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1、(10)申请公布号 CN 102688097 A (43)申请公布日 2012.09.26 CN 102688097 A *CN102688097A* (21)申请号 201210148587.1 (22)申请日 2012.05.14 A61B 19/00(2006.01) A61B 17/56(2006.01) (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区 100084 信箱 82 分箱清华大学专利办公室 (72)发明人 王志华 陈虹 孙天佳 周一新 唐杞衡 刘鸣 苏少杰 (74)专利代理机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人 贾玉健 (54) 发明名称 人工髋。
2、关节置换术中髋臼及股骨头姿态获取 方法与系统 (57) 摘要 本发明为一种人工髋关节置换术中髋臼及股 骨头姿态获取方法及系统， 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情 况并将信号发出， 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。
3、， 大大提 高了髋关节置换术的成功率及手术疗效。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 一种人工髋关节置换术中髋臼及股骨头姿态获取方法， 其特征在于， 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。 2. 实现权利要求。
4、 1 所述姿态获取方法的系统， 其特征在于， 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。 3. 根据权利要求 2 所述的系统， 其特征在于， 所述外围电路包括 ： 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。
5、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。 4. 根据权利要求 2 所述的系统， 其特征在于， 所述外围电路包括 ： 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。
6、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。 5. 根据权利要求 2 所述的系统， 其特征在于， 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。 6. 根据权利要求 2 所述的系统， 其特征在于， 系统内置电池， 或者外接电源。 7. 根据权利要求 2 所述的系统， 其特征在于， 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。 8. 根据权利要求 7 所述的系统， 其特征在于， 所述安装孔在所述半球面上的分。
7、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。 9. 根据权利要求 8 所述的系统， 其特征在于， 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。 权 利 要 求 书 CN 102688097 A 2 2/2 页 3 10. 根据权利要求 7 所述的系统， 其特征在于， 所述半球面顶部安装孔中设置一个传感器 ； 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， 每圈设置十二个传感器， 每圈传感器相邻两。
8、孔 间隔 30分布 ； 其中， 第四圈还间隔着传感器分布了十二个接地点 ； 上述传感器为压力或者触碰传感器。 11. 根据权利要求 7 所述的系统， 其特征在于， 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。 12. 根据权利要求 11 所述的系统， 其特征在于， 所述外围电路设置于颈部的中空位置。 权 利 要 求 书 CN 102688097 A 3 1/4 页 4 人工髋关节置换术中髋臼及股骨头姿态获取方法与系统 技术领域 0001 本发明涉及医学电子技术领域， 具体涉及一种人工髋关节置换术中髋臼及。
9、股骨头 姿态获取方法与系统。 背景技术 0002 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。 0003 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。
10、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78 年甚至更短。 发明内容 0004 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人工髋关节置换术 中髋臼及股骨头姿态获取方法及系。
11、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。 0005 为了实现上述目的， 本发明采用的技术方案是 ： 0006 一种人工髋关节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。 0007 本发明同时提供了一种实现所述姿态获。
12、取方法的系统， 包括 ： 0008 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 / 或触碰传感器组成的传感器阵列 ； 0009 用于处理及发送传感器阵列所获信号的外围电路 ； 0010 以及， 0011 用于接收并显示外围电路所发信号的信号接收显示装置。 0012 所述外围电路包括 ： 说 明 书 CN 102688097 A 4 2/4 页 5 0013 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 ； 0014 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。
13、打包发送 ； 0015 第一无线收发模块， 接第一微处理器的输出， 将数据发送。 0016 所述信号接收显示装置包括 ： 0017 第二无线收发模块， 接收第一无线收发模块发送的数据 ； 0018 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 ； 0019 显示模块， 接第二微处理器， 显示其处理结果。 0020 也可以将上述第一微处理器的输出与第二微处理器的输入直接连接， 不用无线模 块， 用有线方式传输数据。 0021 本发明的系统还可以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。
14、关系。 0022 本发明的系统内置电池或者外接电源进行工作。 0023 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。 0024 所述安装孔在所述半球面上的分布如下 ： 0025 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。 0026 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。 0027 所述半球面顶部安装孔中设置一个传感器 ； 0028 从所述半球面顶部往下， 第一圈均布八个安装孔， 间隔设置共计四个传感器和四 个接地点 ； 00。
15、29 从所述半球面顶部往下， 第二至第五圈， 每圈设置十二个传感器， 每圈传感器相邻 两孔间隔 30分布 ； 其中， 第四圈还间隔着传感器分布了十二个接地点 ； 0030 上述传感器为压力或者触碰传感器。 0031 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。 0032 所述外围电路设置于颈部的中空位置。 0033 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 0034 图 1 为本发明所述系统的电原。
16、理框图。 0035 图 2 为本发明压力获取装置的机械机构示意图。 0036 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 说 明 书 CN 102688097 A 5 3/4 页 6 0037 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。 0038 本发明提供一种人工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并将信号发出， 接收 端接收该信号并在显示模块上显示。
17、， 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。 0039 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。 。
18、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。 0040 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传感器1及地线的安装孔， 传感器1安装于安 装孔并将引线 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。 0041 安装孔在所述半球面上的一种分布形式如图 3 所示 ： 0042 半球面顶部中心有一个安装孔 ； 0043 从顶部向下另有五圈对称的安。
19、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。 0044 传感器与地线在安装孔中的分布采取如下规则 ： 0045 半球面顶部安装孔中设置一个传感器 ； 0046 从半球面顶部往下， 第一圈均布八个安装孔， 间隔设置共计四个传感器和四个接 地点 ； 0047 从所述半球面顶部往下， 第二至第五圈， 每圈设置十二个传感器， 每圈传感器相邻 两孔间隔 30分布 ； 其中， 第四圈还间隔传感器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。 0048 同时， 半球面。
20、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。 0049 本发明系统的工作过程如下 ： 0050 医生先使用股骨头假体试模进行定位， 由于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。 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 。
21、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 说 明 书 CN 102688097 A 6 4/4 页 7 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。
22、分布情况， 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。 0051 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。 0052 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， 目的是感知股骨头假体试模与髋臼的接触及受力情况， 判断假体试模的位置是否 合适， 压力传感器和 / 或触碰传感器的具体分布位置可根据假体试模的大小等情况进行改 变。 说 明 书 CN 102688097 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102688097 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 102688097 A 9 。