CN101869504A

CN101869504A - 一种用于骨科手术的三维定向导向方法及其导向器

Info

Publication number: CN101869504A
Application number: CN 201010205000
Authority: CN
Inventors: 王智运; 赵硕峰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2030-06-18
Also published as: CN101869504B

Abstract

本发明公开了一种用于骨科手术的三维定向导向方法及其导向器，通过在手术器械上固定安装加速度传感器和磁场传感器，由加速度传感器获取手术器械各轴对应的重力加速度分量，磁场传感器获取手术器械各轴对应的磁场分量；再将获取的重力加速度分量和磁场分量转换为方位角和矢状角信息进行实时显示，根据显示的方位角和矢状角信息来进行实时三维定向导向。本发明可以在临床中辅助医护人员确定矢状角和方位角的大小，避免各种人为失误，同时，本发明体积小、便于携带；通过本发明，医护人员可以得到实时的位置准确信息提高手术的成功率。

Description

一种用于骨科手术的三维定向导向方法及其导向器

技术领域

本发明涉及一种用于骨科手术的三维定向导向方法；本发明还涉及一种使用该方法用作脊柱外科的颈、胸、腰椎弓根穿刺及螺钉固定等骨科手术中辅助装置的三维定向导向器。

背景技术

已有的骨外科手术操作中，穿刺技术应用极为广泛，特别是在进行脊柱外科的经椎弓根手术操作时，必须在唯一正确的骨性通道内进行穿刺，从而使螺钉或骨水泥等置入位置准确，故而要求临床医师能高精度地确定器械操作的矢状角和方位角。然而，目前一般都是靠医生眼观目测的经验来粗略估计角度的大小，因此，即使是经验很丰富的医生，也无法保证角度的完全正确或者基本准确。文献报道椎弓根螺钉的误置率介于10％-33.7％，并发症后果严重。矢状角不准确可能使椎弓根钉置于椎间盘或者伤及椎间孔内的神经根，导致内固定失效或感觉运动功能障碍；方位角(内倾角)过大或者过小，可使椎弓根钉进入椎管内或者穿出椎体外壁，伤及脊髓和腹内大血管及脏器，造成严重的后果。

专利号为9724488.1的中国实用新型专利、专利号为200620024102.8的中国实用新型专利、专利号为200920101434.5的中国实用新型专利公开了几种用于椎弓根固定手术的辅助装置，但基本上是同一个类型，差别在于材料，以及在实现工艺上的改进。其中，专利号为9724488.1的中国实用新型专利所公开一种机械式椎弓根固定手术的辅助装置：通过调节连接板和定位板上的螺栓和螺母来将定位板，连接板和弯板固定以保持调整好的角度和横向距离。手术时，固定弯板上的导向孔中的打孔器即所对位置。该辅助装置的不足之处在于：

1.在打孔之前，固定好角度和横向距离，不可能做到依据具体的个体的差异及时调整这个角度和横向距离。

2.整个装置由木头，螺钉和螺母构成。从本身的材料的物理特性很难保证其固有精度；再经过加工时的工具精度，同样影响其装置的精度。

3.在手术中医护人员的差异，很难要求每一个使用人员在读取刻度是遵守读取规则，从实际使用中又引入人为误差。

4.由于定位板和链接板，以及弯板是通过螺钉和螺母的方式固定，很难保证在使用前和使用中，不会由于外力的作用而产生相对位移，而造成定位角度上的偏差。

5.从其装置本身的构造的描述，决定其体积过大，不便携，不能提供动态的位置信息使医护人员根据个体差异及时调整角度满足具体情况要求，而且使用相对繁琐复杂。

6.其装置必须锚定于棘突等骨性结构之上，只适合于开放手术中相应的解剖标志获得清楚显露的情况之下，无法应用于目前广泛兴起的微创脊柱外科手术，如：经皮椎弓根螺钉固定术、经皮椎体成形术、经皮椎体后凸成形术等术式。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实时提示器械位置情况的三维定向导向方法，可以在临床中辅助医护人员准确确定器械位置的矢状角和方位角的大小，实现精确导向。

本发明的另一个目的在于提供实现上述方法的骨科手术三维定向导向器。

为实现本发明目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于骨科手术的三维定向导向方法，通过在手术器械上固定安装加速度传感器和磁场传感器，由加速度传感器获取手术器械各轴对应的重力加速度分量，磁场传感器获取手术器械各轴对应的磁场分量；再将获取的重力加速度分量和磁场分量转换为方位角和矢状角信息进行实时显示，根据显示的方位角和矢状角信息来进行实时三维定向导向。

本发明还通过设定测量参考点来实现实时导向校准，具体是将获得当前位置的方位角和矢状角信息保存，作为下次导向测量的测量参考点；并将该下次测量的角度信息与存储设定的测量参考点的角度信息的差值作为显示的内容。

本发明将获得的方位角和失状角信息通过无线传输到上位机处理并显示，提供更详细的信息，供医护人员参考。

本发明使用前，在使用环境中将固定有传感器绕的设备器械在水平方向上旋转一周，进行传感器自动校准，以获得更精确的数据。

本发明所述将获取的重力加速度分量和磁场分量转换为器械的方位角和矢状角信息所采用的计算方法为：

&angle; B = \arctan \frac{g (h_{x} g_{y} - h_{y} g_{x})}{h_{z} ({g_{x}}^{2} + {g_{y}}^{2}) - g_{z} (h_{x} g_{x} + h_{y} g_{y})}

其中：

g_{z} = \sqrt{g^{2} - {g_{x}}^{2} - {g_{y}}^{2}}

&angle; A = \arctan \frac{\sqrt{{g_{x}}^{2} + {g_{y}}^{2}}}{g_{z}}

其中，∠B为器械的方位角，∠A为矢状角，g_x，g_y，g_z分别为加速度传感器在x、y、z轴获得的分量，h_x，h_y，h_z为磁场传感器在x、y、z轴获得的分量。

一种使用权利要求1所述方法的骨科手术三维定位导向器，包括供电单元、由加速度传感器和磁场传感器组成的传感器单元、微控制处理器、和显示单元，固定于器械上的传感器单元获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，并传输至微控制器单元进行处理，转换为器械的方位角和矢状角信息，方位角和矢状角信息传输至显示单元显示。

本发明导向器还包括无线传输单元，通过无线数据传输单元将方位角和矢状角信息传输到上位机进行其它处理，同时并把相应数据在上位机上显示，以获得更多的信息，提供医护人员参考。

本发明所述的供电单元为无线充电式供电单元，包括前级部分和后级部分，前级部分与后级部分采用电磁感应方式连接，这样在供电电源用完时，不用拆卸充电，方便导向器的使用。

本发明所述无线供电单元的后级部分与所述的传感器单元、微控制器、无线数据传输单元封装为一体的印刷电路板固定于设备器械上，印刷电路板的中轴线与整个设备器械的中轴线重合的部位，以降低测量误差。

所述的加速度传感器可以采用二轴或三轴加速度传感器；所述的磁场传感器采用三轴磁场传感器。

本发明利用磁北方向和重力方向以及磁西方向建立一个地理坐标系，来作为本装置的绝对参考系。通过加速度传感器和磁场传感器测得在绝对坐标系下的器械实时重力分量和磁场分量，再通过器械体坐标系与地理坐标系之间的转换关系，经过数学变换，从而提取到方位角和矢状角信息。

本发明可以在临床中辅助医护人员准确确定矢状角和方位角的大小，实现实时导向，定位精度高；并可进行实时校准，避免了各种人为失误，同时，本发明体积小，便于携带。通过本发明，医护人员可以得到实时的位置准确信息提高手术的成功率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的组成框图；

图2为本发明所依据的两个坐标系，以及方位角和矢状角与这两个坐标系之间的关系示意图；

图3为本发明将地理坐标系转换成器械体坐标系的过程示意图；

图4为本发明实施例的输出结果的流程图。

具体实施方式

现在通过参考附图来较为完整的阐释本发明，其中示出本发明的示例性实施例。

本发明提出的一种用于骨科手术的三维定向导向方法，通过在手术器械上固定安装加速度传感器和磁场传感器，由加速度传感器获取手术器械各轴对应的重力加速度分量，磁场传感器获取手术器械各轴对应的磁场分量；再将获取的重力加速度分量和磁场分量转换为方位角和矢状角信息进行实时显示，根据显示的方位角和矢状角信息来进行实时三维定向导向。

将获取的重力加速度分量和磁场分量转换为器械的方位角和矢状角信息所采用的计算方法为：

&angle; B = \arctan \frac{g (h_{x} g_{y} - h_{y} g_{x})}{h_{z} ({g_{x}}^{2} + {g_{y}}^{2}) - g_{z} (h_{x} g_{x} + h_{y} g_{y})}

其中：

g_{z} = \sqrt{g^{2} - {g_{x}}^{2} - {g_{y}}^{2}}

&angle; A = \arctan \frac{\sqrt{{g_{x}}^{2} + {g_{y}}^{2}}}{g_{z}}

因为测量的是地理坐标系条件下，经过变换所得到的角度信息，而在一个具体的测量事件中，地理坐标系中的磁北极始终不变，而测量事件方位是随机的，一般由病人的所躺的方位以及病人自身的解剖位置等条件决定，因此实际导向过程中，通过选定测量参考点位置办法来方便外科手术医生实时获取所需导向信息。

一般需要测量一个参考点两侧的对称位置的角度信息，因此测量开始要定位这个位置点为参考位置，以方便找到其两边的对称位置上所需的位置的角度信息。具体是将获得当前位置的方位角和矢状角信息作为下次导向测量的测量参考点。可以通过保存当前的位置角度信息方式，来保存的当前位置就是所要设定的参考点。保存了参考点后，连续测量位置角度信息，并同时无线传输和显示。每进行一次这样的测量-显示-传输的周期后，检测一次是否需要重新设定测量参考点，测量周期可以重复进行。

为获得更高的测量精度，对传感器安装时进行校准，主要对各个传感器的各轴进行校准，即进行硬校准，然后将校准的因子固化到传感器的内存中，程序运行时可以调用；另一个是使用前，进行使用位置的半自动校准，使用者在使用环境中，将设备在水平位置缓慢的旋转一周，传感器可以自动记录相关数据，内部自动校准，并将校准因子保持，用于实际的测试。针对一个传感器，在工艺和元件一致性得到保证的情况下，可以用已知的传感器自带的校准因子代替。

可以将当前本次测量的角度信息与存储设定的测量参考点的角度信息的差值作为显示的内容，即本次测量相对于测量参考点的转换角或相对变化角，而不是实际的方位角和矢状角，因此，所显示的测量角度信息可为正，也可为负。为正时表示相对于参考点顺时钟旋转一个角度，而为负时则表示相对于参考点逆时针旋转一个角度。而在使用始初，由于没有设定参考点，这个参考点的初始值为0，因此在使用者没有设置新的测量参考点前，显示的数据就是实际方位角和矢状角。

利用上述方法的骨科手术三维定位导向器如图1，包括供电单元1、由加速度传感器2和磁场传感器3组成的传感器单元4、微控制器5、无线数据传输单元7和显示单元6，供电单元1给其他组成单元供电，固定于器械上的传感器单元4获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，并传输至微控制器单元5进行处理，转换为器械的方位角和矢状角信息，方位角和矢状角信息在显示单元实时显示；并通过无线数据传输单元7发送到上位机作进一步处理，以显示更详细的信息。

供电单元1分为前级部分和后级部分，前级部分和后级部分并不直接相连，而是通过电磁相互转换的原理将两者联系起来。前级部分是由AC-DC电路模块、初级线圈驱动电路、初级线圈构成；后级部分由次级线圈、整流滤波电路、稳压电路、锂电充电保护和提示电路构成。使用过程中，锂电池给其它单元供电，锂电电量不足时，会自动检测和提示使用者通过前级给后级充电。将无线供电单元1的后级部分与传感器单元4、微控制器5、和无线数据传输单元7封装为一体的印刷电路板，传感器应该布置在印刷电路板的中心位置；由于传感器易受铁性，磁性材料的影响，为了减少这种干扰，将无线数据传输单元布置在印刷电路板的末端，尽最大可能离传感器的最远处；在布置传感器周围的器件应避免在传感器四周围10毫米内出现；印刷电路板在设备器械上的固定位置，要保证印刷电路板的中轴线与整个设备器械的中轴线重合，否则将会给测量带来误差。整个印刷电路板不需要导线与外界联系，从而实现无线传输，无线传输相应数据在显示单元上显示，同时并把相应数据传输到上位机进行其它处理。上述供电单元1也可采用其他形式的常用工作电源，或独立的微型电池等。

上述传感器单元4中的加速度传感器2采用容式MEMS加速度传感器，本实施例中，我们采用的是ST(意法)公司加速度传感器，也可以使用其它公司的MEMS的加速度传感器，如：AD公司MEMS加速度传感器，飞思卡尔公司的MEMS加速度传感器。

传感器单元4中的磁场传感器3采用磁阻式磁场传感器，本实施例中使用的是ST(意法)公司的地磁集成模块，也可以使用霍尼韦尔公司HMC系列磁场计和Infineon公司的巨磁阻磁场计。

微控制器5为超低功耗高性能的微处理器，本实施例中我们使用TI公司的MSP430系列微处理器，也可以使用ATMEL公司、NXP公司、意法公司或AD公司的微处理器。

显示单元6采用的是小尺寸的液晶，有相应的中文提示字符和符号，当然也可以采取其它显示载体，显示单元可以安装于方便医护人员方便察看的器械上。

无线传输单元7采用TI公司的拥有业界最低功耗的射频(RF)芯片CC1000，也可以通过其它无线数据传输技术，如：红外、蓝牙、zigbee、WIFI等。

本发明的工作原理为：ST(意法)公司三轴加速度传感器用来获得器械在整个过程中的地理坐标系下的加速度分量；ST(意法)公司的三轴地磁集成模块传感器来获得整个过程中在地理坐标系下的磁场分量；MSP430系列微处理器将传感器单元4所获得的六个分量做相应的数学运算处理，获得矢状角和方位角的信息；按照用户指示来判别当前测量值是否需要储存还是需要通过小尺寸的液晶屏进行显示，并通过射频RF芯片CC1000构成的无线传输单元在433兆频段或其它频段与上位机进行数据交换。

图2为本发明中所依据的地理坐标系和器械体坐标系的示意图。该地理坐标系和器械体坐标系都是相互正交的笛卡尔坐标系。其中，器械体坐标系OX_bY_bZ_b定位于器械上，是随器械姿态变化而动的坐标系。其纵轴OZ_b为器械的轴向，指向器械的上端。OX_b和OY_b轴在径向平面内，彼此正交。另一个坐标系OX_rY_rZ_r是地理坐标系，OX_r轴指向地磁北，OY_r轴指向地磁西，OZ_r轴为地垂线，指向天。这是用于表示器械走向的参考坐标系。二坐标系符合右手规则。

根据定义，∠A器械矢状角是器械坐标系轴OZ_b与地理坐标系轴OZ_r之间的夹角。

地磁方位角是器械轴向OZ_b和地理坐标轴OZ_r所在平面OZ_bZ_r与地理坐标系指北轴OX_r和地理坐标系轴OZ_r所在平面OX_rZ_r之间的夹角，如图2中的∠B角，顺时针，从北向东转角为正。

工具面角是以器械坐标系OZ_b为轴，顺时针自旋转，从器械轴线OZ_b所在的地垂平面OZ_bZ_r转到由器械坐标系轴OZ_b和轴OX_b所在的平面OX_bZ_b之间的夹角∠C为工具面角，顺时针为正，又称重力工具面角，如图2中的∠C。

图3说明地理坐标系OX_rY_rZ_r经过三次坐标旋转后达到器械体的坐标系OX_bY_bZ_b的过程。

step1说明第一次旋转是以OZ_r为轴，将轴OX_r顺时针向东转动一个方位角∠B。转动后的坐标系OX₁Y₁Z₁，轴OZ_r与OZ₁轴重合。

step2说明第二次旋转是以OY₁为轴，使OZ₁(OZr)轴转动一个矢状角∠A至OZ₂，转动后的坐标系为OX₂Y₂Z₂，OY₂轴即是轴OY₁。

step3说明第三次旋转是以OZ₂为轴，顺时针旋转一个工具面角∠C。最后达到器械坐标系OX_bY_bZ_b。OZ_b轴即是轴OZ₂。

第三次旋转为自转，它改变工具面角，不改变地磁方位角和器械矢状角。第二次旋转，它只改变器械的矢状角，而地磁方位角不变，工具面角改变为零。可见方位角由第一次旋转角所决定，器械矢状角则由第二次旋转角所决定。第三次旋转角则为工具面角。

重力加速度g向量是在地理坐标系OZ_r轴上，而地磁场h向量则在OX_rZ_r平面内。h在OX_r上的水平分量为-h_N，在OZ_r轴上的垂直分量为h_N

骨科手术三维定位导向器可以采用三轴加速度传感器和三轴磁力传感器，也可以采用两轴加速度传感器和三轴磁力传感器。前者可以进行全方位姿态参数的检测，矢状角测量范围为0-180度。而后者只能在矢状角从0到约85度范围内进行姿态参数的检测。本实施例中采用的意法(ST)公司的三轴加速传感器和磁力传感器，故其矢状角测量范围在0-180度，方位角测量范围在0-360度。

由传感器4所得到加速度分量(g_x，g_y，g_z)和磁场分量(h_x，h_y，h_z)，依据上述地理坐标系和器械体坐标系变化过程与矢状角和方位角的关系，可以测得方位角，其计算公式：

&angle; B = \arctan \frac{g (h_{x} g_{y} - h_{y} g_{x})}{h_{z} ({g_{x}}^{2} + {g_{y}}^{2}) - g_{z} (h_{x} g_{x} + h_{y} g_{y})} - - - (1)

其中：

g_{z} = \sqrt{g^{2} - {g_{x}}^{2} - {g_{y}}^{2}}

矢状角，其计算公式：

&angle; A = \arctan \frac{\sqrt{{g_{x}}^{2} + {g_{y}}^{2}}}{g_{z}} - - - (2)

本发明还可结合使用软件，所述软件体现为计算机和微控制器可读介质上的可读代码。所述可读介质是任何数据储存装置，该储存装置能够储存其后可以有计算机和微处理器读取的数据。微处理器可读介质示例包括闪存(FLASH)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)；计算机可读介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、CD-ROM，磁带、光数据存储装置、以及载波(例如：通过因特网传输数据)。可读介质能够分布在连接到处理器的网络上，从而使可读代码分布式存储和执行。如图4，处理步骤包括：

(1)初始化：即设定测量参考点在寄存器中的保持值置零；

(2)加速度传感器获取各轴对应的重力加速度分量，磁场传感器获取各轴对应的磁场分量；

(3)将获取的重力加速度分量和磁场分量转换为所需的方位角和失状角信息；

(4)判断是否进行校准，即是否将当前位置作为下次测量的测量参考点，如果需要，将测量参考点在寄存器中的保持值更新为当前位置；

(5)将相对方位角和失状角信息在显示单元上显示，并通过无线传输单元传输到上位机。

本发明利用磁北方向和重力方向以及磁西方向建立一个地理坐标系，来作为本装置的绝对参考系。通过加速度传感器4和磁场传感器3测得在绝对坐标系下的器械实时三轴重力分量(g_x，g_y，g_z)和磁场分量(h_x，h_y，h_z)，再通过器械体坐标系与地理坐标系之间的转换关系，经过数学变换，就可以提取方位角和矢状角信息。

尽管参考本发明的示例性实施例来特别的说明，本领域的技术人员应该理解，上述实施例仅限于对本发明内容进行说明，而非限制本发明的保护范围，在不脱离本发明思想的前提下，对本发明进行等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于骨科手术的三维定向导向方法，其特征在于：通过在手术器械上固定安装加速度传感器和磁场传感器，由加速度传感器获取手术器械各轴对应的重力加速度分量，磁场传感器获取手术器械各轴对应的磁场分量；再将获取的重力加速度分量和磁场分量转换为方位角和矢状角信息进行实时显示，根据显示的方位角和矢状角信息来进行实时三维定向导向。

2.根据权利要求1所述的三维定向导向方法，其特征在于：还通过设定测量参考点来实现实时导向校准，具体是将获得当前位置的方位角和矢状角信息保存，作为下次导向测量的测量参考点；并将该下次测量的角度信息与存储设定的测量参考点的角度信息的差值作为显示的内容。

3.根据权利要求1所述的三维定向导向方法，其特征在于：将获得的方位角和失状角信息通过无线传输到上位机处理并显示。

4.根据权利要求1所述的三维定向导向方法，其特征在于：使用前，在使用环境中将固定有传感器绕的设备器械在水平方向上旋转一周，进行传感器自动校准。

5.根据权利要求1所述的三维定向导向方法，其特征在于：所述将获取的重力加速度分量和磁场分量转换为器械的方位角和矢状角信息所采用的计算方法为：

&angle; B = \arctan \frac{g (h_{x} g_{y} - h_{y} g_{x})}{h_{z} ({g_{x}}^{2} + {g_{y}}^{2}) - g_{z} (h_{x} g_{x} + h_{y} g_{y})}

其中：

g_{z} = \sqrt{g^{2} - {g_{x}}^{2} - {g_{y}}^{2}}

&angle; A = \arctan \frac{\sqrt{{g_{x}}^{2} + {g_{y}}^{2}}}{g_{z}}

6.一种使用权利要求1所述方法的骨科手术三维定位导向器，其特征在于：包括供电单元、由加速度传感器和磁场传感器组成的传感器单元、微控制处理器、和显示单元，固定于器械上的传感器单元获取地理坐标系下的加速度分量和磁场强度分量，并传输至微控制器单元进行处理，转换为器械的方位角和矢状角信息，方位角和矢状角信息输出到显示单元实时显示。

7.根据权利要求6所述的骨科手术三维定位导向器，其特征在于：还包括无线传输单元，通过无线数据传输单元将方位角和矢状角信息传输到上位机进行其它处理，同时并把相应数据在上位机上显示。

8.根据权利要求6或7所述的骨科手术三维定位导向器，其特征在于：所述的供电单元为无线充电式供电单元，包括前级部分和后级部分，前级部分与后级部分采用电磁感应方式连接。

9.根据权利要求8所述的骨科手术三维定位导向器，其特征在于：所述无线供电单元的后级部分与所述的传感器单元、微控制器、无线数据传输单元封装为一体的印刷电路板固定在设备器械上，印刷电路板的中轴线与整个设备器械的中轴线重合。

10.根据权利要求6所述的骨科手术三维定位导向器，其特征在于：所述的加速度传感器采用二轴或三轴加速度传感器；所述的磁场传感器采用三轴磁场传感器。