本發(fā)明屬于醫(yī)療儀器，具體是便攜式人工髖關節(jié)手術智能導航系統(tǒng)。

背景技術：

1、髖關節(jié)置換術作為治療嚴重髖關節(jié)疼痛、畸形、功能障礙的一種有效的臨床術式，在國內外得到了廣泛的開展。近年來人工髖關節(jié)置換術新技術不斷涌現(xiàn)，“個性化、精準化、微創(chuàng)化”治療方式成為的主要發(fā)展方向。其中數(shù)字骨科技術應用尤為熱門，它主要解決的是手術個性化差異問題，更加注重實現(xiàn)“眼”和“腦”的能力提升，而關節(jié)導航則是“眼”和“腦”這兩項核心需求的完美結合。

2、醫(yī)學影像技術的發(fā)展(如ct、mri等可以顯示結構復雜部位的三維結構)雖然使醫(yī)護人員對病人的情況做出比以前更充分、精確的評估，然而這些圖像特征并不適用于手術過程中，術中醫(yī)護人員仍是主要靠二維的x光圖像，根據(jù)臨床經(jīng)驗進行局部分析和診斷，對于病變區(qū)域的精確定位和定量分析遠遠不夠，而現(xiàn)有的術前根據(jù)ct圖像數(shù)據(jù)重建的三維模型在術中與患者解剖結構之間的配準精度較低，實時性較差，手術時間較長，從而嚴重影響了醫(yī)護人員使用的積極性。此外，傳統(tǒng)的關節(jié)置換手術，主要依靠醫(yī)護人員的手術經(jīng)驗，通過傳統(tǒng)的手術工具與器械進行人工關節(jié)的安放與植入，可重復性低，精準度差，手術的風險性大，術后并發(fā)癥多。

3、為了解決上述問題，例如中國專利，公告號為：cn112641511b，該發(fā)明公開了一種關節(jié)置換手術導航系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括：術前規(guī)劃模塊，用于根據(jù)獲取的髖關節(jié)醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)進行分割重建得到髖關節(jié)三維模型，并進行術前規(guī)劃，確定假體安放的位置、大小和角度；導航配準模塊，用于根據(jù)骨盆參考架和股骨參考架確定骨盆和股骨的空間位置，以及，根據(jù)手術探針與骨盆參考架和股骨參考架的空間位置關系，對髖關節(jié)三維模型進行配準，得到髖關節(jié)實體模型，根據(jù)所述髖關節(jié)實體模型，控制夾持假體的手術器械將假體安放在髖關節(jié)中。通過術前規(guī)劃手術入路及假體安放位置等信息，術中利用空間定位方法，對手術器械進行追蹤，提高手術的精確度的同時還為醫(yī)護人員提供導航支持，使手術更加安全高效。

4、但是在實際使用時，現(xiàn)有的機器人主流是基于半主動式封閉平臺的手術系統(tǒng)，需要術前ct影像來完成術前規(guī)劃和術中導航，術中需要借助下肢體表及關節(jié)表面的解剖標志點進行定位，同時植入標記組件，之后完成手術規(guī)劃。術者手持機械臂末端的磨削組件進行操作。機械臂所起到的作用為限制手術范圍，當超出術前規(guī)劃范圍時機械臂會提供反饋并終止手術操作，通過基于圖像的預先計劃可以在術中進行調整，以應對可能發(fā)生的意外情況。因此，目前機器人設備復雜，體積龐大，對手術室空間要求高；機械臂目前多數(shù)使用的是六軸，操作笨重、柔韌性反饋系統(tǒng)粗糙，容易造成醫(yī)源性損傷；因機械臂與傳統(tǒng)電鉆的使用方式相差甚遠，因此臨床醫(yī)生學習過程中，學習成本高、學習周期長。所以本發(fā)明提出便攜式人工髖關節(jié)手術智能導航系統(tǒng)，以解決上述問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了便攜式人工髖關節(jié)手術智能導航系統(tǒng)，保留導航功能的優(yōu)點,摒棄目前機械臂笨重、操作粗糙和費用昂貴等缺點，改為手持便攜式的智能導航系統(tǒng)，費用便宜、操作友好和無學習曲線。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：便攜式人工髖關節(jié)手術智能導航系統(tǒng)，包括以下模塊：

3、手術規(guī)劃模塊：用于根據(jù)患者的個體化數(shù)據(jù)對髖關節(jié)進行三維重建和分析，生成手術方案和計劃。

4、導航定位模塊：通過提供實時三維圖像引導和定位，幫助醫(yī)護人員精確地定位和操作。

5、數(shù)據(jù)管理模塊：用于存儲和管理手術相關的數(shù)據(jù)，包括患者的個人信息、手術過程中采集的影像資料和手術記錄。

6、可視化顯示模塊：用于將重建的三維模型和實時導航信息以圖像或視頻的形式展示給醫(yī)護人員。

7、定位手術器械模塊：用于幫助醫(yī)護人員在手術期間準確地定位和操作。

8、其中定位手術器械模塊包括電鉆單元、手柄單元和被動式反光標記球單元，手柄單元固定連接在電鉆單元底部，電鉆單元遠離手柄單元一側與被動式反光標記球單元固定連接。

9、采用上述方案后實現(xiàn)了以下有益效果：

10、手術規(guī)劃模塊能夠根據(jù)患者的個體化數(shù)據(jù)進行三維重建和分析，為醫(yī)護人員生成準確的手術方案和計劃，提高手術精確性和成功率。

11、導航定位模塊通過實時的三維圖像引導和定位，幫助醫(yī)護人員在手術過程中準確地定位和操作，減少手術風險并提高手術的準確性。

12、數(shù)據(jù)管理模塊用于存儲和管理手術相關的數(shù)據(jù)，包括患者信息、手術過程中采集的影像資料和手術記錄，方便醫(yī)護人員進行后續(xù)的評估和研究。

13、可視化顯示模塊將重建的三維模型和實時導航信息以圖像或視頻的形式展示給醫(yī)護人員，使其可以清晰地觀察和理解手術情況，做出正確的決策。

14、定位手術器械模塊包括電鉆單元、手柄單元和被動式反光標記球單元，可幫助醫(yī)護人員在手術期間準確地定位和操作，提高手術效率和安全性。

15、通過集成這些模塊，便攜式人工髖關節(jié)手術智能導航系統(tǒng)能夠提供更精確、高效和安全的手術方案和操作引導，為醫(yī)護人員和患者帶來益處。

16、總之，相比現(xiàn)有技術，保留導航功能的優(yōu)點、摒棄目前機械臂笨重、操作粗糙、費用昂貴等缺點，改為手持式、便攜式的智能導航系統(tǒng)，費用便宜、操作友好、無學習曲線。

17、有益效果：電鉆單元被廣泛應用于骨科手術中，用于切削、鉆孔和固定骨骼，電鉆單元使用內置的電機提供動力，通過電能轉換為旋轉力；鉆頭是連接到電機上的旋轉工具，用于切削或鉆孔。電鉆單元具有高轉速、低噪音和精確控制等特點，可以在手術中精準地進行切削、鉆孔及磨銼操作，不同類型的手術需要使用不同形狀和尺寸的鉆頭，術前規(guī)劃中，各種型號鉆頭數(shù)據(jù)均輸入導航系統(tǒng)中。

18、進一步，電鉆單元包括電機、鉆頭和定位器，鉆頭與電機輸出軸同軸固定連接，定位器固定連接在電鉆上，電機信號連接有控制器，控制器與定位器信號連接。

19、有益效果：電鉆單元被廣泛應用于骨科手術中，用于切削、鉆孔和固定骨骼，電鉆單元使用內置的電機提供動力，通過電能轉換為旋轉力；鉆頭是連接到電機上的旋轉工具，用于切削或鉆孔。電鉆單元具有高轉速、低噪音和精確控制等特點，可以在手術中精準地進行切削和鉆孔操作，不同類型的手術需要使用不同形狀和尺寸的鉆頭。

20、在電鉆上添加定位器，定位器能夠提供電鉆鉆頭頂端與工作表面之間的準確距離，使得鉆孔位置更精確可靠；通過使用定位器，操作人員可以迅速找到所需的鉆孔位置，減少測量和定位的時間，可以節(jié)省時間和精力，并增加工作效率；定位器可以將電鉆鉆頭正確引導到目標位置，避免不必要的偏差和錯誤鉆孔；提供了穩(wěn)定的引導性，減少了因人為操作不當而引起的損壞或錯誤。

21、進一步，鉆頭頂端與定位器中心距離恒定，以便于導航系統(tǒng)追蹤。

22、有益效果保持鉆頭頂端與定位器中心距離恒定可以提供精確的位置信息，導航系統(tǒng)可以根據(jù)這個固定距離來計算和準確定位鉆頭的位置，從而實現(xiàn)準確的導航和定位；固定鉆頭頂端與定位器中心距離可以幫助導航系統(tǒng)準確預測鉆頭的軌跡，通過對已知距離的基礎上進行推算，系統(tǒng)可以更好地估計和預測鉆頭的運動軌跡，提前做出調整和控制；保持恒定的鉆頭頂端與定位器中心距離還可以幫助維持工作裝置的姿態(tài)穩(wěn)定性，當距離保持不變時，任何姿態(tài)變化都會被導航系統(tǒng)準確捕捉到，并及時進行反饋和調整，以保持鉆頭的穩(wěn)定工作狀態(tài)。

23、進一步，根據(jù)術前規(guī)劃結果，預先在導航系統(tǒng)中設定電鉆單元正確運行時磨銼邊界及深度的預設值a,設置邊界預警值b，將實時檢測值設為c；

24、當c<a時，說明磨銼邊界及深度未達預期，電鉆單元持續(xù)工作；

25、當c＝a時，說明磨銼邊界及深度已達預期，控制器控制電機停止運行，通過醫(yī)護人員對定位手術器械模塊進行判斷，進一步選擇是否繼續(xù)磨銼；

26、當c＝b時，說明磨銼已達安全邊界，控制器控制電機停止運行，通過醫(yī)護人員對定位手術器械模塊進行判斷，決定是否停止磨銼。

27、有益效果：控制器的控制過程基于設定了一個正常值作為參考標準，通過與該值進行比較來判斷定位手術器械模塊的工作狀態(tài)。當超出正常值范圍時，可以推斷出模塊存在異常情況。控制器會采取相應的措施，如停止電機運行，以確保手術的安全性。

28、當定位手術器械模塊的實時檢測值超出正常范圍時，說明可能存在異常情況，例如超出磨銼范圍時，通過控制器停止電機運行，可以防止進一步的風險和損害，確保手術過程的安全性。

29、超出正常值范圍的檢測值時，醫(yī)護人員可以利用這一提示，進一步分析手術情況并及時調整。這有助于及時發(fā)現(xiàn)問題并采取修復措施，保證設備的正常運行。

30、當發(fā)現(xiàn)超出正常范圍的檢測值時，醫(yī)護人員需要對定位手術器械模塊進行判斷和處理。他們可以通過觀察和分析來確定具體的問題，必要時可在系統(tǒng)中確認繼續(xù)磨銼，此時恢復電鉆動力，以恢復模塊的正常工作狀態(tài)。

31、進一步，手術規(guī)劃模塊包括影像單元，用于術前進行ct影像掃描和錄入，重建病人髖關節(jié)三維模型，確定磨銼角度、深度，隨后確定假體大小型號，理想的植入角度，完成術前規(guī)劃。

32、有益效果：通過手術規(guī)劃模塊，醫(yī)護人員可以獲得患者的具體解剖信息，并基于此進行個性化的手術規(guī)劃，有助于確保手術過程與患者的特殊需求相匹配，提高手術效果和滿意度；手術規(guī)劃模塊可以提供詳細而精確的解剖結構信息，幫助醫(yī)護人員準確定位手術目標區(qū)域，確定最佳植入角度和位置，通過事先的規(guī)劃和預測，可以減少手術中的不確定性，降低操作風險；手術規(guī)劃模塊能夠提供數(shù)字化的三維重建結果，使醫(yī)護人員能夠更好地理解患者的解剖結構，規(guī)劃手術方案，并進行精確的手術操作，有助于提高手術的精準度和質量；利用手術規(guī)劃模塊，醫(yī)護人員可以在術前通過影像數(shù)據(jù)進行詳細的規(guī)劃和分析，避免了在手術中臨時決策的情況，可以節(jié)約時間，減少床位占用和手術資源的浪費。

33、進一步，導航定位模塊包括光學定位單元，其中光學定位單元包括光源組件、光感器組件和數(shù)據(jù)處理組件，光源組件發(fā)射光束，用于在手術場景中提供合適的光照條件；光傳感器組件接收從光源組件反射回來的光信號，用于提供有關手術場景和目標結構的圖像或數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理組件接收來自光傳感器組件的圖像或數(shù)據(jù)，并利用計算算法進行實時處理和分析。

34、有益效果：導航定位模塊的原理是利用光學定位單元進行手術場景中的定位和導航。

35、通過光學定位單元的使用，導航定位模塊可以提供實時的導航功能，醫(yī)護人員可以準確了解手術工具或植入物相對于目標結構的位置和方向，以引導手術操作；光學定位單元能夠提供高精度的定位信息，包括三維空間位置和坐標，有助于醫(yī)護人員進行精確的器械操作，避免誤差和損傷，導航定位模塊可以實時地將處理和分析結果呈現(xiàn)給醫(yī)護人員，以幫助他們了解手術進展并作出準確的決策，即時反饋可以提高手術效率和質量；通過提供準確的導航和定位信息，導航定位模塊可以幫助醫(yī)護人員更加準確地操作，減少不必要的創(chuàng)傷和損傷。

36、進一步，數(shù)據(jù)管理模塊包括主機，主機包括用于收集來自不同來源的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)收集組件；用于將收集到的數(shù)據(jù)持久化保存的數(shù)據(jù)存儲組件；用于對原始數(shù)據(jù)進行清洗、去噪和轉換操作的數(shù)據(jù)清洗與預處理組件；用于將來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進行整合和融合，以創(chuàng)建一個統(tǒng)一的視圖或數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)集成與整合組件。

37、有益效果：數(shù)據(jù)管理模塊的原理是對不同來源的數(shù)據(jù)進行收集、存儲、清洗與預處理、整合和融合，以創(chuàng)建一個統(tǒng)一的視圖或數(shù)據(jù)集。

38、通過數(shù)據(jù)清洗、預處理和整合，數(shù)據(jù)管理模塊可以確保數(shù)據(jù)的一致性和準確性，有助于提高數(shù)據(jù)的可靠性和可用性；通過去除重復數(shù)據(jù)、處理缺失值和糾正錯誤，數(shù)據(jù)清洗與預處理組件可以改善數(shù)據(jù)質量，有助于減少因低質量數(shù)據(jù)引起的錯誤決策和分析結果；數(shù)據(jù)集成與整合組件可以將來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)整合到一個統(tǒng)一的視圖或數(shù)據(jù)集中，使得用戶可以方便地訪問和分析多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)利用效率；通過提供可靠、一致和綜合的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理模塊可以為決策過程提供有力支持，醫(yī)護人員可以基于準確和全面的數(shù)據(jù)進行分析和判斷。

39、進一步，可視化顯示模塊包括顯示屏。

40、有益效果：通過可視化顯示，醫(yī)護人員可以清晰地觀察患者的髖關結構，有助于醫(yī)護人員做出更準確的診斷和手術規(guī)劃，盡可能減少手術風險和并發(fā)癥；可視化展示使醫(yī)護人員能夠實時觀察手術過程中的關鍵結構和目標區(qū)域，可以根據(jù)這些信息調整手術方案，并在操作時更加精確地進行定位和處理，最大限度地保護周圍組織，提高手術的安全性和成功率。