全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統的制作方法
【專利摘要】全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，分為硬件與軟件兩部分：硬件按功能可分為傳感數據采集、數據合并與處理、數據傳輸三個模塊，負責將圖像、加速度等信息采集并封裝成一幀圖像數據并傳輸到計算機或平板電腦上；軟件按功能可分為數據提取、位置與姿態測算、數據融合、3D顯示四個部分，負責通過各種傳感數據計算出人工股骨頭和髖臼的相對位置和姿態，并由冗余數據的融合提高測算的精確性和可靠性，以3D形式動態呈現給醫生，本發明通過圖像傳感器與運動傳感器的配合，實時地呈現股骨頭在髖臼內的運動情況及股骨頭和髖臼的相對位置關系，輔助醫生在手術過程中直觀地看到人工股骨頭與髖臼的安裝情況，大大提高全髖關節置換術的成功率及手術療效。
【專利說明】全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及醫學電子【技術領域】，具體涉及一種全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統。
【背景技術】
[0002]從上世紀60年代起，人工關節置換術在我國逐漸發展，成為了無數關節疾病患者的福音。以髖關節置換術為例，其首選適應征是骨性關節炎，其它依次為骨無菌性壞死(如股骨頭壞死等)、某些髖部骨折(如股骨頸骨折)、類風濕性關節炎、創傷性關節炎、良性和惡性骨腫瘤、強直性脊柱炎等，應用廣泛。再加上當今人口日趨老齡化，骨性關節炎患者數量呈上漲趨勢，醫院每年進行的人工關節置換手術也越來越多。
[0003]然而，髖關節置換術仍存在有需要改進的地方。在現今的髖關節置換術中，將股骨頭假體裝入髖白的過程全憑借手術醫生的經驗進行操作，醫生無法直觀地看到股骨頭假體在髖白中的運動情況，無法準確地肯定股骨頭假體是否安裝在了髖白中合適的位置。假如置換時假體的安裝位置不正確，重則導致患者在術后出現運動受限或是假關節脫白的現象，輕則由于假體長期受力不均，加速磨損，導致假體使用壽命銳減。一般而言，成功的人工髖關節置換手術可以為進行了人工髖關節置換的病人提供20年甚至更長時間的服務；但如果由安裝位置偏差導致了關節長期受力不均，那么人工髖關節的使用壽命將銳減至7-8年甚至更短。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供了一種全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，能在全髖關節置換術進行時，以3D的方式實時地、精確地、動態地呈現出股骨頭假 體在髖關節內的位置與姿態，方便醫生更直觀地判斷出人工髖關節安裝位置與角度是否正確，大大提高了髖關節置換術的成功率及手術療效。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0006]全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，包括:
[0007]人工股骨頭試模，安裝于人工髖白內，其中人工髖白的內表面設置有多個各不相同的二維碼標識；
[0008]數據采集模塊，設置于人工股骨頭試模中，包括用于獲取自身位置與姿態的運動傳感器以及用于采集所述二維碼標識的圖像傳感器；
[0009]數據合并與處理模塊，設置于人工股骨頭試模中，用于將所述運動傳感器采集的運動數據偽裝成一行圖像數據，并替換掉圖像傳感器所采集的一幀圖像中的首行數據，使所有數據最終統一按圖像數據格式存儲在等待發送的緩沖區內，緩沖區以一幀數據為存儲/發送單位，存儲完一幀圖像后開始發送，發送完一幀圖像后再次存儲新的一幀圖像；
[0010]數據傳輸模塊，設置于人工股骨頭試模中，用于將所述緩沖區中的一幀數據發送至體外處理器；[0011]體外處理器，接收所述數據傳輸模塊發送的數據，提取圖像數據和運動數據，獲得人工髖白在人體內的安裝角度和人工股骨頭試模在髖白內的位置與姿態。
[0012]所述人工髖臼為金屬制造，在其內表面鍍有二維碼圖案陣列，當圖像傳感器拍到一幀圖像并發送至體外，體外處理器將分辨出圖像中的二維碼圖案個數、種類，從而判斷出此時人工股骨頭試模與人工髖白的相對位置。
[0013]所述人工股骨頭試模包括一個底座和一個透明的半球罩，半球罩位于人工髖臼內，所述運動傳感器、圖像傳感器、數據合并與處理模塊和數據傳輸模塊設置于底座和半球罩之間，圖像傳感器的圖像采集部分采用朝向人工髖白的微距廣角鏡頭。
[0014]所述運動傳感器包括三軸加速度計、三軸磁力計和三軸陀螺儀。
[0015]所述數據合并與處理模塊由一個FPGA或MCU實現。
[0016]所述數據傳輸模塊采用wifi或者USB或者以太網線方式將數據外送。
[0017]所述體外處理器包括: [0018]用于將來自數據傳輸模塊的數據拆解為圖像數據、加速度數據、地磁數據和角速度數據的數據提取模塊；
[0019]用于根據數據提取模塊的提取數據進行人工股骨頭試模和人工髖白的靜態與動態的位置與姿態測算的位置與姿態測算模塊；
[0020]用于融合根據圖像傳感器數據測算出的位置與姿態同根據運動傳感器數據測算出的位置與姿態之間數據冗余的數據融合模塊；圖像數據測算出的位置與姿態和運動傳感數據測算出的位置與姿態存在數據冗余，使用卡爾曼濾波器將冗余的數據融合，一方面能提高數據的可靠性和準確性，另一方面能校準加速度計、陀螺儀隨使用時間產生的漂移現象。
[0021]以及用于根據數據融合模塊的輸出數據，利用3D引擎渲染出人工髖臼在人體內的安裝角度和人工股骨頭試模在髖白內運動過程的3D顯示模塊。醫生可以由此直觀地看到患者腿部在正常范圍內運動時人工股骨頭試模是否會碰撞人工髖白邊緣甚至出現脫臼。根據觀察3D圖像和帶動患者腿部運動，醫生將對人工髖曰和人工股骨頭的安裝角度、深度、位置等進行調整。
[0022]所述體外處理器為計算機或平板電腦。
[0023]所述位置與姿態測算模塊中，對靜態位置與姿態進行測算時，保持人工髖關節靜止不動，根據圖像數據中出現的二維碼圖案個數和圖案種類，測算得到拍攝此幀圖像時人工股骨頭試模與人工髖白的相對位置；根據三軸加速度數據、地磁數據和重力加速度、地磁方向的夾角，測算出人工股骨頭試模相對于大地的絕對姿態；再通過將相對位置與絕對姿態結合，最終可測算出人工股骨頭試模和人工髖白靜態的、相對或絕對的位置與姿態。
[0024]所述位置與姿態測算模塊中，對動態位置與姿態進行測算時，圖像傳感器通過連續拍攝的圖像數據測算出連續運動的位置與姿態，運動傳感器通過在靜態位置與姿態上疊加位移、轉動得到動態的位置與姿態，位移通過三軸加速度積分得到，轉動通過三軸角速度積分得到。
[0025]本發明的使用，將大大減少醫生進行全髖關節置換的手術難度，提高手術成功率及療效。【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明所述系統的產品及機械結構示意圖。
[0027]圖2為本發明所述系統的硬件功能框圖。
[0028]圖3為本發明所述系統的硬件工作流程圖。
[0029]圖4為本發明所述圖像與運動數據合并緩存方法的示意圖。
[0030]圖5為本發明所述系統的軟件功能框圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0032]本發明提供了一種全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，能在全髖關節置換術進行時，以3D的方式實時地、精確地、動態地呈現出股骨頭假體在髖關節內的位置與姿態。
[0033]本發明的一種實施例產品不意圖如圖1所不，由人工髖臼1、人工股骨頭試模2和體外處理器3三部分組成。人工髖白I為金屬制造，在其內表面鍍有多個各不相同的二維碼標識11組成的二維碼圖案陣列。人工股骨頭試模2是在裝入高耐磨的人工股骨頭之前，用于檢測人工髖關節安裝位置姿態是否合適的試驗用一次性消耗品。其結構如圖1所示，由透明的半球罩21、底座22和內部功能模塊23三部分組成。人工股骨頭試模2與最終裝入人體的人工股骨頭有著完全相同的外形尺寸，內部帶有大量電路，但不具備高耐磨性。在使用試模確認人工髖關節安裝位置姿態合適之后，人工股骨頭試模2將被替換為相同外形尺寸的高耐磨人工股骨頭，其中內部功能模塊23包括數據采集模塊、數據合并與處理模塊以及數據傳輸模塊，數據采集模塊包括運動傳感器(由三軸加速度計、三軸磁力計和三軸陀螺儀組成)和圖像傳感器，圖像傳感器的圖像采集部分采用朝向人工髖白的微距廣角鏡頭24。體外處理器3可以采用計算機或平板電腦。
[0034]根據以上結構，下面為醫生在全髖關節置換手術中使用本實施例的操作流程:
[0035]步驟1.醫生將患者髖臼壞死、病害部分磨除，并將人工髖臼I裝入；
[0036]步驟2.切除壞死的股骨頭，將電池裝入人工股骨頭試模2使其內部功能模塊23開始工作(上電)，再將人工股骨頭試模2安裝于鋼釘上并插入股骨加以固定；
[0037]步驟3.醫生打開計算機/平板電腦和相應程序，操作患者的腿部，將人工股骨頭試模2放入人工髖臼I內；
[0038]步驟4.在程序確認人工股骨頭試模入白后，醫生將操作患者腿部按人體腿部正常活動范圍進行運動，同時觀察計算機/平板電腦中的3D動畫，確保人工股骨頭試模始終處在良好的入白狀態，否則，將拔出人工股骨頭試模2，調整人工髖白I或人工股骨頭試模2的角度與位置；
[0039]步驟5.在確保人工髖關節安裝位置合適后，將人工股骨頭試模2摘除換成具有高耐磨特性的人工股骨頭，裝入人工髖白I并做縫合處理即可。
[0040]由于人工股骨頭是固定在鋼釘上的，當確定人工股骨頭底座在鋼釘上的安裝位置后，將人工股骨頭試模2更換為高耐磨人工股骨頭將不會改變之前試模確定的最佳安裝角度，可以提高手術成功率和患者術后的舒適度。
[0041]本實施例的功能實現主要包含硬件與軟件兩部分。硬件部分主要是上述的內部功能模塊23，如圖2所示，可按功能劃分為數據采集模塊、數據合并與處理模塊以及數據傳輸模塊，實現這些功能的電路均位于人工股骨頭試模內。硬件部分從上述操作步驟2中，醫生為試模裝入電池(上電)后便開始工作，直至手術完成才停止工作。
[0042]下面將說明該硬件部分工作流程，如圖3所示:
[0043]步驟1.電池對各模塊供電；
[0044]步驟2.數據合并與處理模塊由FPGA (或MCU)實現，在上電后開始對傳感數據采集模塊中的圖像傳感器、運動傳感器進行配置；
[0045]步驟3.各傳感器開始采集數據，圖像傳感器透過透明半球罩以20幀/秒對二維碼圖案陣列進行圖像采集，運動傳感器則以50Hz頻率對三軸加速度、角速度、地磁場強度進行采樣；
[0046]步驟4.數據處理與合并模塊中有兩個FIFO作為數據數據緩沖區，FIF0_1被配置為寫模式(不可讀)，不斷接收運動傳感器采集的運動數據，FIF0_1為每個數據(如X軸加速度)分配8-bit的存儲空間，使運動數據以像素數據的格式存儲于FIF0_1中；
[0047]步驟5.FIF0_2被配置為寫模式，處理器根據圖像傳感器的場同步、行同步信號判斷圖像傳感器是否正在采集首行圖像， 若圖像傳感器正在采集首行信號，將FIF0_1配置為讀模式(不可寫)，并且以圖像傳感器的像素時鐘為讀取時鐘，從FIF0_1中讀取偽像素數據，存于FIF0_2中；
[0048]步驟6.當FIF0_1為空且首行采集仍未結束時，將FIF0_1配置為寫模式繼續接收運動數據，以圖像傳感器的像素時鐘為FIF0_2的寫入時鐘，向FIF0_2寫入純白像素點(OxFF)；
[0049]步驟7.圖像傳感器完成首行信號采集，FIF0_1被配置為寫模式繼續接收運動數據，而將圖像傳感器采集的數據存入FIF0_2中；
[0050]步驟8.圖像傳感器完成一幀圖像采集，FIF0_2被配置為讀模式，圖像數據發送模塊從FIF0_2中讀取數據并以無線(W1-Fi)或有線(USB、以太網)方式將數據發送出去；
[0051]步驟9.FIF0_2數據發送完畢，跳轉至第5步，循環重復。
[0052]上述硬件完成了將所需數據采集并發送至體外的工作，其中，數據合并與處理主要利用了“圖像傳感器數據量比其他傳感器大得多”和“消去圖像首/末行數據對圖像的可識別性無影響”這兩個特點，實現了將多傳感數據合并為一種數據(圖像數據)進行傳輸。緩沖區以一幀數據為存儲/發送單位，存儲完一幀圖像后開始發送，發送完一幀圖像后才可再次存儲新的一幀圖像。
[0053]其中多傳感數據合并存儲的方法如圖4所示，最終第一行為三軸線加速度、角速度和地磁強度數據，其余各行為圖像數據。
[0054]本實施例的軟件部分主要在體外處理器3中實現，如圖5所示，可按功能分為數據提取模塊、位置與姿態測算模塊、數據融合模塊、3D顯示模塊四個部分，軟件安裝在體外的計算機或平板電腦上，從操作步驟4開始工作直至手術完成。本實施例以計算機作為體外處理器，以下是軟件的工作流程:
[0055]步驟1.數據獲取階段，計算機接收硬件傳來的混合數據，將其解包拆分為圖像數據、加速度數據、地磁數據和角速度數據；
[0056]步驟2.初始化階段，醫生將人工股骨頭試模2放入髖白并保持靜止，等待程序確認入曰；程序檢測到人工髖曰I內表面中心處的二維碼圖案也位于圖像數據的中心區域時，判斷人工股骨頭試模2已入白，完成初始化；
[0057]步驟3.自適應階段，圖像傳感器檢測人工髖曰I的尺寸及表面二維碼圖案分布，調整自身內部參數，完成自適應調整；
[0058]步驟4.靜態位置與姿態測量，醫生操作患者腿部保持試模在初始入白位置(或其他特定位置)靜止I秒，此階段圖像數據將被用于測算試模與人工髖白的相對位置、姿態，三軸加速度和地磁強度將被用于測算試模相對于大地的絕對位置、姿態，二者結合可得到人工髖關節的絕對位置、姿態；
[0059]步驟5.動態位置與姿態測量，醫生操作患者腿部在正常活動范圍內運動，此時圖像傳感器根據連續拍攝的圖像數據來描述運動，運動傳感器根據對加速度、角速度積分得到位移與轉動信息，二者存在數據冗余，經過卡爾曼濾波器融合后得到更為可靠、準確的位移和轉動數據；
[0060]步驟6.3D顯示，實時、動態地將人工股骨頭試模的位移和轉動呈現，醫生可從顯示器中看到人工股骨頭試模是否出現偏轉、與人工髖白邊緣碰撞甚至脫白等信息。
[0061]在上述軟件工作完成后，醫生能夠確保人工髖關節安裝后患者能擁有正常、舒適的腿部活動功能，將試模替換為高耐磨材料制造的人工股骨頭，裝入人體并進行縫合工作，全髖關節置換手術結束，而實`施例中的人工股骨頭試模作為一次性消耗品將被丟棄。
【權利要求】
1.全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，包括: 人工股骨頭試模，安裝于人工髖白內，其中人工髖白的內表面設置有多個各不相同的二維碼標識； 數據采集模塊，設置于人工股骨頭試模中，包括用于獲取自身位置與姿態的運動傳感器以及用于采集所述二維碼標識的圖像傳感器； 數據合并與處理模塊，設置于人工股骨頭試模中，用于將所述運動傳感器采集的運動數據偽裝成一行圖像數據，并替換掉圖像傳感器所采集的一幀圖像中的首行數據，使所有數據最終統一按圖像數據格式存儲在等待發送的緩沖區內，緩沖區以一幀數據為存儲/發送單位，存儲完一幀圖像后開始發送，發送完一幀圖像后再次存儲新的一幀圖像； 數據傳輸模塊，設置于人工股骨頭試模中，用于將所述緩沖區中的一幀數據發送至體外處理器； 體外處理器，接收所述數據傳輸模塊發送的數據，提取圖像數據和運動數據，獲得人工髖臼在人體內的安裝角度和人工股骨頭試模在髖臼內的位置與姿態。
2.根據權利要求1所述全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，所述人工髖白為金屬制造，在其內表面鍍有二維碼圖案陣列，當圖像傳感器拍到一幀圖像并發送至體外，體外處理器將分辨出圖像中的二維碼圖案個數、種類，從而判斷出此時人工股骨頭試模與人工髖白的相對位置。
3.根據權利要求1所述全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，所述人工股骨頭試模包括一個底座和一個透明的半球罩，半球罩位于人工髖白內，所述運動傳感器、圖像傳感器、數據合并與處理模塊和數據傳輸模塊設置于底座和半球罩之間，圖像傳感器的圖像采集部分采用朝向人工髖白的微距廣角鏡頭。
4.根據權利要求1所述全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，所述運動傳感器包括三軸加速度計、三軸磁力計和三軸陀螺儀。
5.根據權利要求1所述全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，所述數據合并與處理模塊由一個FPGA或MCU實現。
6.根據權利要求1所述全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，所述數據傳輸模塊采用wifi或者USB或者以太網線方式將數據外送。
7.根據權利要求1所述全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，所述體外處理器包括: 用于將來自數據傳輸模塊的數據拆解為圖像數據、加速度數據、地磁數據和角速度數據的數據提取模塊； 用于根據數據提取模塊的提取數據進行人工股骨頭試模和人工髖白的靜態與動態的位置與姿態測算的位置與姿態測算模塊； 用于融合根據圖像傳感器數據測算出的位置與姿態同根據運動傳感器數據測算出的位置與姿態之間數據冗余的數據融合模塊； 以及用于根據數據融合模塊的輸出數據，利用3D引擎渲染出人工髖臼在人體內的安裝角度和人工股骨頭試模在髖白內運動過程的3D顯示模塊。
8.根據權利要求1或7所述全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，所述體外處理器為計算機或平板電腦。
9.根據權利要求7所述全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，所述位置與姿態測算模塊中，對靜態位置與姿態進行測算時，保持人工髖關節靜止不動，根據圖像數據中出現的二維碼圖案個數和圖案種類，測算得到拍攝此幀圖像時人工股骨頭試模與人工髖白的相對位置；根據三軸加速度數據、地磁數據和重力加速度、地磁方向的夾角，測算出人工股骨頭試模相對于大地的絕對姿態；再通過將相對位置與絕對姿態結合，最終可測算出人工股骨頭試模和人工髖白靜態的、相對或絕對的位置與姿態。
10.根據權利要求7所述全髖關節置換術中髖關節內部實時可視輔助定位系統，其特征在于，所述位置與姿態測算模塊中，對動態位置與姿態進行測算時，圖像傳感器通過連續拍攝的圖像數據測算出連續運動的位置與姿態，運動傳感器通過在靜態位置與姿態上疊加位移、轉動得到動態的位置與姿態，位移通過三軸加速度積分得到，轉動通過三軸角速度積 分得到。
【文檔編號】A61B17/56GK103735303SQ201410007929
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月7日 優先權日:2014年1月7日
【發明者】陳虹, 蘇少杰, 高繼揚, 王志華 申請人:清華大學