專利名稱：人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖臼及股骨頭姿態(tài)獲取方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種人工髖關(guān)節(jié)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(guó)逐漸發(fā)展，成為了無(wú)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(wú)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(shì)，醫(yī)院每年進(jìn)行的人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)也越來(lái)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(guò)程全憑借手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，醫(yī)生無(wú)法直觀地看到股骨頭假體在髖白中的運(yùn)動(dòng)情況，無(wú)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(zhǎng)期受カ不均，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(zhǎng)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(zhǎng)期受カ不均，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ー種人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖白及股骨頭姿態(tài)獲取方法及系統(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(guò)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)方案是ー種人工髖關(guān)節(jié)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)置壓カ傳感器和/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カ信號(hào)并將信號(hào)以無(wú)線方式發(fā)出，利用無(wú)線接收裝置接收該信號(hào)并在顯示模塊上顯示，獲取髖白及股骨頭的模擬姿態(tài)。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)壓カ傳感器和/或觸碰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(hào)的外圍電路；以及， 用于接收并顯示外圍電路所發(fā)信號(hào)的信號(hào)接收顯示裝置。所述外圍電路包括
信號(hào)放大模塊，接傳感器陣列的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換；第一微處理器，接信號(hào)放大模塊的輸出，控制傳感器陣列及信號(hào)放大模塊正常エ作，并對(duì)傳感器數(shù)字信號(hào)進(jìn)行并/串處理和打包發(fā)送；第一無(wú)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(hào)接收顯示裝置包括第二無(wú)線收發(fā)模塊，接收第一無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)；第二微處理器，接收來(lái)自第二無(wú)線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)字信號(hào)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。 也可以將上述第一微處理器的輸出與第二微處理器的輸入直接連接，不用無(wú)線模塊，用有線方式傳輸數(shù)據(jù)。本發(fā)明的系統(tǒng)還可以在髖白一側(cè)增加安裝永磁鐵，并在股骨頭ー側(cè)增加安裝單軸或多軸磁力計(jì)，從而測(cè)量髖白與股骨頭的相對(duì)角度關(guān)系。本發(fā)明的系統(tǒng)內(nèi)置電池或者外接電源進(jìn)行工作。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カ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ー個(gè)安裝孔，從頂部向下另有五圈對(duì)稱的安裝孔。所述五圈対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)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)傳感器和四個(gè)接地點(diǎn)；從所述半球面頂部往下，第二至第五圏，每圈設(shè)置十二個(gè)傳感器，每圈傳感器相鄰兩孔間隔30°分布；其中，第四圈還間隔著傳感器分布了十二個(gè)接地點(diǎn)；上述傳感器為壓カ或者觸碰傳感器。所述半球面的底部與中空的頸部相連，頸部側(cè)面對(duì)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(guò)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(wú)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(guò)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)明壓カ獲取裝置的機(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カ傳感器與接地點(diǎn)分布的俯視圖，圓點(diǎn)表示壓カ傳感器，方點(diǎn)表示接地點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供ー種人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖白及股骨頭姿態(tài)獲取方法，通過(guò)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)置壓カ傳感器和/或觸碰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カ情況并將信號(hào)發(fā)出，接收端接收該信號(hào)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(hào)的傳輸可以用無(wú)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。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(hào)放大模塊、第一微處理器以及第一無(wú)線收發(fā)模塊；信息接收顯示裝置包括第二無(wú)線收發(fā)模塊、第二微處理器以及顯示模塊。第一無(wú)線收發(fā)模塊用來(lái)將第一微處理器的信息以無(wú)線形式發(fā)送，第二無(wú)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(wú)線傳輸。不過(guò)，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)壓カ傳感器和/或觸碰傳感器組成，試模與傳感器可以采取的ー種機(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傳感器I及地線的安裝孔，傳感器I安裝于安裝孔并將引線3引出后，將半球面內(nèi)部注膠形成實(shí)心，外部設(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ー種分布形式如圖3所示半球面頂部中心有ー個(gè)安裝孔；從頂部向下另有五圈對(duì)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)傳感器；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)傳感器和四個(gè)接地點(diǎn)；從所述半球面頂部往下，第二至第五圏，每圈設(shè)置十二個(gè)傳感器，每圈傳感器相鄰兩孔間隔30°分布；其中，第四圈還間隔傳感器分布了十二個(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(hào)放大模塊、第一微處理器以及第一無(wú)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(duì)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(guò)信號(hào)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(hào)啟動(dòng)其連接的告警裝置。本發(fā)明系統(tǒng)的工作過(guò)程如下醫(yī)生先使用股骨頭假體試模進(jìn)行定位，由于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(duì)于執(zhí)行本手術(shù)的醫(yī)生來(lái)講是可以預(yù)見(jiàn)的。因此，過(guò)程中傳感器陣列能夠通過(guò)與髖白之間接觸、受カ而獲取各種信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)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(hào)放大模塊等電路模塊正常工作，并對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行井/串處理，打包發(fā)送經(jīng)由第一無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)出，而該信號(hào)被設(shè)置在外部的第二無(wú)線收發(fā)模塊接收到，第一無(wú)線收發(fā)模塊與第二無(wú)線收發(fā)模塊可采用藍(lán)牙的收發(fā)模式。第二無(wú)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)字壓カ信號(hào)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，找到一個(gè)壓カ平衡位置進(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木。同吋，由于在假體試模的頸部外側(cè)設(shè)置有輔助傳感器，當(dāng)其與髖白面接觸吋，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(hào)經(jīng)信號(hào)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(hào)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(huì)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，目的是感知股骨頭假體試模與髖白的接觸及受カ情況，判斷假體試模的位置是否合適，壓カ傳感器和/或觸碰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.ー種人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖白及股骨頭姿態(tài)獲取方法，其特征在于，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)置壓カ傳感器和/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カ信號(hào)并將信號(hào)以無(wú)線方式發(fā)出，利用無(wú)線接收裝置接收該信號(hào)并在顯示模塊上顯示，獲取髖曰及股骨頭的模擬姿態(tài)。
2.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)壓カ傳感器和/或觸碰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(hào)的外圍電路； 以及， 用于接收并顯示外圍電路所發(fā)信號(hào)的信號(hào)接收顯示裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在干， 所述外圍電路包括 信號(hào)放大模塊，接傳感器陣列的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換； 第一微處理器，接信號(hào)放大模塊的輸出，控制傳感器陣列及信號(hào)放大模塊正常工作，并對(duì)傳感器數(shù)字信號(hào)進(jìn)行并/串處理和打包發(fā)送； 第一無(wú)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(hào)接收顯示裝置包括 第二無(wú)線收發(fā)模塊，接收第一無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)； 第二微處理器，接收來(lái)自第二無(wú)線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)字信號(hào)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在干， 所述外圍電路包括 信號(hào)放大模塊，接傳感器陣列的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換； 第一微處理器，接信號(hào)放大模塊的輸出，控制傳感器陣列及信號(hào)放大模塊正常工作，并對(duì)傳感器數(shù)字信號(hào)進(jìn)行并/串處理和打包發(fā)送； 所述信號(hào)接收顯示裝置包括 第二微處理器，接第一微處理器的信號(hào)輸出端，并將傳感器數(shù)字信號(hào)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2所述的系統(tǒng)，其特征在于，在髖白ー側(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(cè)量髖白與股骨頭的相對(duì)角度關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)內(nèi)置電池，或者外接電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求2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カ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 半球面頂部中心有ー個(gè)安裝孔，從頂部向下另有五圈對(duì)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，所述五圈対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)，其特征在干， 所述半球面頂部安裝孔中設(shè)置一個(gè)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)傳感器和四個(gè)接地點(diǎn)； 從所述半球面頂部往下，第二至第五圏，每圈設(shè)置十二個(gè)傳感器，每圈傳感器相鄰兩孔間隔30°分布；其中，第四圈還間隔著傳感器分布了十二個(gè)接地點(diǎn)； 上述傳感器為壓カ或者觸碰傳感器。
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(duì)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(guò)外圍電路連接告警裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外圍電路設(shè)置于頸部的中空位置。
全文摘要
本發(fā)明為一種人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中髖臼及股骨頭姿態(tài)獲取方法及系統(tǒng)，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情況并將信號(hào)發(fā)出，接收端接收該信號(hào)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(hào)的信號(hào)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(guò)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(hào)A61B17/56GK102688097SQ20121014858
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者劉鳴, 周一新, 唐杞衡, 孫天佳, 王志華, 蘇少杰, 陳虹 申請(qǐng)人:清華大學(xué)