[发明专利]全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及医学电子技术领域，具体涉及一种全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统。

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全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，能在全髋关节置换术进行时，以3D的方式实时地、精确地、动态地呈现出股骨头假体在髋关节内的位置与姿态，方便医生更直观地判断出人工髋关节安装位置与角度是否正确，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：

全髋关节置换术中髋关节内部实时可视辅助定位系统，包括：

人工股骨头试模，安装于人工髋臼内，其中人工髋臼的内表面设置有多个各不相同的二维码标识；

数据采集模块，设置于人工股骨头试模中，包括用于获取自身位置与姿态的运动传感器以及用于采集所述二维码标识的图像传感器；

数据合并与处理模块，设置于人工股骨头试模中，用于将所述运动传感器采集的运动数据伪装成一行图像数据，并替换掉图像传感器所采集的一帧图像中的首行数据，使所有数据最终统一按图像数据格式存储在等待发送的缓冲区内，缓冲区以一帧数据为存储/发送单位，存储完一帧图像后开始发送，发送完一帧图像后再次存储新的一帧图像；

数据传输模块，设置于人工股骨头试模中，用于将所述缓冲区中的一帧数据发送至体外处理器；

体外处理器，接收所述数据传输模块发送的数据，提取图像数据和运动数据，获得人工髋臼在人体内的安装角度和人工股骨头试模在髋臼内的位置与姿态。

所述人工髋臼为金属制造，在其内表面镀有二维码图案阵列，当图像传感器拍到一帧图像并发送至体外，体外处理器将分辨出图像中的二维码图案个数、种类，从而判断出此时人工股骨头试模与人工髋臼的相对位置。

所述人工股骨头试模包括一个底座和一个透明的半球罩，半球罩位于人工髋臼内，所述运动传感器、图像传感器、数据合并与处理模块和数据传输模块设置于底座和半球罩之间，图像传感器的图像采集部分采用朝向人工髋臼的微距广角镜头。

所述运动传感器包括三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪。

所述数据合并与处理模块由一个FPGA或MCU实现。

所述数据传输模块采用wifi或者USB或者以太网线方式将数据外送。

所述体外处理器包括：

用于将来自数据传输模块的数据拆解为图像数据、加速度数据、地磁数据和角速度数据的数据提取模块；

用于根据数据提取模块的提取数据进行人工股骨头试模和人工髋臼的静态与动态的位置与姿态测算的位置与姿态测算模块；

用于融合根据图像传感器数据测算出的位置与姿态同根据运动传感器数据测算出的位置与姿态之间数据冗余的数据融合模块；图像数据测算出的位置与姿态和运动传感数据测算出的位置与姿态存在数据冗余，使用卡尔曼滤波器将冗余的数据融合，一方面能提高数据的可靠性和准确性，另一方面能校准加速度计、陀螺仪随使用时间产生的漂移现象。

以及用于根据数据融合模块的输出数据，利用3D引擎渲染出人工髋臼在人体内的安装角度和人工股骨头试模在髋臼内运动过程的3D显示模块。医生可以由此直观地看到患者腿部在正常范围内运动时人工股骨头试模是否会碰撞人工髋臼边缘甚至出现脱臼。根据观察3D图像和带动患者腿部运动，医生将对人工髋臼和人工股骨头的安装角度、深度、位置等进行调整。