新型的髋置换术中获取髋臼及股骨头姿态的方法与系统

摘要

本发明为一种新型的髋置换术中获取髋臼及股骨头姿态的方法与系统，在股骨头假体试模上设置压力传感器和/或触碰传感器以及图像传感器组成传感器阵列，传感器阵列获取股骨头假体试模与髋臼的接触、受力情况及位置信息并将信号发出，接收端接收该信号并在显示模块上显示，获取髋臼及股骨头的模拟姿态，系统包括传感器阵列、必要的外围电路以及用于接收并显示外围电路所发信号的信号接收显示装置，本发明能在髋关节置换术进行时，准确地仿真出股骨头假体的存在姿态，使医生在手术过程中能直观地看到股骨头假体的位置与运动情况，大大提高了髋关节置换术的成功率及手术疗效。

说明书

技术领域

本发明属于医学电子技术领域，具体涉及一种新型的髋置换术中髋臼及 股骨头姿态获取方法与系统。

背景技术

从上世纪60年代起，人工关节置换术在我国逐渐发展，成为了无数关节 疾病患者的福音。以髋关节置换术为例，其首选适应征是骨性关节炎，其它 依次为骨无菌性坏死（如股骨头坏死等）、某些髋部骨折（如股骨颈骨折）、 类风湿性关节炎、创伤性关节炎、良性和恶性骨肿瘤、强直性脊柱炎等，应 用广泛。再加上当今人口日趋老龄化，骨性关节炎患者数量呈上涨趋势，医 院每年进行的人工关节置换手术也越来越多。

然而，髋关节置换术仍存在有需要改进的地方。在现今的髋关节置换术 中，将股骨头假体装入髋臼的过程全凭借手术医生的经验进行操作，医生无 法直观地看到股骨头假体在髋臼中的运动情况，无法准确地肯定股骨头假体 是否安装在了髋臼中合适的位置。假如置换时假体的安装位置不正确，重则 导致患者在术后出现运动受限或是假关节脱臼的现象，轻则由于假体长期受 力不均，加速磨损，导致假体使用寿命锐减。一般而言，成功的人工髋关节 置换手术可以为进行了人工髋关节置换的病人提供20年甚至更长时间的服 务；但如果由安装位置偏差导致了关节长期受力不均，那么人工髋关节的使 用寿命将锐减至7—8年甚至更短。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种新型的髋置 换术中髋臼及股骨头姿态获取方法与系统，能在髋关节置换术进行时，准确 地仿真出股骨头假体的存在姿态，使医生在手术过程中能直观地看到股骨头 假体的位置与运动情况，大大提高了髋关节置换术的成功率及手术疗效。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种新型的髋置换术中髋臼及股骨头姿态获取方法，在股骨头假体试模上 髋关节置换所关注的各压力点位置处设置压力传感器和/或触碰传感器组成传感 器阵列，传感器阵列获取股骨头假体试模与髋臼的接触及受力信号并将信号以 无线方式发出，利用无线接收装置接收该信号并在显示模块上显示，获取髋臼 及股骨头的模拟姿态，所述传感器阵列还包括设置在股骨头假体试模内部的图 像传感器，图像传感器获取股骨头假体试模的位置信息并发至显示模块显示。

位置信息的获取可通过在髋臼内侧预先设计图案，利用所述图像传感器 获取髋臼内侧图案信息，从而得到位置信息。

本发明同时提供了一种实现所述姿态获取方法的系统，包括：

由设置在股骨头假体试模上髋关节置换所关注的各压力点位置处的多个 压力传感器和/或触碰传感器以及设置在股骨头假体试模内部图像传感器组 成的传感器阵列；

用于处理及发送传感器阵列所获信号的外围电路；

以及，

用于接收并显示外围电路所发信号的信号接收显示装置。

所述外围电路的一种情况包括：

信号放大模块，接传感器阵列的输出，实现对传感器信号的放大及数模 转换；

第一微处理器，接信号放大模块的输出，控制传感器阵列及信号放大模块 正常工作，并对传感器数字信号进行并/串处理和打包发送；

第一无线收发模块，接第一微处理器的输出，将数据发送；

所述信号接收显示装置包括：

第二无线收发模块，接收第一无线收发模块发送的数据；

第二微处理器，接收来自第二无线收发模块的数据，并将传感器数字信 号处理为便于操作者观察的形式；

显示模块，接第二微处理器，显示其处理结果。

所述外围电路的另一种情况包括：

信号放大模块，接传感器阵列的输出，实现对传感器信号的放大及数模 转换；

第一微处理器，接信号放大模块的输出，控制传感器阵列及信号放大模块 正常工作，并对传感器数字信号进行并/串处理和打包发送；

所述信号接收显示装置包括：

第二微处理器，接第一微处理器的信号输出端，并将传感器数字信号处 理为便于操作者观察的形式；

显示模块，接第二微处理器，显示其处理结果。

在髋臼一侧增加安装永磁铁，并在股骨头一侧增加安装单轴或多轴磁力 计，从而测量髋臼与股骨头的相对角度关系。

所述股骨头假体试模的一端为半球面，该半球面上分布用于安装压力传 感器或触碰传感器以及地线的安装孔。

所述安装孔在所述半球面上的分布如下：

半球面顶部中心有一个安装孔，从顶部向下另有五圈对称的安装孔。

所述五圈对称的安装孔自上向下，每圈边缘到球心的连线与水平线间的 夹角分别是67.5°、52.5°、37.5°、22.5°、7.5°。

所述半球面顶部安装孔中设置一个压力或者触碰传感器；

从所述半球面顶部往下，第一圈均布八个安装孔，间隔设置共计四个压 力或者触碰传感器和四个接地点；

从所述半球面顶部往下，第二至第五圈，每圈设置十二个压力或者触碰 传感器，每圈压力或者触碰传感器相邻两孔间隔30°分布；其中，第四圈还 间隔着压力或者触碰传感器分布了十二个接地点。

所述半球面的底部与中空的颈部相连，颈部侧面对称分布有若干个触点， 每个触点位置设置辅助传感器，辅助传感器通过外围电路连接告警装置。

所述外围电路设置于颈部的中空位置。

目前尚无此类型的姿态获取方法或者系统，而利用本发明能够使医生在手 术过程中能直观地看到股骨头假体的位置与运动情况，提高手术效率及疗效。

附图说明

图1为本发明所述系统的电原理框图。

图2为本发明压力获取装置的机械机构示意图。

图3为本发明假体试模半球面上压力传感器与接地点分布的俯视图，圆 点表示压力传感器，方点表示接地点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种带图像传感器的髋关节置换术中髋臼及股骨头姿态获取 方法，通过在股骨头假体试模上髋关节置换所关注的各点位置处设置压力传 感器和/或触碰传感器以及设置在股骨头假体试模内部的图像传感器组成传 感器阵列，由传感器阵列获取股骨头假体试模与髋臼的接触及受力情况及位 置信息并将信号发出，接收端接收该信号并在显示模块上显示，获取髋臼及 股骨头的模拟姿态，信号的传输可以用无线或者有线的形式。医生可以根据 该模拟姿态用股骨头假体试模进行定位，在找到合适位置后再将其替换为适 合的股骨头假体进行人工髋关节置换。其中位置信息的获取是通过在髋臼内 侧预先设计图案，利用所述图像传感器获取髋臼内侧图案信息，从而得到的。

为实现上述方法，本发明提供一种系统，如图1所示，分为信息获取装置 和信息接收显示装置，其中：信息获取装置包括传感器阵列、信号放大模块、 第一微处理器以及第一无线收发模块；信息接收显示装置包括第二无线收发 模块、第二微处理器以及显示模块。第一无线收发模块用来将第一微处理器 的信息以无线形式发送，第二无线收发模块接收该信息并传输至第二微处理 器，从而实现信息的无线传输。不过，也可以将第一微处理器与第二微处理 器以有线方式直接连接，用有线方式传输信息。

传感器阵列由设置在股骨头假体试模上髋关节置换所关注的各点位置处 的多个压力传感器和/或触碰传感器以及设置在股骨头假体试模内部的图像 传感器组成，试模与传感器可以采取的一种机械结构如图2所示，试模的一 端为半球面，该半球面上分布用于安装压力或者触碰传感器1及地线的安装 孔，压力或者触碰传感器1安装于安装孔，图像传感器2安装在股骨头内部， 图像传感器2的引线3引出后，将半球面内部注胶形成实心，外部设一封闭 外壳（留出安装孔），具有封闭防水的作用。

安装孔在所述半球面上的一种分布形式如图3所示：

半球面顶部中心有一个安装孔；

从顶部向下另有五圈对称的安装孔，自上向下，每圈边缘到球心的连线 与水平线间的夹角分别是67.5°、52.5°、37.5°、22.5°、7.5°。

传感器与地线在安装孔中的分布采取如下规则：

半球面顶部安装孔中设置一个压力或者触碰传感器1；

从半球面顶部往下，第一圈均布八个安装孔，间隔设置共计四个压力或 者触碰传感器1和四个接地点；

从所述半球面顶部往下，第二至第五圈，每圈设置十二个压力或者触碰 传感器1，每圈压力或者触碰传感器1相邻两孔间隔30°分布；其中，第四 圈还间隔压力或者触碰传感器1分布了十二个接地点，因此第四圈相邻两孔 间隔15°，整个半球面上共形成52个数据点和17个接地点。

同时，半球面的底部与中空的颈部相连，集成信号放大模块、第一微处 理器以及第一无线收发模块的电路板4设置于颈部的中空位置。而颈部的外 侧面对称分布有六个触点5，每个触点5位置设置辅助传感器，辅助传感器 通过信号放大模块连接至第一微处理器，第一微处理器根据该信号启动其连 接的告警装置。

本发明系统的工作过程如下：

医生先使用股骨头假体试模进行定位，由于压力或者触碰传感器安装的 位置是髋关节置换手术所关注的各压力点，这些压力点对于执行本手术的医 生来讲是可以预见的。同时，在髋臼内侧预先设计图案，图像传感器位于股 骨头假体试模内部，在股骨头一侧，图像传感器可获取髋臼内侧图案信息， 从而得到股骨头假体试模的确切位置信息。因此，过程中传感器阵列能够通 过与髋臼之间接触、受力而获取各种信号，这些信号经过信号放大模块的放 大以及A/D转换，之后输入到第一微处理器中，第一微处理器控制传感器阵 列及信号放大模块等电路模块正常工作，并对接收到的数字信号进行并/串处 理，打包发送经由第一无线收发模块发出，而该信号被设置在外部的第二无 线收发模块接收到，第一无线收发模块与第二无线收发模块可采用蓝牙的收 发模式。第二无线收发模块将其接收的数据输入至第二微处理器，第二微处 理器将数字压力信号处理为便于操作者观察的形式并在显示模块显示给医生 观看，第二微处理器和显示模块在实践中可以直接用PC机或平板电脑。医 生由此获取到假体表面各部分实时的接触情况和压力分布情况，同时可获得 假体的确切位置，从而找到一个压力平衡位置进行精细定位。定位之后，医 生接着将假体试模取下，换上适合的股骨头假体完成手术。

同时，由于在假体试模的颈部外侧设置有辅助传感器，当其与髋臼面接 触时，表示假体试模未在手术的中心位置，辅助传感器也选用压力或者触碰 传感器。此时辅助传感器的信号经信号放大模块后输入到第一微处理器，第 一微处理器根据该信号启动其连接的告警装置，发出告警，表示当前假体位 置会导致半脱臼或全脱臼。

本发明中，传感器阵列中的传感器类型可根据情况选用压力传感器和/ 或触碰传感器以及图像传感器，目的是感知股骨头假体试模与髋臼的接触、 受力情况及相对位置，以此判断假体试模的位置是否合适，压力传感器和/ 或触碰传感器以及图像传感器的具体分布位置可根据假体试模的大小等情况 进行改变。