专利名称：一种用于髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医用导航设备，尤其是一种用于髋关节置换手术过程中髓腔锉切 削股骨腔的导航设备。
背景技术：
在人体髋关节置换手术过程中，需要采用髓腔锉切除股骨近端股骨颈基底部处部 分松质骨以便于植入髋关节股骨柄假体。在采用定制型股骨柄假体的髋关节置换手术中， 要求髋关节股骨柄假体与患者股骨腔尽可能地密贴匹配，因此，在加工出一个定制型股骨 柄假体的同时，会同时定制出一个相应的髓腔锉，用于切削股骨近端松质骨，这个髓腔锉匹 配区域略小于股骨柄假体相应的匹配区域，这样，可通过挤压手术余下的松质骨达到股骨 柄假体与患者髓腔的密贴。目前，在髋关节置换手术过程中，手术医生完全凭经验来确定髓 腔锉的切削导路。在一些髋关节置换手术中，由于髓腔锉切削导路中心线与患者股骨腔中 心线的偏差，导致股骨柄假体无法植入到位，甚至导致患者股骨骨裂现象。当假体无法植入 到位时，通常需要对手术部位拍摄X光片来确定股骨柄假体卡死情况，这不仅大大增加了 手术时间，而且使患者再次遭受X光的辐射伤害。随后取出卡住的股骨柄假体，再根据股骨 柄假体卡住情况，再锉掉患者股骨近端部分松质骨以便于植入股骨柄假体，这会大大降低 股骨近端髓腔与髋关节股骨柄假体之间的匹配程度，同时增大股骨柄假体早期松动风险， 不利于患者术后的康复。
发明内容
本发明的目的在于提供一种协助手术医生确定髓腔锉切削导路，确保定制型股骨 柄假体与患者髓腔的匹配程度，提高髋关节股骨柄假体植入的一次成功率的切削导航设备。一种用于髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备的技术方案是包括采集单元、中央 控制单元、显示单元、按钮键盘、定位板和探棒；该中央控制单元分别与用于采样点位置信 息的采集单元、用于显示导路的显示单元和用于控制的按钮键盘相连，该中央控制单元控 制采集单元采样点位置信息并计算出切削导路；所述定位板上设有三个采样点，采样点构 成直角三角形的三个顶点；探棒的后端中心线上设有两个采样点；髓腔锉打拔器导杆中心 线上设有两个采样点。本发明的采集单元由触点、触点座、杆臂、角度传感器和基座组成，所述触点为球 体，固定在触点座上；触点座与杆臂之间、杆臂之间以及杆臂与基座之间分别采用转动副连 接，每个转动副连接处设有角度传感器。本发明的按钮键盘上有9个按钮，其中两个按钮分别用来发出刷新显示单元3上 显示的股骨腔中心线与髓腔锉切削导路中心线指令，另外七个按键分别用于存储采样点位
直fe息。本发明定位板上的三个采样点、探棒上的两个采样点和髓腔锉打拔器导杆上的采样点都为半球形凹槽，该凹槽直径与触点直径相同。作为本发明的进一步改进采集单元采用激光、红外线或超声波设备为非接触式 采集定位设备。本发明的有益效果通过采集单元与定位板上的凹槽确定空间的坐标系，通过探 棒上的凹槽确定患者股骨髓腔中心线，从而确定骨髓腔中心线与髓腔锉切削导路中心线相 对位置关系，并通过调整髓腔锉切削导路，使切削导路中心线尽可能与患者股骨髓腔中心 线相重合，提高股骨柄假体一次植入成功率。
图1为髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备示意图； 图2为采集单元结构示意图3为定位板结构示意图； 图4为探棒结构示意图； 图5为探棒上采样点中心处截面结构示意图； 图6为改进后髓腔锉打拔器结构示意图； 图7为改进后髓腔钻结构示意其中1-采集单元，2-中央控制单元，3-显示单元，4-按钮键盘，5-定位板，6-探棒， 7-触点，8-触点座，9-杆臂，10-角度传感器，11-基座，12-后端；13-前端，14-挡板，15-导 杆，16-击打器，17-外伸杆，18-电源开关，19-髓腔钻外壳，20-钻头。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一歩说明
一种髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备的示意图如图1所示，主要包括采集单元1、 中央控制单元2、显示单元3、按钮键盘4 ；用于采样点位置信息的采集单元1与中央控制单 元2相连，中央控制单元2与用于显示导路的显示单元3和用于控制的按钮键盘4分别相 连，中央控制单元2控制采集单元1采样点位置信息并计算出切削导路。采集单元1由机 械臂组成，如图2所示，主要由触点7、触点座8、杆臂9、角度传感器10以及基座11组成，其 中触点7为球体，固定在触点座8上。触点座8与杆臂9之间，杆臂9之间以及杆臂9与基 座11之间采用转动副连接，在每个转动副连接处都设有角度传感器10，用以测定各个传动 副处相邻构件之间的夹角。导航设备还有作为附件的定位板5，如图3所示，定位板5上有三个安装孔504， 505和506，手术中用骨钉将定位板5固定在患者股骨大粗隆处，定位板5应大致与患者股 骨中心线垂直。另外，定位板5上设有三个采样点501、502和503，采样点均为半球形凹槽， 其直径等于触点7的直径。由这三个采样点501、502和503可以构建出局部坐标系，采样 点501为坐标原点，采样点502为局部坐标系X轴上的一点，采样点503为局部坐标系Y轴 上的一点，Z轴方向根据右手定则确定。由于定位板5固定在患者股骨上，手术中即便患者 腿部位置发生了变动，患者股骨腔中心线在这个局部坐标系中的情况不会发生改变。导航设备还有作为附件的探棒6，如图4所示，主要由后端12和前端13构成，探棒 6的后端12和前端13采用螺纹联接，后端12上有一凹槽，凹槽有两个采样点1201和1202，采样点为半球形凹槽，凹槽直径与触点7的直径相同，采样点1201和1202中心处截面形状 如图5所示。在确定患者股骨腔中心线时，探棒6的前端13将被插入患者股骨腔，通过采 集采样点1201和1202的位置信息，再由这两点构成一条直线，这条直线就为患者股骨腔中 心线。如图6所示，髓腔锉打拔器安装在髓腔锉后方，由挡板14、导杆15以及击打器16 三部分组成，导杆15中设有两个采样点1501和1502，采样点为半球形凹槽，采样点1501和 1502中心处截面形状与探棒6上采样点1201和1202中心处截面形状相同，凹槽直径与触 点7直径也相同。通过采集采样点1501和1502位置信息，再由这两点构成一条直线，这条 直线就为当前髓腔锉切削导路中心线。中央控制单元2接受来自采集单元1各转动副处角度传感器10传来的角度信号， 处理这些角度信号，并根据触点座8、杆臂9以及基座11各部分尺寸计算出触点7中心相对 于基座11中心处的三维坐标值，根据操作指令判定当前触点所处采样点。在本实施例中一 共有七个采样点定位板5上3个采样点，探棒6中心线上2个采样点以及髓腔锉打拔器导 杆中心线上2个采样点。中央控制单元2根据操作指令要求将当前采样点位置信息，也就 是当前采样点相对于基座11中心处的三维坐标值存储到相应的点位置信息存储空间。当 中央控制单元2接收到刷新股骨腔中心线指令时，中央控制单元2根据存储的定位板5上 3个采样点位置信息构建一个局部坐标系，再根据存储的探棒6中心线上2个采样点位置 信息，在这一局部坐标系中构建出一直线作为模拟的患者股骨中心线，并将模拟的患者股 骨腔中心线在局部坐标系的情况以及在局部坐标系三个坐标面上的投影信息发送给显示 单元3。当中央控制单元2接收到刷新髓腔锉切削导路中心线指令时，同样中央控制单元2 根据存储的定位板上3个采样点位置信息构建一个局部坐标系，再根据存储的髓腔锉打拔 器导杆15中心线上两个采样点1501和1502的位置信息在局部坐标系中构建出一直线作 为模拟的髓腔锉切削导路中心线，并将模拟的髓腔锉切削导路中心线在局部坐标系的情况 以及局部坐标系三个坐标面上的投影信息发送给显示单元3。显示单元3接受中央控制单 元2传来的患者股骨腔中心线以及髓腔锉切削导路中心线位置信息，将患者股骨腔中心线 以及髓腔锉切削导路中心线在局部坐标系及局部坐标三个坐标面上投影情况显示出来，供 手术医生参考，以协助手术医生调整髓腔锉切削导路，使髓腔锉切削导路中心线与患者股 骨腔中心线尽可能重合，提高假体植入的一次成功率。按钮键盘4上有9个按钮，除两个按 钮分别用来发出刷新显示单元3上显示的股骨腔中心线与髓腔锉切削导路中心线指令外， 其余7个按钮发出的信号传给中央控制单元2，分别用来确定当前触点7所处位置，这7个 按钮分别对应着定位板5上的三个采样点501、502和503，探棒6中心线上的两个采样点 1201和1202，以及髓腔锉打拔器导杆15中心线上的两个采样点1501和1502，中央控制单 元2将把当前触点中心坐标值存储到相应的采样点坐标值存储空间中。切削导航设备的工作过程与原理为在髋关节置换手术过程中，当截骨完成，暴露 出患者股骨腔后，将定位板5固定在患者股骨大粗隆处，并将探棒6的前端13伸入患者股 骨腔内，利用触点7触碰采集定位板5的三个采样点501、502和503，以及探棒6的后端12 上的两个采样点1201和1202相对于基座11中心处的三维坐标值，由定位板5三个采样点 501、502和503坐标值构成一个局部坐标系，由采样点1201和1202构建出患者股骨腔中心 线，敲击按钮键盘4上股骨中心线刷新按钮，在显示单元3上显示出患者股骨腔中心线在局部坐标系中以及在局部坐标系三个坐标面中投影情况。取出探棒6，在患者股骨腔中放入连 接着打拔器的髓腔锉，利用采集单元1上的触点触碰采集定位板5三个采样点501、502和 503，以及打拔器导杆15上的两个采样点1501和1502相对于基座11中心处的三维坐标值 (如果患者腿部未移动，采样点501、502和503位置信息可不采集)，同样由定位板5三个采 样点501、502和503坐标值构成局部坐标系，由采样点1501和1502构建出髓腔锉切削导 路中心线，敲击按钮键盘4上髓腔锉切削导路中心线刷新按钮，在显示单元3上显示出髓腔 锉切削导路中心线在局部坐标系中以及在局部坐标系三个坐标面中投影情况。手术医生根 据显示单元3上显示出的股骨腔中心线及髓腔锉导路中心线在局部坐标系以及在局部坐 标系中投影情况进行判断，如有必要，调整髓腔锉切削导路，重新采集打拔器导杆15上的2 上采样点1501和1502相对于基座11中心处的三维坐标值(如果患者腿部位置发生移动， 还要采集采样点501、502和503位置信息)，敲击按钮键盘4上髓腔锉切削导路中心线刷新 按钮，在显示单元3上更新显示局部坐标系中的髓腔锉切削导路中心线以及在局部坐标系 三个坐标面中投影。直至显示出的股骨腔中心线和髓腔锉导路中心线尽可能的重合，显示 单元3上显示出可以切削的提示为止，这时手术医生就可以放心地用髓腔锉切削患者股骨 松质骨层。作为实施例的进一步改进，采用在髓腔钻后方的外伸杆17来替代探棒6来确定患 者股骨腔中心线，如图7所示，外伸杆17固定在髓腔钻壳体19上，为一半圆杆件，外伸杆 中心线与髓腔钻中心线重合，外伸杆17中心处有两个采样点1701和1702，这两个采样点 为半球形凹槽，凹槽直径等于上触点7直径。在髋关节置换手术中，当截骨完成后，将定位 板5固定在患者股骨大粗隆处，这时采用髓腔钻对患者股骨腔进行扩髓，扩髓完成后，直接 采集外伸杆17中心处采样点1701、1702以及定位板5上的三个采样点位置信息，这时采样 点1701和1702的连线即为患者股骨腔中心线，这样就由采样点1701和1702位置信息构 建出患者股骨腔中心线，采样点1701、1702以及定位板上的三个采样点位置信息采集成以 后，退出髓腔钻，后面的操作步骤与实施例相同。作为实施例的进一步改进，采集单元1可以采用激光、红外线或超声波等设备作 为非接触式采集定位设备，通过非接触方式获取采样点位置坐标信息；中央控制单元2主 要接受来自点位置信息采集单元1传来的点位置信号，根据操作指令要求，处理接收到的 点位置坐标信息，分析出患者股骨髓腔中心线与当前髓腔锉切削导路中心线的相对位置关 系，并将分析出的患者股骨髓腔中心线与当前髓腔锉切削导路中心线的相对位置关系信息 发送给显示设备3 ；显示设备3根据中央控制单元2发送来的患者股骨髓腔中心线与当前 髓腔锉切削导路中心线的相对位置关系信息，采用视频显示或语音提示或文字提示的方 式，将患者股骨髓腔中心线与当前髓腔锉切削导路中心线相对位置关系体现出来，供手术 医生参考。
权利要求
1.一种用于髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备，包括采集单元(1)、中央控制单元 (2)、显示单元(3)、按钮键盘(4)、定位板(5)和探棒(6)；其特征在于所述中央控制单元 (2)分别与用于采样点位置信息的采集单元(1)、用于显示导路的显示单元(3)和用于控制 的按钮键盘(4)相连，该中央控制单元(2)控制采集单元(1)采样点位置信息并计算出切削 导路；所述定位板(5)上设有三个采样点(501、502、503)，采样点构成直角三角形的三个顶 点；所述探棒(6)的后端(12)中心线上设有两个采样点(1201、1202)；髓腔锉打拔器导杆 (15)中心线上设有两个采样点(1501、1502)。
2.根据权利要求1所述的一种用于髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备，其特征在于 所述采集单元(1)由触点(7)、触点座(8)、杆臂(9)、角度传感器(10)和基座(11)组成，所 述触点(7)为球体，固定在触点座(8)上；触点座(8)与杆臂(9)之间、杆臂(9)之间以及杆 臂(9)与基座(11)之间分别采用转动副连接，每个转动副连接处设有角度传感器(10)。
3.根据权利要求1所述的一种用于髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备，其特征在于 按钮键盘(4)上有9个按钮，其中两个按钮分别用来发出刷新显示单元3上显示的股骨腔 中心线与髓腔锉切削导路中心线指令，另外七个按键分别用于存储采样点位置信息。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备，其特征 在于所述定位板(5)上的三个采样点(501、502、503)、探棒上的两个采样点(1201、1202) 和髓腔锉打拔器导杆(15)上的采样点(1501、1502)都为半球形凹槽，该凹槽直径与触点 (7)直径相同。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种用于髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备，其特征 在于所述采集单元(1)采用激光、红外线或超声波设备为非接触式采集定位设备。
全文摘要
一种用于髓腔锉切削股骨腔手术的导航设备，包括采集单元(1)、中央控制单元(2)、显示单元(3)、按钮键盘(4)、定位板(5)和探棒(6)；中央控制单元(2)分别与采集单元(3)、显示单元(3)和按钮键盘(4)相连，该中央控制单元(2)控制采集单元(1)采样点位置信息并计算出切削导路；定位板(5)上设有三个采样点(501、502、503),采样点构成直角三角形的三个顶点；探棒(6)的后端(12)中心线上设有两个采样点(1201、1202)；髓腔锉打拔器导杆(15)中心线上设有两个采样点(1501、1502)。该设备可以确定股骨髓腔中心线与髓腔锉切削导路中心线相对位置关系，提高股骨柄假体一次植入成功率。
文档编号A61B19/00GK102085119SQ20111005419
公开日2011年6月8日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者张永康, 王杰, 马如宇 申请人:江苏大学