[發(fā)明專利]全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖關(guān)節(jié)內(nèi)部實時可視輔助定位系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410007929.7
• 申請日: 2014-01-07
• 公開（公告）號: CN103735303A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳虹;蘇少杰;高繼揚;王志華
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: A61B17/56
• 分類號: A61B17/56
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖關(guān)節(jié)內(nèi)部實時可視輔助定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)

從上世紀(jì)60年代起，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)在我國逐漸發(fā)展，成為了無數(shù)關(guān)節(jié)疾病患者的福音。以髖關(guān)節(jié)置換術(shù)為例，其首選適應(yīng)征是骨性關(guān)節(jié)炎，其它依次為骨無菌性壞死（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、強直性脊柱炎等，應(yīng)用廣泛。再加上當(dāng)今人口日趨老齡化，骨性關(guān)節(jié)炎患者數(shù)量呈上漲趨勢，醫(yī)院每年進(jìn)行的人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)也越來越多。

然而，髖關(guān)節(jié)置換術(shù)仍存在有需要改進(jìn)的地方。在現(xiàn)今的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，將股骨頭假體裝入髖臼的過程全憑借手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗進(jìn)行操作，醫(yī)生無法直觀地看到股骨頭假體在髖臼中的運動情況，無法準(zhǔn)確地肯定股骨頭假體是否安裝在了髖臼中合適的位置。假如置換時假體的安裝位置不正確，重則導(dǎo)致患者在術(shù)后出現(xiàn)運動受限或是假關(guān)節(jié)脫臼的現(xiàn)象，輕則由于假體長期受力不均，加速磨損，導(dǎo)致假體使用壽命銳減。一般而言，成功的人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)可以為進(jìn)行了人工髖關(guān)節(jié)置換的病人提供20年甚至更長時間的服務(wù)；但如果由安裝位置偏差導(dǎo)致了關(guān)節(jié)長期受力不均，那么人工髖關(guān)節(jié)的使用壽命將銳減至7-8年甚至更短。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供了一種全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖關(guān)節(jié)內(nèi)部實時可視輔助定位系統(tǒng)，能在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)進(jìn)行時，以3D的方式實時地、精確地、動態(tài)地呈現(xiàn)出股骨頭假體在髖關(guān)節(jié)內(nèi)的位置與姿態(tài)，方便醫(yī)生更直觀地判斷出人工髖關(guān)節(jié)安裝位置與角度是否正確，大大提高了髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的成功率及手術(shù)療效。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖關(guān)節(jié)內(nèi)部實時可視輔助定位系統(tǒng)，包括：

人工股骨頭試模，安裝于人工髖臼內(nèi)，其中人工髖臼的內(nèi)表面設(shè)置有多個各不相同的二維碼標(biāo)識；

數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)置于人工股骨頭試模中，包括用于獲取自身位置與姿態(tài)的運動傳感器以及用于采集所述二維碼標(biāo)識的圖像傳感器；

數(shù)據(jù)合并與處理模塊，設(shè)置于人工股骨頭試模中，用于將所述運動傳感器采集的運動數(shù)據(jù)偽裝成一行圖像數(shù)據(jù)，并替換掉圖像傳感器所采集的一幀圖像中的首行數(shù)據(jù)，使所有數(shù)據(jù)最終統(tǒng)一按圖像數(shù)據(jù)格式存儲在等待發(fā)送的緩沖區(qū)內(nèi)，緩沖區(qū)以一幀數(shù)據(jù)為存儲/發(fā)送單位，存儲完一幀圖像后開始發(fā)送，發(fā)送完一幀圖像后再次存儲新的一幀圖像；

數(shù)據(jù)傳輸模塊，設(shè)置于人工股骨頭試模中，用于將所述緩沖區(qū)中的一幀數(shù)據(jù)發(fā)送至體外處理器；

體外處理器，接收所述數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，提取圖像數(shù)據(jù)和運動數(shù)據(jù)，獲得人工髖臼在人體內(nèi)的安裝角度和人工股骨頭試模在髖臼內(nèi)的位置與姿態(tài)。

所述人工髖臼為金屬制造，在其內(nèi)表面鍍有二維碼圖案陣列，當(dāng)圖像傳感器拍到一幀圖像并發(fā)送至體外，體外處理器將分辨出圖像中的二維碼圖案個數(shù)、種類，從而判斷出此時人工股骨頭試模與人工髖臼的相對位置。

所述人工股骨頭試模包括一個底座和一個透明的半球罩，半球罩位于人工髖臼內(nèi)，所述運動傳感器、圖像傳感器、數(shù)據(jù)合并與處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置于底座和半球罩之間，圖像傳感器的圖像采集部分采用朝向人工髖臼的微距廣角鏡頭。

所述運動傳感器包括三軸加速度計、三軸磁力計和三軸陀螺儀。

所述數(shù)據(jù)合并與處理模塊由一個FPGA或MCU實現(xiàn)。

所述數(shù)據(jù)傳輸模塊采用wifi或者USB或者以太網(wǎng)線方式將數(shù)據(jù)外送。

所述體外處理器包括：

用于將來自數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)拆解為圖像數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)提取模塊；

用于根據(jù)數(shù)據(jù)提取模塊的提取數(shù)據(jù)進(jìn)行人工股骨頭試模和人工髖臼的靜態(tài)與動態(tài)的位置與姿態(tài)測算的位置與姿態(tài)測算模塊；

用于融合根據(jù)圖像傳感器數(shù)據(jù)測算出的位置與姿態(tài)同根據(jù)運動傳感器數(shù)據(jù)測算出的位置與姿態(tài)之間數(shù)據(jù)冗余的數(shù)據(jù)融合模塊；圖像數(shù)據(jù)測算出的位置與姿態(tài)和運動傳感數(shù)據(jù)測算出的位置與姿態(tài)存在數(shù)據(jù)冗余，使用卡爾曼濾波器將冗余的數(shù)據(jù)融合，一方面能提高數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，另一方面能校準(zhǔn)加速度計、陀螺儀隨使用時間產(chǎn)生的漂移現(xiàn)象。

以及用于根據(jù)數(shù)據(jù)融合模塊的輸出數(shù)據(jù)，利用3D引擎渲染出人工髖臼在人體內(nèi)的安裝角度和人工股骨頭試模在髖臼內(nèi)運動過程的3D顯示模塊。醫(yī)生可以由此直觀地看到患者腿部在正常范圍內(nèi)運動時人工股骨頭試模是否會碰撞人工髖臼邊緣甚至出現(xiàn)脫臼。根據(jù)觀察3D圖像和帶動患者腿部運動，醫(yī)生將對人工髖臼和人工股骨頭的安裝角度、深度、位置等進(jìn)行調(diào)整。