一种髓内钉定位系统及方法与流程

1.本发明属于定位技术以及医疗器械领域，具体涉及一种髓内钉定位系统及方法。


背景技术：

2.人体胫骨、股骨的长骨骨折是骨科医疗中的临床常见病症，在临床治疗中通常采用在骨干髓腔内植入髓内钉将骨折端连接并固定。髓内钉属医疗器械中的骨科内固定器械，现市场上的髓内钉都是以ao原则设计，强调的是坚强内固定，制造材料主要包括医用贵金属、医用钛、铌等单质金属，以及不锈钢、钛合金等，弹性模量远远大于人体骨骼，手术后由于应力遮挡导致应力集中，可能导致内固定物松动或断裂，同时由于患者个体的差异，髓腔角度不一，现有的髓内钉无法满足所有患者治疗需求。
3.当髓内钉植入时，往往需要对髓内钉上的定位孔进行定位，在现有技术中，常常依靠机械定位法以及工作人员的经验进行徒手定位，虽然操作简单，定位的精度较差，且对工作人员的经验要求较高。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种髓内钉定位系统及方法，解决了现有技术中髓内钉上定位孔的定位精度差以及髓内钉可能导致内固定物松动或断裂的问题。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种髓内钉定位系统，包括分段可调髓内钉、信号发射装置、接收线圈以及信号定位装置；
7.所述分段可调髓内钉上设置有定位孔，所述信号发射装置设置于分段可调髓内钉上，且所述信号发射装置位于定位孔旁，所述信号发射装置与接收线圈电性连接，所述接收线圈与信号定位装置电性连接。
8.在一种可能的实施方式中，所述分段可调髓内钉包括依次连接的髓内钉近端、弹性部件以及髓内钉远端，所述定位孔设置于髓内钉远端上。
9.在一种可能的实施方式中，所述弹性部件所采用的材料为多孔钽材料。
10.在一种可能的实施方式中，所述弹性部件呈圆柱体状，且所述弹性部件的两端分别与髓内钉近端以及髓内钉远端螺纹连接。
11.在一种可能的实施方式中，所述信号发射装置包括依次电性连接的正弦信号发生器、信号功率放大器以及发射线圈。
12.在一种可能的实施方式中，所述信号定位装置包括依次电性连接的放大滤波器、ad采集器以及数据处理器。
13.在一种可能的实施方式中，还包括机械臂，所述接收线圈固定于机械臂的执行端，且所述机械臂与数据处理器电性连接。
14.第二方面，本技术实施例提供一种基于髓内钉定位系统的髓内钉定位方法，包括：
15.通过信号发射装置发射信号，通过数据处理器控制机械臂做网格运动，以使接收
线圈的中心做网格运动，所述网络运动表示将一个曲面或者平面划分为若干个网格，并沿网格依次运动；
16.通过接收线圈感应信号，将感应信号通过放大滤波器以及ad采集器处理后，并将处理后的感应信号传输至数据处理器，得到信号强度数据；
17.遍历所有网格，得到每个网格中的信号强度数据，并根据所述每个网格中的信号强度数据，进行定位孔的定位，完成髓内钉的定位。
18.在一种可能的实施方式中，根据所述每个网格中的信号强度数据，进行定位孔的定位，包括：
19.根据所述每个网格中的信号强度数据，确定信号强度数据最大的网格；
20.将所述信号强度数据最大的网格作为发射线圈的位置；
21.以发射线圈的位置为基础，确定定位孔的位置。
22.在一种可能的实施方式中，以发射线圈的位置为基础，确定定位孔的位置，包括：
23.以发射线圈的位置为基础，并根据发射线圈与定位孔的相对位置，确定定位孔的位置。
24.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
25.本发明提供了一种髓内钉定位系统及方法，通过采用分段可调髓内钉，避免了内固定物松动或断裂的情况发生，并且采用信号发射装置、接收线圈以及信号定位装置进行定位，降低了对工作人员的经验要求，并且提升了定位孔的定位准确度。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附
27.图中：
28.图1为本技术实施例提供的一种髓内钉定位系统的结构示意图。
29.图2为本技术实施例提供的分段可调髓内钉的结构示意图。
30.图3为本技术实施例提供的分段可调髓内钉中髓内钉近端、弹性部件以及髓内钉远端之间的长度比例关系的第一示意图。
31.图4为本技术实施例提供的分段可调髓内钉中髓内钉近端、弹性部件以及髓内钉远端之间的长度比例关系的第二示意图。
32.图5为本技术实施例提供的信号发射装置、接收线圈以及信号定位装置之间的连接关系示意图。
33.图6为本技术实施例提供的正弦信号发生器的电路图。
34.图7为本技术实施例提供的信号功率放大器的电路图。
35.图8为本技术实施例提供的放大子电路的电路图。
36.图9为本技术实施例提供的滤波子电路的电路图。
37.图10为本技术实施例提供的一种髓内钉定位方法的流程图。
38.附图中标记及对应的零部件名称：
39.1-髓内钉近端、2-弹性部件、3-髓内钉远端、4-固定螺孔、5-定位孔、6-信号发射装置、7-接收线圈、8-机械臂、9-信号定位装置。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
41.实施例1
42.如图1所示，本技术实施例提供了一种髓内钉定位系统，包括分段可调髓内钉、信号发射装置6、接收线圈7以及信号定位装置9。
43.分段可调髓内钉上设置有定位孔5，信号发射装置设置于分段可调髓内钉上，且信号发射装置位于定位孔5旁，信号发射装置与接收线圈电性连接，接收线圈与信号定位装置电性连接。
44.通过采用分段可调髓内钉，可以有效避免应力集中导致的内固定物松动或断裂，并且将信号发射装置放置于髓内钉上，可以发射信号，并通过接收线圈进行信号的感应，当感应到信号后，传输至信号定位装置进行定位。而信号发射装置与定位孔5之间的相对位置时固定的，则可以两者之间的相对位置确定定位孔5的位置。
45.如图2所示，分段可调髓内钉包括依次连接的髓内钉近端1、弹性部件2以及髓内钉远端3，定位孔5设置于髓内钉远端上。
46.本技术根据bo原则设计了一种分段可调式髓内钉，该结构弹性部分采用多孔钽医用骨科材料制成为两端螺纹的中空结构，髓内钉近端和髓内钉远端则使用现应用髓内钉的医用材料制成中空结构，该三段结构通过螺纹相互连接成为一体，符合医用髓内钉结构设计要求。可以根据不同的骨折部位的具体情况选用对应型号的髓内钉，弹性部分所选用的多孔钽医用材料弹性模量更接近人骨，可满足髓内钉的强度以及刚度等生物力学要求，减少了应力遮挡，促进骨折愈合，在植入过程中，其所具有的弹性可使得髓内钉适应不同患者的髓腔角度。
47.如图3-图4所示，可以调整髓内钉近端1、弹性部件2以及髓内钉远端3之间的长度比例关系，以使分段可调髓内钉可以满足不同的需求。
48.可选的，在髓内钉近端1上还设置有多个固定螺孔4，由于使用髓内钉时，是以髓内钉远端3为首端插入，而固定螺孔4靠近插入口，因此不需要对其进行定位。
49.在一种可能的实施方式中，弹性部件所采用的材料为多孔钽材料。
50.多孔钽具有高容积孔隙率、低弹性模量和高摩擦系数的特性。高容积孔隙率使更多骨组织和富含血管的纤维组织向人工假体内部生长，使植入后的假体与宿主骨产生稳定连接；低弹性模量使假体植入后产生较少的应力遮挡效应，有利于正常的生物学应力传导；高摩擦系数使假体植入后能保持较好的初始稳定性。因此特别适用于骨替代、关节置换和人体组织填充等领域。
51.在一种可能的实施方式中，弹性部件呈圆柱体状，且弹性部件的两端分别与髓内钉近端以及髓内钉远端螺纹连接。
52.如图5所示，信号发射装置6包括依次电性连接的正弦信号发生器、信号功率放大
器以及发射线圈。
53.如图6所示，本技术实施例提供一种正弦信号发生器的电路，该电路包括型号为max038的信号发生芯片u1，信号发生芯片u1的gnd引脚、pdo引脚、pdi引脚、sync引脚和dgnd引脚均接地，信号发生芯片u1的cosc引脚与接地电容c1连接，信号发生芯片u1的fadj引脚分别与滑动电阻r2的第一不动端以及滑动端连接，信号发生芯片u1的iin引脚分别与滑动电阻r1的第一不动端以及滑动端连接，信号发生芯片u1的ref引脚分别与接地电容c2、滑动电阻r1的第二不动端以及滑动电阻r2的第二不动端连接，信号发生芯片u1的v-引脚分别与-5v电压以及接地电容c3连接，信号发生芯片u1的v 引脚与其a1引脚连接，且信号发生芯片u1的v 引脚分别与 5v电压连接，信号发生芯片u1的out引脚通过电阻r3分别与型号为op07的放大器u2的反相输入端、滑动电阻r4的第一不动端以及滑动电阻r4的滑动端连接，放大器u2的同相输入端与接地电阻r5连接，放大器u2的输出端为正弦信号发生器的输出端。
54.如图7所示，本技术实施例提供信号功率放大器，该信号功率放大器包括滑动电阻r6，滑动电阻r6的第一不动端与正弦信号发生器的输出端连接，滑动电阻r6的第二不动端接地，滑动电阻r6的滑动端通过电阻r7与放大器u3的同相输入端连接，放大器u3的反相输入端分别与电阻r8的一端以及滑动电阻r9的第一不动端连接，电阻r8的另一端与接地电容c6连接，放大器u3的输出端分别与滑动电阻r9的第二不动端以及滑动端连接，且放大器u3的输出端为信号功率放大器的输出端并将信号输出至发射线圈。
55.在一种可能的实施方式中，信号定位装置9包括依次电性连接的放大滤波器、ad采集器以及数据处理器。
56.本技术实施例提供一种放大滤波器的电路，该放大滤波器包括放大子电路以及滤波子电路。如图8所示，放大子电路包括型号为ad620的放大器u4，放大器u4的两个rg引脚之间设置有电阻r10，放大器u4的同相输入端与反相输入端分别与接收线圈7的两端连接，放大器u4的输出端为放大器子电路的输出端。如图9所示，滤波器子电路包括电阻r11，电阻r11的一端与放大器子电路的输出端连接，电阻r11的另一端分别与电阻r12的一端以及电容c10的一端连接，电阻r12的另一端分别与接地电容c7以及放大器u5的同相输入端连接，放大器u5的反相输入端分别与接地电阻r13以及电阻r14的一端连接，放大器u5的输出端分别与电阻r14的另一端、电容c8的一端以及电容c10的另一端连接，电容c8的另一端分别与电容c9的一端以及电阻r18的一端连接，电容c9的另一端分别与放大器u6的同相输入端以及接地电阻r17连接，放大器u6的反相输入端分别与接地电阻r15以及电阻r16的一端连接，放大器u6的输出端分别与电阻r16的另一端、电阻r18的另一端以及out2接点连接，out2接点为滤波子电路的输出端，其输出信号至ad采集器中。
57.值得说明的是，本技术实施例中所提供的电路仅仅作为示例，为了实现本技术的目的，还可以采用其他的电路进行信号的发射和接收。
58.在一种可能的实施方式中，该一种髓内钉定位系统还包括机械臂8，接收线圈7固定于机械臂6的执行端，且机械臂8与数据处理器9电性连接。
59.实施例2
60.如图10所示，本技术实施例提供一种基于髓内钉定位系统的髓内钉定位方法，包括：
61.s1、通过信号发射装置6发射信号，通过数据处理器控制机械臂做网格运动，以使接收线圈7的中心做网格运动，网络运动表示将一个曲面或者平面划分为若干个网格，并沿网格依次运动。
62.当髓内钉植入人体时，需要对定位孔5进行定位，此时无法看见定位孔5，仅能在人体外进行操作定位。在实际操作中，可以确定定位孔5的大概区域，因此需要在此区域内确定定位孔5的具体位置。
63.因此，可以将定位孔5所在区域(该区域可能是平面，也可能是曲面)，将该区域划分为若干个均匀的网格，此时可以以最边沿的任意一个网格为起点，逐个走过所有的网格。在走过所有网格的同时，记录每个网格的位置以及信号强度数据。
64.曲面或者平面可以通过其他设备获取或者输入，本技术实施例仅对该数据进行处理以及使用。值得说明的是，也可以不通过机械臂控制接收线圈7做运动，例如，可以将人体表面的区域划分为多个网络，使接收线圈7的中心位于网格中，即可以开始测量信号强度数据。
65.s2、通过接收线圈7感应信号，将感应信号通过放大滤波器以及ad采集器处理后，并将处理后的感应信号传输至数据处理器，得到信号强度数据。
66.s3、遍历所有网格，得到每个网格中的信号强度数据，并根据每个网格中的信号强度数据，进行定位孔5的定位，完成髓内钉的定位。
67.在一种可能的实施方式中，根据每个网格中的信号强度数据，进行定位孔5的定位，包括：
68.根据每个网格中的信号强度数据，确定信号强度数据最大的网格。
69.将信号强度数据最大的网格作为发射线圈的位置。
70.以发射线圈的位置为基础，确定定位孔5的位置。
71.在一种可能的实施方式中，以发射线圈的位置为基础，确定定位孔5的位置，包括：
72.以发射线圈的位置为基础，并根据发射线圈与定位孔5的相对位置，确定定位孔5的位置。当锁定定位孔5后，可以采用螺钉配合定位孔5进行髓内钉的固定。
73.在实际操作过程中，分段可调髓内钉的方向是明确的，因此当确定了发射线圈的位置后，即可以根据发射线圈的位置确定定位孔5的位置。例如，在髓内钉上发射线圈所在位置与定位孔5相差2cm，那么当确定了发射线圈的位置过后，即可以沿髓内钉向定位孔5位移2cm，即可以得到定位孔5所在的位置。
74.可选的，除了上述定位方法之外，本技术提供的基于髓内钉定位系统还可以实施其他定位方法，例如，通过正弦信号发生器激发正弦信号，通过功率放大器进行功率放大。将功率放大后信号通入发射线圈中。根据电磁感应定律可知通入交变电流的发射线圈会产生交变的磁场。处在交变磁场中的接收线圈7会产生感应电动势。接收线圈7中产生的感应电动势需进行滤波放大，之后用ad采集器进行数据采集，得到一组离散的数据，最后将离散的数据进行数据拟合处理，拟合后的数据通过lm(levenberg-marquardt，莱文贝格-马夸特方法)算法求解计算可定位出定位孔5的位置。值得说明的是，此处仅仅为另一种方式的举例。
75.本发明提供了一种髓内钉定位系统及方法，通过采用分段可调髓内钉，避免了内固定物松动或断裂的情况发生，并且采用信号发射装置、接收线圈以及信号定位装置进行
定位，降低了对工作人员的经验要求，并且提升了定位孔的定位准确度。
76.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。