專利名稱：新型的髖置換術(shù)中獲取髖臼及股骨頭姿態(tài)的方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的髖置換術(shù)中髖白及股骨頭姿態(tài)獲取方法與系統(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(qiáng)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 骨頭假體裝入髖白的過程全憑借手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，醫(yī)生無法直觀地看到股骨頭假體在髖白中的運(yùn)動(dòng)情況，無法準(zhǔn)確地肯定股骨頭假體是否安裝在了髖白中合適的位置。假如置換時(shí)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(yùn)動(dòng)受限或是假關(guān)節(jié)脫白的現(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(shí)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新型的髖置換術(shù)中髖臼及股骨頭姿態(tài)獲取方法與系統(tǒng)，能在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)進(jìn)行時(shí)，準(zhǔn)確地仿真出股骨頭假體的存在姿態(tài)，使醫(yī)生在手術(shù)過程中能直觀地看到股骨頭假體的位置與運(yùn)動(dòng)情況，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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種新型的髖置換術(shù)中髖白及股骨頭姿態(tài)獲取方法，在股骨頭假體試模上髖關(guān)節(jié)置換所關(guān)注的各壓力點(diǎn)位置處設(shè)置壓力傳感器和/或觸碰傳感器組成傳感器陣列，傳感器陣列獲取股骨頭假體試模與髖臼的接觸及受力信號并將信號以無線方式發(fā)出，利用無線接收裝置接收該信號并在顯示模塊上顯示，獲取髖白及股骨頭的模擬姿態(tài)，所述傳感器陣列還包括設(shè)置在股骨頭假體試模內(nèi)部的圖像傳感器，圖像傳感器獲取股骨頭假體試模的位置信息并發(fā)至顯示模塊顯示。位置信息的獲取可通過在髖臼內(nèi)側(cè)預(yù)先設(shè)計(jì)圖案，利用所述圖像傳感器獲取髖臼內(nèi)側(cè)圖案信息，從而得到位置信息。本發(fā)明同時(shí)提供了一種實(shí)現(xiàn)所述姿態(tài)獲取方法的系統(tǒng)，包括由設(shè)置在股骨頭假體試模上髖關(guān)節(jié)置換所關(guān)注的各壓力點(diǎn)位置處的多個(gè)壓力傳感器和/或觸碰傳感器以及設(shè)置在股骨頭假體試模內(nèi)部圖像傳感器組成的傳感器陣列；
用于處理及發(fā)送傳感器陣列所獲信號的外圍電路；以及，用于接收并顯示外圍電路所發(fā)信號的信號接收顯示裝置。所述外圍電路的一種情況包括信號放大模塊，接傳感器陣列的輸出，實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換；第一微處理器，接信號放大模塊的輸出，控制傳感器陣列及信號放大模塊正常工作，并對傳感器數(shù)字信號進(jìn)行并/串處理和打包發(fā)送；第一無線收發(fā)模塊，接第一微處理器的輸出，將數(shù)據(jù)發(fā)送；所述信號接收顯示裝置包括 第二無線收發(fā)模塊，接收第一無線收發(fā)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)；第二微處理器，接收來自第二無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)字信號處理為便于操作者觀察的形式；顯示模塊，接第二微處理器，顯示其處理結(jié)果。所述外圍電路的另一種情況包括信號放大模塊，接傳感器陣列的輸出，實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換；第一微處理器，接信號放大模塊的輸出，控制傳感器陣列及信號放大模塊正常工作，并對傳感器數(shù)字信號進(jìn)行并/串處理和打包發(fā)送；所述信號接收顯示裝置包括第二微處理器，接第一微處理器的信號輸出端，并將傳感器數(shù)字信號處理為便于操作者觀察的形式；顯示模塊，接第二微處理器，顯示其處理結(jié)果。在髖白一側(cè)增加安裝永磁鐵，并在股骨頭一側(cè)增加安裝單軸或多軸磁力計(jì)，從而測量髖白與股骨頭的相對角度關(guān)系。所述股骨頭假體試模的一端為半球面，該半球面上分布用于安裝壓力傳感器或觸碰傳感器以及地線的安裝孔。所述安裝孔在所述半球面上的分布如下半球面頂部中心有一個(gè)安裝孔，從頂部向下另有五圈對稱的安裝孔。所述五圈對稱的安裝孔自上向下，每圈邊緣到球心的連線與水平線間的夾角分別是 67. 5。,52. 5° ,37. 5° ,22. 5°、7· 5。。所述半球面頂部安裝孔中設(shè)置一個(gè)壓力或者觸碰傳感器；從所述半球面頂部往下，第一圈均布八個(gè)安裝孔，間隔設(shè)置共計(jì)四個(gè)壓力或者觸碰傳感器和四個(gè)接地點(diǎn)；從所述半球面頂部往下，第二至第五圈，每圈設(shè)置十二個(gè)壓力或者觸碰傳感器，每圈壓力或者觸碰傳感器相鄰兩孔間隔30°分布；其中，第四圈還間隔著壓力或者觸碰傳感器分布了十二個(gè)接地點(diǎn)。所述半球面的底部與中空的頸部相連，頸部側(cè)面對稱分布有若干個(gè)觸點(diǎn)，每個(gè)觸點(diǎn)位置設(shè)置輔助傳感器，輔助傳感器通過外圍電路連接告警裝置。所述外圍電路設(shè)置于頸部的中空位置。目前尚無此類型的姿態(tài)獲取方法或者系統(tǒng)，而利用本發(fā)明能夠使醫(yī)生在手術(shù)過程中能直觀地看到股骨頭假體的位置與運(yùn)動(dòng)情況，提高手術(shù)效率及療效。


圖I為本發(fā)明所述系統(tǒng)的電原理框圖。圖2為本發(fā)明壓力獲取裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明假體試模半球面上壓力傳感器與接地點(diǎn)分布的俯視圖，圓點(diǎn)表示壓力傳感器，方點(diǎn)表示接地點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供一種帶圖像傳感器的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖白及股骨頭姿態(tài)獲取方法，通·過在股骨頭假體試模上髖關(guān)節(jié)置換所關(guān)注的各點(diǎn)位置處設(shè)置壓力傳感器和/或觸碰傳感器以及設(shè)置在股骨頭假體試模內(nèi)部的圖像傳感器組成傳感器陣列，由傳感器陣列獲取股骨頭假體試模與髖白的接觸及受力情況及位置信息并將信號發(fā)出，接收端接收該信號并在顯示模塊上顯示，獲取髖白及股骨頭的模擬姿態(tài)，信號的傳輸可以用無線或者有線的形式。醫(yī)生可以根據(jù)該模擬姿態(tài)用股骨頭假體試模進(jìn)行定位，在找到合適位置后再將其替換為適合的股骨頭假體進(jìn)行人工髖關(guān)節(jié)置換。其中位置信息的獲取是通過在髖白內(nèi)側(cè)預(yù)先設(shè)計(jì)圖案，利用所述圖像傳感器獲取髖臼內(nèi)側(cè)圖案信息，從而得到的。為實(shí)現(xiàn)上述方法，本發(fā)明提供一種系統(tǒng)，如圖I所示，分為信息獲取裝置和信息接收顯示裝置，其中信息獲取裝置包括傳感器陣列、信號放大模塊、第一微處理器以及第一無線收發(fā)模塊；信息接收顯示裝置包括第二無線收發(fā)模塊、第二微處理器以及顯示模塊。第一無線收發(fā)模塊用來將第一微處理器的信息以無線形式發(fā)送，第二無線收發(fā)模塊接收該信息并傳輸至第二微處理器，從而實(shí)現(xiàn)信息的無線傳輸。不過，也可以將第一微處理器與第二微處理器以有線方式直接連接，用有線方式傳輸信息。傳感器陣列由設(shè)置在股骨頭假體試模上髖關(guān)節(jié)置換所關(guān)注的各點(diǎn)位置處的多個(gè)壓力傳感器和/或觸碰傳感器以及設(shè)置在股骨頭假體試模內(nèi)部的圖像傳感器組成，試模與傳感器可以采取的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，試模的一端為半球面，該半球面上分布用于安裝壓力或者觸碰傳感器I及地線的安裝孔，壓力或者觸碰傳感器I安裝于安裝孔，圖像傳感器2安裝在股骨頭內(nèi)部，圖像傳感器2的引線3引出后，將半球面內(nèi)部注膠形成實(shí)心，夕卜部設(shè)一封閉外殼(留出安裝孔)，具有封閉防水的作用。安裝孔在所述半球面上的一種分布形式如圖3所示半球面頂部中心有一個(gè)安裝孔；從頂部向下另有五圈對稱的安裝孔，自上向下，每圈邊緣到球心的連線與水平線間的夾角分別是 67. 5° ,52. 5° ,37. 5° ,22. 5°、7. 5°。傳感器與地線在安裝孔中的分布采取如下規(guī)則半球面頂部安裝孔中設(shè)置一個(gè)壓力或者觸碰傳感器I ;從半球面頂部往下，第一圈均布八個(gè)安裝孔，間隔設(shè)置共計(jì)四個(gè)壓力或者觸碰傳感器I和四個(gè)接地點(diǎn)；從所述半球面頂部往下，第二至第五圈，每圈設(shè)置十二個(gè)壓力或者觸碰傳感器1，每圈壓力或者觸碰傳感器I相鄰兩孔間隔30°分布；其中，第四圈還間隔壓力或者觸碰傳感器I分布了十二個(gè)接地點(diǎn)，因此第四圈相鄰兩孔間隔15°，整個(gè)半球面上共形成52個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和17個(gè)接地點(diǎn)。同時(shí)，半球面的底部與中空的頸部相連，集成信號放大模塊、第一微處理器以及第一無線收發(fā)模塊的電路板4設(shè)置于頸部的中空位置。而頸部的外側(cè)面對稱分布有六個(gè)觸點(diǎn)5，每個(gè)觸點(diǎn)5位置設(shè)置輔助傳感器，輔助傳感器通過信號放大模塊連接至第一微處理器，第一微處理器根據(jù)該信號啟動(dòng)其連接的告警裝置。本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程如下醫(yī)生先使用股骨頭假體試模進(jìn)行定位，由于壓力或者觸碰傳感器安裝的位置是髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)所關(guān)注的各壓力點(diǎn)，這些壓力點(diǎn)對于執(zhí)行本手術(shù)的醫(yī)生來講是可以預(yù)見的。同時(shí)，在髖白內(nèi)側(cè)預(yù)先設(shè)計(jì)圖案，圖像傳感器位于股骨頭假體試模內(nèi)部，在股骨頭一側(cè)，圖像傳感器可獲取髖白內(nèi)側(cè)圖案信息，從而得到股骨頭假體試模的確切位置信息。因此，過程中傳感器陣列能夠通過與髖白之間接觸、受力而獲取各種信號，這些信號經(jīng)過信號放大模 塊的放大以及A/D轉(zhuǎn)換，之后輸入到第一微處理器中，第一微處理器控制傳感器陣列及信號放大模塊等電路模塊正常工作，并對接收到的數(shù)字信號進(jìn)行并/串處理，打包發(fā)送經(jīng)由第一無線收發(fā)模塊發(fā)出，而該信號被設(shè)置在外部的第二無線收發(fā)模塊接收到，第一無線收發(fā)模塊與第二無線收發(fā)模塊可采用藍(lán)牙的收發(fā)模式。第二無線收發(fā)模塊將其接收的數(shù)據(jù)輸入至第二微處理器，第二微處理器將數(shù)字壓力信號處理為便于操作者觀察的形式并在顯示模塊顯示給醫(yī)生觀看，第二微處理器和顯示模塊在實(shí)踐中可以直接用PC機(jī)或平板電腦。醫(yī)生由此獲取到假體表面各部分實(shí)時(shí)的接觸情況和壓力分布情況，同時(shí)可獲得假體的確切位置，從而找到一個(gè)壓力平衡位置進(jìn)行精細(xì)定位。定位之后，醫(yī)生接著將假體試模取下，換上適合的股骨頭假體完成手術(shù)。同時(shí)，由于在假體試模的頸部外側(cè)設(shè)置有輔助傳感器，當(dāng)其與髖白面接觸時(shí)，表示假體試模未在手術(shù)的中心位置，輔助傳感器也選用壓力或者觸碰傳感器。此時(shí)輔助傳感器的信號經(jīng)信號放大模塊后輸入到第一微處理器，第一微處理器根據(jù)該信號啟動(dòng)其連接的告警裝置，發(fā)出告警，表示當(dāng)前假體位置會導(dǎo)致半脫白或全脫臼。本發(fā)明中，傳感器陣列中的傳感器類型可根據(jù)情況選用壓力傳感器和/或觸碰傳感器以及圖像傳感器，目的是感知股骨頭假體試模與髖曰的接觸、受力情況及相對位置，以此判斷假體試模的位置是否合適，壓力傳感器和/或觸碰傳感器以及圖像傳感器的具體分布位置可根據(jù)假體試模的大小等情況進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種新型的髖置換術(shù)中髖白及股骨頭姿態(tài)獲取方法，在股骨頭假體試模上髖關(guān)節(jié)置換所關(guān)注的各壓力點(diǎn)位置處設(shè)置壓力傳感器和/或觸碰傳感器組成傳感器陣列，傳感器陣列獲取股骨頭假體試模與髖臼的接觸及受力信號并將信號以無線方式發(fā)出，利用無線接收裝置接收該信號并在顯示模塊上顯示，獲取髖白及股骨頭的模擬姿態(tài)，其特征在于，所述傳感器陣列還包括設(shè)置在股骨頭假體試模內(nèi)部的圖像傳感器，圖像傳感器獲取股骨頭假體試模的位置信息并發(fā)至顯示模塊顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述髖白及股骨頭姿態(tài)獲取方法，其特征在于，在髖白內(nèi)側(cè)預(yù)先設(shè)計(jì)圖案，利用所述圖像傳感器獲取髖臼內(nèi)側(cè)圖案信息，從而得到位置信息。
3.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述姿態(tài)獲取方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括 由設(shè)置在股骨頭假體試模上髖關(guān)節(jié)置換所關(guān)注的各壓力點(diǎn)位置處的多個(gè)壓力傳感器和/或觸碰傳感器以及設(shè)置在股骨頭假體試模內(nèi)部圖像傳感器組成的傳感器陣列； 用于處理及發(fā)送傳感器陣列所獲信號的外圍電路； 以及， 用于接收并顯示外圍電路所發(fā)信號的信號接收顯示裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述外圍電路包括 信號放大模塊，接傳感器陣列的輸出，實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換； 第一微處理器，接信號放大模塊的輸出，控制傳感器陣列及信號放大模塊正常工作，并對傳感器數(shù)字信號進(jìn)行并/串處理和打包發(fā)送； 第一無線收發(fā)模塊，接第一微處理器的輸出，將數(shù)據(jù)發(fā)送； 所述信號接收顯示裝置包括 第二無線收發(fā)模塊，接收第一無線收發(fā)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)； 第二微處理器，接收來自第二無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)字信號處理為便于操作者觀察的形式； 顯示模塊，接第二微處理器，顯示其處理結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述外圍電路包括 信號放大模塊，接傳感器陣列的輸出，實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換； 第一微處理器，接信號放大模塊的輸出，控制傳感器陣列及信號放大模塊正常工作，并對傳感器數(shù)字信號進(jìn)行并/串處理和打包發(fā)送； 所述信號接收顯示裝置包括 第二微處理器，接第一微處理器的信號輸出端，并將傳感器數(shù)字信號處理為便于操作者觀察的形式； 顯示模塊，接第二微處理器，顯示其處理結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，在髖白一側(cè)增加安裝永磁鐵，并在股骨頭一側(cè)增加安裝單軸或多軸磁力計(jì)，從而測量髖白與股骨頭的相對角度關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述股骨頭假體試模的一端為半球面，該半球面上分布用于安裝壓力傳感器或觸碰傳感器以及地線的安裝孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述安裝孔在所述半球面上的分布如下半球面頂部中心有一個(gè)安裝孔，從頂部向下另有五圈對稱的安裝孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述五圈對稱的安裝孔自上向下，每圈邊緣到球心的連線與水平線間的夾角分別是67. 5° ,52. 5° ,37. 5° ,22. 5°、7. 5°。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述半球面頂部安裝孔中設(shè)置一個(gè)壓力或者觸碰傳感器； 從所述半球面頂部往下，第一圈均布八個(gè)安裝孔，間隔設(shè)置共計(jì)四個(gè)壓力或者觸碰傳感器和四個(gè)接地點(diǎn)； 從所述半球面頂部往下，第二至第五圈，每圈設(shè)置十二個(gè)壓力或者觸碰傳感器，每圈壓力或者觸碰傳感器相鄰兩孔間隔30°分布；其中，第四圈還間隔著壓力或者觸碰傳感器分布了十二個(gè)接地點(diǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述半球面的底部與中空的頸部相連，頸部側(cè)面對稱分布有若干個(gè)觸點(diǎn)，每個(gè)觸點(diǎn)位置設(shè)置輔助傳感器，輔助傳感器通過外圍電路連接告警裝置。
全文摘要
本發(fā)明為一種新型的髖置換術(shù)中獲取髖臼及股骨頭姿態(tài)的方法與系統(tǒng)，在股骨頭假體試模上設(shè)置壓力傳感器和/或觸碰傳感器以及圖像傳感器組成傳感器陣列，傳感器陣列獲取股骨頭假體試模與髖臼的接觸、受力情況及位置信息并將信號發(fā)出，接收端接收該信號并在顯示模塊上顯示，獲取髖臼及股骨頭的模擬姿態(tài)，系統(tǒng)包括傳感器陣列、必要的外圍電路以及用于接收并顯示外圍電路所發(fā)信號的信號接收顯示裝置，本發(fā)明能在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)進(jìn)行時(shí)，準(zhǔn)確地仿真出股骨頭假體的存在姿態(tài)，使醫(yī)生在手術(shù)過程中能直觀地看到股骨頭假體的位置與運(yùn)動(dòng)情況，大大提高了髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的成功率及手術(shù)療效。
文檔編號A61B5/103GK102885626SQ201210351910
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者陳虹, 王志華, 周一新, 蘇少杰, 孫天佳, 高繼揚(yáng), 姜漢鈞 申請人:清華大學(xué)