髋关节置换手术是一种用于治疗磨损导致的关节炎的针对性手术，为许多忍受长期疼痛和失去活动能力的患者带来了新生。2020年，在美国进行的所有初级和修正全髋关节置换术中，分别有约10%和20%的手术使用了双动臼杯（DM），因为与传统的单动关节相比，DM提供了更大的活动范围和更好的关节稳定性，并已被证明可以有效减少年轻且活跃病人的脱位和不稳定风险，但目前还没有在体外模拟环境下监测DM运动的方法。
图1 DM的剖面图
DM由髋臼壳、聚乙烯内衬、球头与假体柄构成，当患者运动时，假体柄可能会撞击到PE内衬，随着运动幅度的加大，会导致PE内衬与髋臼壳的连接松散。为了监测内衬的运动情况，来自英国的Matthew Peter Shuttleworth科研团队设计了一个定制化的基于IMU（惯性测量单元）的跟踪系统。
图2 跟踪系统
跟踪系统由涂了防水环氧树脂的追踪PCB电路板、控制器和主机三个模块组成，系统安装在DM上，不影响轴承表面和整个植入物的运动，并且能够浸泡在润滑液中保持正常运行，同时具有抗电磁干扰的能力，没有过度的传感器漂移，能够准确地观察DM的运动情况。
在对IMU进行校准后，分别在理想条件下和体外两种环境下进行了实验验证。
理想条件下：
实验在机器人手臂上进行，通过比较追踪器数据与机器人手臂数据之间的差异来评估追踪器性能。结果表明，机器人手臂和跟踪器之间的平均误差值为0.2。
图3 理想条件下的实验
体外有润滑剂和磁力干扰的条件下：
使用磷酸缓冲盐溶液作为润滑剂，使用螺线管作为磁干扰设备，并在安装与不安装螺线管的情况下进行了重复实验。在没有安装螺线管时，结果与理想条件相比出现了更大的误差；但当使用螺线管时，结果与理想条件实验结果一致。
这项研究首次成功展示了IMU在无相机画面情况下实现了监测双动臼杯髋关节植入物运动的应用。随着IMU产品的创新与算法的优化，我们将可以深入了解DM的长期功能和潜在的故障模式，反过来又可以帮助医疗人员进行植入物设计、材料选择和手术技术改进，帮助髋关节患者更好地恢复运动。
【Shuttleworth, Matthew Peter, et al. "Inertial Tracking System for Monitoring Dual Mobility Hip Implants In Vitro." Sensors 23.2 (2023): 904.】
