一种可进行假体姿态测量的全髋关节置换术测量系统的制作方法

1.本发明涉及人工假体技术领域，具体涉及一种可进行假体姿态测量的全髋关节置换术测量系统。


背景技术：

2.全髋关节置换术中，由于髋关节的生理结构特性，股骨头外侧被一层较厚的脂肪层和肌肉层覆盖，手术过程中，安装假体有一定的角度要求，包括安装完成假体试模后，医生需要大范围活动病人的髋部，用以了解安装的假体的大小和位置是否合适，同时判断假体在病人体内的运动是否满足要求。髋关节置换术中，置换假体后的目标为调整为正常髋关节的结构，包括髋臼和球头的相对位置，髋关节在活动过程中，假体球头相对于臼杯的相对运动范围等，都需要满足患者日常的使用需求，目前在术中，医生主要依靠手指接触安装的假体球头，运动患者的大腿，去感受其相对于臼杯假体的运动状况，由此带来了几个问题。
3.首先，靠医生的手指去感觉相对运动，没有量化的指标，在患者大腿运动的过程中，假体球头在臼杯内的运动状况无法准确的量化。
4.其次，靠医生的手指去感觉相对运动，本身的相对误差比较大，角度的细微差距无法准确感知，同时，不同的医生在实施手术时也会存在评价差异。
5.第三，髋臼假体的安装需要保证一定的倾角，包括外倾、前倾等角度，目的为最大限度使安装假体后的髋关节接近于正常的髋关节状态。目前术中的措施包括髋臼锉配合使用调位器等辅助器械，保证各种倾角。但是这种方式潜在的主要问题是，不同的使用者之间的操作差异大，无法保证操作的一致性，同时操作完成后无评价标准。
6.第四，常规全髋关节置换术，术中评价假体安装效果的方式，目前为进行c型臂x射线照射。优点为可以直观看到假体在病人安装情况。但是缺点也比较明显：1.射线照射，本身存在一定放射性，对病人本身存在伤害，因此手术中一般不能照射多次，因此参照意义存在局限性。2.只能拍摄固定角度的图像，不具备动态显示功能，也不具备测量功能。


技术实现要素：

7.为此，本发明提供一种可进行假体姿态测量的全髋关节置换术测量系统，以解决现有手术中无法确定假体相对姿态的问题。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.本发明公开了一种可进行假体姿态测量的全髋关节置换术测量系统，所述系统包括：髋关节几何建模模块、髋关节运动仿真模块、髋关节最大活动度检测模块、髋关节撞击风险评估模块、髋臼活动范围显示模块和股骨颈运动路径显示模块；
10.所述髋关节几何建模模块将股骨头假体、股骨颈假体、股骨柄假体、臼杯假体进行特殊形状的模拟，建立髋关节三维正交直角坐标系，再根据测量的髋关节运动学数据，计算得到髋关节的关节角；
11.所述髋关节运动仿真模块根据所有的人工髋关节模型参数对髋关节运动过程进行仿真；
12.所述髋关节最大活动度检测模块基于髋关节运动仿真模块的仿真结果，判断人工髋关节的理论活动范围，假体的运动范围θ角是股骨颈假体在臼杯假体中的最大运动范围；
13.所述髋关节撞击风险评估模块检测髋臼假体轴线与股骨颈假体轴线的夹角β，当β角大于等于0.9倍的θ/2角，弹出警告窗口，提示用户当前动作有碰撞或脱位风险；
14.所述髋臼活动范围显示模块展示臼杯假体提供给股骨颈假体的最大运动范围，人工髋关节最大运动空间显示功能受头颈比、髋臼前倾角和髋臼倾覆角的影响；
15.所述股骨颈运动路线显示模块可以显示股骨颈假体在各种下肢行为运动中，股骨颈假体轴线的运动路径，能够与臼杯假体的最大运动空间同时显示。
16.进一步地，所述髋关节三维正交直角坐标系通过近端两个虚拟标记点或一个关节中心与远端两个虚拟标记点定义，针对人体不同部位采用的定义方法不同。
17.进一步地，所述髋关节运动数据来自人体下肢运动测量，将采集到的髋部和大腿的标记点空间数据转化成人体骨盆和股骨的运动数据，需要通过采集得到的静态校准文件对各肢段进行定义和建模，静态校准文件包括每个刚体上的光学跟踪标记点以及定义各肢段远近端的虚拟标记点的位置重要信息，在定义各个肢段的同时，也即定义了各个肢段的局部坐标系，通过坐标系描述最终所求的各个关节的关节角度、角速度以及角加速度运动学参数。
18.进一步地，所述髋关节几何建模模块将股骨头假体和股骨颈假体分别模拟成一个球体和一段椎体，股骨柄被模拟成一个固定形状的椎体，臼杯假体模拟成一个与股骨头假体链接且同球心的半球，通过一个三维正交直角坐标系能够描述它的地面参考坐标系。
19.进一步地，所述髋关节最大活动度检测模块通过假体头颈比gr、柄假体的前倾角、假体颈干角、股骨置入前倾角、臼杯置入前倾角和臼杯置入倾覆角决定人工髋关节的理论活动范围θ，假体的运动范围θ角是股骨颈假体在臼杯假体中的最大运动范围，它被假体头颈比gr和股骨颈、臼杯假体的几何设计所决定，假体头颈比gr与球头、股骨颈的直径，以及髋臼假体和股骨颈假体的几何设计有关，假体头颈比gr与假体运动范围θ角的几何关系公式为：
[0020][0021]
进一步地，所述髋关节撞击风险评估模块根据人工髋关节的理论活动范围θ和髋臼假体轴线与股骨颈假体轴线的夹角β判断是否存在撞击风险，如果β≥θ/2，代表假体发生撞击，同时停止仿真运动，此刻的β角既为最大活动角。
[0022]
进一步地，所述髋关节撞击风险评估模块实时检测β角的大小，当β角大于等于0.9倍的θ/2角，软件会弹出警告窗口，提示用户当前动作有碰撞或脱位风险。
[0023]
进一步地，所述髋臼活动范围显示模块展示髋关节最大运动空间，最大运动空间是天然髋臼或臼杯假体提供给股骨颈假体的最大运动范围，它的范围大小实际上可以用运动范围角θ表示，活动几何空间可以表示为以θ为顶点的一个球锥，股骨颈假体可以在几何空间里自由运动而不会发生任何撞击，球锥的顶点与球头假体的球心在同一个原点o，股骨颈假体的运动会在球锥的球面上划出各种运动曲线，运动范围角θ被头颈比所决定，有较大
头颈比的人工髋关节有较大的球锥空间，股骨颈假体有较大的活动范围。
[0024]
进一步地，所述股骨颈运动路线显示模块通过人体运动学测量，得到髋关节的运动数据，通过运动捕捉系统得到的运动数据，即骨盆与股骨投影在三个相面上的三维关节角，进行坐标转换，能够将这些关节角数据转换成股骨力线上股骨力线轴远端端点的直角空间坐标，股骨颈假体的轴线端点的空间运动坐标也能够通过空间坐标转换得到，这些连续的空间运动坐标就是股骨颈假体的空间运动轨迹。
[0025]
进一步地，所述系统还包括操作界面，在操作界面上输入所有的参数，在操作界面上展示建立的几何模型、股骨近段和假体组件间的运动关系。
[0026]
本发明具有如下优点：
[0027]
本发明公开了一种可进行假体姿态测量的全髋关节置换术测量系统，通过建立髋关节几何模型，进行运动仿真，结合髋关节的运动数据，可以实现长时间、连续的、动态的测量。通过内置在球头中的传感器，对球头的空间位置进行测量。该装置不影响已有的髋关节置换假体，只用于术中的测量，配合已有的髋关节下肢试模和臼杯假体，完全模拟真实置换的球头在体内的运动姿态，提升人工髋关节与病人的适配度，有助于病人康复，同时也为以上提供了更加准确的治疗方案。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
[0029]
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
[0030]
图1为本发明实施例提供的测试装置结构示意图；
[0031]
图2为本发明实施例提供的髋关节姿态定义图；
[0032]
图3为本发明实施例提供的局部坐标系示意图；
[0033]
图4为本发明实施例提供的人工髋关节建模结构示意图；
[0034]
图5为本发明实施例提供的人工髋关节俯视图；
[0035]
图6为本发明实施例提供的关节角数据转换为直角空间坐标示意图；
[0036]
图7为本发明实施例提供的股骨颈假体运动轨迹示意图。
具体实施方式
[0037]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
实施例
[0039]
本实施例公开了一种可进行假体姿态测量的全髋关节置换术测量系统，所述系统包括：髋关节几何建模模块、髋关节运动仿真模块、髋关节最大活动度检测模块、髋关节撞击风险评估模块、髋臼活动范围显示模块和股骨颈运动路径显示模块；
[0040]
参考图1和图2，使用测量装置进行测量，测量装置由球头外壳、内部测量电路、外部接收装置和显示软件组成。其中外壳和内部测量电路用于术中安装在下肢，同外部接收装置无线通讯，外部装置将数据传输到pc端软件中去，pc端运行的显示软件将接收到数据显示；球头外壳为植入假体的真实外形，并且针对不同品牌，不同型号的假体匹配相应外形的外壳，可以确保假体与对应品牌型号球头的匹配。外壳的材料采用医用塑料。该装置可以测量术中下肢端假体相对髋臼假体的姿态数据，并且以数字化和图像化的形式显示出来。其中，可以测量的角度包括：旋转角、偏转角、外展角、前倾角。可以对术中下肢端假体相对于髋臼杯的姿态进行连续的不间断测量，实现动态连续监测，方便实现对期望活动范围内的所有数据的测量。记录使用过程中所接收到所有数据，并将数据存储在显示软件安装的硬盘中。通过显示软件可以回放数据。
[0041]
所述髋关节几何建模模块将股骨头假体、股骨颈假体、股骨柄假体、臼杯假体进行特殊形状的模拟，建立髋关节三维正交直角坐标系，再根据测量的髋关节运动学数据，计算得到髋关节的关节角；
[0042]
所述髋关节运动仿真模块根据所有的人工髋关节模型参数对髋关节运动过程进行仿真；
[0043]
所述髋关节最大活动度检测模块基于髋关节运动仿真模块的仿真结果，判断人工髋关节的理论活动范围，假体的运动范围θ角是股骨颈假体在臼杯假体中的最大运动范围；
[0044]
所述髋关节撞击风险评估模块检测髋臼假体轴线与股骨颈假体轴线的夹角β，当β角大于等于0.9倍的θ/2角，弹出警告窗口，提示用户当前动作有碰撞或脱位风险；
[0045]
所述髋臼活动范围显示模块展示臼杯假体提供给股骨颈假体的最大运动范围，人工髋关节最大运动空间显示功能受头颈比、髋臼前倾角和髋臼倾覆角的影响；
[0046]
所述股骨颈运动路线显示模块可以显示股骨颈假体在各种下肢行为运动中，股骨颈假体轴线的运动路径，能够与臼杯假体的最大运动空间同时显示。
[0047]
髋关节三维正交直角坐标系通过近端两个虚拟标记点或一个关节中心与远端两个虚拟标记点定义，针对人体不同部位采用的定义方法不同。
[0048]
髋关节运动学数据来自于人体下肢运动测量，将采集到的髋部和大腿的标记点空间数据转化成人体骨盆和股骨的运动数据。其实下肢运动的测量不光包括左右侧大腿和骨盆这两个部位，还包括双足、左右侧小腿，一共七个肢段的定义和建立。还需要通过采集得到的静态校准文件对各肢段进行定义和建模，该文件包括每个刚体上的光学跟踪标记点以及定义各肢段远近端的虚拟标记点的位置等重要信息。在定义各个肢段的同时，也即定义了各个肢段的局部坐标系，通过这个坐标系描述最终所求的各个关节的关节角度、角速度以及角加速度等运动学参数，以下以髋关节的运动学测量为主。
[0049]
人体各肢段的局部坐标系由其近端两个虚拟标记点或一个关节中心与远端两个虚拟标记点定义，标记点和局部坐标系对应关系如图3所示。骨盆局部坐标系由近端和远端各两个虚拟标记点定义。以图3为例，g为全球坐标系。灰色圆球m
t1
、m
t2
、m
t3
、m
t4
代表跟踪标记点，它们组成刚体固定于人体表面，标记点刚体坐标系为m，其原点向量为空心圆球m
c1
、mc2
、m
c3
、m
c4
分别代表骨标记点，c
p
、cd分别为m
c1
、m
c2
和m
c3
、m
c4
连线的中点，分别近似为近端和远端的关节中心，cm为质心，距离点c
p
和cd的距离分别为l
p
、ld，其值由人体测量学回归方程确定。盆骨的局部坐标系为a。m
t1
、m
t2
、m
t3
、m
t4
、m
c1
、m
c2
、m
c3
、m
c4
、cm在全球坐标系中的向量分别为为从已测得的静态文件取一帧数据，有从已测得的静态文件取一帧数据，有这些已知量，设盆骨局部坐标系的原点于cm；
[0050][0051]
局部坐标系中，za轴由cd指向c
p
：
[0052][0053]
ya轴垂直于cd、m
c1
、m
c2
三点确定的平面：
[0054][0055]
根据右手法则确定xa轴：
[0056][0057]
大腿的局部坐标系由髋关节中心和远端两个骨标记点进行定义，计算方法与其它局部坐标系定义方法相同，ya轴垂直于近端关节中心cd和远端两个骨标记点、m
c3
、m
c4
确定的平面：
[0058][0059]
至此，可以确定盆骨和股骨对应局部坐标系的向量矩阵，通过一致性处理，局部坐标系单位向量矩阵如下面公式所示：
[0060][0061]
而跟踪标记点刚体坐标系的单位向量矩阵em和原点向量也可以由四个跟踪标记点用以上类似而的方法得到。
[0062]
在标记点刚体坐标系中，局部坐标轴向量矩阵表示为
[0063][0064]
由此，利用静态校准文件中的数据可以确定标记点刚体坐标系与局部坐标系之间的关系，且局部坐标系ea一旦定义，e
am
保持不变。
[0065]
因而局部坐标系在全局坐标系下第k帧的单位向量矩阵可以由下式计算得到：
[0066][0067]
其中，e
am
为常量，已计算得到，为第k帧标记点刚体坐标系单位向量矩阵，随着人体各肢段的运动不断变化，由此通过坐标变换可以计算出运动过程中各局部坐标系的向量矩阵。
[0068]
本实施例中髋关节几何建模模块使用了左侧髋关节的几何模型，股骨头假体和股骨颈假体被分别模拟成一个球体和一段椎体，股骨柄被模拟成一个固定形状的椎体，臼杯假体模拟成一个与球头模型链接且同球心的半球。一个三维正交直角坐标系能够描述它的地面参考坐标系，如图4所示。坐标原点o设定为或球头假体的球心；x轴是解剖横轴，指向外侧；y轴是解剖矢相轴，指向人体前方；z轴是解剖长轴，指向人体上方。屈曲/伸展运动以x轴为旋转轴；外展/内收运动以y轴为旋转轴(也是股骨的浮动轴)；内旋/外旋运动以前两个轴的正交轴为旋转轴
[0069]
图5中，髋臼假体轴线通过髋臼中心垂直于臼杯开口平面，d代表球头假体的直径，d代表股骨颈假体的直径。假体的运动范围θ也是人工髋关节假体的摆动角范围。当股骨颈设为圆柱体，臼杯开口面是平面切没有倒角时，gr＝d/d＝1/cos(θ/2)。b是髋臼假体轴线与股骨颈假体轴线的实时变化角，使用这个角来检测撞击，如果β≥θ/2，代表假体发生撞击，同时会弹出提示窗口。
[0070]
能够影响髋关节理论运动的因素较多，包括八个因素，实现髋关节假体几何建模和假体置入位置的定义。髋关节的理论活动范围通过股骨头直径、股骨颈直径、颈干角、股骨前倾角、髋臼倾覆角、髋臼前倾角决定。人工髋关节的理论活动范围通过假体头颈比、柄假体的前倾角、假体颈干角、股骨置入前倾角、臼杯置入前倾角和臼杯置入倾覆角决定。
[0071]
人工髋关节理论活动范围的计算并没有实际的区别。柄假体的前倾角通常作为一个独立的参数，是病人个体的股骨柄解剖前倾角。也有一些开发的人工髋关节模型把这个参数设为一个定值，其实这样做是不合理的，这样做会使一些下肢严重变形的病人无法使用该模型。颈干角是一个重要参数，通常被人工关节制造商直接提供。头颈比(gr)在软件中被包括，它是一个被医生所熟知的参数，头颈比gr与假体活动范围θ具有同样的概念，可以表示假体固有的最大活动范围。所以，全部与人工髋关节理论活动度有关的临床相关植入参数和假体参数都包括在内。
[0072]
人工髋关节模型包括全部的八个参数：臼杯直径(d
′
)、球头直径(d)、头颈比(gr)、股骨柄外展角(sa)、颈干角(ccd)、臼杯前倾角(aa)、臼杯外展角(ai)和股骨前倾角(fa)。
[0073]d′
和d决定了臼杯假体的内外直径；d和gr决定了假体球头直径和股骨颈直径；gr和假体摆动角有同样的几何意义，它与球头、股骨颈的直径，以及髋臼假体和股骨颈假体的几何设计有关。当采用圆柱形的股骨颈，臼杯开口为平面，且没有倒角时gr代表真实的头颈比，如图4所示。ccd是股骨柄轴线与股骨颈的夹角，sa是股骨颈轴线与股骨z轴之间的夹角，fa和sa和aa、ai是三个植入参数，它们确定了股骨假体的植入位置，fa是股骨颈轴线与额状面(xoy面)的夹角。八个参数的取值范围见表1。
[0074]
表1软件中参数取值范围表
[0075][0076]
假体的运动范围θ也是人工髋关节假体的摆动角范围。gr＝d/d＝1/cos(θ/2)。β是髋臼假体轴线与股骨颈假体轴线的实时变化角，使用这个角来检测撞击，如果β≥θ/2，代表假体发生撞击，同时会弹出提示窗口。
[0077]
髋关节最大活动度检测模块能够测量实时变化的β角(髋臼假体轴线与股骨颈假体轴线的的夹角)，如果β≥θ/2，代表假体发生撞击，同时停止仿真运动，而此刻的β角既为最大活动角。假体的运动范围θ角是股骨颈假体在臼杯假体中的最大运动范围，它被头颈比和股骨颈、臼杯假体的几何设计所决定，包括：开口面倒角、股骨颈外形、臼杯外缘等。头颈比gr和摆动角θ的几何关系如下列公式所示：
[0078][0079]
髋关节撞击风险评估模块在运动仿真过程中自动工作，这个功能同样通过检测β角，一旦发现β角大于等于0.9倍的θ/2角，软件会弹出警告窗口，提示用户当前动作有碰撞或脱位风险。
[0080]
髋臼活动范围显示模块展示最大运动空间，最大运动空间是天然髋臼或臼杯假体提供给股骨颈假体的最大运动范围，它的范围大小实际上可以用摆动角θ表示，这个空间可以表示为以θ为顶点的一个球锥。股骨颈假体可以在这个几何空间里自由运动而不会发生任何撞击。这个锥的顶点与球头假体的球心在同一个原点o，股骨颈假体的运动会在这个球锥的球面上划出各种运动曲线，如图6所示。实际上角θ被头颈比所决定，有较大头颈比的人工髋关节有较大的球锥空间，股骨颈假体有较大的活动范围，病人也能够有较好的运动能力。在不同的髋臼植入角度，球锥空间的朝向(法相方向)也不同，因此，人工髋关节最大运动空间显示功能需要确定三个参数：头颈比、髋臼前倾角、髋臼倾覆角。
[0081]
股骨颈运动路线显示模块可以显示股骨颈(或股骨颈假体)在各种下肢行为运动中，股骨颈(或股骨颈假体)轴线的运动路径，能够与髋臼(或臼杯假体)的safe-rom-cone空间同时显示。为了实现这个功能，需要通过人体运动学测量，得到髋关节的运动数据。通过运动捕捉系统得到的运动数据，实际上是骨盆与股骨投影在三个相面上的三维关节角，如图6所示。图中ao代表股骨力线轴，bo代表股骨颈轴线，o代表球头假体的球心，a代表股骨力
线轴的远端端点，b代表股骨颈假体的轴线端点，α表示矢状面的屈曲/伸展角，β表示额状面的外展/内收角，γ表示横截面的内旋/外旋角。通过坐标转换，能够将这些关节角数据转换成股骨力线上a点的直角空间坐标，运动坐标与关节夹角的数学公式如下列公式所示：
[0082]
x2+y2+z2＝1
[0083][0084][0085][0086][0087][0088][0089]
通过上述公式，能够得到股骨力线上a的空间运动坐标。由于股骨力线上a点与股骨颈轴线上b顶点存在明确的几何关系，它们在额状面上的夹角为180
°‑
ccd-sa，在横截面状面上的夹角为fa，如图4所示。因此股骨颈轴线顶点b点的空间运动坐标也能够通过空间坐标转换得到，这些连续的空间运动坐标就是股骨颈假体的空间运动轨迹，而且这些轨迹和safe-motion-cone在同一个球面上显示。举例说明，如果我们打算仿真分析髋关节在下蹲动作中的活动，需要通过人体运动学测量将下蹲动作的髋关节运动数据得到，将这些数据输入软件，整个下蹲过程中股骨颈的运动轨迹即可以显示出来。通过这样的办法，只要下肢运动能够通过人体运动捕捉系统测量到，在这个运动中的股骨颈运动轨迹就能够得到并显示出来。
[0090]
所述系统还包括操作界面，包括主要的7个功能，参数设定、建立模型、运动仿真、最大活动范围检测、最大活动范围显示、股骨颈运动轨迹显示、撞击风险评测。所有的参数可以在左边的对话框输入，模型在屏幕中央显示，股骨近段和假体组件间的运动关系在屏幕右侧显示，运动关系分析主要包括两个部分，臼杯假体的最大运动范围显示功能和股骨颈假体的运动轨迹显示功能。参考图7臼杯假体提供的最大活动边界使用球锥来表示，股骨颈假体的运动轨迹在球锥面上划出各种曲线
[0091]
一个三维参数化的髋关节运动分析软件被开发，它能够对六种活动进行仿真，可以调查髋关节在各种行为运动中的撞击和脱位风险。参数化建模和可视化功能增加了它在临床应用的可能性，医生可以利用它进行假体选型、优化假体植入位置，也可以进行术后活动能力评估。
[0092]
本实施例通过内置在球头中的传感器，对球头的空间位置进行测量。该装置不影响已有的髋关节置换假体，只用于术中的测量，配合已有的髋关节下肢试模和臼杯假体，完全模拟真实置换的球头在体内的运动姿态，提升人工髋关节与病人的适配度，有助于病人
康复，同时也为以上提供了更加准确的治疗方案。
[0093]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。