一种基于惯性导航的髋臼打磨钻孔三维角度实时测量装置及标定方法与流程

本发明涉及医疗电子设备的，尤其涉及一种基于惯性导航的髋臼打磨钻孔三维角度实时测量装置及标定方法。

背景技术：

1、目前，全髋关节置换、翻修及相关髋臼侧骨面处理过程中，髋臼打磨、钻孔或导向针置入方向会影响髋臼杯安放角度、骨床受力分布以及术后关节稳定性。实际手术中，医生通常需要同时观察手术视野、手持器械姿态和患者骨性标志，因此对器械轴线角度的实时反馈提出了较高要求。

2、现有辅助方式主要包括机械导向器、光学导航系统、术前定制导板以及简单水平仪式角度计。机械导向器结构直观，但读数依赖术者视角和经验，难以连续反馈动态角度；光学导航系统可以提供空间位姿，但设备成本高、布置复杂，且反光标记容易被术者、器械或无菌帘遮挡；术前定制导板依赖影像规划和骨面贴合，术中若出现骨赘、软组织遮挡或骨面处理变化，导板位置偏差会直接传递为角度误差。

3、对于安装在手术电钻或打磨手柄上的普通电子倾角仪，其输出多为相对于重力方向或地理坐标的绝对角度，不能有效消除器械装夹方向、屏幕安装方向以及电钻绕自身轴线旋转带来的干扰。在髋臼钻孔或打磨场景中，临床真正关注的是钻杆或打磨杆轴线相对于术中参考姿态的前倾、外展等方向变化，而绕该轴线的自旋角通常不改变孔道或磨削轴线方向。若将横滚自旋一并显示，反而会增加术者理解负担。

4、针对上述的相关技术，有必要提供一种低成本、无遮挡、可快速装夹、可相对归零并能直接输出临床关注角度的手持式测量装置。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于惯性导航的髋臼打磨钻孔三维角度实时测量装置及标定方法，本发明能够利用惯性测量单元实时获取姿态变化，通过微控制器完成轴线角度解算和横滚冗余滤除，并以屏幕或提示信号向术者提供连续反馈，同时应具备适合手术器械使用的供电、充电、按键和电路集成结构。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种基于惯性导航的髋臼打磨钻孔三维角度实时测量装置，包括刚性壳体、夹持接口和电路载板，所述夹持接口安装在刚性壳体的一侧，夹持接口用于将刚性壳体与手术电钻、髋臼打磨器或导向杆形成可拆卸的刚性连接，使得刚性壳体内部的测量坐标系与器械工作轴保持固定的相对变换关系；

4、所述电路载板置于刚性壳体的内部，电路载板上设有惯性测量单元、数据处理单元、显示与提示单元、归零触发单元和电源管理单元；

5、惯性测量单元用于采集三轴角速度数据和三轴加速度数据；

6、数据处理单元与惯性测量单元电性连接，数据处理单元被配置为执行以下操作：响应于归零指令，记录当前的姿态信息作为基准姿态；根据惯性测量单元实时采集的数据更新当前姿态；计算当前姿态相对于基准姿态的相对旋转；基于相对旋转和测量坐标系与器械工作轴的固定变换关系，提取器械工作轴在当前空间下的方向向量；将方向向量投影至预设的临床参考平面，计算得到前倾角和外展角，并抑制绕器械工作轴自旋产生的横滚角分量；

7、显示与提示单元设置于刚性壳体表面且位于术者可视侧，显示与提示单元用于显示数据处理单元计算得到的前倾角和外展角；

8、归零触发单元用于接收用户的操作以生成归零指令；

9、电源管理单元用于为装置供电及管理电能。

10、进一步的，所述数据处理单元被配置为：

11、定义基准坐标系，其中前后方向为前倾参考轴，内外方向为外展参考轴，垂直方向为重力轴；将器械工作轴的方向向量分别投影至由前倾参考轴和垂直轴构成的矢状面，以及由外展参考轴和垂直轴构成的冠状面；根据矢状面内的投影夹角确定前倾角，根据冠状面内的投影夹角确定外展角。

12、进一步的，所述数据处理单元还被配置为：

13、在系统启动后进行静止检测，基于静止状态下的角速度数据估计陀螺仪零偏，并对实时采集的角速度数据进行零偏补偿；采用互补滤波、扩展卡尔曼滤波或梯度下降算法对零偏补偿后的角速度数据与加速度数据进行姿态融合，得到所述当前姿态。

14、进一步的，所述夹持接口为环形套筒、半环夹爪、螺纹锁紧套环、快拆卡扣或专用适配座中的一种或多种，并使惯性测量单元的测量坐标系与器械工作轴之间保持固定相对关系。

15、进一步的，所述电源管理单元包括usb接口、充电管理电路、电池接口、稳压电路、按键开机电路、欠压保护电路和电量检测电路中的一种或多种。

16、一种基于惯性导航的髋臼打磨钻孔三维角度实时测量装置的标定方法，采用一种基于惯性导航的髋臼打磨钻孔三维角度实时测量装置，所述方法包括以下步骤：

17、s1装夹固定：将测量装置通过夹持接口刚性连接于手术电钻、髋臼打磨器或导向杆上，建立测量坐标系与器械工作轴之间的固定变换关系；

18、s2初始化：启动测量装置，对惯性测量单元进行静止零偏估计，获得陀螺仪零偏补偿参数；

19、s3相对归零：将器械调整至术中参考方向，触发归零指令，记录此时的姿态信息作为基准姿态；

20、s4实时姿态解算：实时采集三轴角速度和三轴加速度数据，结合零偏补偿参数进行姿态融合，得到当前姿态四元数或旋转矩阵；

21、s5相对旋转计算：计算当前姿态相对于基准姿态的相对旋转量；

22、s6轴线投影与角度提取：基于相对旋转量和固定变换关系，确定器械工作轴的实时方向向量；将实时方向向量投影至预设的临床参考平面，计算得到前倾角和外展角，且在计算过程中滤除绕器械工作轴自旋产生的横滚角分量；

23、s7反馈输出：将前倾角和外展角实时输出至显示与提示单元进行可视化展示。

24、进一步的，在步骤s6中横滚角分量的具体过程包括：

25、构建器械坐标系，其中z轴沿器械工作轴方向；

26、获取当前姿态下z轴在世界坐标系或基准坐标系中的方向向量；

27、忽略绕z轴旋转的欧拉角分量（横滚角）；

28、仅根据z轴向量在矢状面和冠状面上的投影分量，分别计算前倾角和外展角。

29、进一步的，在步骤s3中相对归零包括单点归零模式或双平面标定模式：

30、在单点归零模式下，直接采集当前姿态作为基准；

31、在双平面标定模式下，依次采集器械处于第一参考姿态和第二参考姿态下的两组惯性数据，利用两个不平行的姿态向量求解测量坐标系与器械坐标系之间的安装偏差矩阵，并在后续步骤s6中引入偏差矩阵进行修正。

32、进一步的，在步骤s7之后还包括步骤s8偏差监测：

33、设定目标前倾角、目标外展角及容差阈值；实时计算当前前倾角与目标前倾角的第一偏差，以及当前外展角与目标外展角的第二偏差；

34、若第一偏差和第二偏差均落入容差阈值内，则控制显示与提示单元发出到位提示；否则，输出偏差方向和大小。

35、进一步的，在步骤s8之后还包括步骤s9异常处理：

36、在测量过程中，实时监测角速度是否超限、加速度数据是否饱和、归零状态是否有效及电池电量是否低于阈值；

37、当检测到任一异常时，控制显示与提示单元输出重新归零提示、减慢操作提示或充电维护提示，并可根据预设策略冻结当前角度。

38、综上所述，与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：

39、1、本技术具有无遮挡与自由度高的效果，采用惯性导航原理，摆脱了对外部光学追踪设备的依赖，避免了术中遮挡问题，允许医生在髋臼深部的狭窄空间内自由操作。

40、2、本技术具有去冗余与强相关的效果，通过轴线投影解算与横滚冗余抑制算法，仅输出临床关注的前倾角和外展角，屏蔽了器械自旋产生的干扰数据，显著降低了术者的视觉辨识难度和误操作风险。

41、3、本技术具有快标定与高效率的效果，基于一键归零的相对测量模式，简化了传统导航复杂的配准流程，支持术中随时重置参考坐标系，极大缩短了手术准备时间。

42、4、本技术具有微型化与抗干扰的效果，硬件上采用高集成度电路设计，并通过特定的pcb布局优化了imu的抗振性能，形成了适合手术环境的小型化辅助工具。