用于髋关节置换手术的角度测量定位装置的制作方法

1.本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种用于髋关节置换手术的角度测量定位装置。


背景技术：

2.髋关节置换手术中，关节植入物应该按照合理的角度(前倾角和外展角)放置，否则将影响手术后关节稳定性，导致手术失败或不良的手术效果。目前，髋关节置换手术中，植入物的放置角度确定方式主要有三种：1)使用常规手术工具，靠医生经验和肉眼目测判断；2)使用计算机手术导航设备；3)手术机器人辅助的方法。
3.目前，髋关节置换后大多会存在以下问题：1)使用常规手术工具靠医生经验判断，无法得到精准的角度数值，假体植入方向的精准度与医生个人水平有很大相关性，可能因医生水平不足或判断不准确导致假体植入方向不理想。此外，手术过程中，患者体位摆放不标准会造成角度判断的不准确，无法得到假体相对于人体力线或骨盆的相对角度。2)计算机手术导航设备，一般是利用ct导航或光学导航设备进行方向和角度的定位测量，相关设备较大，使用复杂，价格昂贵，对手术室条件要求较高，且通常需要术前进行ct扫描、三维重建等术前准备，或增加医生和患者的射线辐射暴露。3)手术机器人的使用是近些年来新兴的一种手段，其原理也是在传统计算机手术导航原理的基础上，增加机械臂进行辅助定位或操作的过程，其不足之处与计算机手术导航类似，且价格更加昂贵，系统开发和制造工艺更加复杂，大规模推广使用方面尚存在较大局限性。
4.针对上述问题，有必要提出一种设计合理且有效解决上述问题的一种用于髋关节置换手术的角度测量定位装置。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种用于髋关节置换手术的角度测量定位装置。
6.本发明提供一种用于髋关节置换手术的角度测量定位装置，包括：
7.骨盆定位单元，用于固定设置在待置换髋关节的骨盆上，所述骨盆定位单元用于获取所述骨盆的姿态数据；
8.假体定位单元，用于固定设置在髋臼假体植入器上，所述假体定位单元用于获取所述髋臼假体植入器上所携带的髋臼假体的姿态数据；
9.控制单元，分别与所述骨盆定位单元和所述假体定位单元电连接，用于根据接收到的所述骨盆的姿态数据和所述髋臼假体的姿态数据，计算得到所述骨盆与所述髋臼假体之间的相对角度，以确定所述髋臼假体植入的目标角度。
10.可选的，所述骨盆定位单元包括第一姿态传感器模块、力线杆和夹持固定组件；
11.所述力线杆设置在所述第一姿态传感器模块上，用于作为调整所述第一姿态传感器模块至预设方向的参考杆；
12.所述夹持固定组件分别与所述第一姿态传感器模块和所述骨盆连接。
13.可选的，所述夹持固定组件包括固定底座和万向调节锁紧结构；
14.所述固定底座用于与所述骨盆固定连接，所述万向调节锁紧结构的第一端与所述固定底座固定连接，所述万向调节锁紧结构的第二端与所述第一姿态传感器模块可转动连接；
15.所述万向调节锁紧结构，用于调整所述第一姿态传感器模块的方向，并在其调整至所述预设方向时将其锁紧固定在所述固定底座。
16.可选的，所述预设方向为人体头-脚纵轴方向。
17.可选的，所述第一姿态传感器模块包括壳体、电路板、电池和多轴姿态传感器；
18.所述壳体上设置有所述力线杆；
19.所述多轴姿态传感器包括加速计、陀螺仪和磁力计。
20.可选的，所述假体定位单元包括第二姿态传感器模块和夹持固定器；
21.所述第二姿态传感器模块通过所述夹持固定器固定设置在所述髋臼假体植入器上。
22.可选的，还包括显示单元；
23.所述显示单元与所述控制单元电连接，用于显示所述骨盆与所述髋臼假体之间的相对角度。
24.可选的，所述控制单元还包括传输模块，用于与智能终端电连接，所述传输模块用于将所述骨盆的姿态数据和所述髋臼假体的姿态数据传输至所述智能终端。
25.可选的，所述传输模块包括蓝牙、wifi或移动网络中的至少一者。
26.可选的，所述骨盆与所述髋臼假体之间的相对角度包括外展角和前倾角。
27.本发明的用于髋关节置换手术的角度测量定位装置，控制单元分别与骨盆定位单元和假体定位单元电连接，用于根据接收到的骨盆的姿态数据和髋臼假体的姿态数据，计算得到骨盆与髋臼假体之间的相对角度，以确定髋臼假体植入的目标角度。本发明的用于髋关节置换手术的角度测量定位装置可以配合现有手术工具使用，实现精准的髋臼假体植入的目标角度，辅助医生更好的确定髋臼假体放置角度；可以测量髋臼假体与骨盆力线的相对角度，不受手术中患者体位变化的影响；无需借助术前或手术中ct或x光等影像学检查，与计算机导航或手术机器人相比不改变传统手术术式操作流程，使用简单，减少了医生学习曲线的影响；产品体积小，制造成本低、适合广泛使用。
附图说明
28.图1为本发明一实施例的一种用于髋关节置换手术的角度测量定位装置的结构示意图；
29.图2为本发明另一实施例的骨盆定位单元与假体定位单元的俯视角和偏航角的位置关系示意图；
30.图3为本发明另一实施例中求姿态矩阵时旋转z轴时的坐标示意图；
31.图4为本发明另一实施例中求姿态矩阵时旋转y轴时的坐标示意图；
32.图5为本发明另一实施例中求姿态矩阵时旋转x轴时的坐标示意图。
具体实施方式
33.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
34.如图1所示，本发明提供一种用于髋关节置换手术的角度测量定位装置，包括骨盆定位单元110、假体定位单元120和控制单元130。骨盆定位单元110用于固定设置在待置换髋关节的骨盆200上，骨盆定位单元110用于获取骨盆200的姿态数据。
35.假体定位单元120用于固定设置在髋臼假体植入器140上，假体定位单元120用于获取髋臼假体植入器140上所携带的髋臼假体(图中未标出)的姿态数据。在本实施例中，假体定位单元120通过连接线150与控制单元130连接，可以由控制单元130未其供电。
36.控制单元130分别与骨盆定位单元110和假体定位单元120电连接，用于根据接收到的骨盆的姿态数据和髋臼假体的姿态数据，计算得到骨盆200与髋臼假体之间的相对角度，以确定髋臼假体植入的目标角度。在本实施例中，骨盆200与髋臼假体之间的相对角度包括外展角和前倾角。在本实施例中，控制单元130为角度测量仪主机，也可以采用其他的装置，只要能够实现控制单元130的作用即可。
37.本发明的用于髋关节置换手术的角度测量定位装置，将骨盆定位单元110固定设置在待置换髋关节的骨盆200上，可以得到待置换髋关节的骨盆200的实时姿态，以此作为参考。通过设置在髋臼假体植入器140上的假体定位单元120获得髋臼假体的实时姿态，通过计算得到骨盆200与髋臼假体之间的相对角度，进而确定髋臼假体植入的目标角度，使髋臼假体准确的安装在打磨后的髋臼窝内。
38.本发明的用于髋关节置换手术的角度测量定位装置可以配合现有手术工具使用，实现精准的髋臼假体植入的目标角度，辅助医生更好的确定髋臼假体放置角度；可以测量髋臼假体与骨盆力线的相对角度，不受手术中患者体位变化的影响；无需借助术前或手术中ct或x光等影像学检查，与计算机导航或手术机器人相比不改变传统手术术式操作流程，使用简单，减少了医生学习曲线的影响；产品体积小，制造成本低、适合广泛使用。
39.示例性的，如图1所示，骨盆定位单元110包括第一姿态传感器模块111、力线杆112和夹持固定组件113。力线杆112设置在第一姿态传感器模块111上，用于作为调整第一姿态传感器模块111至预设方向的参考杆。在本实施例中，预设方向为人体头-脚纵轴方向。也就是说，力线杆112指的与人体头-脚纵轴方向一致。
40.夹持固定组件113分别与第一姿态传感器模块111和骨盆200连接。夹持固定组件113用于将第一姿态传感器模块111固定在骨盆200上。
41.示例性的，如图1所示，夹持固定组件113包括固定底座113a和万向调节锁紧结构113b。固定底座113a用于与骨盆200固定连接，万向调节锁紧结构113b的第一端与固定底座113a固定连接，万向调节锁紧结构113b的第二端与第一姿态传感器模块111可转动连接。万向调节锁紧结构113b，用于调整第一姿态传感器模块111的方向，并在其调整至预设方向时将其锁紧固定在固定底座113a，以使第一姿态传感器模块111与骨盆200形成相对位置固定的稳定结构。
42.示例性的，如图1所示，第一姿态传感器模块111包括壳体111a、电路板(图中未示出)、电池(图中未示出)和多轴姿态传感器(图中未示出)。如图1所示，壳体111a上设置有力线杆112。在本实施例中，多轴姿态传感器采用微型九轴姿态传感器，微型九轴姿态传感器
内含三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，可以实时测量骨盆的姿态数据并将数据传输给控制单元130。当然，也可以采用其他类型的姿态传感器，本实施例不做具体限定。
43.示例性的，如图1所示，假体定位单元120包括第二姿态传感器模块121和夹持固定器122。第二姿态传感器模块121通过夹持固定器121固定设置在髋臼假体植入器140上。使假体定位单元120与髋臼假体植入器140的相对位置固定，作为髋臼假体植入角度的参考。在本实施例中，第二姿态传感器模块121包括壳体(图中未标出)、电路板(图中未示出)、电池(图中未示出)和多轴姿态传感器(图中未示出)。本实施例中，多轴姿态传感器采用微型九轴姿态传感器，微型九轴姿态传感器内含三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，可以实时测量髋臼假体(图中未标出)的姿态数据并将数据传输给控制单元130。当然，也可以采用其他类型的姿态传感器，本实施例不做具体限定。
44.示例性的，还包括显示单元(图中未标出)，显示单元与控制单元130电连接，用于显示骨盆200与所述髋臼假体之间的相对角度。在本实施例中，显示单元就设置在控制单元130上，也就是角度测量仪主机的显示屏，通过显示屏来显示必要的角度数值。显示单元也可以为单独的显示设备，用来显示实时显示当前的外展角和前倾角数据，本实施例不做具体限定。采用显示单元，将髋臼假体植入的目标角度可视化，进一步辅助医生更好的确定假体放置角度。
45.示例性的，控制单元130还包括传输模块(图中未示出)，用于与智能终端电连接，传输模块用于将骨盆200的姿态数据和髋臼假体的姿态数据传输至所述智能终端。智能终端根据接收到的骨盆的姿态数据和髋臼假体的姿态数据，计算得到骨盆200与髋臼假体之间的相对角度，以确定髋臼假体植入的目标角度。其中，传输模块包括蓝牙、wifi或移动网络中的至少一者。也就是说，骨盆200的姿态数据和髋臼假体的姿态数据还可通过蓝牙、无线局域网或有线连接到外置显示设备或平板电脑、智能手机、台式计算机等设备，配合独立软件程序，显示角度结果和人机交互界面，实现远程操控。
46.在髋关节置换手术中，利用本实施例的用于髋关节置换手术的角度测量定位装置进行导航的方法，包括以下步骤：
47.步骤1、对骨盆定位单元110、假体定位单元120进行姿态矫正。开机后，可将上述单元放置在同时开机硬件自动校准。
48.步骤2、患者仰卧于水平的手术床上，将夹持固定组件113通过固定钉固定在患者髂前上棘部位，夹持固定组件113与患者骨盆的骨性结构形成稳定固定。通过转动万向调节锁紧机构113a，调整力线杆112的方向使力线杆112与患者身体(骨盆)矢状面平行，也就是使力线杆112的方向与人体(手术患者)头-脚纵轴方向一致。然后将万向调节锁紧机构113a锁死，以将骨盆定位单元110固定在在患者骨盆200上。
49.步骤3、将第一姿态传感器模块111固定在夹持固定组件113并固定牢固，获取第一姿态传感器模块111的姿态角数据，通过计算处理对第一姿态传感器模块111的姿态数据进行水平矫正，使第一姿态传感器模块111的姿态坐标与骨盆空间姿态数据一致，作为初始骨盆数据。上述过程中，始终保持患者不动。
50.步骤4、完成上述操作后，患者可进行体位的调整，第一姿态传感器模块111的数据将随着骨盆姿态的变化而实时更新。
51.步骤5、将第二姿态传感器模块121安装到现有髋臼假体植入器140的把持器上，用
夹持固定器122固定牢固。将髋臼假体安装在打磨后的髋臼窝内，控制单元130实时显示当前的外展角和前倾角数据，根据显示的角度数据调整到合适的目标方向后，将髋臼打入。在本实施例中，通过角度测量仪主机实时显示当前的外展角和前倾角数据，根据显示的角度数据调整到合适的目标方向后，将髋臼打入。打入过程中前倾角和外展角都可持续实时更新，为医生精准植入假体提供参考。
52.上述前倾角和外展角的获取和计算方法如下：
53.通过四元数转转欧拉角算法，分别计算骨盆定位单元110和假体定位单元120的俯仰角θ(a)、θ(c)和偏航角φ(a)、φ(c)。也就是说，θ(a)为骨盆定位单元110的俯仰角，θ(c)为假体定位单元120的俯仰角，φ(a)为骨盆定位单元110的偏航角，φ(c)为假体定位单元120的偏航角。如图2所示，外展角＝俯仰角θ，前倾角＝偏航角φ。
54.髋臼假体相对于骨盆的外展角θ和前倾角φ计算公式为：
55.外展角θ＝θ(c)-θ(a)，
56.前倾角φ＝φ(c)-φ(a)。
57.四元数转转欧拉角具体计算方法如下：
58.第一步、求姿态矩阵
59.1、如图3所示，旋转z轴。
60.旋转前坐标：(x0,y0,z0),旋转后坐标：(x1,y1,z1)，
[0061][0062]
即
[0063]
2、如图4所示，旋转y轴。
[0064]
旋转前坐标：(x1,y1,z1),旋转后坐标：(x2,y2,z2)，
[0065][0066]
即
[0067]
3、如图5所示，旋转x轴。
[0068]
旋转前坐标：(x2,y2,z2),旋转后坐标：(x3,y3,z3)，
[0069]
[0070]
即
[0071]
4、设导航坐标系(n系)坐标为(x0,y0,z0)，载体坐标系(b系)坐标为(x3,y3,z3)，则：
[0072][0073][0074]
既坐标从b系到n系的转换矩阵为：
[0075][0076]
反过来，坐标从n系到b系的转换矩阵为：
[0077][0078]
第二步、四元数旋转矩阵
[0079]
设旋转前坐标：(x0,y0,z0),旋转后坐标：(x3,y3,z3)，
[0080]
四元数为：q＝q0+q1i+q2i+q3k，
[0081][0082]
第三步、四元数转换欧拉角
[0083]
与
[0084][0085]
以上矩阵一一对应。
[0086]
可得：
[0087][0088]
sinθ＝-2(q0q2+q1q3)。
[0089]
可得：
[0090]
偏航角：
[0091]
俯仰角：θ＝arcsin(-2(q0q2+q1q3))。
[0092]
骨盆定位单元110进行水平矫正的算法如下：
[0093]
在固定骨盆定位单元110时，仅通过力线杆112判断了人体头-脚的方向。需要通过水平方向校准骨盆定位单元110的俯仰角和偏航角，这时骨盆定位单元110和假体定位单元120模块的陀螺仪数据记录当前的数据，并计算归零的三维数据，以后以此作为补偿。
[0094]
存储当前旋转前坐标a：(x1,y1,z1)并计算俯仰角θ(a1)与偏航角φ(a1)。当转动模块会有旋转坐标b：(x2,y2,z2)并当前计算俯仰角θ(a2)与偏航角φ(a2)。骨盆定位单元110的矫正俯仰角θ'(a)与矫正后偏航角矫正值分别为：
[0095]
θ'(a)＝θ(a)-δθ＝θ(a)-[θ(a2)-θ(a1)]，
[0096][0097]
则矫正后的髋臼假体相对于骨盆的外展角θ'和前倾角φ'计算公式为：
[0098]
外展角θ'＝θ(c)-θ'(a)，
[0099]
前倾角
[0100]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。