專利名稱：確定在何處定位固定部件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種為髖骨骨折(hip fracture)確定在何處定位固定部件的方法和裝置，和一種用于實(shí)現(xiàn)在所述方法獲取的數(shù)據(jù)的控制下加裝由該固定部件的安裝的裝置。
背景技術(shù)：
與本方法有關(guān)的例如髖骨骨折外科手術(shù)包括許多技術(shù)。腿部受傷的患者仰臥在骨折臺(tái)上，使骨折復(fù)位的操作就此開始。患者受傷腿的腳部牢固地固定在一個(gè)特殊制造的靴子上。直到骨折的斷骨復(fù)位之前，來施加牽引和旋轉(zhuǎn)。
受傷的腿的固定通常很牢固不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，除非給腿施加足夠的力。移動(dòng)式X射線機(jī)，帶“C形臂”，有兩個(gè)相垂直的X射線圖象，前后(anteroposteruir)(AP)的投影和側(cè)面(Lat)的投影，來檢查骨折復(fù)位質(zhì)量。骨折復(fù)位的結(jié)果只能通過所述至少兩個(gè)X射線圖象進(jìn)行判斷，無法對(duì)髖骨旋轉(zhuǎn)的變化進(jìn)行修正。
插入螺釘以便固定斷骨部分。用一個(gè)手持式電鉆導(dǎo)入螺釘，該電鉆為螺釘鉆出導(dǎo)向孔，由此外科醫(yī)生必須從所述兩個(gè)垂直的X射線圖象判斷鉆孔的位置，并且手工調(diào)節(jié)三維空間中的電鉆位置，這是一項(xiàng)很難的工作。
不幸的是，常常需要重復(fù)螺釘插入的過程。插入的重復(fù)努力會(huì)破壞股骨頸的骨結(jié)構(gòu)。
為了能夠在髖骨骨折外科手術(shù)后檢查質(zhì)量，開發(fā)了一種確定固定部件的手術(shù)后位置的方法。發(fā)明的發(fā)明者在斯德哥爾摩1993,ISBN91-628-0804-4中發(fā)表的題為“股骨頸骨折的內(nèi)部固定”的論文中對(duì)此進(jìn)行了介紹。不過，該發(fā)明僅用于手術(shù)后質(zhì)量的檢查和科學(xué)統(tǒng)計(jì)，并且，對(duì)本領(lǐng)域的任何普通技術(shù)人員來說，下述的方案是不能想到或者說并不是顯而意見的，所述方案是修改該方法，而使其可用于在股骨骨折中確定怎樣以及在何處鉆孔，以便于加裝固定部件，并且便于以最佳的方式促進(jìn)所述骨折痊愈。
今天，整形外科手術(shù)已經(jīng)向著復(fù)雜的高技術(shù)植入物發(fā)展，該植入物通過精確的技術(shù)人工插入。在目前的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，為了人工插入，植入技術(shù)是一項(xiàng)需要由具有例如10年經(jīng)驗(yàn)的高度熟練的整形外科醫(yī)生進(jìn)行操作。
對(duì)于癥候群(其中匯集了許多受傷處)，手術(shù)進(jìn)行的結(jié)果與可能達(dá)到的相比不能令人滿意。髖骨骨折屬于這樣的癥候群。僅在瑞典每年發(fā)生約18000次事故，其中9000個(gè)發(fā)生在頸部，9000個(gè)發(fā)生在pertrochanteric，損失約14億SEK。
盡管對(duì)付這種骨折有100多種不同的固定方法，然而實(shí)施手術(shù)的效果仍較差。在全部頸骨折中幾乎35％沒有愈合，且有20％不得不在1-2年的時(shí)間內(nèi)再次手術(shù)。對(duì)于pertrochanteric骨折來說，上述比率分別是10％和4％。每個(gè)再次手術(shù)需花費(fèi)約185000SEK(瑞士克朗)。
再次手術(shù)比例高的主要原因是固定螺釘定位不適當(dāng)，這已經(jīng)得到外科醫(yī)生和其他專家的贊同，在以后的愈合過程中這些固定螺釘用于將骨折處固定在一起，參見文獻(xiàn)“股骨頸骨折的固定Uppsala和Von Bahr螺釘?shù)谋容^”，Rehnberg & Olerud,Acta Orthop Scand60,1989,579-584頁(yè)。
考慮到一次再次手術(shù)須花費(fèi)185000 SEK，如將這種手術(shù)的比例降低50％，每年的手術(shù)費(fèi)用將節(jié)省1.6億。一所較大的瑞典醫(yī)院將節(jié)省約800萬(wàn)SEK，更不用說在解除骨折病人痛苦方面的收益。
支持手術(shù)的公知的裝置是所謂的ROBODOCTM手術(shù)輔助系統(tǒng)。ROBODOCTM機(jī)器人能夠?yàn)闊o粘接劑修補(bǔ)物的放置精確地準(zhǔn)備通道。
由于骨折外科中涉及的手控外科技術(shù)，以及在手術(shù)/外科治療期間實(shí)時(shí)地根據(jù)所述X射線圖象診斷，與此同時(shí)不使用任何分析工具，在手術(shù)期間對(duì)病人和個(gè)人護(hù)理來說X射線輻射過高。
因此，需要提供一種幫助外科醫(yī)生準(zhǔn)備和支持整形外科手術(shù)的方法和裝置。這種方法和裝置在所附的獨(dú)立權(quán)利要求中提出。本發(fā)明的具體實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中提出。因此，本發(fā)明的方法和裝置及其細(xì)節(jié)提供了這種優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明概述本發(fā)明通常涉及用來確定在髖骨骨折中在何處定位固定部件的方法和用于幫助手術(shù)的裝置。這由所述方法獲取的數(shù)據(jù)來控制。所述方法由傳統(tǒng)的檢測(cè)骨折的X射線圖象來產(chǎn)生數(shù)據(jù)。因此，該方法應(yīng)用于診斷后以及任何醫(yī)療處理進(jìn)行之前。
因此，本發(fā)明提供一種用來在髖骨骨折中三維地確定在何處定位固定部件的方法，該方法是通過對(duì)至少一個(gè)前后的和一個(gè)側(cè)面的數(shù)字化的X射線圖象進(jìn)行手術(shù)前分析而實(shí)現(xiàn)的，其特征在于，其包括下列步驟在所述圖象(graph)中由所述股骨骨干軸上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線來確定一個(gè)分析用的股骨骨干軸；由所述頸軸上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線來確定一個(gè)分析用股骨頸軸；確定股骨頸角度；通過在股骨頭的外周設(shè)置一個(gè)圓，來在所述圖象上確定股骨頭直徑；通過在股骨頭球和中心股骨頸軸的交點(diǎn)處畫一條垂直于股骨頸軸的線，而在X射線圖象上確定股骨頸直徑；利用在所述數(shù)字化的X射線圖象中的股骨骨干和Y軸之間的角度，和股骨頭在AP和Lat投影中的直徑，將所述X射線圖象換算和旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的尺寸和位置；確定從所述頸軸到所述股骨頭中心的垂直于股骨頸軸的距離，它表示髖骨骨折的剩余位移，這是由所述直徑隱含得知的；從前后圖象測(cè)量出中間皮層的高度；顯示所述股骨頸角度；以預(yù)定精度構(gòu)造和顯示股骨頭和頸的橫截面；旋轉(zhuǎn)所述股骨頭和頸的橫截面，以確定由于骨折造成的髖骨的反旋角度，在所述前后的以及側(cè)面的X射線圖象中顯示髖骨旋轉(zhuǎn)度；和在一裝置中采用所述步驟，以在三維空間中確定用于加裝所述固定部件的位置并對(duì)工具進(jìn)行預(yù)調(diào)整來使得其在所述位置工作。
在一個(gè)實(shí)施例中，股骨頸角度顯示成線和所述數(shù)字化的圖象中的數(shù)值，如果該值變化，所述線自動(dòng)重畫。
在另一實(shí)施例中，所述固定部件的符號(hào)設(shè)置在股骨頸的橫截面內(nèi)。
在又一實(shí)施例中，還包括警告功能，如果所述固定部件布置在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)的股骨頭或頸的外側(cè)，則警告功能啟動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)應(yīng)于所進(jìn)行的測(cè)量，要加裝的固定部件自動(dòng)顯示在所述圖象內(nèi)。
在又一實(shí)施例中，提供一種裝置，該裝置被用來在所述數(shù)字化的X射線圖象中記下固定部件的符號(hào)。
在又一實(shí)施例中，所述線是由至少三個(gè)中點(diǎn)經(jīng)回歸而得出的線。
根據(jù)本發(fā)明的一種裝置，通過對(duì)骨折的至少一個(gè)前后的和一個(gè)側(cè)面的數(shù)字化的X射線圖象進(jìn)行分析、以便在髖骨骨折中加裝固定部件。該裝置包括由股骨骨干軸上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線而從所述圖象上確定出所述股骨骨干軸的測(cè)量部件；由股骨頸軸上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線而確定出股骨頸軸的測(cè)量部件；用來確定股骨頸角度的測(cè)量部件；通過在所述股骨頭的外周設(shè)置一個(gè)圓、以便在所述圖象上確定出股骨頭直徑的測(cè)量部件；通過在股骨頭球和中心股骨頸軸的交點(diǎn)處畫一條垂直于股骨頸軸的線、而在所述射線圖象上確定出股骨頸直徑的測(cè)量部件；驅(qū)動(dòng)部件，其利用在所述數(shù)字化的X射線圖象中的股骨骨干和Y軸之間的角度以及所述股骨頭直徑，來將所述X射線圖象換算和旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的尺寸和位置；用來確定從股骨頸軸到所述股骨頭中心的垂直于股骨頸軸的距離的測(cè)量部件，該距離表示了骨折的剩余位移，這是由所述股骨頭直徑隱含得知的；用來在所述前后的圖象上確定出中間皮層的高度的測(cè)量部件；用來顯示所述頸角度的顯示部件；用來以預(yù)定精度顯示所述股骨頭和股骨頸的所述橫截面的顯示部件，用來旋轉(zhuǎn)所述股骨頭和頸的橫截面、以確定由于骨折造成的所述頭和頸之間的髖骨反旋角度的驅(qū)動(dòng)部件，用來顯示在所述前后的和側(cè)面的X射線圖象中所述髖骨的旋轉(zhuǎn)的顯示裝置，所述裝置向機(jī)器人提供控制輸入，所述機(jī)器人上具有用于在所述控制輸入給出的方向上工作的機(jī)器人上的工具部件，和補(bǔ)償X射線失真的失真調(diào)節(jié)裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，股骨頸角度通過所述顯示部件顯示成線和在所述數(shù)字化的圖象內(nèi)的數(shù)值，如果該值變化，所述線自動(dòng)重畫。
另一實(shí)施例中，所述固定部件的符號(hào)布置在股骨頸的橫截面內(nèi)，并通過所述顯示部件顯示。
在又一實(shí)施例中，如果所述固定部件布置在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)的股骨頭或頸的外側(cè)，則啟動(dòng)警告功能。
又一實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)于所進(jìn)行的測(cè)量，加裝的固定部件被自動(dòng)顯示在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)。
設(shè)置一種部件，以便在所述數(shù)字化的X射線圖象中記下符號(hào)。
在又一實(shí)施例中，所述線是由至少三個(gè)中點(diǎn)經(jīng)回歸得出的線。
附圖的簡(jiǎn)要說明為了更完整地理解本發(fā)明，以及發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖進(jìn)行描述。其中

圖1示意性示出了股骨結(jié)構(gòu)的透視圖，它示出根據(jù)已有技術(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的符號(hào)；圖2示出脫位的髖骨骨折的橫截面，示出了本發(fā)明的固定部件符號(hào)；圖3示出沒有脫位的髖骨骨折的橫截面，它示出本發(fā)明的固定部件的符號(hào)；圖4示出前后投影的股骨結(jié)構(gòu)，其具有根據(jù)本發(fā)明標(biāo)出的螺釘位置；圖5示出側(cè)面投影的股骨結(jié)構(gòu)，其具有根據(jù)本發(fā)明標(biāo)出的螺釘位置；圖6示出本發(fā)明的裝置的側(cè)立視圖；圖7示出本發(fā)明的裝置的頂平面圖；圖8示出本發(fā)明的裝置的前立視圖；圖9示出本發(fā)明的方法采取的步驟的流程圖。
發(fā)明的詳細(xì)描述為了更好的確定在骨折的骨頭上于何處定位固定部件，例如螺釘，銷，釘?shù)?，本發(fā)明介紹了一種特為該任務(wù)開發(fā)的方法。這里公開的針對(duì)髖骨骨折的方法和裝置僅是為了說明的目的，而不是為了限制本發(fā)明。
利用本發(fā)明的技術(shù)，當(dāng)在髖骨骨折外科手術(shù)中加裝固定螺釘，以及確定螺釘長(zhǎng)度，螺釘固定角度，和骨折的脫位程度時(shí)，有可能獲得±1.0mm的精度。根據(jù)本發(fā)明，所述方法提供用來將手術(shù)中獲取的數(shù)字X射線圖象和病人記錄存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中以供質(zhì)量檢查和科學(xué)研究的裝置。
在根據(jù)已有技術(shù)的股骨頸骨折的X射線照片中，銷或螺釘相對(duì)于分析用股骨頸軸的位置可通過測(cè)量任意點(diǎn)到分析用股骨頸軸的距離來確定，該點(diǎn)位于與在AP和側(cè)面投影內(nèi)的股骨頭中心到銷或螺釘?shù)木嚯x相同的位置處。如果滿足下列標(biāo)準(zhǔn)，可獲得準(zhǔn)確的定位1．前后和側(cè)面X射線板平行于股骨頸軸并相互垂直，且前后X射線板平行于股骨骨干軸。
2．在前后和側(cè)面投影中的中心X射線束的方向垂直于股骨頸軸。
3．在前后和側(cè)面投影中的放大程度相等。
相反的方法，即以最佳的方式確定在何處布置銷或螺釘?shù)姆椒ㄔ诒景l(fā)明中加以介紹。
通過利用圖象增強(qiáng)器來調(diào)節(jié)股骨頸在空間中的位置，以滿足標(biāo)準(zhǔn)1-3的要求。然而，這很耗時(shí)，而且在常規(guī)檢查中不可實(shí)施。在內(nèi)部固定股骨頸骨折的常規(guī)X射線圖象中，在連續(xù)檢查和連續(xù)曝光中髖骨旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化，即上述標(biāo)準(zhǔn)號(hào)1-3不能滿足。為了在該X射線圖象中確定在何處放置銷/螺釘，旋轉(zhuǎn)的投影必須反旋轉(zhuǎn)到正(straight)的前后(AP)和側(cè)面(Lat)投影。當(dāng)解釋常規(guī)X射線圖象時(shí)，這憑直覺實(shí)現(xiàn)，但這種反旋轉(zhuǎn)是主觀的且不可再現(xiàn)。
然而，通過確定反旋轉(zhuǎn)角度(Ω)，髖骨的旋轉(zhuǎn)可以再現(xiàn)的方式得到補(bǔ)償。
圖1示意性示出用于數(shù)學(xué)計(jì)算的符號(hào)標(biāo)記的股骨結(jié)構(gòu)的透視圖。如上所述，圖1表示在髖骨骨折位置進(jìn)行手術(shù)后確定在何處設(shè)置固定部件的已有技術(shù)的方法。該方法由本發(fā)明的發(fā)明人在其論文“股骨頸骨折的內(nèi)部固定”，斯德哥爾摩1993,ISBN91-628-0804-4中進(jìn)行了介紹和應(yīng)用。盡管如此，該方法僅用于手術(shù)后的質(zhì)量檢查和科學(xué)統(tǒng)計(jì)，參見“在股骨頸骨折中復(fù)位和皮層螺釘支承的質(zhì)量”，由Stig Lindequist和Hans Tornkvist撰寫，整形外科損傷雜志，第9卷，第3期，第215-221頁(yè)，1995 Raven Press Ltd.New York。根據(jù)本發(fā)明的相反方法可用來確定在股骨骨折中如何以及在何處鉆眼，以便以最佳方式促進(jìn)所述骨折痊愈。
盡管事實(shí)上在股骨頸骨折中固定部件的位置對(duì)于實(shí)施手術(shù)的結(jié)果來說極其重要，然而，在文獻(xiàn)中沒有發(fā)現(xiàn)具有公知精度的確定該位置的其它方法。
公知的是固定部件(例如螺釘)應(yīng)盡可能靠近股骨頸結(jié)構(gòu)(皮層(cortex))10布置，并以股骨頭12為中心，因此骨折了的頸10可承受較重的荷載。通常是1500N的荷載。這應(yīng)與年長(zhǎng)者的骨結(jié)構(gòu)中骨髓的老化含量一起考慮，而這更強(qiáng)調(diào)了螺釘靠近皮層布置的重要性。
Ogata K和Goldsand EM.J在“骨關(guān)節(jié)外科手術(shù)(AM)”，1979,61:846-51上發(fā)表的“測(cè)量前傾角和和頸-骨干角度的簡(jiǎn)單的二切面法”，和Herrlin和Ekelund在“Acta Orthop Scand”，1983；54:141-46上發(fā)表的“股骨前傾的X射線照相測(cè)量”描述了前傾角度θ(未表示)和頸骨干角度δ如何根據(jù)已測(cè)量的股骨頸角度α和β和傾斜角度ε來計(jì)算。根據(jù)其方法，前傾角度θ由將大腿骨的近端假想反旋轉(zhuǎn)到在AP和Lat投影內(nèi)前傾為零度來獲得。該反旋沿股骨骨干軸14進(jìn)行，且側(cè)面X射線圖象板沿股骨骨干布置。然而，大腿骨的近端假想反旋轉(zhuǎn)到在AP和Lat投影內(nèi)前傾為零度也可沿股骨頸軸16進(jìn)行。圍繞股骨頸軸16的反旋角定義為Ω。股骨頸的旋轉(zhuǎn)角度Ω，投射的股骨頸角度α和β，傾斜角度ε，偏移角κ和真股骨頸骨干角度δ之間的關(guān)系可用下式表示sinΩ=CD/AC=HI/AC=tanβo*(AB+AI)/tanδ*ABtanκ=AI/AD和tanα=AD/AB，因此sinΩ=tanβo*(AB+tanα*tanκ*AB)/tanδ*ABsinΩ=tanβo*(1+tanα*tanκ)/tanδtanδ=AC/AB和cosΩ=AD/AC，因此tanΩ=tanβo*tanκ+tanβo/tanα這里κ是在側(cè)面投影中中心X射線束從垂直于股骨頸軸的方向的偏移角度，且ε=δ±κ如果假設(shè)股骨頸10發(fā)生反旋Ω度，沿股骨頸軸布置的銷也旋轉(zhuǎn)Ω度。如果在數(shù)字化的X射線圖象中的銷位置的坐標(biāo)是X和Y，在直角坐標(biāo)系中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的矩陣，X’=Y*sinΩ+X*cosΩY’=Y*cosΩ將給出在正AP和Lat投影中的銷/螺釘位置的校正的坐標(biāo)X’和Y’。
圖1還表示距離和角度，OADG在AP投影15中平行于膠片11；OAEF在側(cè)面投影17中平行于膠片13；OB股骨頸10的中心軸；BC股骨骨干18的中心軸；α在AP投影15中的股骨頸角度(Cervicofemoralangle)；β當(dāng)中心X射線束垂直于股骨頸軸16時(shí)，在側(cè)面投影17中的股骨頸角度；βo當(dāng)中心X射線束不垂直于股骨頸軸10時(shí)，在側(cè)面投影17中的股骨頸角度；ε在側(cè)面投影17中中心X射線束的傾斜角度；κ在側(cè)面投影17中中心X射線束從垂直于股骨頸軸10的方向偏移角度；δ真股骨頸骨干角度，和Ω股骨頸旋轉(zhuǎn)角度。
在股骨頭12中的轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)X’和Y’繪制在笛卡兒坐標(biāo)系中，并用中心位于坐標(biāo)系的原點(diǎn)上的一個(gè)圓加以限定，其半徑等于在測(cè)量點(diǎn)的股骨頭12的半徑。獲得的圖表示在測(cè)量點(diǎn)水平上股骨頭的橫截面，這如下面的圖2和3表示。
對(duì)于股骨頸10，轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)X’和Y’繪制在坐標(biāo)系中，并用股骨頭10的橫截面圖限定。
如果一系列X射線圖象相互比較，通過將距離除以在所述膠片(film)上的股骨頭12的直徑，所有測(cè)量的距離從mm轉(zhuǎn)換成測(cè)量單位。銷坐標(biāo)值用股骨頭的直徑的分?jǐn)?shù)表示。
然后，根據(jù)本發(fā)明，采用公知的方法，即PINTRACETM并加以發(fā)展，以在AP及Lat X射線圖象中的所述股骨頸軸10和所述股骨骨干軸14內(nèi)提出螺釘位置，而不是僅對(duì)已經(jīng)應(yīng)用的螺釘加以分析。公知的舊方法PINTRACETM由本發(fā)明的發(fā)明人研究提出，參見其論文“股骨頸骨折的內(nèi)部固定“，斯德哥爾摩1993,ISBN91-628-0804-4。
在原始的舊方法PINTRACETM中，插入的固定銷/螺釘?shù)奈恢媒?jīng)過計(jì)算，并呈現(xiàn)在股骨頸10和頭12的構(gòu)造橫截面內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，研發(fā)出一種全新的PINTRACETM方法。實(shí)際上，在舊的公知的PINTRACETM和新的PINTRACETM方法之間的相同部分是提供圖1的構(gòu)造，以便使必要的計(jì)算成為可能。新的PINTRACETM方法是本發(fā)明方法的子方法，其中股骨頸10和頭12的形狀被確定，被構(gòu)造，并在例如計(jì)算機(jī)屏幕上顯示成中空橫截面圖形。這允許外科醫(yī)生設(shè)置固定銷/螺釘?shù)姆?hào)，或?qū)@示的預(yù)定位置用作這種符號(hào)。應(yīng)理解設(shè)置符號(hào)是動(dòng)態(tài)的，考慮到設(shè)置銷/螺釘使之盡可能靠近皮層的重要性，因而，設(shè)置符號(hào)根據(jù)不同病人而變化。設(shè)置的符號(hào)的位置被轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的AP和LatX射線圖象，并以厚度變化的彩色線的形式疊加于其上。
根據(jù)本發(fā)明，為幫助使用者檢測(cè)股骨頸半徑的不正確的測(cè)量(PINTRACETM)，使用標(biāo)準(zhǔn)的頸/頭比(AP圖=0.70，側(cè)面圖=0.57:Backman在Karolinska協(xié)會(huì)，斯德哥爾摩1957上發(fā)表的“股骨的近端”，和，Hoaglund和Low在Clin.Orthop152:10-16,1980上發(fā)表的“高加索和中國(guó)香港的股骨頸和頭的解剖的對(duì)比數(shù)據(jù)”)，以便預(yù)先計(jì)算股骨頸AP和側(cè)面半徑。如果計(jì)算好的標(biāo)準(zhǔn)半徑與在對(duì)應(yīng)膠片上測(cè)量的半徑不同，使用者可改變?cè)撚?jì)算好的標(biāo)準(zhǔn)半徑。
圖2示出了脫位的髖骨骨折的橫截面，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明的固定部件的符號(hào)，這里的螺釘由虛線和充滿的圓表示。
圖2中頭12(股骨頭)和股骨頸10(collum femoris)的橫截面圖示出了具有兩個(gè)加裝的螺釘?shù)拿撐坏捏y骨骨折。充滿的黑色圓20表示在股骨頸10中的所述螺釘?shù)奈恢茫页錆M的白色圓20表示頭12中的螺釘?shù)奈恢?。相鄰的圓24,26表示標(biāo)出的螺釘位置的不確定的具體程度。
而且，圖3表示沒有脫位髖骨骨折的橫截面，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明的固定部件的符號(hào)，這里螺釘由虛線和充滿的圓表示。
圖3中頭12和股骨頸10的橫截面表示具有兩個(gè)加裝螺釘?shù)臎]有脫位的髖骨骨折。充滿的黑色圓20表示在股骨頸10中所述螺釘?shù)奈恢茫页錆M的白色圓表示在頭12中螺釘?shù)奈恢?。相鄰的圓24,26表示標(biāo)出的螺釘位置的不確定的具體程度。
現(xiàn)在參見圖4和5。
圖4示出了由前后投影15得出的股骨結(jié)構(gòu)30，其中帶有根據(jù)本發(fā)明標(biāo)出的兩個(gè)螺釘32。
圖5示出了由前后投影17得出的股骨結(jié)構(gòu)30，其中帶有根據(jù)本發(fā)明標(biāo)出的兩個(gè)螺釘32。
在AP和Lat X射線圖象投影15,17中，標(biāo)出了股骨頸10和骨干18的中心軸14,16，且測(cè)出了股骨頸角度α和β。當(dāng)手術(shù)時(shí)，在在Lat圖17中的一個(gè)測(cè)量點(diǎn)處從股骨頸軸16到指出在何處布置螺釘32的標(biāo)記的距離，用來表示X坐標(biāo)，而在AP圖15中，該距離表示銷的Y坐標(biāo)。圖1，圖4和圖5中所示的角度用來使股骨結(jié)構(gòu)30在空間中定位，這樣，最終指出插入螺釘32的方向。
股骨頭12和頸10的下半部或后半部的坐標(biāo)設(shè)為負(fù)值，見圖2和圖3。
對(duì)于股骨頸10，股骨頭球和股骨頸軸16的交點(diǎn)用作測(cè)量點(diǎn)。在AP和Lat投影15,17中，在測(cè)量點(diǎn)處確定了圖4和5中虛線表示的股骨頭12和頸10的直徑34,35。
由于在AP和Lat投影中的放大系數(shù)經(jīng)常不同，通過計(jì)算最大和最小的股骨頭直徑之比，然后在該投影內(nèi)將具有最小直徑的距離乘以該比值，來調(diào)節(jié)所有的測(cè)量的距離。
因此，本發(fā)明提供一種方法，該方法通過對(duì)所述骨折的至少一個(gè)前后的和一個(gè)側(cè)面的數(shù)字化的X射線圖象的手術(shù)前分析，可三維地確定在髖骨骨折中在何處定位固定部件。它包括下列步驟在所述圖象中由所述股骨骨干軸14上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線來確定一個(gè)分析用的股骨骨干軸14；由所述頸軸16上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線來確定一個(gè)分析用股骨頸軸16；確定股骨頸角度α,β；通過在股骨頭12的外周設(shè)置一個(gè)圓，來在所述圖象上確定股骨頭直徑34；利用在所述數(shù)字化的X射線圖象中的股骨骨干14和Y軸之間的角度，和股骨頭12的所述直徑34，將所述X射線圖象換算(scaling)并旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的尺寸和位置；確定從所述頸軸16到所述股骨頭的中心的距離，它表示髖骨骨折的剩余位移，這是由所述直徑34隱含得知的；通過在股骨頭球和中心股骨頸軸16的交點(diǎn)處畫一條垂直于股骨頸軸16的線，而在X射線圖象上確定股骨頸直徑35；從前后的圖象測(cè)量出中間皮層19的高度；顯示所述股骨頸角度α,β；以預(yù)定精度顯示股骨頭12和頸10的橫截面(圖2和圖3)；旋轉(zhuǎn)所述股骨頭12和頸10的橫截面，以確定由于骨折造成的髖骨的反旋角度，在所述前后的以及側(cè)面的X射線圖象中顯示髖骨旋轉(zhuǎn)度Ω；和在一個(gè)實(shí)施例中，在一個(gè)裝置中采用所述步驟，以在三維空間中確定用于加裝所述固定部件32的位置，并預(yù)先調(diào)節(jié)好一種工具，以便在所述位置工作。
股骨頸/骨干角度α,β最好顯示成線和所述數(shù)字化的圖象中的數(shù)值，如果該值變化，所述線自動(dòng)重畫。
本發(fā)明中的線可能由兩個(gè)中點(diǎn)確定，但應(yīng)理解的是，通過從在所述軸上的至少三個(gè)中點(diǎn)回歸出一條線則可以獲得更精確的線。
用于所述固定部件的符號(hào)20,22設(shè)置在股骨頸10的橫截面內(nèi)，且如果所述固定部件布置在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)的股骨頭12或頸10的外部，則啟動(dòng)警告功能。
加裝的固定部件32經(jīng)過本身已經(jīng)公知的圖示部件自動(dòng)地顯示在所述圖象內(nèi)，這與已進(jìn)行的測(cè)量相對(duì)應(yīng)。而且，還能夠在數(shù)字化的X射線圖象中記下固定部件32的符號(hào)20,22。
根據(jù)本發(fā)明，在任何外科治療之前可對(duì)X射線圖象進(jìn)行分析，且測(cè)量和計(jì)算的值可作為控制輸入應(yīng)用于裝置40，該裝置40可完成插入的引導(dǎo)，例如為骨折固定部件32打孔，所述裝置40如下所述。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的裝置40的側(cè)立視圖；圖7表示根據(jù)本發(fā)明的裝置40的俯視平面圖；圖8表示根據(jù)本發(fā)明的裝置40的前立視圖。
根據(jù)圖6-8中示意性地示出的實(shí)施例的裝置40是在移動(dòng)臺(tái)42上的機(jī)器人，該移動(dòng)臺(tái)42與輪44連接，當(dāng)需要時(shí)，還可與可調(diào)節(jié)立腳(例如用來穩(wěn)定的桿，柱46或類似物)連接。另外的附屬部件是具有電纜連接線路50的控制箱48，該電纜連接線路50與具有伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)54的鉸接機(jī)器人臂52連接。變壓器56分配能量?？刂葡?8適合與外圍設(shè)備連接，這些設(shè)備包括例如具有用于控制和通訊的I/O端口的計(jì)算機(jī)，顯示器，打印機(jī)，掃描儀，幀接收器和其它公知的計(jì)算機(jī)裝置。
而且，加裝在機(jī)器人臂52上的是工具夾持器58，例如用來固定鉆孔機(jī)。
在本發(fā)明中，用來控制機(jī)器人的所述控制箱48包含硬件裝置，用器件實(shí)現(xiàn)的操作系統(tǒng)和由處理器控制的軟件，每種裝置本身是公知的，但形成了根據(jù)本發(fā)明的單一應(yīng)用實(shí)體。在本發(fā)明的該最佳實(shí)施例中，盡管僅有一個(gè)測(cè)量裝置被描述用來測(cè)量，但可以理解，測(cè)量裝置/功能可由多個(gè)裝置組成，或集合成一個(gè)或多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的如下所述的裝置/功能。
這樣，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中包括一些部件和/或功能，例如一種測(cè)量部件或功能，可完成下述測(cè)量，即由所述股骨骨干軸上的至少兩個(gè)中點(diǎn)，計(jì)算并畫出一條經(jīng)過所述中點(diǎn)的線，則從所述圖象中測(cè)量出股骨骨干軸14。進(jìn)而，一種測(cè)量部件或功能可完成下述測(cè)量由所述股骨頸軸16上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、計(jì)算并畫出一條經(jīng)過所述中點(diǎn)的線而得到一個(gè)分析用股骨頸軸16。確定股骨頸角度α,β。下一步，從所述前后的圖象測(cè)量出皮層19的高度。而且，一測(cè)量部件，通過在股骨頭12的周圍設(shè)置一個(gè)圓，而從所述圖象中測(cè)量、計(jì)算并確定出股骨頭直徑34，并測(cè)量，計(jì)算或確定從股骨頸軸16到所述股骨頭12的中心的距離，它表示骨折的剩余位移，而這是由所述股骨頭直徑34暗含已知的，由此通過在股骨頭球和中心股骨頸軸16的交點(diǎn)處畫一條垂直于股骨頸軸的線，來在所述圖象上測(cè)量、計(jì)算并確定股骨頸直徑35；換算功能，利用顯示中的股骨骨干和Y軸之間的角度來將所述X射線圖象換算和旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的尺寸和位置，與所述數(shù)字化的X射線圖象一起顯示坐標(biāo)軸，和所述股骨頭直徑；顯示部件，用于顯示對(duì)髖骨骨折外科手術(shù)重要的數(shù)據(jù)，例如數(shù)字化的X射線圖象，頸角度α，髖骨旋轉(zhuǎn)Ω，橫截面(圖2和3)，計(jì)算的數(shù)字，線16,14等的顯示部件；提供對(duì)所述股骨頭12和股骨頸10的所述橫截面進(jìn)行顯示的功能；一種驅(qū)動(dòng)器，用于旋轉(zhuǎn)所述股骨頭12和頸10的橫截面，以確定由于骨折造成的所述頭和頸之間的髖骨的反旋角度；所述裝置向機(jī)器人提供控制輸入，所述機(jī)器人具有用于所述機(jī)器人的直立部件46，在所述機(jī)器人上具有用于在所述控制輸入所給出的方向上工作的鉆具裝置，和補(bǔ)償X射線失真(X-ray distortion)的失真調(diào)節(jié)裝置。失真補(bǔ)償裝置最好為本發(fā)明特別設(shè)計(jì)或由已有技術(shù)提供。
X射線失真用一種新穎的方法和根據(jù)本發(fā)明的用于該目的的裝置進(jìn)行補(bǔ)償。該裝置包括一樹脂玻璃板，該玻璃板具有四個(gè)與之連接的布置成矩形圖案的鉛球。當(dāng)在AP和Lat投影中平行于球圖案透射時(shí)，調(diào)節(jié)兩個(gè)鉛球以布置在輻射場(chǎng)的中心，使得它們彼此完全覆蓋。這樣，只要能夠保持輻射管和樹脂玻璃板之間的預(yù)定距離不變，通過測(cè)量留下的兩個(gè)球之間的距離，就可確定失真的絕對(duì)測(cè)量(放大率)。在距離的確定完成時(shí)，該距離與工作距離相對(duì)應(yīng)。最終采用百分比的計(jì)算以調(diào)節(jié)機(jī)器人的臂。
股骨頸角度α,β通過所述顯示器顯示成線和所述數(shù)字化的圖象內(nèi)的數(shù)值，如果該值變化，所述線自動(dòng)重畫，這最好由軟件和/或繪圖部件控制。
所述固定部件的符號(hào)20,24設(shè)置在股骨頸的橫截面內(nèi)，并通過所述顯示部件顯示。
還包括一種部件或功能如果在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)固定部件32被設(shè)置在股骨頭或頸的外側(cè)，則啟動(dòng)警告功能。
而且，還包括，通過軟件，加裝的固定部件自動(dòng)地顯示在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)，這與所進(jìn)行的測(cè)量相對(duì)應(yīng)。
設(shè)置一種部件，例如繪圖驅(qū)動(dòng)器，以便在本發(fā)明的數(shù)字化的X射線圖象中記下固定部件20,24,32的符號(hào)。
所述方法最好用來控制機(jī)器人，以利用其工具在合適的方向上工作，并為插入例如螺釘，銷，釘?shù)鹊墓潭ú考鳒?zhǔn)備。
現(xiàn)在參見圖9，其其示出了本發(fā)明的方法中采用的步驟900至980的流程圖，它作為控制信息用于一個(gè)裝置中。
在步驟900，通過C形臂X射線透視而獲得AP和Lat的X射線圖象。通過為此目的的驅(qū)動(dòng)器，將X射線圖象數(shù)字化，旋轉(zhuǎn)并換算，即910，接下來進(jìn)行步驟920，即利用前述部件或功能，在髖骨骨折的X射線圖象上進(jìn)行必要的測(cè)量操作。
利用軟件，從所完成的測(cè)量得到股骨頸和頭橫截面圖的構(gòu)造，即930，該圖顯示在屏幕上。在940中，在顯示的橫截面中用銷/螺釘?shù)臉?biāo)志進(jìn)行標(biāo)記，該標(biāo)志可由軟件改變。這樣，在950中，在數(shù)字的X射線圖象中完成對(duì)標(biāo)出的銷/螺釘位置繪出輪廓。
采用步驟900-950，來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位，即步驟960，以便在所述位置鉆孔。隨后最終檢查確定的位置。最后，在外科手術(shù)期間，外科醫(yī)生手動(dòng)地插入銷/螺釘980。
因此，應(yīng)該理解的是，PINTRACETM方法或類似的方法適用于由該流程圖所描述的方法。
由此可相信，通過前面的描述使得本發(fā)明的操作和結(jié)構(gòu)更為鮮明，雖然所示或所描述的方法被認(rèn)為是優(yōu)選的，但顯然，在不超出由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的前提下，本發(fā)明可作許多變化和修改。
權(quán)利要求
1．一種用來在髖骨骨折結(jié)構(gòu)(30)中三維地確定在何處定位固定部件(32)的方法，該方法是通過對(duì)至少一個(gè)前后的和一個(gè)側(cè)面的數(shù)字化的X射線圖象進(jìn)行手術(shù)前分析而實(shí)現(xiàn)的，其特征在于，其包括下列步驟在所述圖象中由所述股骨骨干軸(14)上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線來確定一個(gè)分析用的股骨骨干軸(14)；由所述頸軸(16)上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線來確定一個(gè)分析用股骨頸軸(16)；確定股骨頸角度(α,β)；通過在股骨頭(12)的外周設(shè)置一個(gè)圓，來在所述圖象上確定股骨頭直徑(34)；利用在所述數(shù)字化的X射線圖象中的股骨骨干(14)和Y軸之間的角度，和股骨頭(12)的所述直徑(34)，將所述X射線圖象換算和旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的尺寸和位置；通過在股骨頭球和中心股骨頸軸(16)的交點(diǎn)處畫一條垂直于股骨頸軸(16)的線，而在X射線圖象上確定股骨頸直徑(35)；確定從所述頸軸(16)到所述股骨頭的中心的垂直于股骨頸軸(16)的距離，它表示髖骨骨折的剩余位移，這是由所述直徑(34)隱含得知的；從前后的圖象測(cè)量出中間皮層(19)的高度；顯示所述股骨頸角度(α,β)；以預(yù)定精度顯示股骨頭(12)和頸(10)的橫截面；旋轉(zhuǎn)所述股骨頭(12)和頸(10)的橫截面，以確定由于骨折造成的髖骨的反旋角度；在所述前后的以及側(cè)面的X射線圖象中顯示髖骨旋轉(zhuǎn)度；和采用所述步驟，以在三維空間中確定用于加裝所述固定部件(32)的位置。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于股骨頸/骨干角度(α,β)顯示成線和所述數(shù)字化的圖象中的數(shù)值，如果該值變化，所述線自動(dòng)重畫。
3．如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述固定部件(32)的符號(hào)(20)設(shè)置在股骨頸(10)的橫截面內(nèi)。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于如果所述固定部件(32)布置在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)的股骨頭(12)或頸(10)的外側(cè)，則啟動(dòng)警告功能。
5．如權(quán)利要求3-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于對(duì)應(yīng)于所進(jìn)行的測(cè)量，要加裝的固定部件(32)自動(dòng)顯示在所述圖象內(nèi)。
6．如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于提供一種裝置，該裝置被用來在所述數(shù)字化的X射線圖象中記下固定部件(32)的符號(hào)。
7．如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述線是由至少三個(gè)中點(diǎn)經(jīng)回歸而得出的線。
8．一種用來通過對(duì)骨折的至少一個(gè)前后的和一個(gè)側(cè)面的數(shù)字化的X射線圖象進(jìn)行分析、以便在髖骨骨折結(jié)構(gòu)(30)中加裝固定部件(32)的裝置(40)，其特征在于該裝置包括由股骨骨干軸(14)上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線而從所述圖象上確定出所述股骨骨干軸(14)的測(cè)量部件；由股骨頸軸(16)上的至少兩個(gè)中點(diǎn)、并經(jīng)過所述中點(diǎn)畫出一條線而確定出股骨頸軸(16)的測(cè)量部件；用來確定股骨頸角度(α,β)的測(cè)量部件；通過在所述股骨頭(12)的外周設(shè)置一個(gè)圓、以便在所述圖象上確定出股骨頭直徑(34)的測(cè)量部件；通過在股骨頭球和中心股骨頸軸(16)的交點(diǎn)處畫一條垂直于股骨頸軸(16)的線、而在所述射線圖象上確定出股骨頸直徑(35)的測(cè)量部件；驅(qū)動(dòng)部件，其利用在所述數(shù)字化的X射線圖象中的股骨骨干和Y軸之間的角度以及所述股骨頭直徑(34)，來將所述X射線圖象換算和旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的尺寸和位置；用來確定從股骨頸軸(16)到所述股骨頭(12)的中心的垂直于股骨頸軸(16)的距離的測(cè)量部件，該距離表示了骨折的剩余位移，這是由所述股骨頭直徑(34)隱含得知的；用來在所述前后的圖象上確定出中間皮層(19)的高度的測(cè)量部件；用來顯示所述頸角度(α,β)的顯示部件；用來以預(yù)定精度顯示所述股骨頭(12)和股骨頸(10)的所述橫截面的顯示部件，用來旋轉(zhuǎn)所述股骨頭(12)和頸(10)的橫截面、以確定由于骨折造成的所述頭(12)和頸(10)之間的髖骨反旋角度(Ω)的驅(qū)動(dòng)部件，用來顯示在所述前后的和側(cè)面的X射線圖象中所述髖骨的旋轉(zhuǎn)的顯示裝置，所述裝置向機(jī)器人提供控制輸入，所述機(jī)器人上具有用于在所述控制輸入給出的方向上工作的機(jī)器人上的工具部件，和補(bǔ)償X射線失真的失真調(diào)節(jié)裝置。
9．如權(quán)利要求8所述的裝置(40)，其特征在于股骨頸(10)的角度(α,β)通過所述顯示部件顯示成線和在所述數(shù)字化的圖象內(nèi)的數(shù)值，如果該值變化，所述線自動(dòng)重畫。
10．如權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于所述固定部件(32)的符號(hào)(20)布置在股骨頸(10)的橫截面內(nèi)，并通過所述顯示部件顯示。
11．如權(quán)利要求10所述的裝置(40)，其特征在于如果所述固定部件(32)布置在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)的股骨頭(12)或頸(10)的外側(cè)，則啟動(dòng)警告功能。
12．如權(quán)利要求10-11中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，對(duì)應(yīng)于所進(jìn)行的測(cè)量，加裝的固定部件(32)被自動(dòng)顯示在所述數(shù)字化的X射線圖象內(nèi)。
13．如權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于設(shè)置一種部件，以便在所述數(shù)字化的X射線圖象中記下符號(hào)(20)。
14．如權(quán)利要求8-13中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述線是由至少三個(gè)中點(diǎn)經(jīng)回歸得出的線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過骨折的至少一個(gè)前后的和一個(gè)側(cè)面的數(shù)字化的X射線圖象的手術(shù)前分析來三維地確定在髖骨骨折結(jié)構(gòu)(30)中在何處定位固定部件(32)的方法,該方法可用于控制具有工具的裝置(40),以便利用工具在正確方向鉆孔,從而骨折的髖骨結(jié)構(gòu)(30)進(jìn)行最佳的可能的治愈。
文檔編號(hào)A61B6/00GK1303248SQ9980687
公開日2001年7月11日 申請(qǐng)日期1999年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月1日
發(fā)明者斯蒂格·林德奎斯特 申請(qǐng)人:醫(yī)學(xué)機(jī)器人技術(shù)斯德哥爾摩公司