本發(fā)明屬于醫(yī)療器械設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種髖骨前柱的螺釘固定器。

背景技術(shù)：

目前，治療骨折的內(nèi)固定手術(shù)方法和手術(shù)器械種類很多，迄今有：普通螺釘固定、克式鋼針固定等，這些手術(shù)方式和相配用的手術(shù)器械對關(guān)節(jié)骨折具有一定的固定作用，但由于關(guān)節(jié)骨折后，復(fù)位固定要求高，固定后且要求骨關(guān)節(jié)能早期進行活動，采用上述方法和器械還不能達到關(guān)節(jié)骨折后內(nèi)固定的要求，因此目前應(yīng)用較多的為螺釘固定器。然而目前的螺釘固定器種類較少，適用于髖骨前柱的螺釘固定器則更少。

并且目前的螺釘固定器，只具有單純的手術(shù)操作功能，較為單一，且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易操作，手術(shù)過程中需要借助其他設(shè)備對患者進行生命體征檢測，對于手術(shù)進程的把握多數(shù)依賴于醫(yī)師，人為誤差大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有螺釘固定器功能單一，難以操作和手術(shù)精確度底等技術(shù)問題而提供一種髖骨前柱的螺釘固定器。

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供的髖骨前柱的螺釘固定器包括：

用于監(jiān)測手術(shù)過程中螺釘具體位置的超聲波傳感器；

用于對患者體溫信息進行采集的紅外溫度傳感器；

用于對患者脈搏信息進行采集的脈搏傳感器；

用于手術(shù)過程中進行圖像信息采集的攝像頭；

分別與超聲波傳感器、紅外溫度傳感器、脈搏傳感器和攝像頭有線連接，用于對采集數(shù)據(jù)進行分析和處理的單片機；

紅外溫度傳感器為傳感器a，脈搏傳感器傳感器b；傳感器a、傳感器b在本地直角坐標(biāo)系下的量測數(shù)據(jù)分別為ya(ti)和yb(ti)，且傳感器a的采樣頻率大于傳感器b的采樣頻率，則由傳感器a向傳感器b的采樣時刻進行配準(zhǔn)，具體為：

采用內(nèi)插外推的時間配準(zhǔn)算法將傳感器a的采樣數(shù)據(jù)向傳感器b的數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)，使得兩個傳感器在空間配準(zhǔn)時刻對同一個目標(biāo)有同步的量測數(shù)據(jù)，內(nèi)插外推時間配準(zhǔn)算法如下：

在同一時間片內(nèi)將各傳感器觀測數(shù)據(jù)按測量精度進行增量排序，然后將傳感器a的觀測數(shù)據(jù)分別向傳感器b的時間點內(nèi)插、外推，以形成一系列等間隔的目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，采用常用的三點拋物線插值法的進行內(nèi)插外推時間配準(zhǔn)算法得傳感器a在tbk時刻在本地直角坐標(biāo)系下的量測值為：

其中，tbk為配準(zhǔn)時刻，tk-1,tk,tk+1為傳感器a距離配準(zhǔn)時刻最近的三個采樣時刻，ya(tk-1),ya(tk),ya(tk+1)分別為其對應(yīng)的對目標(biāo)的探測數(shù)據(jù)；

完成時間配準(zhǔn)后，根據(jù)傳感器a的配準(zhǔn)數(shù)據(jù)與傳感器b的采樣數(shù)據(jù)，采用基于地心地固(earthcenterearthfixed,ecef)坐標(biāo)系下的偽量測法實現(xiàn)傳感器a和傳感器b的系統(tǒng)誤差的估計；基于ecef的系統(tǒng)誤差估計算法具體為：

假設(shè)k時刻目標(biāo)在本地直角坐標(biāo)系下真實位置為x'1(k)＝[x'1(k),y'1(k),z'1(k)]^t，極坐標(biāo)系下對應(yīng)的量測值為分別為距離、方位角、俯仰角；轉(zhuǎn)換至本地直角坐標(biāo)系下為x1(k)＝[x1(k),y1(k),z1(k)]^t；傳感器系統(tǒng)偏差為分別為距離、方位角和俯仰角的系統(tǒng)誤差；于是有

其中表示觀測噪聲,均值為零、方差為

式(1)可以用一階近似展開并寫成矩陣形式為：

x'1(k)＝x1(k)+c(k)[ξ(k)+n(k)]\*mergeformat(3)

其中，

設(shè)兩部傳感器a和b,則對于同一個公共目標(biāo)(設(shè)地心地固坐標(biāo)系下為x'e＝[x'e,y'e,z'e]^t)，可得

x'e＝xas+bax'a1(k)＝xbs+bbx'b1(k)\*mergeformat(4)

ba，bb分別為目標(biāo)在傳感器a與傳感器b本地坐標(biāo)下的位置轉(zhuǎn)換到ecef坐標(biāo)系下的位置時的轉(zhuǎn)換矩陣；

定義偽量測為：

z(k)＝xae(k)-xbe(k)\*mergeformat(5)

其中，xae(k)＝xas+baxa1(k)；xbe(k)＝xbs+bbxb1(k)

將式(2)、式(3)代入式(4)可以得到關(guān)于傳感器偏差的偽測量方程

z(k)＝h(k)β(k)+w(k)\*mergeformat(6)

其中，z(k)為偽測量向量；h(k)為測量矩陣；β為傳感器偏差向量；w(k)為測量噪聲向量；由于na(k),nb(k)為零均值、相互獨立的高斯型隨機變量,因此w(k)同樣是零均值高斯型隨機變量,其協(xié)方差矩陣為r(k)；

傳感器a的量測模型如下：

ya(tk-1)、ya(tk)、ya(tk+1)分別為傳感器a對目標(biāo)在tk-1,tk,tk+1時刻的本地笛卡爾坐標(biāo)系下的量測值，分別為：

其中，y'a(tk-1)、y'a(tk)、y'a(tk+1)分別為傳感器a在tk-1,tk,tk+1時刻的本地笛卡爾坐標(biāo)系下的真實位置；ca(t)為誤差的變換矩陣；ξa(t)為傳感器的系統(tǒng)誤差；為系統(tǒng)噪聲，假設(shè)為零均值、相互獨立的高斯型隨機變量，噪聲協(xié)方差矩陣分別為ra(k-1)、ra(k)、ra(k+1)。

傳感器a向傳感器b進行配準(zhǔn)的具體過程如下：

將式(7)、式(8)、式(9)帶入式(1)，可得：

其中：為傳感器a的本地直角坐標(biāo)系下目標(biāo)的真實位置在tbk時刻的時間配準(zhǔn)值；為系統(tǒng)誤差造成的誤差項；為隨機噪聲，假定tk-1、tk、tk+1時刻的噪聲互不相關(guān)的零均值白噪聲，則為均值為零，協(xié)方差矩陣為ra＝a²ra(k-1)+b²ra(k)+c²ra(k+1)的白噪聲，而a、b、c、分別為且a+b+c＝1；

與單片機有線連接，用于控制的外部控制器；

與單片機有線連接，用于計時的計時模塊；

與單片機有線連接，用于提供電源的電源模塊；

與單片機有線連接，用于顯示手術(shù)過程圖像信息和患者生命體征信息的顯示器；

與單片機有線連接，用于為攝像頭拍攝提供光源的照明燈；

與單片機有線連接，用于控制驅(qū)動裝置的驅(qū)動控制器；

與單片機有線連接，用于接收和發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)信號的無線射頻收發(fā)模塊；

所述無線射頻收發(fā)模塊通過所述權(quán)值計算無線網(wǎng)絡(luò)中各個身份認(rèn)證協(xié)議的適用度包括：

wsec、we_con、wau_time分別是用戶對安全性、能量消耗以及認(rèn)證時間設(shè)置的權(quán)值，該權(quán)值滿足wsec+we_con+wau_time＝100％；且vsec_1、ve_con_1、vau_time_1是通過對安全性vsec、能量消耗ve_con和認(rèn)證時間yau_time歸一化得到；

所述無線射頻收發(fā)模塊中節(jié)點h發(fā)送數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點，h+i是節(jié)點h的一個鄰居節(jié)點，如果其靠近最遠鄰居節(jié)點并且有更多的剩余能量，則鄰居節(jié)點h+i可作為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點；對這些合適的候選節(jié)點依據(jù)到能量等效節(jié)點的距離和每個節(jié)點的剩余能量排序：

dh+i-dh為節(jié)點h和其鄰居節(jié)點h+i之間的距離；eh+i代表節(jié)點h+i的剩余能量；n(h)為選出的節(jié)點h的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點；p(h+i)的值越大，節(jié)點優(yōu)先級越高；最高優(yōu)先級的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點作為下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點；

所述無線射頻收發(fā)模塊動態(tài)可達域的路由方法包括：

1：n(h)為節(jié)點h的轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點組

2：利用最優(yōu)能量策略對轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點組進行排序

3：for每個節(jié)點i∈n(h)do

4：

5：endfor

6：p(i)最大的節(jié)點n執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸工作，其余保持監(jiān)測狀態(tài)

7：ifn成功收到數(shù)據(jù)包then

8：給發(fā)送者回復(fù)一個響應(yīng)

9：for每個節(jié)點i∈n(h)/ndo

10：丟棄數(shù)據(jù)包；

11：endfor

12：else

13：令n＝n′，n′為次優(yōu)先級節(jié)點

14：goto2；

15：endif

16：return

與驅(qū)動控制器有線連接，用于帶動螺釘旋轉(zhuǎn)運動的第一驅(qū)動裝置；

與驅(qū)動控制器有線連接，用于帶動螺釘軸向運動的第二驅(qū)動裝置；

與無線射頻收發(fā)模塊通過gprs無線網(wǎng)絡(luò)無線連接，用于存儲數(shù)據(jù)的外部服務(wù)器；

與單片機有線連接，用于發(fā)送語音訊號的揚聲器。

進一步，所述顯示器具體為led顯示器。

進一步，所述照明燈具體為led照明燈。

進一步，所述第一驅(qū)動裝置具體為步進電機。

本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：該髖骨前柱的螺釘固定器通過超聲波傳感器可有效地監(jiān)測手術(shù)過程中螺釘?shù)木唧w位置，提高手術(shù)的精確度，通過紅外溫度傳感器和脈搏傳感器可檢測患者的生命體征，有效地防止異常情況的出現(xiàn)，通過外部控制器可控制設(shè)備進行手術(shù)，降低了人為誤差，通過第一驅(qū)動裝置和第二驅(qū)動裝置可有效地將螺釘輸送至設(shè)定位置并緊固，設(shè)備整體降低了操作難度，降低了對醫(yī)師的依賴程度，可有效地把握手術(shù)進程和操作的精確度，提高了手術(shù)的成功率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的該髖骨前柱的螺釘固定器的原理框圖。

圖中：1、超聲波傳感器；2、紅外溫度傳感器；3、脈搏傳感器；4、攝像頭；5、單片機；6、外部控制器；7、計時模塊；8、電源模塊；9、顯示器；10、照明燈；11、驅(qū)動控制器；12、無線射頻收發(fā)模塊；13、第一驅(qū)動裝置；14、第二驅(qū)動裝置；15、gprs無線網(wǎng)絡(luò)；16、外部服務(wù)器；17、揚聲器。

具體實施方式

為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下。

下面結(jié)合圖1對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作詳細(xì)的描述。

該髖骨前柱的螺釘固定器包括：

用于監(jiān)測手術(shù)過程中螺釘具體位置的超聲波傳感器1；

用于對患者體溫信息進行采集的紅外溫度傳感器2；

用于對患者脈搏信息進行采集的脈搏傳感器3；

用于手術(shù)過程中進行圖像信息采集的攝像頭4；

分別與超聲波傳感器1、紅外溫度傳感器2、脈搏傳感器3和攝像頭4有線連接，用于對采集數(shù)據(jù)進行分析和處理的單片機5；

與單片機5有線連接，用于控制的外部控制器6；

與單片機5有線連接，用于計時的計時模塊7；

與單片機5有線連接，用于提供電源的電源模塊8；

與單片機5有線連接，用于顯示手術(shù)過程圖像信息和患者生命體征信息的顯示器9；

與單片機5有線連接，用于為攝像頭拍攝提供光源的照明燈10；

與單片機5有線連接，用于控制驅(qū)動裝置的驅(qū)動控制器11；

與單片機5有線連接，用于接收和發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)信號的無線射頻收發(fā)模塊12；

與驅(qū)動控制器11有線連接，用于帶動螺釘旋轉(zhuǎn)運動的第一驅(qū)動裝置13；

與驅(qū)動控制器11有線連接，用于帶動螺釘軸向運動的第二驅(qū)動裝置14；

與無線射頻收發(fā)模塊12通過gprs無線網(wǎng)絡(luò)15無線連接，用于存儲數(shù)據(jù)的外部服務(wù)器16；

與單片機5有線連接，用于發(fā)送語音訊號的揚聲器17；

進一步，所述顯示器9具體為led顯示器。

進一步，所述照明燈10具體為led照明燈。

進一步，所述第一驅(qū)動裝置13具體為步進電機。

紅外溫度傳感器為傳感器a，脈搏傳感器傳感器b；傳感器a、傳感器b在本地直角坐標(biāo)系下的量測數(shù)據(jù)分別為ya(ti)和yb(ti)，且傳感器a的采樣頻率大于傳感器b的采樣頻率，則由傳感器a向傳感器b的采樣時刻進行配準(zhǔn)，具體為：

采用內(nèi)插外推的時間配準(zhǔn)算法將傳感器a的采樣數(shù)據(jù)向傳感器b的數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)，使得兩個傳感器在空間配準(zhǔn)時刻對同一個目標(biāo)有同步的量測數(shù)據(jù)，內(nèi)插外推時間配準(zhǔn)算法如下：

在同一時間片內(nèi)將各傳感器觀測數(shù)據(jù)按測量精度進行增量排序，然后將傳感器a的觀測數(shù)據(jù)分別向傳感器b的時間點內(nèi)插、外推，以形成一系列等間隔的目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，采用常用的三點拋物線插值法的進行內(nèi)插外推時間配準(zhǔn)算法得傳感器a在tbk時刻在本地直角坐標(biāo)系下的量測值為：

其中，tbk為配準(zhǔn)時刻，tk-1,tk,tk+1為傳感器a距離配準(zhǔn)時刻最近的三個采樣時刻，ya(tk-1),ya(tk),ya(tk+1)分別為其對應(yīng)的對目標(biāo)的探測數(shù)據(jù)；

完成時間配準(zhǔn)后，根據(jù)傳感器a的配準(zhǔn)數(shù)據(jù)與傳感器b的采樣數(shù)據(jù)，采用基于地心地固(earthcenterearthfixed,ecef)坐標(biāo)系下的偽量測法實現(xiàn)傳感器a和傳感器b的系統(tǒng)誤差的估計；基于ecef的系統(tǒng)誤差估計算法具體為：

假設(shè)k時刻目標(biāo)在本地直角坐標(biāo)系下真實位置為x'1(k)＝[x'1(k),y'1(k),z'1(k)]^t，極坐標(biāo)系下對應(yīng)的量測值為分別為距離、方位角、俯仰角；轉(zhuǎn)換至本地直角坐標(biāo)系下為x1(k)＝[x1(k),y1(k),z1(k)]^t；傳感器系統(tǒng)偏差為分別為距離、方位角和俯仰角的系統(tǒng)誤差；于是有

其中表示觀測噪聲,均值為零、方差為

式(1)可以用一階近似展開并寫成矩陣形式為：

x'1(k)＝x1(k)+c(k)[ξ(k)+n(k)]\*mergeformat(3)

其中，

設(shè)兩部傳感器a和b,則對于同一個公共目標(biāo)(設(shè)地心地固坐標(biāo)系下為x'e＝[x'e,y'e,z'e]^t)，可得

x'e＝xas+bax'a1(k)＝xbs+bbx'b1(k)\*mergeformat(4)

ba，bb分別為目標(biāo)在傳感器a與傳感器b本地坐標(biāo)下的位置轉(zhuǎn)換到ecef坐標(biāo)系下的位置時的轉(zhuǎn)換矩陣；

定義偽量測為：

z(k)＝xae(k)-xbe(k)\*mergeformat(5)

其中，xae(k)＝xas+baxa1(k)；xbe(k)＝xbs+bbxb1(k)

將式(2)、式(3)代入式(4)可以得到關(guān)于傳感器偏差的偽測量方程

z(k)＝h(k)β(k)+w(k)\*mergeformat(6)

其中，z(k)為偽測量向量；h(k)為測量矩陣；β為傳感器偏差向量；w(k)為測量噪聲向量；由于na(k),nb(k)為零均值、相互獨立的高斯型隨機變量,因此w(k)同樣是零均值高斯型隨機變量,其協(xié)方差矩陣為r(k)；

傳感器a的量測模型如下：

ya(tk-1)、ya(tk)、ya(tk+1)分別為傳感器a對目標(biāo)在tk-1,tk,tk+1時刻的本地笛卡爾坐標(biāo)系下的量測值，分別為：

其中，y'a(tk-1)、y'a(tk)、y'a(tk+1)分別為傳感器a在tk-1,tk,tk+1時刻的本地笛卡爾坐標(biāo)系下的真實位置；ca(t)為誤差的變換矩陣；ξa(t)為傳感器的系統(tǒng)誤差；為系統(tǒng)噪聲，假設(shè)為零均值、相互獨立的高斯型隨機變量，噪聲協(xié)方差矩陣分別為ra(k-1)、ra(k)、ra(k+1)。

傳感器a向傳感器b進行配準(zhǔn)的具體過程如下：

將式(7)、式(8)、式(9)帶入式(1)，可得：

其中：為傳感器a的本地直角坐標(biāo)系下目標(biāo)的真實位置在tbk時刻的時間配準(zhǔn)值；為系統(tǒng)誤差造成的誤差項；為隨機噪聲，假定tk-1、tk、tk+1時刻的噪聲互不相關(guān)的零均值白噪聲，則為均值為零，協(xié)方差矩陣為ra＝a²ra(k-1)+b²ra(k)+c²ra(k+1)的白噪聲，而a、b、c、分別為且a+b+c＝1；

所述無線射頻收發(fā)模塊通過所述權(quán)值計算無線網(wǎng)絡(luò)中各個身份認(rèn)證協(xié)議的適用度包括：

wsec、we_con、wau_time分別是用戶對安全性、能量消耗以及認(rèn)證時間設(shè)置的權(quán)值，該權(quán)值滿足wsec+we_con+wau_time=100%；且vsec_1、ve_con_1、vau_time_1是通過對安全性vsec、能量消耗ve_con和認(rèn)證時間vau_time歸一化得到；

所述無線射頻收發(fā)模塊中節(jié)點h發(fā)送數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點，h+i是節(jié)點h的一個鄰居節(jié)點，如果其靠近最遠鄰居節(jié)點并且有更多的剩余能量，則鄰居節(jié)點h+i可作為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點；對這些合適的候選節(jié)點依據(jù)到能量等效節(jié)點的距離和每個節(jié)點的剩余能量排序：

dh+i-dh為節(jié)點h和其鄰居節(jié)點h+i之間的距離；eh+i代表節(jié)點h+i的剩余能量；n(h)為選出的節(jié)點^h的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點；p(h+i)的值越大，節(jié)點優(yōu)先級越高；最高優(yōu)先級的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點作為下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點；

所述無線射頻收發(fā)模塊動態(tài)可達域的路由方法包括：

1：n(h)為節(jié)點h的轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點組

2：利用最優(yōu)能量策略對轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點組進行排序

3：for每個節(jié)點i∈n(h)do

4：

5：endfor

6：p(i)最大的節(jié)點n執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸工作，其余保持監(jiān)測狀態(tài)

7：ifn成功收到數(shù)據(jù)包then

8：給發(fā)送者回復(fù)一個響應(yīng)

9：for每個節(jié)點i∈n(h)/ndo

10：丟棄數(shù)據(jù)包；

11：endfor

12：else

13：令n＝n′，n′為次優(yōu)先級節(jié)點

14：goto2；

15：endif

16：return

通過超聲波傳感器1可有效地檢測螺釘在手術(shù)過程中的具體位置，可準(zhǔn)確把握手術(shù)進度，通過紅外溫度傳感器2可有效地檢測患者在手術(shù)過程中自身溫度變化，通過脈搏傳感器3可有效地檢測患者在手術(shù)過程中的脈搏信息，準(zhǔn)確地檢測了手術(shù)過程中患者的生命體征，可有效地防止異常情況出現(xiàn)，通過攝像頭4和照明燈10的相互配合，準(zhǔn)確地對手術(shù)過程進行影像采集，為之后的醫(yī)療技術(shù)改進等提供影像資料支持，單片機5可接收分別來自超聲波傳感器1、紅外溫度傳感器2和脈搏傳感器3采集的信息，并對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)綜合處理分析，單片機5可對顯示器9、揚聲器17、驅(qū)動控制器11等下達相應(yīng)的指令，通過外部控制器6可準(zhǔn)確控制設(shè)備運轉(zhuǎn)，提高手術(shù)成功率，計時模塊7能夠?qū)κ中g(shù)進行時間記錄，電源模塊8為系統(tǒng)供電，通過顯示器9可實時查看手術(shù)的影像資料和患者生命體征信息，通過驅(qū)動控制器11可有效控制第一驅(qū)動裝置13和第二驅(qū)動裝置14，第一驅(qū)動裝置13為步進電機，通過第一驅(qū)動裝置13可帶動螺釘進行精確旋轉(zhuǎn)運動，有效地對螺釘緊固，通過第二驅(qū)動裝置14可帶動螺釘軸向運動，準(zhǔn)確地將螺釘輸送至髖骨前柱的準(zhǔn)確位置，無線射頻收發(fā)模塊12可接收和發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)信號，單片機5可通過gprs無線網(wǎng)絡(luò)15將系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送至外部服務(wù)器16，外部服務(wù)器16對數(shù)據(jù)信息存儲，通過揚聲器17可語音輸出手術(shù)信息，系統(tǒng)整體可有效地監(jiān)測手術(shù)全程，并精確控制手術(shù)進度，同時可對患者的生命體征實時檢測，有效地防止異常情況的發(fā)生，提高了手術(shù)的成功率，降低了手術(shù)的操作難度。

以上所述僅是對本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。