胫骨截骨导航装置及胫骨偏角测量方法与流程

本发明涉及骨科辅助设备领域，更具体地说，涉及胫骨截骨导航装置及胫骨偏角测量方法。

背景技术：

关节置换手术往往是用一个或多个假体关节部件置换患者的关节。在膝关节置换过程中下肢侧力线是骨科医生比较关心的问题，根据下肢侧力线安放假体是手术成功的关键。对膝关节置换手术而言，若想提高成功率，使关节置换更准确，关键在于寻找人体胫骨侧力线位置。

目前，医生往往凭借个人经验判断人工关节接驳位置，基于经验和主观判断具有较大的不确定性和人为视差，易产生失误，有较大几率造成置换不当甚至失败，会导致疼痛、关节活动受限、松动、磨损和关节不稳定现象，给患者及其家属带来严重影响。或者是在关节置换的过程中使用复杂的计算机导航装置或者系统，其需要一个或多个计算机以及三维成像来跟踪人体中外科器械或界标的空间位置和/或运动；不仅成本高、设备庞大，而且下肢侧力线往往难以有效的测量。

特别是针对下肢侧力线的胫骨部分，目前还尚未出现专用的设备或仪器用来在胫骨截骨的过程中进行测量，使得胫骨截骨不准确，亟需开发出一种专门应用与胫骨截骨的导航测量装置，进而辅助完成关节的精确置换。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中，无法准确的测量和判断下肢侧力线的倾角情况的不足，提供胫骨截骨导航装置及胫骨偏角测量方法，通过导航单元和触碰单元的共同作用检测得到胫骨的倾角，进而确定下肢侧力线的情况；更进一步地的，可以实现单个导航模块对胫骨的倾角的测量，大大提高了检测的效率和准确性。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的胫骨截骨导航装置，包括固定单元、本体基座、定位单元、导航单元和触碰单元；

所述的定位单元设置于本体基座的顶部，该定位单元用于将本体基座进行定位；

所述固定单元设置于本体基座的一侧，固定单元用于将本体基座固定在胫骨上；

所述的导航单元设置于本体基座上，导航单元上设置有导航模块，该导航模块用于检测运动信号，如导航单元的运动信号；

导航单元的导航安装座通过连接杆与触碰单元相连接，触碰单元用于与脚踝内/外髁接触。

优选地，所述的导航模块为加速度传感器或者陀螺仪或者角速度传感器。

优选地，导航安装座和本体基座之间设置有转动轴，导航安装座通过该转动轴与本体基座相对转动。

优选地，所述连接杆包括第一连杆和第二连杆，第一连杆220的顶端与导航安装座的底部相连，第一连杆的底端设置有第二连杆，所述第二连杆的轴线方向与第一连杆垂直，所述第一连杆远离第二连杆的一端设置有触碰单元。

优选地，第一连杆为可伸缩杆，包括内杆和外杆，所述内杆和外杆内外配合，通过内杆和外杆之间的滑动实现第一连杆220的可伸缩；和/或

第二连杆相对于第一连杆沿第二连杆的轴向滑动设置，第一连杆的底端设置有驱动器，第二连杆可滑动地设置于驱动器内，所述驱动器用于驱动第二连杆沿第二连杆的轴向进行滑动。

优选地，第二连杆内设置有空腔，所述空腔的截面为矩形，所述矩形沿第二连杆轴向的长度为a，所述矩形沿垂直于第二连杆轴向方向的长度为b，所述a＝kb，其中1.65≤k≤2.53，且28mm≤a≤33mm，13mm≤b≤17mm。

优选地，触碰单元包括相对于第二连杆另一侧设置的前部触碰面以及沿第二连杆轴向两侧设置的内外髁触碰面。

优选地，所述前部触碰面为向触碰单元内部下凹的凹面，所述凹面为曲面，所述前部触碰面的曲面所在球面的球面半径为r，该66mm≤r≤72mm；和/或所述内外髁触碰面为向触碰单元内部下凹的凹面，所述凹面为曲面，所述内外髁触碰面的曲面所在球面的球面半径为r，该3mm≤r≤7mm。

基于胫骨截骨导航装置的胫骨偏角测量方法，将固定单元固定于胫骨上，且定位单元与胫骨结节对应；以胫骨底部内髁、外髁之间的前方位置为触碰单元的初始位置，以脚踝之间正前方位置为触碰单元的终点位置；驱动连接杆运动使得触碰单元初始位置接触，与此同时导航模块记录上述的运动信号；驱动连接杆运动使得触碰单元分别与胫骨底部的内髁、外髁分别接触，导航模块记录上述的运动信号；驱动连接杆运动使得触碰单元与终点位置接触，与此同时导航模块记录上述的运动信号；进而检测得到胫骨偏角的内外倾角或者左右倾角。

优选地，运动信号加速度信号、角速度信号。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的提供胫骨截骨导航装置，定位单元设置于本体基座的顶部，导航单元设置于本体基座上，导航单元上设置有导航模块，该导航模块检测导航单元的运动信号；导航单元的导航安装座通过连接杆与触碰单元相连接，触碰单元用于与脚踝内/外髁接触通过导航单元和触碰单元的共同作用检测得到胫骨的倾角，检测精度高，使用该胫骨截骨导航装置可以较为准确地确定下肢侧力线的情况；

(2)本发明的基于胫骨截骨导航装置的胫骨偏角测量方法，将固定单元固定于胫骨上，且定位单元与胫骨结节对应；以胫骨底部内髁、外髁之间的位置为检测的初始位置；驱动连接杆运动使得触碰单元初始位置接触、胫骨底部的内髁和外髁分别接触与此同时导航模块记录上述的运动信号；进而检测得到胫骨偏角的内外倾角或者左右倾角，该检测方式检测过程简单、易于操作，并且保证了检测结果的准确性。

附图说明

图1为本发明胫骨截骨导航装置的结构示意图；

图2为本发明胫骨截骨导航装置的连接杆结构示意图；

图3为本发明胫骨截骨导航装置的固定单元结构示意图；

图4为本发明胫骨截骨导航装置的固定板结构示意图

图5为本发明胫骨截骨导航装置的连接杆拆解结构示意图；

图6为本发明胫骨截骨导航装置的触碰单元结构示意图；

图7为本发明胫骨截骨导航装置的导航模块的结构示意图。

示意图中的标号说明：

110、固定单元；111、固定孔；112、固定钉；113、固定板；114、第一固定板；115、第二固定板；

120、本体基座；121、基座安装杆；122、转动轴；123、基座安装件；

130、定位单元；131、定位杆；132、定位件；

210、导航单元；211、导航安装座；212、导航安装槽；213、导航机械开关；214、导航锁钮；

220、第一连杆；221、驱动器；222、内杆；223、外杆；

230、第二连杆；

240、触碰单元；241、内外髁触碰面；242、传感器本体端部；243、前部触碰面；244、空腔；

250、导航模块；251、弹珠；

271、第一压力传感器；272、第二压力传感器。

具体实施方式

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

关节置换手术往往是用一个或多个假体关节部件置换患者的关节。在膝关节置换过程中下肢侧力线是骨科医生比较关心的问题，根据下肢侧力线安放假体是手术成功的关键。本实施例的胫骨截骨导航装置，结合图1，包括固定单元110、本体基座120、定位单元130、导航单元210和触碰单元240；定位单元130包括定位杆131和定位件132，定位件132设置于定位杆131的一端，定位杆131远离定位件132的位置与本体基座120相连。定位单元130的作用在于将本体基座120进行定位，定位基准在胫骨结节，通过定位件132在胫骨结节处固定设置，将定位杆131进行固定，再将定位杆131上的本体基座120进行定位。本实施例中定位件132为定位钉，定位杆131上设置有与该定位钉相配合的钉孔，定位钉通过该钉孔定位至胫骨结节处，并将定位杆131进行固定，从而实现定位杆131另一端本体基座120的固定连接；另外定位杆131上还可设置有其他的定位钉，以辅助对应设置于胫骨结节处定位钉的固定。此处需要说明的是，虽然此处描述的为定位杆131，但是定位杆131不能只理解为“杆”状，也可以为如长条板状或者甚至其他不规则形状，只需满足其通过定位件132对本体基座120的定位即可。

本实施例中，本体基座120的上部向上延伸设置有基座安装杆121，定位杆131远离定位件132的位置设置有基座安装件123，基座安装件123用于对基座安装杆121远离本体基座120的位置进行安装，本实施例中基座安装件123为安装孔，所述基座安装杆121通过安装孔安装固定在基座安装杆121上；或者所述基座安装件123也可以为齿条，基座安装杆121远离本体基座120的一端设置有与上述齿条相配合的齿条驱动套，所述齿条驱动套可沿齿条长度方向运动并在齿条长度方向上任意位置进行固定定位；或者基座安装杆121远离本体基座120的一端设置有杆套，该杆套即为基座安装件123，配合设置于定位杆131上，使得基座安装杆121可以沿定位杆131的轴向进行滑动，操作者通过手动即可滑动。

如图3所示，本体基座120靠近定位件132安装的一侧，设置有固定单元110，固定单元110包括固定板113，所述固定板113固定在本体基座120靠近定位件132安装的一侧，固定单元110上设置有固定孔111，固定孔111可设置有多个，固定单元110还包括固定钉112，所述固定钉112可插装于固定孔111内，通过将固定钉112插装于固定孔111内，使得固定板113固定在胫骨上。所述固定钉112可以为光面的固定钉和/或螺钉，如果为螺钉，固定该螺钉的固定孔111为螺孔。

另外，如图4所示，本实施例中固定板113包括第一固定板114和第二固定板115，第一固定板114远离胫骨的一侧与本体基座120相连，第二固定板115上设置有固定孔111，所述固定孔111的孔轴方向与第一固定板114所在面之间存在夹角β，所述40°≤β≤60°，本实施例中β＝50°。通过该设置，可以将本体基座120与胫骨更好的固定，提高后续的检测精度。

需要说明的是，所述本体基座120上还设置有导航单元210，所述导航单元210包括导航安装座211和导航模块250，本实施例中导航安装座211设置于本体基座120相对于固定单元110的另一侧，导航安装座211和本体基座120之间设置有转动轴122，所述转动轴122轴向与图1中的x方向平行，导航安装座211通过转动轴122可相对于本体基座120进行转动，转动平面与图1中的yz平面相平行；导航安装座211与本体基座120对应位置上设置有螺孔，螺孔内配合设置有导航锁钮214，通过旋转导航锁钮214，使得导航锁钮214紧压本体基座120，从而实现导航安装座211位置的固定。导航安装座211上设置有导航安装槽212，所述导航安装槽212可安装导航模块250，导航安装座211运动时，导航模块250用于检测运动参数，即检测导航单元210的运动信号，所述的导航模块250包括加速度传感器和/或陀螺仪和/或角速度传感器；另外，如图7所示，导航模块250上设置有弹珠251，导航安装座211上设置有与弹珠251相配合的定位孔，通过弹珠251与定位孔的配合，不仅提高导航模块250固定的稳定性，也提高其拆卸的便捷性。导航模块250中还可以包括微处理器，加速度传感器和/或陀螺仪和/或角速度传感器分别与所述微处理器电连接，微处理器用于处理加速度传感器和/或陀螺仪和/或角速度传感器收集的运动信号。

如图2所示，导航安装座211的下端设置有连接杆，导航安装座211通过连接杆与触碰单元240相连接，连接杆包括第一连杆220和第二连杆230，第一连杆220的顶端与导航安装座211的底部相连，第一连杆220远离导航安装座211的一端设置有第二连杆230，所述第二连杆230的轴线方向与第一连杆220垂直，所述第一连杆220远离第二连杆230的一端设置有触碰单元240。

本实施例中第一连杆220的轴线方向竖直向下，即与图1中的y方向平行；第二连杆230的轴线方向与图1中的x方向平行。值得一提的是，第一连杆220为可伸缩杆，如图5所示，本实施例中第一连杆220包括内杆222和外杆223，所述内杆222和外杆223内外配合，通过内杆222和外杆223之间的滑动实现第一连杆220的可伸缩，本实施例中内杆222的顶端与导航安装座211相连，外杆223的底端与第二连杆230相连。外杆223上设置有扳扣224，所述扳扣224用于固定内杆222与外杆223之间的相对位置，从而实现第一连杆220长度的确定。

另外第二连杆230可相对于第一连杆220沿第二连杆230的轴向进行滑动，从而使得触碰单元240与第一连杆220之间的距离可变。本实施例中，第一连杆220的底端设置有驱动器221，第二连杆230可滑动地设置于驱动器221内，所述驱动器221用于驱动第二连杆230沿第二连杆230的轴向进行滑动。本实施例中，第二连杆230上设置有齿条，驱动器221内设置有与齿条相配合的齿轮，驱动器221内还设置有驱动电机，所述驱动电机可驱动齿轮转动，齿轮转动通过齿条传动驱动第二连杆230进行滑动。当然，也可以不设置驱动器221，直接进行手动操作使得第二连杆230相对于第一连杆220进行滑动也可以。

如图6所示，所述第二连杆230内设置有空腔244，所述空腔244的截面为矩形，所述矩形沿第二连杆230轴向的长度为a，本实施例中a＝30mm，所述矩形沿垂直于第二连杆230轴向方向的长度为b，本实施例中b＝15，所述a＝kb，其中1.65≤k≤2.53，本实施例中k＝2。另外所述触碰单元240包括相对于第二连杆230另一侧设置的前部触碰面243以及沿第二连杆230轴向两侧设置的内外髁触碰面241，所述前部触碰面243为向触碰单元240内部下凹的凹面，所述凹面为曲面，所述曲面所在球面的球面半径为r，该66mm≤r≤72mm，本实施例中r＝70mm；内外髁触碰面241也为向触碰单元240内部下凹的凹面，所述凹面为曲面，所述曲面所在球面的球面半径为r，该3mm≤r≤7mm，本实施例中r＝5mm。

值得一提的是，前部触碰面243凹形底部可以设置有第一压力传感器271，内外髁触碰面241凹形底部设置有第二压力传感器272，在前部触碰面243或内外髁触碰面241与胫骨触碰过程中，第一压力传感器271或第二压力传感器272对压力进行检测，当压力传感器检测到设定值时，导航模块250对此时的运动参数进行收集，其精度更高。

本实施例的基于胫骨截骨导航装置的胫骨偏角测量方法，即为使用胫骨截骨导航装置测量偏角的方法，其步骤为：将固定单元110固定于胫骨上，且定位单元130与胫骨结节对应，并调节定位件132的高度将本体基座120通过固定板113固定在胫骨粗隆位置；并保持本体基座120在竖直位置。

而后调节第一连杆220的长度，使得触碰单元240的高度达到内髁、外髁之间的初始位置，并且调节驱动器221驱动第二连杆230沿x轴方向运动，使得触碰单元240的前部触碰面243与内髁、外髁之间的初始位置接触，同时保持第一连杆220的轴向与竖直方向平行，以胫骨底部内髁、外髁之间的位置为触碰单元240检测的初始位置，导航模块250此时记录初始位置运动信息。值得说明的是，初始位置为胫骨前方位置，初始位置其位于内踝和外踝中心线的前方。以胫骨底部内髁、外髁之间的前方位置为触碰单元240的初始位置，以脚踝之间正前方位置为触碰单元240的终点位置。

而后再分别两次调节驱动器221驱动第二连杆230沿x轴方向运动，使得触碰单元240分别与胫骨底部的内髁、外髁分别接触，导航模块250记录上述的运动信号；驱动连接杆运动使得触碰单元240再次与初始位置接触，与此同时导航模块250记录上述的运动信号，进而检测得到胫骨偏角的内外倾角或者左右倾角，运动信包括号加速度信号、角速度信号。

将固定单元110固定于胫骨上，且定位单元130与胫骨结节对应；以胫骨底部内髁、外髁之间的前方位置为触碰单元240的初始位置，以脚踝之间正前方位置为触碰单元240的终点位置；驱动连接杆运动使得触碰单元240初始位置接触，与此同时导航模块250记录上述的运动信号；驱动连接杆运动使得触碰单元240分别与胫骨底部的内髁、外髁分别接触，导航模块250记录上述的运动信号；驱动连接杆运动使得触碰单元240与终点位置接触，与此同时导航模块250记录上述的运动信号；进而检测得到胫骨偏角的内外倾角或者左右倾角。具体详细的方法如下：

先将胫骨倾角测量装置固定于胫骨上，将导航模块250放入校准工装中并在水平面上进行静止校准，将校准后的导航模块250安装在胫骨倾角测量装置内，安装在导航安装槽212中，其中所述的校准工装为公开号为：cn207007877u的校准工装。然后安装胫骨倾角测量装置，将固定单元110固定于胫骨的粗隆位置，且将定位单元130的定位杆131与胫骨结节对应，整体胫骨倾角测量装置保持竖直状态，然后根据待测量的胫骨的长度，调节第一连杆220，当第二连杆230能够基本与脚的内踝和外踝的连线平齐的位置时，然后调节第二连杆230，将此时触碰单元240恰好触碰到的胫骨的位置作为初始位置，然后开始进行胫骨倾角的测量。

测量胫骨的内外翻角时，需采集导航单元240触碰胫骨上三个位置时刻的运动参数，因为导航单元250中设置的运动传感器为加速度传感器，因此采集的运动参数为加速度数据。其中，这三个位置分别为：初始位置、胫骨内踝、胫骨外踝，调节第一连杆220和第二连杆230，使得触碰单元240分别触碰初始位置、胫骨内踝和胫骨外踝，导航单元240分别采集触碰单元240触碰上述三个位置时刻的加速度数据，具体表示为：

采集触碰单元触碰初始位置时刻的加速度：(x1，y1，z1)，其中x1、y1、z1分别是加速度沿三个坐标轴方向上的分量；值得说明的是，初始位置为胫骨前方位置，初始位置其位于内踝和外踝中心线的前方；

采集触碰单元触碰内踝位置时刻的加速度：(x2，y2，z2)，其中x2、y2、z2分别是加速度沿三个坐标轴方向上的分量；

采集触碰单元240触碰外踝位置时刻的加速度：(x3，y3，z3)，其中x3、y3、z3分别是沿加速度三个坐标轴方向上的分量。

然后根据上述三个位置的加速度数据计算胫骨内外翻角，具体计算方式为：

定义参考垂线，参考垂线是指在进行胫骨截骨手术中，会根据胫骨情况，确定的一根垂线，然后分别计算触碰单元240触碰初始位置、胫骨内踝、胫骨外踝这三个位置时，第一连接杆220的轴线与参考垂线的夹角α1、α2和α3。

触碰单元240触碰初始位置时刻，第一连杆220的轴线与参考垂线的夹角α1的计算公式为：

触碰单元240触碰内踝位置时刻，第一连杆220的轴线与参考垂线的夹角α2的计算公式为：

触碰单元240触碰外踝位置时刻，第一连杆220的轴线与参考垂线的夹角α3的计算公式为：

则胫骨的内外翻角α0为：

计算胫骨的前后倾角时，需要采集触碰单元240触碰胫骨上两个位置时刻的运动参数，这两个位置分别为：初始位置、胫骨内踝与外踝之间正前方位置，初始位置的运动参数在计算内外翻角时已经采集，可以直接使用，只需再采集胫骨内踝与外踝之间正前方位置运动参数即可。调节第一连杆220和第二连杆230，使得触碰单元240触碰胫骨内踝与外踝之间正前方位置，采集触碰单元240脚踝之间正前方位置时刻的加速度：(x4，y4，z4)，其中x4、y4、z4分别是沿加速度坐标系三个坐标轴方向上的分量，则采用如下公式计算胫骨的前后倾角γ0：

本发明的基于胫骨截骨导航装置的胫骨偏角测量方法，进而检测得到胫骨偏角的内外倾角或者左右倾角，该检测方式检测过程简单、易于操作，并且保证了检测结果的准确性。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。