一種醫(yī)用骨外科三維定位導向器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種醫(yī)用骨外科三維定位導向器，設置靜態(tài)測量單元和動態(tài)測量單元兩大測量系統，實現了實時測量各種環(huán)境下的方位角和矢狀角，靜止測量系統為動態(tài)測量系統提供一個相對靜止的參考坐標系，實時保持與患者的皮膚成垂直狀態(tài)，不會因為患者身體的移動而出現偏差，醫(yī)護人員可以得到實時的位置準確信息提骨外科手術以及其他手術的成功率。本發(fā)明可以實時顯示器械位置情況的便攜式骨外科手術三維定位導向器，可以在臨床中輔助醫(yī)護人員準確確定器械位置與人體皮膚之間的矢狀角和方位角的大小，實現精確導向；可進行實時校準，避免了各種人為失誤。
【專利說明】—種醫(yī)用骨外科三維定位導向器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)療器械【技術領域】，尤其涉及一種醫(yī)用骨外科三維定位導向器。
【背景技術】
[0002]已有的骨外科手術操作中，穿刺技術應用、極為廣泛，特別是在進行脊柱外科的經椎弓根手術操作時，必須在唯一正確的骨性通道內進行穿刺，從而使螺釘或骨水泥等置入位置準確，故而要求臨床醫(yī)師能高精度地確定器械操作的矢狀角和方位角。然而，目前一般都是靠醫(yī)生眼觀目測的經驗來粗略估計角度的大小，因此，即使是經驗很豐富的醫(yī)生，也無法保證角度的完全正確或者基本準確。文獻報道椎弓根螺釘的誤置率介于10%~33.7%,并發(fā)癥后果嚴重。矢狀角不準確可能使椎弓根釘置于椎間盤或者傷及椎間孔內的神經根，導致內固定失效或感覺運動功能障礙；方位角(內傾角)過大或者過小，可使椎弓根釘進入椎管內或者穿出椎體外壁，傷及脊髓和腹內大血管及臟器，造成嚴重的后果。 [0003]專利號為9724488.1的中國實用新型專利、專利號為200620024102.8的中國實用新型專利、專利號為200920101434.5的中國實用新型專利公開了幾種用于椎弓根固定手術的輔助裝置，但基本上是同一個類型，差別在于材料，以及在實現工藝上的改進。其中，專利號為9724488.1的中國實用新型專利所公開一種機械式椎弓根固定手術的輔助裝置:通過調節(jié)連接板和定位板上的螺栓和螺母來將定位板，連接板和彎板固定以保持調整好的角度和橫向距離。手術時，固定彎板上的導向孔中的打孔器即所對位置。該輔助裝置的不足之處在于:在打孔之前，固定好角度和橫向距離，不可能做到依據具體的個體的差異及時調整這個角度和橫向距離。
[0004]整個裝置由木頭，螺釘和螺母構成。從本身的材料的物理特性很難保證其固有精度；再經過加工時的工具精度，同樣影響其裝置的精度。在手術中醫(yī)護人員的差異，很難要求每一個使用人員在讀取刻度是遵守讀取規(guī)則，從實際使用中又引入人為誤差。由于定位板和鏈接板，以及彎板是通過螺釘和螺母的方式固定，很難保證在使用前和使用中，不會由于外力的作用而產生相對位移，而造成定位角度上的偏差。從其裝置本身的構造的描述，決定其體積過大，不便攜，不能提供動態(tài)的位置信息使醫(yī)護人員根據個體差異及時調整角度滿足具體情況要求，而且使用相對繁瑣復雜。其裝置必須錨定于棘突等骨性結構之上，只適合于開放手術中相應的解剖標志獲得清楚顯露的情況之下，無法應用于目前廣泛興起的微創(chuàng)脊柱外科手術，如:經皮椎弓根螺釘固定術、經皮椎體成形術、經皮椎體后凸成形術等術式。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種醫(yī)用骨外科三維定位導向器，旨在解決現有的椎弓根固定手術輔助裝置存在的使用復雜，精度較低的問題。
[0006]本發(fā)明實施例是這樣實現的，一種醫(yī)用骨外科三維定位導向器，該醫(yī)用骨外科三維定位導向器包括:靜態(tài)測量單元和動態(tài)測量單元；[0007]獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量，并轉換為方位角和矢狀角信息，同時將信息顯示的靜態(tài)測量單元；
[0008]與靜態(tài)測量單元連接，接收靜態(tài)測量單元轉換的方位角和矢狀角信息，獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量，轉換為動態(tài)測量單元的方位角和矢狀角，與接收的靜態(tài)測量單元方位角和矢狀角信息進行對比分析，從而得到醫(yī)療器械與患者需要穿刺位置的皮膚之間的方位角和矢狀角信息的動態(tài)測量單元；
[0009]靜態(tài)測量單兀還包括:第一供電單兀、第一傳感器單兀、激光準直單兀、第一微控制器單元、無線發(fā)送單元、第一顯示單元；
[0010]第一供電單元與第一微控制器單元連接，用于為第一微控制器單元提供穩(wěn)定的電源；
[0011]第一傳感器單元與第一微控制器單元連接，用于獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量；
[0012]激光準直單元與第一微控制器單元連接，用于通過發(fā)射激光準直信號，通過照射貼在患者皮膚上面的反光紙來實時調整靜止測量單元與皮膚之間是否為垂直狀態(tài)；
[0013]第一微控制器單元接收第一傳感器單元獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量，并轉換為靜止測量單元的方位角和矢狀角信息；
[0014]無線發(fā)送單元，用于實現轉換靜止測量單元的方位角和矢狀角信息的發(fā)送；
[0015]第一顯示單元，用于實現轉換靜止測量單元的方位角和矢狀角信息的顯示；
[0016]動態(tài)測量單元還包括:第二供電單元、第二傳感器單元、第二微控制器單元、無線接收單元、第二顯示單元；
[0017]第二供電單元與第二微控制器單元連接，用于為第二微控制器單元提供穩(wěn)定的電源；
[0018]第二傳感器單元與第二微控制器單元連接，用于獲取醫(yī)療器械的方位角和矢狀角信息；
[0019]第二微控制器單元，用于接收第二微控制器單元獲取的醫(yī)療器械方位角和矢狀角信息、無線接收單元接收無線發(fā)送單元發(fā)送的轉換靜止測量單元的方位角和矢狀角信息，并分析獲得的兩種方位角和矢狀角信息；
[0020]無線接收單元與第二微控制器單元連接，用于接收無線發(fā)送單元發(fā)送的轉換靜止測量單元方位角和矢狀角信息；
[0021]第二顯示單元與第二微控制器單元連接，用于將對比分析得到的方位角和矢狀角/[目息顯不。
[0022]進一步，第一供電單元由鋰電池供電，采用電池管理芯片BQ24703。
[0023]進一步，第一傳感器單元與第二傳感器單元中的磁場加速度傳感器采用RM-G144磁場加速度傳感器模塊。
[0024]進一步，第一微處理器單元與第二微處理器單元采用MSP430系列微處理器。
[0025]進一步，第一顯示單元與第二顯示單元采用有相應的中文提示字符和符號的液晶顯示屏。
[0026]進一步,第一無線發(fā)送單元與第二無線接收單元采用WIF1、紅外、藍牙或zigbee。
[0027] 進一步，靜態(tài)測量單元的處理步驟包括:[0028]步驟一，初始化:即設定測量參考點在寄存器中的保持值置零；
[0029]步驟二，發(fā)射激光準直信號判斷靜態(tài)測量單元時候與皮膚垂直；
[0030]步驟三，獲取的重力加速度分量和磁場分量轉換為所需的方位角和失狀角信息；
[0031]步驟四，將方位角和失狀角信息在顯示單元上顯示，并通過無線傳輸傳輸到動態(tài)測量系統。
[0032]進一步，動態(tài)測量單元處理步驟包括:
[0033]步驟一，初始化:即設定測量參考點在寄存器中的保持值置零；
[0034]步驟二，獲取動態(tài)測量單元的重力加速度分量和磁場分量轉換為所需的方位角和失狀角息；方位角和矢狀角息；
[0035]步驟三，獲取由無線接收模塊接收到的靜態(tài)測量單元的方位角和矢狀角信息；
[0036]步驟四，將兩組方位角和失狀角信息進行處理在顯示單元顯示處理結果和角度信肩、O
[0037]本發(fā)明提供的醫(yī)用骨外科三維定位導向器，設置靜態(tài)測量單元和動態(tài)測量單元兩大測量系統，實現了實時測量各種環(huán)境下的方位角和矢狀角，靜止測量系統可以為動態(tài)測量系統提供一個相對靜止的參考坐標系，實時保持與患者的皮膚成垂直狀態(tài)，不會因為患者身體的移動而出現偏差，醫(yī)護人員可以得到實時的位置準確信息提骨外科手術以及其他手術的成功率。本發(fā)明可以實時顯示器械位置情況的便攜式骨外科手術三維定位導向器，可以在臨床中輔助醫(yī)護人員準確確定器械位置與人體皮膚之間的矢狀角和方位角的大小，實現精確導向；可進行實時校準，避免了各種人為失誤。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明實施例提供的醫(yī)用骨外科三維定位導向器的結構示意圖；
[0039]圖中:1、靜態(tài)測量單元；1_1、第一供電單元；1_2、第一傳感器單元；1_3、激光準直單元；1_4、第一微控制器單元；1_5、無線發(fā)送單元；1_6、第一顯示單元；2、動態(tài)測量單元；2-1、第二供電單元；2-2、第二傳感器單元；2-3、第二微控制器單元；2-4、無線接收單元；2-5、第二顯示單元；
[0040]圖2是本發(fā)明實施例提供的靜態(tài)測量單元的工作流程圖；
[0041]圖3是本發(fā)明實施例提供的動態(tài)測量單元的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0042]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0043]下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。
[0044]如圖1所示，本發(fā)明實施例的醫(yī)用骨外科三維定位導向器主要由靜態(tài)測量單元I和動態(tài)測量單元2組成；
[0045]獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量，并轉換為方位角和矢狀角信息，同時將信息顯示的靜態(tài)測量單元I ;
[0046]與靜態(tài)測量單元I連接，接收靜態(tài)測量單元I轉換的方位角和矢狀角信息，獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量，轉換為動態(tài)測量單元的方位角和矢狀角，與接收的靜態(tài)測量單元方位角和矢狀角信息進行對比分析，從而得到醫(yī)療器械與患者需要穿刺位置的皮膚之間的方位角和矢狀角信息的動態(tài)測量單元2。
[0047]靜態(tài)測量單元I還包括:第一供電單元1-1、第一傳感器單元1-2、激光準直單元
1-3、第一微控制器單元1-4、無線發(fā)送單元1-5、第一顯示單元1-6組成；
[0048]第一供電單兀1-1與第一微控制器單兀1-4連接,用于為第一微控制器單兀1-4提供穩(wěn)定的電源；
[0049]第一傳感器單元1-2與第一微控制器單元1-4連接，用于獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量；
[0050]激光準直單元1-3與第一微控制器單元1-4連接，用于通過發(fā)射激光準直信號，通過照射貼在患者皮膚上面的反光紙來實時調整靜止測量單元I與皮膚之間是否為垂直狀態(tài)；
[0051 ] 第一微控制器單元1-4接收第一傳感器單元1-2獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量，并轉換為靜止測量單元I的方位角和矢狀角信息；
[0052]無線發(fā)送單元1-5，用于實現轉換靜止測量單元I的方位角和矢狀角信息的發(fā)送；
[0053]第一顯示單元1-6，用于實現轉換靜止測量單元I的方位角和矢狀角信息的顯示；
[0054]動態(tài)測量單元2還包括:第二供電單元2-1、第二傳感器單元2-2、第二微控制器單元2-3、無線接收單元2-4、第二顯示單元2-5組成；
[0055]第二供電單元2-1與第二微控制器單元2-3連接，用于為第二微控制器單元2-3提供穩(wěn)定的電源；
[0056]第二傳感器單元2-2與第二微控制器單元2-3連接，用于獲取醫(yī)療器械的方位角和矢狀角息；
[0057]第二微控制器單元2-3，用于接收第二微控制器單元獲取的醫(yī)療器械方位角和矢狀角信息、無線接收單元2-4接收無線發(fā)送單元發(fā)送的轉換靜止測量單元I的方位角和矢狀角信息，并分析獲得的兩種方位角和矢狀角信息；
[0058]無線接收單元2-4與第二微控制器單元2-3連接，用于接收無線發(fā)送單元發(fā)送的轉換靜止測量單元I方位角和矢狀角信息；
[0059]第二顯示單元2-5與第二微控制器單元2-3連接，用于將對比分析得到的方位角和矢狀角?目息顯不。
[0060]第一供電單元1-1由鋰電池供電，整個供電系統采用電池管理芯片BQ24703管理，BQ24703是專門為筆記本電腦設計的電池充電控制器和選擇器，用于給鋰離子和鋰聚合物電池進行充放電；利用動態(tài)電源管一理和適配器來自動調節(jié)電池的充電電流，從而使電池充電時間縮至最短。對鋰電池充電時，充電電壓精度為0.4% ;在對Ni / Cd，Ni / ΜΗ、鋰離子電池、鋰聚合 物電池充電時，充電電流精度為±4% ;同時它利用300ΚΗΖ的固定頻率和PWM來精確控制電池的充電電流和電壓。
[0061]通過使用BQ24703，本發(fā)明可以實現設定充電適配器電流大小，設定充電壓的大小，動態(tài)的電源管理，電池耗盡檢測。
[0062]在靜態(tài)測量單元I中，第一微控制器單元1-4、第一傳感器單元1-2和第一無線發(fā)送單元1-5，第一顯示單元1-6封裝為一體的印刷電路板，傳感器應該布置在印刷電路板的中心位置；由于傳感器易受鐵性，磁性材料的影響，為了減少這種干擾，將無線發(fā)送單元
1-5布置在印刷電路板的末端，盡最大可能離傳感器的最遠處；在布置傳感器周圍的器件應避免在傳感器四周圍10毫米內出現；印刷電路板在設備器械上的固定位置，要保證印刷電路板的中軸線與整個設備器械的中軸線重合，否則將會給測量帶來誤差。整個印刷電路板不需要導線與外界聯系，從而實現無線傳輸，無線傳輸相應數據在第一顯示單元1-6上顯不O
[0063]在動態(tài)的測量單元2中，第一微控制器單元2-3、第二傳感器單元2-2、第二無線接收單元2-4、第二顯示單元2-5封裝為一體的印刷電路板，由于靜態(tài)測量單元I與動態(tài)測量單元2采用相同的傳感器作為傳感器測量單元。
[0064]第一傳感器單元1-2與第二傳感器單元2-2中的磁場加速度傳感器采用RM-G144磁場加速度傳感器模塊，RM-G144為六軸電子羅盤加速度模塊，使用一顆3軸加速度的ADXL345，以及一顆3軸磁場傳感器HMC5843，模塊上面除了傳感器芯片，周圍還設計了保護電路，可避免由于誤操作而燒毀模塊的情況發(fā)生。整個RM-G144大小為2cm x2cm，以I2C介面通訊，最高傳輸速度可達到400kbps,具有雙向的對接插座,使用相當靈活。
[0065]第一微處理器單元1-4與第二微處理器單元2-3為超低功耗高性能的微處理器，使用TI公司的MSP430系列微處理器，也可以使用ATMEL公司、NXP公司、意法公司或AD公司的微處理器。
[0066]第一顯示單元1-6與第二顯示單元2-5采用的是小尺寸的液晶，有相應的中文提示字符和符號，當然也可以采取其它顯示載體，顯示單元可以安裝于方便醫(yī)護人員方便察看的器械上。
[0067]第一無線發(fā)送單元1-5與第二無線接收單元2-4為WIFI傳輸芯片。也可以通過其它無線數據傳輸技術，如:紅外、藍牙、zigbee等。
[0068]本發(fā)明的工作原理:
[0069]第一微處理器單元1-4接收處理靜態(tài)測量單元I的方位角和矢狀角信息，然后，第一微處理器單元1-4將信息經過WIFI傳輸到動態(tài)測量單元2的WIFI第二無線接收單元
2-4，第二微處理器單元2-3將得到的兩組方位角和矢狀角信息進行相應的處理。
[0070]由第一傳感器單元1-2與第二傳感器單元2-2所得到加速度分量(Xg，Yg, Zg)和磁場分量(Xh，Yh，Zh)，依據上述地理坐標系和器械體坐標系變化過程與矢狀角和方位角的關系，可以測得方位角。由于此時RM-G144不能保證是水平水平狀態(tài)下，我們從HMC5843所讀取到的3軸的磁力值(Xm、Ym、Zm),必須做線性變換其計算公式如下:
[0071]公式1
【權利要求】
1.一種醫(yī)用骨外科三維定位導向器，其特征在于，該醫(yī)用骨外科三維定位導向器包括:靜態(tài)測量單元和動態(tài)測量單元； 獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量，并轉換為方位角和矢狀角信息，同時將信息顯示的靜態(tài)測量單元； 與靜態(tài)測量單元連接，接收靜態(tài)測量單元轉換的方位角和矢狀角信息，獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量，轉換為動態(tài)測量單元的方位角和矢狀角，與接收的靜態(tài)測量單元方位角和矢狀角信息進行對比分析，從而得到醫(yī)療器械與患者需要穿刺位置的皮膚之間的方位角和矢狀角信息的動態(tài)測量單元； 靜態(tài)測量單元還包括:第一供電單元、第一傳感器單元、激光準直單元、第一微控制器單元、無線發(fā)送單元、第一顯示單元； 第一供電單元與第一微控制器單元連接，用于為第一微控制器單元提供穩(wěn)定的電源；第一傳感器單元與第一微控制器單元連接，用于獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量； 激光準直單元與第一微控制器單元連接，用于通過發(fā)射激光準直信號，通過照射貼在患者皮膚上面的反光紙來實時調整靜止測量單元與皮膚之間是否為垂直狀態(tài)； 第一微控制器單元接收第一傳感器單元獲取地理坐標系下的加速度分量和磁場強度分量，并轉換為靜止測量單元的方位角和矢狀角信息； 無線發(fā)送單元，用于實現轉換靜止測量單元的方位角和矢狀角信息的發(fā)送； 第一顯示單元，用于實現轉換靜止測量單元的方位角和矢狀角信息的顯示； 動態(tài)測量單元還包括:第二供電單元、第二傳感器單元、第二微控制器單元、無線接收單元、第二顯示單元； 第二供電單元與第二微控制器單元連接，用于為第二微控制器單元提供穩(wěn)定的電源； 第二傳感器單元與第二微控制器單元連接，用于獲取醫(yī)療器械的方位角和矢狀角信息； 第二微控制器單元，用于接收第二微控制器單元獲取的醫(yī)療器械方位角和矢狀角信息、無線接收單元接收無線發(fā)送單元發(fā)送的轉換靜止測量單元的方位角和矢狀角信息，并分析獲得的兩種方位角和矢狀角信息； 無線接收單元與第二微控制器單元連接，用于接收無線發(fā)送單元發(fā)送的轉換靜止測量單兀方位角和矢狀角?目息； 第二顯示單元與第二微控制器單元連接，用于將對比分析得到的方位角和矢狀角信息顯不O
2.如權利要求1所述的醫(yī)用骨外科三維定位導向器，其特征在于，第一供電單元由鋰電池供電，采用電池管理芯片BQ24703。
3.如權利要求1所述的醫(yī)用骨外科三維定位導向器，其特征在于，第一傳感器單元與第二傳感器單元中的磁場加速度傳感器采用RM-G144磁場加速度傳感器模塊。
4.如權利要求1所述的醫(yī)用骨外科三維定位導向器，其特征在于，第一微處理器單元與第二微處理器單元采用MSP430系列微處理器。
5.如權利要求1所述的醫(yī)用骨外科三維定位導向器，其特征在于，第一顯示單元與第二顯示單元采用有相應的中文提示字符和符號的液晶顯示屏。
6.如權利要求1所述的醫(yī)用骨外科三維定位導向器，其特征在于，第一無線發(fā)送單元與第二無線接收單元采用WIF1、紅外、藍牙或zigbee。
7.如權利要求1所述的醫(yī)用骨外科三維定位導向器，其特征在于，靜態(tài)測量單元的處理步驟包括: 步驟一，初始化:即設定測量參考點在寄存器中的保持值置零； 步驟二，發(fā)射激光準直信號判斷靜態(tài)測量單元時候與皮膚垂直； 步驟三，獲取的重力加速度分量和磁場分量轉換為所需的方位角和失狀角信息；步驟四，將方位角和失狀角信息在顯示單元上顯示，并通過無線傳輸傳輸到動態(tài)測量系統。
8.如權利要求1所述的醫(yī)用骨外科三維定位導向器，其特征在于，動態(tài)測量單元處理步驟包括: 步驟一，初始化:即設定測量參考點在寄存器中的保持值置零； 步驟二，獲取動態(tài)測量單元的重力加速度分量和磁場分量轉換為所需的方位角和失狀角信息；方位角和矢狀角信息； 步驟三，獲取由無線接收模塊接收到的靜態(tài)測量單元的方位角和矢狀角信息； 步驟四，將兩組方位 角和失狀角信息進行處理在顯示單元顯示處理結果和角度信息。
【文檔編號】A61B17/56GK103892921SQ201410131736
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權日:2014年4月3日
【發(fā)明者】陳紅衛(wèi) 申請人:陳紅衛(wèi)