樣點(diǎn)序列號,縱坐標(biāo)表示獲取的超聲振動參數(shù)歸一化評價值,圖中①④表示定位裝置穿過皮質(zhì)骨時的曲線圖,②表示定位裝置穿過松質(zhì)骨時的曲線圖,③表示定位裝置由松質(zhì)骨穿過皮質(zhì)骨時的曲線圖,⑤表示定位裝置在空氣中振動時的曲線圖。
由圖2可以看出,當(dāng)選取閾值為0.3時,可顯著識別打孔接近穿透下層皮質(zhì)骨時特征。
本發(fā)明實(shí)施例提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置,相對于現(xiàn)有技術(shù)中的x線監(jiān)測、計算機(jī)輔助導(dǎo)航、體感誘發(fā)電位、運(yùn)動誘發(fā)電位等打孔定位裝置或系統(tǒng),一方面能顯著識別待打孔的骨組織的特性,以便于醫(yī)生根據(jù)骨組織特性進(jìn)行定位打孔,從而提高骨組織打孔的安全性。另一方面具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、手術(shù)操作便捷、污染少等優(yōu)點(diǎn)。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,其中,所述信號處理模塊40,還用于對n次測量得到的所述骨組織的超聲振動特性參數(shù)進(jìn)行信號濾波處理。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,其中,所述信號處理模塊40還用于對不同頻率f1,f2,...,fn下產(chǎn)生的超聲振動特性參數(shù)
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,其中,所示信號處理模塊40還用于將壓力傳感器30的輸出轉(zhuǎn)換為醫(yī)生打孔操作的壓力值。
圖3是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的支撐體20的立體結(jié)構(gòu)圖,圖4是圖3的剖面圖。
如圖3、4所示,在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,所述支撐體20呈便于人手握持的立體形體。具體地,支撐體20的形狀可以為球狀、棗核狀、橢球狀、蘑菇狀、正多面體狀或其他大致呈球狀的不規(guī)則形狀,還可以為使得人手握持舒適的符合人體工程學(xué)的形狀。
支撐體20的內(nèi)部設(shè)置有容納腔20-1。容納腔20-1的形狀可以為球體、圓柱體、棱柱體,正多面體等。所述容納腔20-1可以形成為從支撐體20外表面上的一處向內(nèi)部凹陷的凹坑,凹坑在開口處固定設(shè)置有覆蓋所述凹坑的封口板20-2。所述封口板20-2與所述支撐體20一體成型或非一體成型。具體地,所述封口板20-2可通過注塑的方式與所述支撐體20一體成型,或者所述封口板20-2通過粘貼、焊接或采用緊固件固定在支撐體20的容納腔20-1口。
圖5是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的超聲裝置10與支撐體20的連接關(guān)系的立體結(jié)構(gòu)示意圖,圖6是圖5的剖面圖。
如圖5、6所示,在本發(fā)明的一個具體實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,所述超聲裝置10的前端呈桿狀。且呈桿狀的前端裸露在所述支撐體20外。所述超聲裝置10的后端容納在所述支撐體20內(nèi)部設(shè)置的容納腔20-1內(nèi)。所述超聲裝置10在所述前端與后端之間固定設(shè)置有法蘭50,所述超聲裝置10通過所述法蘭50與所述支撐體20固定連接。具體地,支撐體20與法蘭50通過螺紋形成連接。
在本發(fā)明的另一個具體實(shí)施例中,支撐體20的容納腔20-1的封口板20-2上設(shè)有可容所述超聲裝置10通過的通孔,所述超聲裝置10通過所述通孔插設(shè)在所述封口板20-2上。所述超聲裝置10在所述封口板20-2連接的位置固定連接有法蘭50,所述法蘭50與所述封口板20-2固定連接從而實(shí)現(xiàn)所述超聲裝置10與所述支撐體20的固定連接。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,所述壓力傳感器30固定設(shè)置在所述法蘭50與所述支撐體20之間,具體地,所述壓力傳感器30固定設(shè)置在所述封口板20-2與所述法蘭50之間,使得壓力傳感器30可測量醫(yī)生操作時沿超聲變幅桿10-3軸線施加的壓力大小。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,所述壓力傳感器30固定設(shè)置在所述支撐體20在承受壓力處的外壁。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,所述信號處理模塊40固定設(shè)置于所述支撐體20的外壁,或信號處理模塊40固定設(shè)置于所述支撐體20內(nèi)部設(shè)置的容納腔20-1內(nèi)。
圖7是本發(fā)明提供的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的超聲測量裝置的坡面結(jié)構(gòu)示意圖,圖8是圖7的等軸側(cè)視圖。
如圖7、8所示,在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,超聲測量裝置包括驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊10-1、超聲振動換能模塊10-2和超聲變幅桿10-3。其中,驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊10-1,固定設(shè)置在所述支撐體20外壁上和/或內(nèi)部,用于產(chǎn)生特定頻率的驅(qū)動信號,并將所述驅(qū)動信號發(fā)送至超聲振動換能模塊10-2。優(yōu)選地,驅(qū)動信號的頻率可選用使超聲變幅桿10-3工作于特定的諧振頻率,也可使超聲變幅桿10-3工作于其他頻率。超聲振動換能模塊10-2,接收所述驅(qū)動信號,并將所述驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為超聲振動,并將所述超聲振動傳遞至與其連接的超聲變幅桿10-3。超聲變幅桿10-3,根據(jù)所述超聲振動進(jìn)行超聲振動,并將超聲振動能量集中在其與骨組織接觸的一端。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,其中,所述超聲振動換能模塊10-2包括:電極片102-1、多個壓電陶瓷片102-2和后質(zhì)量塊102-3。其中,所述電極片102-1包括正電極片102-1和負(fù)電機(jī)片,每個電極片102-1設(shè)置在兩個壓電陶瓷片102-2之間。電機(jī)片通過導(dǎo)線與驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊10-1電連接,以接收所述驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊10-1發(fā)送的驅(qū)動信號、以及將感測的骨組織在超聲振動下的生物阻抗特性參數(shù)發(fā)送至信號處理模塊40。所述壓電陶瓷片102-2通過所述后質(zhì)量塊102-3緊固在所述超聲變幅桿10-3的后端。具體地,所述壓電陶瓷片102-2形成為圓環(huán)狀。各個壓電陶瓷片102-2通過螺紋被后質(zhì)量塊102-3以一定預(yù)緊力緊固在超聲變幅桿10-3后端。壓電陶瓷片102-2可選擇兩片,也可根據(jù)測量需求選擇四片或更多片數(shù);相應(yīng)地,電極片102-1的數(shù)量也隨電極數(shù)量增加,以構(gòu)成正負(fù)極的連接關(guān)系。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,所述超聲變幅桿10-3為實(shí)心結(jié)構(gòu)。
采用實(shí)心結(jié)構(gòu)的有益效果在于:與現(xiàn)有技術(shù)中電阻抗為測量原理的打孔定位裝置相比,本發(fā)明實(shí)施例采用了超聲變幅桿10-3為實(shí)心結(jié)構(gòu),可顯著提高開孔機(jī)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度,降低加工成本,并避免血液、組織液及生理鹽水進(jìn)入檢測區(qū)域?qū)ι镫娮杩箿y量結(jié)果的影響。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中,在前述的輔助椎弓根釘打孔的定位裝置的基礎(chǔ)上,所述超聲變幅桿10-3與骨組織接觸的前端形成圓錐狀或棱錐狀。具體地,棱錐狀可以是各個棱錐側(cè)面形狀相同的正棱錐,也可以為各個棱錐側(cè)面形狀不同的非正棱錐。棱錐的棱數(shù)不受限制,可以為三棱錐、四棱錐、五棱錐等。
本發(fā)明實(shí)施例裝置中的模塊可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行合并、劃分和刪減。
應(yīng)當(dāng)理解的是,本發(fā)明的上述具體實(shí)施方式僅僅用于示例性說明或解釋本發(fā)明的原理,而不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。因此,在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外,本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內(nèi)的全部變化和修改例。