專利名稱：一種用于骨科手術(shù)的三維定向?qū)蚍椒捌鋵?dǎo)向器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于骨科手術(shù)的三維定向?qū)蚍椒ǎ槐景l(fā)明還涉及一種使用該方法用作脊柱外科的頸、胸、腰椎弓根穿刺及螺釘固定等骨科手術(shù)中輔助裝置的三維定向?qū)?向器。
背景技術(shù)：
已有的骨外科手術(shù)操作中，穿刺技術(shù)應(yīng)用極為廣泛，特別是在進(jìn)行脊柱外科的經(jīng) 椎弓根手術(shù)操作時(shí)，必須在唯一正確的骨性通道內(nèi)進(jìn)行穿刺，從而使螺釘或骨水泥等置入 位置準(zhǔn)確，故而要求臨床醫(yī)師能高精度地確定器械操作的矢狀角和方位角。然而，目前一般 都是靠醫(yī)生眼觀目測(cè)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)粗略估計(jì)角度的大小，因此，即使是經(jīng)驗(yàn)很豐富的醫(yī)生，也無(wú) 法保證角度的完全正確或者基本準(zhǔn)確。文獻(xiàn)報(bào)道椎弓根螺釘?shù)恼`置率介于10% -33. 7%, 并發(fā)癥后果嚴(yán)重。矢狀角不準(zhǔn)確可能使椎弓根釘置于椎間盤或者傷及椎間孔內(nèi)的神經(jīng)根， 導(dǎo)致內(nèi)固定失效或感覺運(yùn)動(dòng)功能障礙；方位角(內(nèi)傾角)過(guò)大或者過(guò)小，可使椎弓根釘進(jìn)入 椎管內(nèi)或者穿出椎體外壁，傷及脊髓和腹內(nèi)大血管及臟器，造成嚴(yán)重的后果。專利號(hào)為9724488. 1的中國(guó)實(shí)用新型專利、專利號(hào)為200620024102. 8的中國(guó)實(shí)用 新型專利、專利號(hào)為200920101434. 5的中國(guó)實(shí)用新型專利公開了幾種用于椎弓根固定手 術(shù)的輔助裝置，但基本上是同一個(gè)類型，差別在于材料，以及在實(shí)現(xiàn)工藝上的改進(jìn)。其中，專 利號(hào)為9724488. 1的中國(guó)實(shí)用新型專利所公開一種機(jī)械式椎弓根固定手術(shù)的輔助裝置通 過(guò)調(diào)節(jié)連接板和定位板上的螺栓和螺母來(lái)將定位板，連接板和彎板固定以保持調(diào)整好的角 度和橫向距離。手術(shù)時(shí)，固定彎板上的導(dǎo)向孔中的打孔器即所對(duì)位置。該輔助裝置的不足 之處在于1.在打孔之前，固定好角度和橫向距離，不可能做到依據(jù)具體的個(gè)體的差異及時(shí) 調(diào)整這個(gè)角度和橫向距離。2.整個(gè)裝置由木頭，螺釘和螺母構(gòu)成。從本身的材料的物理特性很難保證其固有 精度；再經(jīng)過(guò)加工時(shí)的工具精度，同樣影響其裝置的精度。3.在手術(shù)中醫(yī)護(hù)人員的差異，很難要求每一個(gè)使用人員在讀取刻度是遵守讀取規(guī) 貝1J，從實(shí)際使用中又引入人為誤差。4.由于定位板和鏈接板，以及彎板是通過(guò)螺釘和螺母的方式固定，很難保證在使 用前和使用中，不會(huì)由于外力的作用而產(chǎn)生相對(duì)位移，而造成定位角度上的偏差。5.從其裝置本身的構(gòu)造的描述，決定其體積過(guò)大，不便攜，不能提供動(dòng)態(tài)的位置信 息使醫(yī)護(hù)人員根據(jù)個(gè)體差異及時(shí)調(diào)整角度滿足具體情況要求，而且使用相對(duì)繁瑣復(fù)雜。6.其裝置必須錨定于棘突等骨性結(jié)構(gòu)之上，只適合于開放手術(shù)中相應(yīng)的解剖標(biāo)志 獲得清楚顯露的情況之下，無(wú)法應(yīng)用于目前廣泛興起的微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)，如經(jīng)皮椎弓根 螺釘固定術(shù)、經(jīng)皮椎體成形術(shù)、經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)等術(shù)式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以實(shí)時(shí)提示器械位置情況的三維定向?qū)蚍椒ǎ梢?在臨床中輔助醫(yī)護(hù)人員準(zhǔn)確確定器械位置的矢狀角和方位角的大小，實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)向。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供實(shí)現(xiàn)上述方法的骨科手術(shù)三維定向?qū)蚱鳌閷?shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下一種用于骨科手術(shù)的三維定 向?qū)蚍椒ǎㄟ^(guò)在手術(shù)器械上固定安裝加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器，由加速度傳感器獲 取手術(shù)器械各軸對(duì)應(yīng)的重力加速度分量，磁場(chǎng)傳感器獲取手術(shù)器械各軸對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分量； 再將獲取的重力加速度分量和磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為方位角和矢狀角信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，根據(jù)顯 示的方位角和矢狀角信息來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)三維定向?qū)颉１景l(fā)明還通過(guò)設(shè)定測(cè)量參考點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)向校準(zhǔn)，具體是將獲得當(dāng)前位置的方 位角和矢狀角信息保存，作為下次導(dǎo)向測(cè)量的測(cè)量參考點(diǎn)；并將該下次測(cè)量的角度信息與 存儲(chǔ)設(shè)定的測(cè)量參考點(diǎn)的角度信息的差值作為顯示的內(nèi)容。本發(fā)明將獲得的方位角和失狀角信息通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)處理并顯示，提供更 詳細(xì)的信息，供醫(yī)護(hù)人員參考。本發(fā)明使用前，在使用環(huán)境中將固定有傳感器繞的設(shè)備器械在水平方向上旋轉(zhuǎn)一 周，進(jìn)行傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)，以獲得更精確的數(shù)據(jù)。本發(fā)明所述將獲取的重力加速度分量和磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為器械的方位角和矢狀角 信息所采用的計(jì)算方法為 其中g(shù)/ 其中，Z B為器械的方位角，Z A為矢狀角，gx，gy，gz分別為加速度傳感器在x、y、 ζ軸獲得的分量，hx，hy，hz為磁場(chǎng)傳感器在χ、y、ζ軸獲得的分量。一種使用權(quán)利要求1所述方法的骨科手術(shù)三維定位導(dǎo)向器，包括供電單元、由加 速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器組成的傳感器單元、微控制處理器、和顯示單元，固定于器械上的 傳感器單元獲取地理坐標(biāo)系下的加速度分量和磁場(chǎng)強(qiáng)度分量，并傳輸至微控制器單元進(jìn)行 處理，轉(zhuǎn)換為器械的方位角和矢狀角信息，方位角和矢狀角信息傳輸至顯示單元顯示。本發(fā)明導(dǎo)向器還包括無(wú)線傳輸單元，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元將方位角和矢狀角信 息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行其它處理，同時(shí)并把相應(yīng)數(shù)據(jù)在上位機(jī)上顯示，以獲得更多的信息，提 供醫(yī)護(hù)人員參考。本發(fā)明所述的供電單元為無(wú)線充電式供電單元，包括前級(jí)部分和后級(jí)部分，前級(jí) 部分與后級(jí)部分采用電磁感應(yīng)方式連接，這樣在供電電源用完時(shí)，不用拆卸充電，方便導(dǎo)向 器的使用。本發(fā)明所述無(wú)線供電單元的后級(jí)部分與所述的傳感器單元、微控制器、無(wú)線數(shù)據(jù) 傳輸單元封裝為一體的印刷電路板固定于設(shè)備器械上，印刷電路板的中軸線與整個(gè)設(shè)備器 械的中軸線重合的部位，以降低測(cè)量誤差。
所述的加速度傳感器可以采用二軸或三軸加速度傳感器；所述的磁場(chǎng)傳感器采用 三軸磁場(chǎng)傳感器。本發(fā)明利用磁北方向和重力方向以及磁西方向建立一個(gè)地理坐標(biāo)系，來(lái)作為本裝 置的絕對(duì)參考系。通過(guò)加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器測(cè)得在絕對(duì)坐標(biāo)系下的器械實(shí)時(shí)重力分 量和磁場(chǎng)分量，再通過(guò)器械體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換，從而提 取到方位角和矢狀角信息。本發(fā)明可以在臨床中輔助醫(yī)護(hù)人員準(zhǔn)確確定矢狀角和方位角的大小，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo) 向，定位精度高；并可進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，避免了各種人為失誤，同時(shí)，本發(fā)明體積小，便于攜帶。 通過(guò)本發(fā)明，醫(yī)護(hù)人員可以得到實(shí)時(shí)的位置準(zhǔn)確信息提高手術(shù)的成功率。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖1為本發(fā)明的組成框圖；圖2為本發(fā)明所依據(jù)的兩個(gè)坐標(biāo)系，以及方位角和矢狀角與這兩個(gè)坐標(biāo)系之間的 關(guān)系示意圖；圖3為本發(fā)明將地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成器械體坐標(biāo)系的過(guò)程示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的輸出結(jié)果的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在通過(guò)參考附圖來(lái)較為完整的闡釋本發(fā)明，其中示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本發(fā)明提出的一種用于骨科手術(shù)的三維定向?qū)蚍椒ǎㄟ^(guò)在手術(shù)器械上固定安 裝加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器，由加速度傳感器獲取手術(shù)器械各軸對(duì)應(yīng)的重力加速度分 量，磁場(chǎng)傳感器獲取手術(shù)器械各軸對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分量；再將獲取的重力加速度分量和磁場(chǎng)分 量轉(zhuǎn)換為方位角和矢狀角信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，根據(jù)顯示的方位角和矢狀角信息來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí) 三維定向?qū)颉@取的重力加速度分量和磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為器械的方位角和矢狀角信息所采用 的計(jì)算方法為 其中，Z B為器械的方位角，Z A為矢狀角，gx，gy，gz分別為加速度傳感器在x、y、 z軸獲得的分量，hx，hy，hz為磁場(chǎng)傳感器在x、y、z軸獲得的分量。因?yàn)闇y(cè)量的是地理坐標(biāo)系條件下，經(jīng)過(guò)變換所得到的角度信息，而在一個(gè)具體的 測(cè)量事件中，地理坐標(biāo)系中的磁北極始終不變，而測(cè)量事件方位是隨機(jī)的，一般由病人的所 躺的方位以及病人自身的解剖位置等條件決定，因此實(shí)際導(dǎo)向過(guò)程中，通過(guò)選定測(cè)量參考 點(diǎn)位置辦法來(lái)方便外科手術(shù)醫(yī)生實(shí)時(shí)獲取所需導(dǎo)向信息。
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一般需要測(cè)量一個(gè)參考點(diǎn)兩側(cè)的對(duì)稱位置的角度信息，因此測(cè)量開始要定位這個(gè) 位置點(diǎn)為參考位置，以方便找到其兩邊的對(duì)稱位置上所需的位置的角度信息。具體是將獲 得當(dāng)前位置的方位角和矢狀角信息作為下次導(dǎo)向測(cè)量的測(cè)量參考點(diǎn)。可以通過(guò)保存當(dāng)前的 位置角度信息方式，來(lái)保存的當(dāng)前位置就是所要設(shè)定的參考點(diǎn)。保存了參考點(diǎn)后，連續(xù)測(cè)量 位置角度信息，并同時(shí)無(wú)線傳輸和顯示。每進(jìn)行一次這樣的測(cè)量_顯示-傳輸?shù)闹芷诤螅瑱z 測(cè)一次是否需要重新設(shè)定測(cè)量參考點(diǎn)，測(cè)量周期可以重復(fù)進(jìn)行。為獲得更高的測(cè)量精度，對(duì)傳感器安裝時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，主要對(duì)各個(gè)傳感器的各軸進(jìn) 行校準(zhǔn)，即進(jìn)行硬校準(zhǔn)，然后將校準(zhǔn)的因子固化到傳感器的內(nèi)存中，程序運(yùn)行時(shí)可以調(diào)用； 另一個(gè)是使用前，進(jìn)行使用位置的半自動(dòng)校準(zhǔn)，使用者在使用環(huán)境中，將設(shè)備在水平位置緩 慢的旋轉(zhuǎn)一周，傳感器可以自動(dòng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)因子保持，用于實(shí) 際的測(cè)試。針對(duì)一個(gè)傳感器，在工藝和元件一致性得到保證的情況下，可以用已知的傳感器 自帶的校準(zhǔn)因子代替。
可以將當(dāng)前本次測(cè)量的角度信息與存儲(chǔ)設(shè)定的測(cè)量參考點(diǎn)的角度信息的差值作 為顯示的內(nèi)容，即本次測(cè)量相對(duì)于測(cè)量參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)換角或相對(duì)變化角，而不是實(shí)際的方位 角和矢狀角，因此，所顯示的測(cè)量角度信息可為正，也可為負(fù)。為正時(shí)表示相對(duì)于參考點(diǎn)順 時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，而為負(fù)時(shí)則表示相對(duì)于參考點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。而在使用始初，由 于沒有設(shè)定參考點(diǎn)，這個(gè)參考點(diǎn)的初始值為0，因此在使用者沒有設(shè)置新的測(cè)量參考點(diǎn)前， 顯示的數(shù)據(jù)就是實(shí)際方位角和矢狀角。利用上述方法的骨科手術(shù)三維定位導(dǎo)向器如圖1，包括供電單元1、由加速度傳感 器2和磁場(chǎng)傳感器3組成的傳感器單元4、微控制器5、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元7和顯示單元6， 供電單元1給其他組成單元供電，固定于器械上的傳感器單元4獲取地理坐標(biāo)系下的加速 度分量和磁場(chǎng)強(qiáng)度分量，并傳輸至微控制器單元5進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為器械的方位角和矢狀 角信息，方位角和矢狀角信息在顯示單元實(shí)時(shí)顯示；并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元7發(fā)送到上 位機(jī)作進(jìn)一步處理，以顯示更詳細(xì)的信息。供電單元1分為前級(jí)部分和后級(jí)部分，前級(jí)部分和后級(jí)部分并不直接相連，而是 通過(guò)電磁相互轉(zhuǎn)換的原理將兩者聯(lián)系起來(lái)。前級(jí)部分是由AC-DC電路模塊、初級(jí)線圈驅(qū)動(dòng) 電路、初級(jí)線圈構(gòu)成；后級(jí)部分由次級(jí)線圈、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、鋰電充電保護(hù)和提示 電路構(gòu)成。使用過(guò)程中，鋰電池給其它單元供電，鋰電電量不足時(shí)，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)和提示使用 者通過(guò)前級(jí)給后級(jí)充電。將無(wú)線供電單元1的后級(jí)部分與傳感器單元4、微控制器5、和無(wú) 線數(shù)據(jù)傳輸單元7封裝為一體的印刷電路板，傳感器應(yīng)該布置在印刷電路板的中心位置； 由于傳感器易受鐵性，磁性材料的影響，為了減少這種干擾，將無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元布置在印 刷電路板的末端，盡最大可能離傳感器的最遠(yuǎn)處；在布置傳感器周圍的器件應(yīng)避免在傳感 器四周圍10毫米內(nèi)出現(xiàn)；印刷電路板在設(shè)備器械上的固定位置，要保證印刷電路板的中軸 線與整個(gè)設(shè)備器械的中軸線重合，否則將會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。整個(gè)印刷電路板不需要導(dǎo)線 與外界聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，無(wú)線傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)在顯示單元上顯示，同時(shí)并把相應(yīng)數(shù)據(jù) 傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行其它處理。上述供電單元1也可采用其他形式的常用工作電源，或獨(dú)立 的微型電池等。上述傳感器單元4中的加速度傳感器2采用容式MEMS加速度傳感器，本實(shí)施例 中，我們采用的是ST (意法)公司加速度傳感器，也可以使用其它公司的MEMS的加速度傳感器，如AD公司MEMS加速度傳感器，飛思卡爾公司的MEMS加速度傳感器。傳感器單元4中的磁場(chǎng)傳感器3采用磁阻式磁場(chǎng)傳感器，本實(shí)施例中使用的是 ST (意法)公司的地磁集成模塊，也可以使用霍尼韋爾公司HMC系列磁場(chǎng)計(jì)和Infineon公 司的巨磁阻磁場(chǎng)計(jì)。微控制器5為超低功耗高性能的微處理器，本實(shí)施例中我們使用TI公司的MSP430 系列微處理器，也可以使用ATMEL公司、NXP公司、意法公司或AD公司的微處理器。顯示單元6采用的是小尺寸的液晶，有相應(yīng)的中文提示字符和符號(hào)，當(dāng)然也可以 采取其它顯示載體，顯示單元可以安裝于方便醫(yī)護(hù)人員方便察看的器械上。無(wú)線傳輸單元7采用TI公司的擁有業(yè)界最低功耗的射頻(RF)芯片CC1000，也可 以通過(guò)其它無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，如紅外、藍(lán)牙、zigbee、WIFI等。本發(fā)明的工作原理為ST(意法)公司三軸加速度傳感器用來(lái)獲得器械在整個(gè)過(guò) 程中的地理坐標(biāo)系下的加速度分量；ST (意法)公司的三軸地磁集成模塊傳感器來(lái)獲得整 個(gè)過(guò)程中在地理坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)分量；MSP430系列微處理器將傳感器單元4所獲得的六個(gè) 分量做相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算處理，獲得矢狀角和方位角的信息；按照用戶指示來(lái)判別當(dāng)前測(cè)量 值是否需要儲(chǔ)存還是需要通過(guò)小尺寸的液晶屏進(jìn)行顯示，并通過(guò)射頻RF芯片CC1000構(gòu)成 的無(wú)線傳輸單元在433兆頻段或其它頻段與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖2為本發(fā)明中所依據(jù)的地理坐標(biāo)系和器械體坐標(biāo)系的示意圖。該地理坐標(biāo)系和 器械體坐標(biāo)系都是相互正交的笛卡爾坐標(biāo)系。其中，器械體坐標(biāo)系0XbYbZb定位于器械上， 是隨器械姿態(tài)變化而動(dòng)的坐標(biāo)系。其縱軸0Zb為器械的軸向，指向器械的上端。0Xb和0Yb 軸在徑向平面內(nèi)，彼此正交。另一個(gè)坐標(biāo)系om是地理坐標(biāo)系，軸指向地磁北，01軸 指向地磁西，軸為地垂線，指向天。這是用于表示器械走向的參考坐標(biāo)系。二坐標(biāo)系符 合右手規(guī)則。根據(jù)定義，Z A器械矢狀角是器械坐標(biāo)系軸0Zb與地理坐標(biāo)系軸之間的夾角。地磁方位角是器械軸向0Zb和地理坐標(biāo)軸所在平面0Zb&與地理坐標(biāo)系指北軸 0Xr和地理坐標(biāo)系軸04所在平面0H之間的夾角，如圖2中的Z B角，順時(shí)針，從北向東 轉(zhuǎn)角為正。工具面角是以器械坐標(biāo)系0Zb為軸，順時(shí)針自旋轉(zhuǎn)，從器械軸線0Zb所在的地垂平 面ozb&轉(zhuǎn)到由器械坐標(biāo)系軸ozb和軸oxb所在的平面oxbzb之間的夾角Z C為工具面角，順 時(shí)針為正，又稱重力工具面角，如圖2中的Z C。圖3說(shuō)明地理坐標(biāo)系OXJ,Z,經(jīng)過(guò)三次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后達(dá)到器械體的坐標(biāo)系OXbYbZb的 過(guò)程。stepl說(shuō)明第一次旋轉(zhuǎn)是以為軸，將軸OXJ質(zhì)時(shí)針向東轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)方位角Z B。 轉(zhuǎn)動(dòng)后的坐標(biāo)系OXJiZi，軸0Zr與OZi軸重合。st印2說(shuō)明第二次旋轉(zhuǎn)是以O(shè)A為軸，使OZi (OZr)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)矢狀角Z A至0Z2， 轉(zhuǎn)動(dòng)后的坐標(biāo)系為0X2Y2Z2，0Y2軸即是軸OYi。st印3說(shuō)明第三次旋轉(zhuǎn)是以0Z2為軸，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)工具面角Z C。最后達(dá)到器 械坐標(biāo)系0XbYbZb。0Zb軸即是軸0Z2。第三次旋轉(zhuǎn)為自轉(zhuǎn)，它改變工具面角，不改變地磁方位角和器械矢狀角。第二次旋 轉(zhuǎn)，它只改變器械的矢狀角，而地磁方位角不變，工具面角改變?yōu)榱恪？梢姺轿唤怯傻谝淮涡D(zhuǎn)角所決定，器械矢狀角則由第二次旋轉(zhuǎn)角所決定。第三次旋轉(zhuǎn)角則為工具面角。重力加速度g向量是在地理坐標(biāo)系OZr軸上，而地磁場(chǎng)h向量則在O^平面內(nèi)。h在上的水平分量為_hN，在軸上的垂直分量為hN骨科手術(shù)三維定位導(dǎo)向器可以采用三軸加速度傳感器和三軸磁力傳感器，也可以 采用兩軸加速度傳感器和三軸磁力傳感器。前者可以進(jìn)行全方位姿態(tài)參數(shù)的檢測(cè)，矢狀角 測(cè)量范圍為0-180度。而后者只能在矢狀角從0到約85度范圍內(nèi)進(jìn)行姿態(tài)參數(shù)的檢測(cè)。本 實(shí)施例中采用的意法(ST)公司的三軸加速傳感器和磁力傳感器，故其矢狀角測(cè)量范圍在 0-180度，方位角測(cè)量范圍在0-360度。由傳感器4所得到加速度分量(gx，gy，gz)和磁場(chǎng)分量(hx，hy，hz)，依據(jù)上述地理坐 標(biāo)系和器械體坐標(biāo)系變化過(guò)程與矢狀角和方位角的關(guān)系，可以測(cè)得方位角，其計(jì)算公式 其中 矢狀角，其計(jì)算公式 本發(fā)明還可結(jié)合使用軟件，所述軟件體現(xiàn)為計(jì)算機(jī)和微控制器可讀介質(zhì)上的可讀 代碼。所述可讀介質(zhì)是任何數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置，該儲(chǔ)存裝置能夠儲(chǔ)存其后可以有計(jì)算機(jī)和微處 理器讀取的數(shù)據(jù)。微處理器可讀介質(zhì)示例包括閃存(FLASH)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ) 器(ROM)；計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的示例包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、CD-ROM，磁帶、 光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置、以及載波(例如通過(guò)因特網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù))。可讀介質(zhì)能夠分布在連接到處 理器的網(wǎng)絡(luò)上，從而使可讀代碼分布式存儲(chǔ)和執(zhí)行。如圖4，處理步驟包括(1)初始化即設(shè)定測(cè)量參考點(diǎn)在寄存器中的保持值置零；(2)加速度傳感器獲取各軸對(duì)應(yīng)的重力加速度分量，磁場(chǎng)傳感器獲取各軸對(duì)應(yīng)的 磁場(chǎng)分量；(3)將獲取的重力加速度分量和磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為所需的方位角和失狀角信息；(4)判斷是否進(jìn)行校準(zhǔn)，即是否將當(dāng)前位置作為下次測(cè)量的測(cè)量參考點(diǎn)，如果需 要，將測(cè)量參考點(diǎn)在寄存器中的保持值更新為當(dāng)前位置；(5)將相對(duì)方位角和失狀角信息在顯示單元上顯示，并通過(guò)無(wú)線傳輸單元傳輸?shù)?上位機(jī)。本發(fā)明利用磁北方向和重力方向以及磁西方向建立一個(gè)地理坐標(biāo)系，來(lái)作為本裝 置的絕對(duì)參考系。通過(guò)加速度傳感器4和磁場(chǎng)傳感器3測(cè)得在絕對(duì)坐標(biāo)系下的器械實(shí)時(shí)三 軸重力分量(gx，gy，gz)和磁場(chǎng)分量(hx，hy，hz)，再通過(guò)器械體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的 轉(zhuǎn)換關(guān)系，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換，就可以提取方位角和矢狀角信息。盡管參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例來(lái)特別的說(shuō)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，上 述實(shí)施例僅限于對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明，而非限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，在不脫離本發(fā)明思 想的前提下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行等效替換，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種用于骨科手術(shù)的三維定向?qū)蚍椒ǎ涮卣髟谟谕ㄟ^(guò)在手術(shù)器械上固定安裝加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器，由加速度傳感器獲取手術(shù)器械各軸對(duì)應(yīng)的重力加速度分量，磁場(chǎng)傳感器獲取手術(shù)器械各軸對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分量；再將獲取的重力加速度分量和磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為方位角和矢狀角信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，根據(jù)顯示的方位角和矢狀角信息來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)三維定向?qū)颉?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維定向?qū)蚍椒ǎ涮卣髟谟谶€通過(guò)設(shè)定測(cè)量參考點(diǎn)來(lái) 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)向校準(zhǔn)，具體是將獲得當(dāng)前位置的方位角和矢狀角信息保存，作為下次導(dǎo)向測(cè) 量的測(cè)量參考點(diǎn)；并將該下次測(cè)量的角度信息與存儲(chǔ)設(shè)定的測(cè)量參考點(diǎn)的角度信息的差值 作為顯示的內(nèi)容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維定向?qū)蚍椒ǎ涮卣髟谟趯@得的方位角和失狀角 信息通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)處理并顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維定向?qū)蚍椒ǎ涮卣髟谟谑褂们埃谑褂铆h(huán)境中將固 定有傳感器繞的設(shè)備器械在水平方向上旋轉(zhuǎn)一周，進(jìn)行傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維定向?qū)蚍椒ǎ涮卣髟谟谒鰧@取的重力加速度 分量和磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為器械的方位角和矢狀角信息所采用的計(jì)算方法為 其中，Z B為器械的方位角，Z A為矢狀角，gx，gy，gz分別為加速度傳感器在x、y、z軸 獲得的分量，hx，hy，hz為磁場(chǎng)傳感器在x、y、z軸獲得的分量。
6.一種使用權(quán)利要求1所述方法的骨科手術(shù)三維定位導(dǎo)向器，其特征在于包括供電 單元、由加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器組成的傳感器單元、微控制處理器、和顯示單元，固定 于器械上的傳感器單元獲取地理坐標(biāo)系下的加速度分量和磁場(chǎng)強(qiáng)度分量，并傳輸至微控制 器單元進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為器械的方位角和矢狀角信息，方位角和矢狀角信息輸出到顯示單 元實(shí)時(shí)顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的骨科手術(shù)三維定位導(dǎo)向器，其特征在于還包括無(wú)線傳輸單 元，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元將方位角和矢狀角信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行其它處理，同時(shí)并把 相應(yīng)數(shù)據(jù)在上位機(jī)上顯示。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的骨科手術(shù)三維定位導(dǎo)向器，其特征在于所述的供電單 元為無(wú)線充電式供電單元，包括前級(jí)部分和后級(jí)部分，前級(jí)部分與后級(jí)部分采用電磁感應(yīng) 方式連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的骨科手術(shù)三維定位導(dǎo)向器，其特征在于所述無(wú)線供電單元 的后級(jí)部分與所述的傳感器單元、微控制器、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元封裝為一體的印刷電路板 固定在設(shè)備器械上，印刷電路板的中軸線與整個(gè)設(shè)備器械的中軸線重合。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的骨科手術(shù)三維定位導(dǎo)向器，其特征在于所述的加速度傳感 器采用二軸或三軸加速度傳感器；所述的磁場(chǎng)傳感器采用三軸磁場(chǎng)傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于骨科手術(shù)的三維定向?qū)蚍椒捌鋵?dǎo)向器，通過(guò)在手術(shù)器械上固定安裝加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器，由加速度傳感器獲取手術(shù)器械各軸對(duì)應(yīng)的重力加速度分量，磁場(chǎng)傳感器獲取手術(shù)器械各軸對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分量；再將獲取的重力加速度分量和磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為方位角和矢狀角信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，根據(jù)顯示的方位角和矢狀角信息來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)三維定向?qū)颉１景l(fā)明可以在臨床中輔助醫(yī)護(hù)人員確定矢狀角和方位角的大小，避免各種人為失誤，同時(shí)，本發(fā)明體積小、便于攜帶；通過(guò)本發(fā)明，醫(yī)護(hù)人員可以得到實(shí)時(shí)的位置準(zhǔn)確信息提高手術(shù)的成功率。
文檔編號(hào)A61B17/56GK101869504SQ201010205000
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者王智運(yùn), 趙碩峰 申請(qǐng)人:王智運(yùn);趙碩峰