一种关节置换辅助截骨系统

技术领域

本申请涉及关节置换辅助截骨技术领域，特别是涉及一种关节置换辅助截骨系统。

背景技术

临床上患有膝关节疼痛的患者较多为早期骨关节炎伴随膝关节内翻畸形的情况由于患者先天或后天的因素，胫骨近端关节面或股骨远端关节面相对正常人内翻，导致关节呈内翻畸形，从而在负重时下肢力线即体重负重线经过膝关节内侧，使内侧膝关节承受较大应力，超过生理承受水平后则关节退变加速，进一步加重膝关节内翻，造成恶性循环。下肢力线为下肢中立位即髌骨位于下肢前方时股骨头中点到踝关节中点连线。正常人的下肢力线通常经过膝关节中点，因此对于早期关节退变不严重的膝关节内翻患者，可以通过对胫骨近端或股骨远端的截骨术来纠正下肢力线，使其位于膝关节中点或稍偏外侧的位置，从而分散膝关节内侧承受的应力，改善患者症状。

传统人工关节置换术主要依靠夹具系统进行切割定位，其精度主要取决于医生的经验，因而不可避免地存在误差，继而影响假体安装的精度及力线的重建。传统TKA常因手术失误导致力线偏离,从而出现假体磨损增加、假体不稳、术后疼痛甚至手术失败等多种问题，是TKA术后翻修的最常见原因。

同时，计算机导航和机器人辅助技术可以解决传统TKA中假体定位不精确的问题。但骨科手术机器人价格昂贵，手术成本相对较高；且体积较大，占用手术室大量空间，并且视野对其影响较大，会影响术中操作；安装不稳定，影响术中精准定位；操作灵活度不够，略显笨重等。

发明内容

基于此，针对上述技术问题，提供一种关节置换辅助截骨系统。

一种关节置换辅助截骨系统，所述系统包括：

第一测量模块，用于固定在假体器械的固定端，采集固定端位置数据；

第二测量模块，用于固定在假体器械的移动端，采集移动端初始位置数据，并采集移动端相对固定端位置的相对的角度数据和位移数据，形成模拟数据；

数据处理终端，与所述第一测量模块和第二测量模块建立有通信连接，并具有人机交互界面，用于接收模拟数据，将所述模拟数据进行解析，通过图像化和数字化的方式实时的显示在终端显示器中。

上述方案中，可选地，所述第一测量模块包括：后壳、设置在所述后壳内的电路板组件、设置在所述后壳上的开头、用于封闭所述后壳的前壳和底封，以及设置在所述前壳的前侧面上的面贴。

上述方案中，进一步可选地，所述电路板组件内部设有第一传感器，所述第一传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计。

上述方案中，进一步可选地，所述第二测量模块与所述第一测量模块内部构造相同，设置有第二传感器，所述第二传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计。

上述方案中，进一步可选地，所述采集移动端相对固定端位置的相对的角度数据具体包括：

设移动第二测量模块运动坐标A(a,b,c)，则有向量

获取加速度计、陀螺仪和磁力计的测量值；其中，所述速度计测量第二传感器移动时的线加速度；所述陀螺仪测量第二传感器移动时的角加速度；所述磁力计测量第二传感器移动时的磁场强度；

根据加速度计、陀螺仪和磁力计的测量值，计算向量

上述方案中，进一步可选地，所述计算向量

上述方案中，进一步可选地，所述采集移动端相对固定端位置的相对的角度数据和位移数据具体包括：

获取胫骨切骨平面与胫骨表面的相交曲线，设第二测量模块与第一测量模块所在坐标系为{G}，原始点坐标系为{B

根据三点标定法对胫骨姿态进行标定。

上述方案中，进一步可选地，所述对胫骨姿态进行标定之后，还包括：根据胫骨切骨平面姿态，确定股骨初始切骨平面姿态；

根据胫骨切骨平面切骨与股骨初始切骨平面的平行关系，在股骨远端暴露部分进行标定划线依照已知的各股骨切骨平面的相对关系标定股骨各平面；其中，所述各股骨切骨平面的相对关系为各相邻平面夹角均为15°。

上述方案中，进一步可选地，所述股骨各平面具体的标定过程如下：

保持标准的下肢力线，根据切骨完成后的胫骨切骨平面对股骨初始切骨平面进行标定划线；

利用三点标定的系统拾取不共线的三点，并记录其相应的空间位置坐标；

通过上位机进行股骨初始切骨平面的切骨姿态的求解，完成切骨动作；

根据各切骨平面间的相互关系，依次标定其余各平面的切骨姿态。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明基于对现有技术问题的进一步分析和研究，通过设置两个测量模块分别为第一测量模块和第二测量模块，并将第一测量模块固定在胫骨或股骨假体器械的固定端，将第二测量模块固定在假体器械的移动端。以及在第一测量模块设置有第一传感器，第二测量模块设置有第二传感器。医生可以通过移动第二测量模块，进行与第一测量模块相对的角度和位移，用两个传感器采集所述第二测量模块与第一测量模块相对的角度数据和位移数据，形成模拟数据并发送模拟数据给终端，最终，终端将所述模拟数据进行解析，通过图像化和数字化的方式实时的显示在终端显示器中。通过该方案，医生一边看终端显示图像根据需求一边移动第二测量模块，得到自己需要的角度或位移，为医生提供实时的截骨参考数据，从而达到精准测量、精准截骨的目标，与传统计算机辅助系统相比，本发明具有精确度更高，使用方便，费用较低等优点。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的关节置换辅助截骨系统的流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的关节置换辅助截骨系统的测量模块结构图；

图3为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨系统的测量模块内部构造图；

图4为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨装置的股骨标定使用场景图；

图5为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨装置的胫骨标定使用场景图；

图6为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨系统的测量模块内部构造图；

图7为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨系统的三点平面标定图；

图8为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨系统的胫骨标定示意图；

图9为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨系统的股骨初始切骨平面与胫骨切骨平面的关系图；

图10为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨系统的股骨标定划线图；

图11为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨系统的股骨初始切骨平面标定图；

图12为本发明一个实施例中提供的关节置换辅助截骨系统的标定流程图；

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种关节置换辅助截骨系统，以该系统应用于图1中的终端为例进行说明，包括以下步骤：

一种关节置换辅助截骨系统，所述系统包括：

第一测量模块，用于固定在假体器械的固定端，采集固定端位置数据。

如图3所示，其中，第一测量模块包括：面贴1、前壳2、电路板组件3、后壳4、开头6以及底封5。电路板组件内部设有第一传感器，所述第一传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计。

第二测量模块，用于固定在假体器械的移动端，采集移动端初始位置数据，并采集移动端相对固定端位置的相对的角度数据和位移数据，形成模拟数据；

其中，第二测量模块与所述第一测量模块内部构造相同，设置有第二传感器，所述第二传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计。第二测量模块包括：后壳、设置在所述后壳内的电路板组件、设置在所述后壳上的开头、用于封闭所述后壳的前壳和底封，以及设置在所述前壳的前侧面上的面贴。电路板组件内部设有第二传感器，所述第二传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计。

具体的，采集移动端相对固定端位置的相对的角度数据具体包括：设移动第二测量模块运动坐标A(a,b,c)，则有向量

计算向量

采集移动端相对固定端位置的相对的角度数据和位移数据具体包括：获取胫骨切骨平面与胫骨表面的相交曲线，设第二测量模块与第一测量模块所在坐标系为{G}，原始点坐标系为{B

股骨各平面具体的标定过程如下：保持标准的下肢力线，根据切骨完成后的胫骨切骨平面对股骨初始切骨平面进行标定划线。利用三点标定的系统拾取不共线的三点，并记录其相应的空间位置坐标。通过上位机进行股骨初始切骨平面的切骨姿态的求解，完成切骨动作。根据各切骨平面间的相互关系，依次标定其余各平面的切骨姿态。

数据处理终端，与所述第一测量模块和第二测量模块建立有通信连接，并具有人机交互界面，用于接收模拟数据，将所述模拟数据进行解析，通过图像化和数字化的方式实时的显示在终端显示器中。

其中，所述显示终端可以是电脑显示器，一般设置在手术室中，手术医生可以在患者身边进行一边移动第二测量模块，一边观察终端显示器(可以是电脑显示屏幕)，来达到自己想要的角度或者位移。

本发明通过设置两个测量模块分别为第一测量模块和第二测量模块，并将第一测量模块固定在胫骨或股骨假体器械的固定端，将第二测量模块固定在假体器械的移动端。以及在第一测量模块设置有第一传感器，第二测量模块设置有第二传感器。医生可以通过移动第二测量模块，进行与第一测量模块相对的角度和位移，用两个传感器采集所述第二测量模块与第一测量模块相对的角度数据和位移数据，形成模拟数据并发送模拟数据给终端，最终，终端将所述模拟数据进行解析，通过图像化和数字化的方式实时的显示在终端显示器中。通过该方案，医生一边看终端显示图像根据需求一边移动第二测量模块，得到自己需要的角度或位移，为医生提供实时的截骨参考数据，从而达到精准测量、精准截骨的目标，与传统计算机辅助系统相比，本发明具有精确度更高，使用方便，费用较低等优点。

在一个实施例中，关节置换术辅助截骨系统可用于人工关节置换术中关节重建姿态测量，包括力线测量，膝关节内外翻截骨角度测量，膝关节前后倾角度测量，通过在计算机终端实时以数值形式显示相对力线的切割角度，根据术前规划，辅助术者进行截骨指导，减少因术前关节畸形或术中技术失误而导致的失败，并获得满意的力线对齐角度，减少传统手术中存在的潜在异常角度数值，降低临床实践中假体植入错位的发生率。应用本辅助系统可保证假体植入位置的可靠性，降低手术相关并发症(如疼痛、活动不良)的发生率，延长关节假体的使用寿命，降低术后翻修率。

测量原理：通过两个惯性传感器，计算当前的姿态和位移，通过无线发送到外部接收装置，外部接收装置接收姿态数据和位移，经过算法处理后，实时计算当前的截骨角度，并图像化和数字化显示在计算机屏幕中。

本系统适用于术中截骨环节，为医生提供精准的截骨参考数据。在术中，共分为两个测量单元。分别为第一测量模块和第二测量模块，其中第一测量模块固定在胫骨或股骨假体器械的固定端；第二测量单元固定在假体器械的移动端。在测量使用时，医生移动第二测量单元，通过与第一测量模块进行相对的角度和姿态的位移。在第一测量模块和第二测量单元中，通过惯性传感器采集到的模拟数据，经过控制芯片的算法处理后，由蓝牙芯片将数据无线传输到外部接收器中，电脑终端将接收器收到的数据进行数据解析，并通过图像化和数字化的方式实时的显示在计算机客户端中，为医生提供实时的截骨参考数据，从而达到精准测量、精准截骨的目标。

具体软件实现系统：在正常情况下，胫骨、股骨的解剖轴线在膝关节中心处相交而形成一向外侧倾的夹角，称之为胫股角。经股骨干股骨解剖轴与下肢力线在膝关节中心相交形成平均约6°的外翻角，该角度随着股骨颈及股骨干长度的不同而稍有变化，变化范围大致在4°～9°而对于大多数患有严重膝关节疾病，且需要接受人工膝关节手术的患者来说，由于其膝关节出现一定程度的内/外翻，导致胫股角发生变化，进而使得下肢力线出现畸变，且只有通过手术中准确的测量与切骨，才能顺利完成下肢力线的重建，并避免术后的置换关节因受力不均而造成松动，这也正是辅助截骨系统的目的所在。

在辅助截骨系统全膝关节置换手术中，标定方式是严格按照胫骨、股骨的顺序依次完成。运动坐标A(a,b,c)，则有向量

微处理器根据加速度计、陀螺仪和磁力计的测量值，计算

式中，

设辅助截骨系统坐标系为{G}，原始点坐标系为{B

三点标定法具体步骤如下：在图7所示黑色划线上取任意不共线的三点A(x

股骨(下称辅助截骨系统)坐标系用矩阵{G}表示为：

其中：(i

求取辅助截骨系统坐标系相对于原始点坐标系的转换矩阵。选定辅助截骨系统坐标系的坐标原点A，则辅助截骨系统坐标系{G}相对于原始点坐标系{B

其中：(r

由于下肢力线为一条直线。股骨的标定需要以胫骨切骨平面作为参考。股骨初始切骨平面与胫骨切骨平面平行，且均与下肢力线正交，如图10所示。在胫骨切骨平面切骨完成之后，根据其与股骨初始切骨平面的平行关系，在股骨远端暴露部分进行标定划线，如图11所示。图11中，股骨黑色划线部分即为股骨初始切骨平面与股骨远端的相交曲线，且必须保证与胫骨切骨平面相平行。根据已知曲线，应用三点标定的方式完成股骨初始切骨平面标定，然后再依照已知的各股骨切骨平面的相对关系(即各相邻平面夹角均为15°)标定股骨各平面，如图12所示。股骨各平面具体的标定过程如下：首先，由医生扶正以保持正常的下肢力线，再根据切骨完成后的胫骨切骨平面对股骨初始切骨平面进行标定划线，利用三点标定的系统依次在划线上拾取不共线的三点A′、B′、C′，并记录其相应的空间位置坐标，如图12所示；然后通过上位机进行股骨初始切骨平面(图12所示平面①)的切骨姿态的求解，完成切骨动作；最后，根据图12中各切骨平面间的相互关系，依次确定其余各平面的切骨姿态。

应该理解的是，虽然图X-Y的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图X-Y中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，提供了一种关节置换辅助截骨装置，包括以下程序模块：

调用模块，用于响应于用户的第一输入，调用测量模块，所述测量模块包括第一测量模块和第二测量模块；所述第一测量模块固定在胫骨或股骨假体器械的固定端；第二测量模块固定在假体器械的移动端；所述第一测量模块设置有第一传感器，第二测量模块设置有第二传感器，移动模块，用于响应于用户的第二输入，移动第二测量模块，进行与第一测量模块相对的角度和位移；

采集模块，用于调用第一传感器和第二传感器，采集所述第二测量模块与第一测量模块相对的角度数据和位移数据，形成模拟数据。

显示模块，用于发送模拟数据给终端，终端将所述模拟数据进行解析，通过图像化和数字化的方式实时的显示在终端显示器中。

关于关节置换辅助截骨装置的具体限定可以参见上文中对于关节置换辅助截骨系统的限定，在此不再赘述。上述关节置换辅助截骨装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。