用于椎骨負(fù)載和位置感測的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】在此提供負(fù)載平衡和對準(zhǔn)系統(tǒng)，以便結(jié)合整體脊柱對準(zhǔn)來評定椎骨上的負(fù)載力。該系統(tǒng)包括具有電子組件和帶傳感器的頭部的脊柱器械。該帶傳感器的頭部可以插入椎骨之間并報告椎骨狀況，如力、壓力、取向以及邊緣載荷。與其一起提供了GUI，以便展示當(dāng)將該器械放置在椎間隙中時該脊柱器械被相對于椎體定位在何處。該系統(tǒng)可以基于所感測的負(fù)載和位置參數(shù)報告最佳的假體大小和放置，這些負(fù)載和位置參數(shù)包括沿著確定的插入軌跡的可任選的取向、旋轉(zhuǎn)以及插入角度。
【專利說明】用于椎骨負(fù)載和位置感測的系統(tǒng)和方法
[0001]領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明總體涉及外科手術(shù)電子產(chǎn)品，并且具體來說，涉及用于在脊柱外科手術(shù)和長期植入期間評定對準(zhǔn)和外科手術(shù)植入物參數(shù)的方法和器件。
[0003]背景
[0004]脊柱是由通過肌肉和韌帶連接在一起的許多單獨的稱為椎骨的骨骼組成。軟椎間盤使每塊椎骨與下一椎骨分開并且起緩沖作用。由于椎骨是分開的，因此脊柱是柔韌的并且能夠彎曲。椎骨、椎間盤、肌肉以及韌帶一起組成脊柱(vertebral column)或脊柱(spine)。脊柱的大小和形狀有所不同，其中可能由于環(huán)境因素、健康以及衰老而發(fā)生變化。健康的脊柱具有由前到后的曲線，但偏離正常的頸椎前凸、胸椎后凸以及腰椎前凸的畸形狀況可能引起疼痛、不適以及移動困難。這些狀況會由于可能挫傷神經(jīng)的椎間盤突出而加劇。
[0005]存在畸形脊柱彎(spinal curve)的許多不同的原因以及從療法到外科手術(shù)的各種治療選項。手術(shù)的目的通常是脊柱的彎曲部分的堅實融合。融合是通過對脊柱進(jìn)行手術(shù)、增添骨移植物并且允許椎骨和骨移植物慢慢愈合在一起從而形成堅實的骨塊來實現(xiàn)的?？商娲?，通常使用包括骨骼移植物的椎間融合器(spinal cage)來使椎骨分開和使椎骨融合在一起。骨移植物可以來自骨骼庫或患者自身的髖骨?？梢酝ㄟ^各種儀表化工具和技術(shù)使用金屬桿和掛鉤、絲線或螺釘來大致拉直脊柱。桿或有時是支架或石膏模型將脊柱保持在適當(dāng)位置，直到該融合有機(jī)會愈合。
[0006]附圖簡要說明
[0007]該系統(tǒng)的不同特征在所附權(quán)利要求書中具體地闡述。結(jié)合附圖，參考以下說明可以理解在此的實施例，在附圖中:
[0008]圖1示出根據(jù)示例實施例的脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)；
[0009]圖2示出根據(jù)示例實施例的展示脊柱對準(zhǔn)和視圖投影的用戶界面；
[0010]圖3示出根據(jù)示例實施例的脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)的棒(wand)和接收器；
[0011]圖4示出根據(jù)示例實施例的用于確定脊柱對準(zhǔn)的多個帶傳感器的器件；
[0012]圖5示出根據(jù)示例實施例的用于確定脊柱參數(shù)的帶傳感器布置；
[0013]圖6示出根據(jù)示例實施例的用于確定脊柱狀況的多個傳感器的布置；
[0014]圖7示出根據(jù)示例實施例的帶傳感器的脊柱器械；
[0015]圖8示出根據(jù)示例實施例的集成式帶傳感器的脊柱器械；
[0016]圖9示出非限制實例中的具有椎骨部件的插入器械；
[0017]圖10示出根據(jù)示例實施例的定位在脊柱的椎骨之間用于參數(shù)感測的脊柱器械；
[0018]圖11示出根據(jù)示例實施例的展示圖10的帶傳感器的脊柱器械的透視圖的用戶界面。
[0019]圖12示出根據(jù)示例實施例的定位在脊柱的椎骨之間用于椎間位置和力感測的帶傳感器的脊柱器械；
[0020]圖13示出根據(jù)示例實施例的展示圖12的帶傳感器的脊柱器械的用戶界面的透視圖。
[0021]圖14示出根據(jù)示例實施例的用于椎間融合器的布置的帶傳感器的脊柱插入器械；
[0022]圖15示出根據(jù)示例實施例的展示圖14的帶傳感器的脊柱插入器械的用戶界面的透視圖；
[0023]圖16是根據(jù)示例實施例的脊柱器械的多個部件的方框圖；
[0024]圖17是根據(jù)示例實施例的用于短程遙測的示例性通信系統(tǒng)的示意圖；
[0025]圖18示出根據(jù)示例實施例的例的用于測量和報告的通信網(wǎng)絡(luò)；以及
[0026]圖19描繪出呈計算機(jī)系統(tǒng)形式的機(jī)器的示例性圖示，在該計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，一組指令當(dāng)被執(zhí)行時可以使該機(jī)器執(zhí)行在此所披露的方法中的任何一種或多種。
[0027]詳細(xì)說明
[0028]雖然本說明書以限定本發(fā)明的實施例的被認(rèn)為是新穎的特征的權(quán)利要求書結(jié)束，但認(rèn)為，通過考慮以下說明結(jié)合附圖特征，本發(fā)明的方法、系統(tǒng)以及其他實施例將得到更好地理解，在各附圖中相似的參考標(biāo)號轉(zhuǎn)到后續(xù)附圖。
[0029]根據(jù)需要，在此披露了本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的多個詳細(xì)實施例。然而，應(yīng)理解，所披露的這些實施例僅 是示例性的，這些實施例可以不同形式來實施。因此，在此披露的特定結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制性的，而僅作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)，并且作為教示本領(lǐng)域的技術(shù)人員以幾乎任何適當(dāng)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)來不同地采用本發(fā)明的這些實施例的代表性基礎(chǔ)。此外，在此所使用的術(shù)語和短語不意在是限制性的，而是為了提供對本說明書的實施例的可理解的描述。
[0030]概括地說，本發(fā)明的實施例針對用于椎骨負(fù)載和位置感測的系統(tǒng)和方法。脊柱測量系統(tǒng)包括接收器和多個棒，該接收器和這些棒連接到在視覺上呈現(xiàn)位置信息的遠(yuǎn)程顯示器上。棒可以放置在椎骨上或者與之接觸，以便報告脊柱對準(zhǔn)的各個方面。該位置信息識別棒和相應(yīng)脊柱椎骨的取向和位置。該系統(tǒng)提供了整體對準(zhǔn)以及在外科手術(shù)期間跟蹤椎骨移動的能力。該系統(tǒng)可以響應(yīng)于手術(shù)過程中捕獲到的位置信息和先前記錄的與手術(shù)前脊柱狀況有關(guān)的位置數(shù)據(jù)來建議和呈現(xiàn)手術(shù)中脊柱修正。
[0031]脊柱測量系統(tǒng)進(jìn)一步包括負(fù)載平衡和對準(zhǔn)系統(tǒng)，以便結(jié)合整體脊柱對準(zhǔn)來評定椎骨上的負(fù)載力。該系統(tǒng)包括脊柱器械，該脊柱器械具有電子組件和可以關(guān)節(jié)連接在椎間隙內(nèi)的帶傳感器的頭部組件。該帶傳感器的頭部可以插入椎骨之間并報告椎骨狀況，如力、壓力、取向以及邊緣載荷。Gn與該帶傳感器的頭部結(jié)合用于顯示當(dāng)該器械在外科手術(shù)過程中被放置在椎間隙中時脊柱器械被相對于椎體定位在何處。該系統(tǒng)可以基于所感測的負(fù)載和位置參數(shù)報告最佳的假體大小和放置，這些負(fù)載和位置參數(shù)包括沿著確定的插入軌跡的可任選的取向、旋轉(zhuǎn)以及插入角度。
[0032]在此還為負(fù)載平衡和對準(zhǔn)系統(tǒng)提供了用于插入例如椎間融合器或椎弓根螺釘?shù)淖倒遣考牟迦肫餍?。該系統(tǒng)可以基于先前捕獲到的參數(shù)測量結(jié)果來檢查和報告該器械在插入過程中是否為邊緣載荷。它展示插入器械對椎骨部件的跟蹤，并且基于位置的和負(fù)載感測的參數(shù)來提供視覺指導(dǎo)和反饋。該系統(tǒng)展示插入器械相對于一個或多個椎體的三維(3D)跟蹤，該椎體或這些椎體的取向和位置也被3D建模。
[0033]圖1示出非限制實例中的脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括可以通信地連接至遠(yuǎn)程系統(tǒng)105的棒103和接收器101。一般情況下,一個或多個棒與接收器101通信以確定位置信息，該位置信息包括脊柱區(qū)的取向、旋轉(zhuǎn)、角度以及位置中的一種。接收器101將關(guān)于棒103的位置信息或數(shù)據(jù)117傳送給遠(yuǎn)程系統(tǒng)105。該位置信息包括用于評定脊柱112的對準(zhǔn)(或預(yù)定曲率)的取向和平移數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程系統(tǒng)105可以是呈現(xiàn)圖形用戶界面(GUI)107的筆記本計算機(jī)或移動工作站。⑶1107包含展示脊柱112并且基于位置信息報告脊柱對準(zhǔn)的工作流。作為一個實例，該用戶界面可以相對于手術(shù)后目標(biāo)對準(zhǔn)113展示脊柱椎骨的現(xiàn)有對準(zhǔn)114。
[0034]對準(zhǔn)系統(tǒng)100可以通信地連接至數(shù)據(jù)庫123系統(tǒng)，如服務(wù)器125，以便提供在外科手術(shù)之前或期間捕獲的三維(3D)成像(例如，軟組織)和3D模型(例如，骨骼)。這些3D成像和模型可以與位置信息結(jié)合使用，以建立相對位置和取向。服務(wù)器125可以是本地的、位于附近，或者通過因特網(wǎng)121遠(yuǎn)程訪問。作為一個實例，服務(wù)器125提供3D脊柱和椎骨模型?？梢圆捎靡慌_CAT掃描儀(未示出)來產(chǎn)生身體的選擇部分的一系列截面的X射線圖像。一臺計算機(jī)操作該掃描儀，并且所得到的圖片表示身體的切片。服務(wù)器125從這些切片產(chǎn)生三維(3D)模型。服務(wù)器125還可以提供從磁共振成像(MRI)掃描儀(未示出)生成的3D模型。服務(wù)器125還可以支持熒光透視成像，以便通過使用X-射線源(未示出)和熒光屏來提供患者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對于對準(zhǔn)系統(tǒng)100的器件的實時移動圖像。
[0035]脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)100報告整體對準(zhǔn)和器械(例如，棒103和接收器101)取向，以及跟蹤隔離的椎骨移動的能力。接收器101精確地跟蹤棒103在具體椎骨處的位置并且沿著脊柱112進(jìn)行跟蹤以確定位置信息。接收器101被示出為連接(例如，用釘固定、用螺絲擰、粘附)到骶骨上。然而，可以將它定位在沿脊柱椎骨的任何位置?？商娲?，可以將它安裝到脊柱112附近的立柱上。棒103和接收器101是可以經(jīng)由超聲感測、光學(xué)感測或電磁感測來傳送它們的位置的帶傳感器的器件。在該實例中，棒103和接收器102利用超聲換能器，并且是瞄準(zhǔn)線器件。傳感器可以安裝在棒103外部上、遠(yuǎn)離棒尖端，或者在某些情況下，安裝在棒尖端內(nèi)。棒103可以握持在手中或者通過機(jī)械組件固定到脊柱上。在一個實施例中，用于生成所有對準(zhǔn)測量結(jié)果的部件(例如，接收器101和棒103)駐留在手術(shù)室的無菌區(qū)109內(nèi)。無菌區(qū)109也可以稱為外科手術(shù)區(qū)。典型地，遠(yuǎn)程系統(tǒng)105在手術(shù)室的無菌區(qū)109之外。無菌區(qū)109內(nèi)使用的部件可以設(shè)計用于一次使用。在該實例中，棒103、接收器102或兩者都在手術(shù)中使用后被處理掉。
[0036]在于2007年3月7日提交的題為“用于三維感測的方法和器件(Method andDevice for Three-Dimensional Sensing) ” 的美國專利申請 11/683，410 中披露了超聲感測器件的一個實例，該專利的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。光學(xué)感測的一個實例包括棒103上的三個或四個主動IR反射鏡、以及相應(yīng)的在接收器101上的用于光學(xué)跟蹤的高速攝像元件，或可替代地用于檢測入射光束角并且之后三角測量棒位置的高速光電二極管元件。電磁感測的一個實例包括棒上的金屬球，該棒的空間位置是通過評估所生成的磁場強(qiáng)度在接收器103上的變化來確定的。
[0037] 物理系統(tǒng)或身體內(nèi)的許多感興趣的物理參數(shù)可以通過評估能量波或脈沖的特性的變化來測量。作為一個實例，可以測量傳播通過變化中的介質(zhì)的能量波或脈沖的渡越時間或形狀的變化，以便確定作用在該介質(zhì)上并引起這些變化的力。該能量波或脈沖在該介質(zhì)中的傳播速度受到該介質(zhì)的物理變化的影響。感興趣的一個或多個物理參數(shù)可以包括，但不限于，負(fù)載、力、壓力、位移、密度、粘度以及局部溫度的測量結(jié)果。這些參數(shù)可以通過由定位在身體、器械、設(shè)備或其他機(jī)械系統(tǒng)上或其內(nèi)的無線感測模塊或器件測量能量脈沖或波的傳播時間相對于取向、對準(zhǔn)、方向或位置、連同沿一條軸線或多條軸線的組合的移動、旋轉(zhuǎn)或加速度的變化來評估?？商娲?，感興趣的測量結(jié)果可以使用(僅舉幾例)薄膜傳感器、機(jī)械傳感器、聚合物傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)(mems)器件、應(yīng)變計、壓阻結(jié)構(gòu)以及電容結(jié)構(gòu)來測量。
[0038]圖2示出非限制實例中的展示脊柱對準(zhǔn)和視圖投影的系統(tǒng)100的圖形用戶界面(⑶I) 150。這些視圖投影為圖1的外科手術(shù)和系統(tǒng)器件提供三維可視化，同時實時顯示量化測量結(jié)果。每個視圖投影可以單獨配置，以便顯示脊柱的具有疊加的脊柱對準(zhǔn)信息的不同透視圖。第一視圖投影210展示矢狀視圖(即，從前到后)。第二視圖投影230展示冠狀視圖(即，從側(cè)方到側(cè)方)。該矢狀視圖和冠狀視圖提供了足夠的空間信息來用僅兩個視圖投影可視化脊柱對準(zhǔn)。這些視圖投影可以定制以用于不同的視角和場景圖。
[0039]作為一個實例，外科醫(yī)生可以握持住棒103并追蹤脊柱的輪廓，例如，以便確定脊柱側(cè)凸?fàn)顩r的嚴(yán)重度(或修正情況)。這可以在手術(shù)前當(dāng)患者站立時完成，以便提供對患者的姿勢和脊柱曲率的指示。外科醫(yī)生握持住棒并跟隨脊柱的輪廓。GUI108從棒103在追蹤過程中捕獲到的位置信息可視地展示脊柱輪廓。然后從一階統(tǒng)計量和幾何形狀(例如，參見角點R、P1以及P2，其中R是參考對準(zhǔn)，Pl是接收器101的位置，并且P2是棒103所配準(zhǔn)的點)計算出對準(zhǔn)角度。該對準(zhǔn)角度指示脊柱對準(zhǔn)的偏離，并且當(dāng)投影在視圖平面中時顯示矢狀平面和冠狀平面的偏差誤差。然后，GUI108可以報告所需的補(bǔ)償修正。例如，在當(dāng)前實例中，它報告需要顯示框146的+4cm的前進(jìn)位移以修正線152與線154之間的角度的矢狀偏差，以及顯示框148的+2cm的向右位移以修正線158與線156之間的角度的冠狀偏差。這為外科醫(yī)生提供了用于提供外科手術(shù)對準(zhǔn)修正的最少視覺信息。
[0040]可替代地， 可以采用快速點配準(zhǔn)方法來評定脊柱對準(zhǔn)。這種點配準(zhǔn)方法允許外科醫(yī)生用最少的配準(zhǔn)快速評定脊柱對準(zhǔn)。用戶握持住棒并指向和輕擊椎骨以創(chuàng)建一條點曲線，該點曲線被轉(zhuǎn)換成一條線。在第一步驟A中，將接收器101定位在固定位置處，例如，定位在手術(shù)臺附近的支柱上?？商娲?，可以用釘將接收器101牢牢地固定到骶骨上，如圖1中所示。在第二步驟B中，外科醫(yī)生用棒103尖端在一炔基準(zhǔn)骨上識別三個或更多個解剖學(xué)特征，如沿骶骨上的后髂嵴或背表面的多個點。系統(tǒng)100從例如相對于接收器101原點的<x，y，z>笛卡爾坐標(biāo)系中的已配準(zhǔn)的棒尖端空間位置來確定參考骨取向。然后,系統(tǒng)100從圖像服務(wù)器125中檢索取回相關(guān)3D模型脊柱部件(例如，骶骨、椎骨等)，并且根據(jù)參考骨取向以適當(dāng)?shù)目s放和取向(變形和翹曲)將它們顯示在⑶1108上。一旦3D模型配準(zhǔn)完成，并且當(dāng)患者保持靜止時，外科醫(yī)生隨后在第三步驟C中配準(zhǔn)椎骨中的一塊，例如頸椎骨(C1-C7)。系統(tǒng)100然后具有足夠的配準(zhǔn)點來創(chuàng)建相對于參考骨的局部坐標(biāo)系、生成曲線和線段并報告整體對準(zhǔn)，如圖2中所示。脊柱對準(zhǔn)是基于脊柱的預(yù)定曲率或直線度來報告的，例如，從而展示線152對比所期望的(預(yù)計劃的)線154。
[0041]圖3示出棒103和接收器101的非限制實例，但是，并非所有示出的部件都是必需的；取決于所需功能性可以使用更少的部件。在于2010年10月8日提交的題為“提供感官反饋的導(dǎo)航器件(Navigation Device Providing Sensory Feedback) ”的美國專利申請12/900, 662中披露了接收器101和棒103以及它們之間的通信操作方式；該申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。簡言之，當(dāng)前尺寸允許以亞毫米空間精度(〈1mm)、遠(yuǎn)至約2m的距離來進(jìn)行非接觸式跟蹤。任一器件都可以被配置以支持各種功能(例如，手持式、安裝到物體上)，并且兩者都不局限于下述尺寸。
[0042]棒103是手持式器件，具有約IOcm的寬度、2cm的深度以及從18cm至20cm的可伸縮長度的尺寸大小。如上所述，棒103可以例如沿著物體的輪廓或表面配準(zhǔn)感興趣的點(見點A、B、C)，該輪廓或表面可以在用戶界面中進(jìn)行展示(參見圖1的GUI107)。如下面將論述，棒103和接收器101可以經(jīng)由超聲感測、紅外感測以及電磁感測進(jìn)行通信，以便確定它們與彼此的相對位置和取向。包括加速度計的其他實施例提供了進(jìn)一步的位置信息。
[0043]棒103包括多個傳感器201至203和棒尖端207。這些傳感器可以是超聲換能器、微機(jī)電元件(MEMS)傳聲器、電磁體、光學(xué)元件(例如，紅外元件、激光元件)、金屬物體或用于將物理移動轉(zhuǎn)換或傳遞為例如電壓或電流的電信號的其他換能器。它們可以是自供電以傳送信號的有源元件，或其中它們具有反射性或顯示出可檢測磁特性的無源元件。
[0044]在一個實施例中，棒103包括各自傳送超聲信號穿過空氣的三個超聲發(fā)射器201至203、用于生成遞送給三個超聲發(fā)送器201至203用于生成超聲信號的驅(qū)動信號的控制器(或電子電路)214、接收用戶輸入用于執(zhí)行短程位置測量和對準(zhǔn)確定的用戶界面218(例如，按鈕)、用于中繼用戶輸入和接收定時信息來控制電子電路214的通信模塊216、以及用于為棒103上的電子電路218和關(guān)聯(lián)的電子器件供電的電池218?？刂破?14可操作地連接到超聲發(fā)送器201至203上。發(fā)送器201至203響應(yīng)于控制器214的指示傳送感測信號。棒103可以包含比所示部件的數(shù)量更多或更少的部件；某些部件功能性可以共享為集成器件。 [0045]可以包括額外的發(fā)送器傳感器，以便提供用于三維感測的超定系統(tǒng)。作為一個實例，每個超聲換能器可以執(zhí)行單獨的傳送和接收功能。美國專利7，725，288中披露了超聲傳感器的一個這樣的實例，該專利的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。超聲傳感器可以傳送根據(jù)用于構(gòu)造和整形波形的定制換能器的物理特征的脈沖成形波形。
[0046]棒尖端207在結(jié)構(gòu)上識別多個感興趣的點，該結(jié)構(gòu)例如，三維空間中的組件、物體、器械或夾具，但不限于這些。尖端不需要傳感器，因為它在三維空間中的空間位置是由安排在十字端部的三個超聲發(fā)送器201至203確立的。然而，可以在尖端207上集成尖端傳感器219，以便提供超聲波能力(如結(jié)構(gòu)邊界、深度等)或基于接觸的感測。在這種情況下，尖端207可以是觸敏的，從而響應(yīng)于物理動作(例如，使尖端觸碰解剖位置或結(jié)構(gòu)位置)來配準(zhǔn)多個點。尖端可以包括用作這類用途的機(jī)械的或致動的彈簧組件。在另一種安排中，它包括用于配準(zhǔn)觸摸的電容式觸摸尖端或靜電組件。棒尖端207可以包括用于允許棒尖端識別解剖特征的多個可更換的、可拆開的或多頭的觸筆尖端，而發(fā)送器201至203保持與接收器101處于瞄準(zhǔn)線(參見圖1)。這些觸筆尖端可以是成直角的、彎曲的，或者以選擇的方式另外成型至指向難以觸摸的位置。這允許將棒握持在手中以便經(jīng)由尖端207來識別感興趣的點，如結(jié)構(gòu)、骨骼或夾具上的(解剖)特征。
[0047]用戶界面218可以包括用于允許手持式操作和使用的一個或多個按鈕(例如，開/關(guān)/復(fù)位按鈕)以及照明元件來提供視覺反饋。在一個安排中，8-狀態(tài)導(dǎo)航按壓按鈕209可以傳達(dá)指示，以進(jìn)一步控制或補(bǔ)充用戶界面?？梢宰裾杖梭w工程學(xué)將它定位在棒的一側(cè)以允許單手使用。棒103可以進(jìn)一步包括具有用戶界面218的觸覺模塊。作為實例，該觸覺模塊可以改變(增大/減小)振動以為不正確或正確的操作發(fā)出信號。棒103包括用于發(fā)送器201至202的材料覆蓋物，這些材料覆蓋物是聲音(例如，超聲波)和光(例如，紅外線)可透過的，但例如水、血液或組織等生物材料不可透過。在一種安排中，透明的塑料膜(或網(wǎng)格)被拉伸(stretched taught);它可以在一定傳送頻率的共振下振動。電池218可以經(jīng)由無線能量充電(例如，磁感應(yīng)線圈和超級電容器)進(jìn)行充電。
[0048] 棒103可以包括用于連接到結(jié)構(gòu)、物體或夾具上的底座附接機(jī)構(gòu)205。作為一個實例，該機(jī)構(gòu)可以是具有固定插入物(例如，方形的柱頭)以允許暫時性脫離的磁性組件。作為另一個實例，它可以是具有鎖存增量的磁性球和接頭插口。作為仍另一個實例，它可以是矯形螺釘?shù)穆菪蜾N。其他實施例可以允許滑動、平移、旋轉(zhuǎn)、成角以及鎖入附接和釋放，并且通過現(xiàn)存槽口、脊部或孔的方式連接到標(biāo)準(zhǔn)夾具上。
[0049]棒103可以進(jìn)一步包括放大器213和加速度計217。該放大器增強(qiáng)了傳送或接收信號的信噪比。加速度計217識別運(yùn)動中和靜止時的3和6軸線傾斜。通信模塊216可以包括用于向接收器101發(fā)送信號的部件(例如，同步時鐘、射頻‘RF’脈沖、紅外線‘IR’脈沖、光學(xué)/聲學(xué)脈沖)。控制器214可以包括用于控制傳送和接收同步以及對傳感器信號、加速度計信息和其他部件數(shù)據(jù)或狀態(tài)進(jìn)行排序的計數(shù)器、時鐘或其他模擬或數(shù)字邏輯。電池218為對應(yīng)電路邏輯和部件供電。紅外發(fā)送器209以脈沖的形式發(fā)送可以與超聲信號的傳送(向接收器)同步的紅外定時信號。
[0050]控制器214可以利用計算技術(shù)(例如具有相關(guān)存儲存儲器208 (如閃存、R0M、RAM、SRAM、DRAM)的微處理器(uP)和/或數(shù)字信號處理器(DSP))，或用于控制該器件的上述部件的操作的其他類似技術(shù)。這些指令還可以在其由另一個處理器或計算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的過程中完全地或至少部分地駐留在其他存儲器和/或處理器內(nèi)。輸入/輸出端口允許例如通過通用串行總線(USB)的方式來進(jìn)行信息或數(shù)據(jù)的便攜式交換?？刂破?14的電子電路可以包括例如專用于核心信號處理算法的一個或多個應(yīng)用專用集成電路(ASIC)芯片或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)?？刂破?14可以是運(yùn)行操作系統(tǒng)(OS)的一個或多個模塊的嵌入平臺。在一種安排中，存儲存儲器可以存儲使在此所描述的任何一種或多種方法或功能具體化的一組或多組指令(例如，軟件)。
[0051]接收器101包括處理器233，該處理器用于生成定時信息、響應(yīng)于用戶輸入配準(zhǔn)棒103的指向位置，并且從棒103相對于接收器101的三個或更多個指向位置來確定短程位置測量和對準(zhǔn)結(jié)果。接收器具有約2cm的寬度、2cm的深度以及IOcm至20cm的長度的大小尺寸。它包括通信模塊235,該通信模塊用于將定時信息傳送給棒103,棒作出響應(yīng)發(fā)送第一、第二以及第三超聲信號。這些超聲信號可以是通過振幅調(diào)制、頻率調(diào)制以及相位調(diào)制的組合生成的脈沖成形信號。三個傳聲器221至223各自接收傳送穿過空氣的第一、第二以及第三脈沖成形信號。接收器101可以被配置成線性的或更緊湊的安排，它可以包括三角形狀。在于2007年3月7日提交的題為“用于三維感測的方法和器件(Method and Devicefor Three-Dimensional Sensing) ”的美國專利申請11/683，410中披露了用于三維感測的器件的一個實例，該專利的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
[0052]存儲器238存儲超聲信號，并且能夠產(chǎn)生超聲信號或已處理信號的歷史記錄。它還可以例如響應(yīng)于用戶按下按鈕以配準(zhǔn)位置而存儲棒尖端位置。無線通信接口(輸入/輸出)239以無線方式將該三個或更多個指向位置的位置信息和短程對準(zhǔn)傳遞給遠(yuǎn)程系統(tǒng)。該遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以是如前面所描述的那樣實時顯示位置信息和對準(zhǔn)信息的一臺計算機(jī)、筆記本計算機(jī)或移動器件。電池為接收器101上的處理器233和相關(guān)電子器件供電。接收器101可以包含比所示部件的數(shù)量更多或更少的部件；某些部件功能性可以共享或集成在其中。
[0053]可以包括額外的超聲傳感器，以便提供用于三維感測的超定系統(tǒng)。超聲傳感器可以是MEMS傳聲器、接收器、超聲發(fā)送器或其組合。作為一個實例，每個超聲換能器可以執(zhí)行單獨的傳送和接收功能。美國專利7，414，705中披露了超聲傳感器的一個這樣的實例，該專利的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。接收器101還可以包括用于通過銷251連接到骨骼或夾具上的附接機(jī)構(gòu)240。作為一個實例，附接機(jī)構(gòu)240可以是具有固定插入物(例如，方形的柱頭)以允許暫時性脫離的磁性組件。作為另一個實例，它可以是具有鎖存增量的磁性球和接頭插口。
[0054]接收器101可以進(jìn)一步包括放大器232、通信模塊235、加速度計236以及處理器233。處理器233可以托管軟件程序模塊，如脈沖整形器、相位檢測器、信號壓縮器以及其他數(shù)字信號處理器代碼實用工具和包。放大器232增強(qiáng)了傳送或接收信號的信噪比。處理器233可以包括用于控制傳送和接收同步以及對傳感器信號、加速度計信息和其他部件數(shù)據(jù)或狀態(tài)進(jìn)行排序的控制器、計數(shù)器、時鐘或其他模擬或數(shù)字邏輯。加速度計236可在運(yùn)動中和靜止時識別軸線傾斜(例如，軸線3和6)。電池234為對應(yīng)電路邏輯和部件供電。接收器包括光電二極管241以用于檢測紅外信號和確立超聲信號的渡越時間，從而允許與棒的無線紅外通信。
[0055]通信模塊235可以 包括用于在本地(向棒102)發(fā)送信號的部件(例如，同步時鐘、射頻‘RF’脈沖、紅外線‘IR’脈沖、光學(xué)/聲學(xué)脈沖)。它還可以包括用于與遠(yuǎn)程器件(例如，筆記本計算機(jī)、計算機(jī)等)無線通信的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)部件(例如，藍(lán)牙、ZigBee、無線網(wǎng)絡(luò)連接(W1-Fi)、GPSK, FSK、USB、RS232、IR等)。雖然在此構(gòu)想出經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)部件的外部通信，但應(yīng)注意，接收器101可以包括用戶界面237以允許獨立操作。作為一個實例，它可以包括3個LED燈224，以便顯示三個或更多個棒尖端指向位置對準(zhǔn)狀態(tài)。用戶界面237還可以包括觸摸屏或具有其自身的GUI的其他界面顯示器用于報告位置信息和對準(zhǔn)。
[0056]處理器233可以利用計算技術(shù)(例如具有相關(guān)存儲存儲器238 (如閃存、R0M、RAM、SRAM、DRAM)的微處理器(uP)和/或數(shù)字信號處理器(DSP))，或用于控制終端器件的上述部件的操作的其他類似技術(shù)。這些指令還可以在其由另一個處理器或計算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的過程中完全地或至少部分地駐留在其他存儲器和/或處理器內(nèi)。輸入/輸出端口允許例如通過通用串行總線(USB)的方式來進(jìn)行信息或數(shù)據(jù)的便攜式交換?？刂破鞯碾娮与娐房梢园ɡ鐚Ｓ糜诤诵男盘柼幚硭惴ɑ蚩刂七壿嫷囊粋€或多個應(yīng)用專用集成電路(ASIC)芯片或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。該處理器可以是運(yùn)行操作系統(tǒng)(OS)的一個或多個模塊的嵌入平臺。在一種安排中，存儲存儲器238可以存儲使在此所描述的任何一種或多種方法或功能具體化的一組或多組指令(例如，軟件)。
[0057]在第一安排中，接收器101經(jīng)由栓接電連接(例如，電線)連接到棒103上。也就是說，棒103的通信端口在物理上連接至接收器101的通信接口用于接收定時信息。來自接收器101的定時信息通知棒103何時傳送，并且包括可以用于脈沖整形的可任選的參數(shù)。接收器101上的處理器233采用這種定時信息來相對于參考時基確立超聲信號發(fā)送情況下的飛行時間測量結(jié)果。[0058]在第二安排中，接收器101通過經(jīng)由無線1/0239的無線信號發(fā)送連接通信地連接至棒103。在于2010年10月8日提交的題為“提供感官反饋的導(dǎo)航器件(NavigationDevice Providing Sensory Feedback) ” 的美國專利申請 12/900，662 中披露了信號發(fā)送協(xié)議；該專利的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。對于每個傳送的脈沖成形信號，棒103上的紅外發(fā)送器209傳送紅外定時信號。它以脈沖的形式發(fā)送與超聲信號向接收器的傳送同步的紅外定時信號。接收器101可以包括光電二極管241以用于確定何時接收到該紅外定時信號。在這種情況下，棒103的通信端口通過該紅外發(fā)送器和該光電二極管無線連接至接收器101的通信接口，用于在微秒精度(~Imm分辨率)內(nèi)中繼該定時信息。接收器101上的處理器233采用這種紅外定時信息來相對于參考渡越時間確定第一、第二以及第三飛行時間測量結(jié)果。
[0059]圖4示出非限制實例中的用于評估脊柱對準(zhǔn)300的多個帶傳感器的棒。如圖所示，多個帶傳感器的棒301至304可以用于跟蹤單獨椎骨移動和/或相對于其他追蹤的椎骨進(jìn)行對準(zhǔn)。每個棒可以具有不同大小和傳感器配置。棒可以是具有4cm與12cm之間的跨度以及小于或等于Icm的寬度的輕量部件。一般情況下，棒301至304具有用手容易握持或可以由肌肉-骨骼系統(tǒng)附接和支撐的形狀因子。例如，第一棒301可以具有比另一個棒303更寬且更長的傳感器跨度。這可以增強(qiáng)棒301至304與接收器308之間的通信。每個棒可以具有例如存儲為該棒獨有的特性低頻磁場波長的單獨ID，以從其他棒中識別它。系統(tǒng)100可以經(jīng)由無源磁場識別出這些棒，并且經(jīng)由一個或多個超聲元件、光元件、電磁元件或(無源/有源)傳感器來確定位置。
[0060]與圖4的圖示結(jié)合，在此構(gòu)想出工作流方法。在第一工作流步驟311中，將接收器308定位在手術(shù)區(qū)附近并且在預(yù)期要使用這些棒的位置。如前面所提到，接收器308被放置在支柱上或者固定到骶骨(或 其他骨區(qū))上以跟蹤棒的取向和位置?？梢詫粑粘衷谑种胁⑶沂褂盟鼇砼錅?zhǔn)骶骨上的解剖特征，例如，用棒尖端指向并輕擊骨特征。這種點配準(zhǔn)捕獲多個解剖點，然后使用這些解剖點來檢索取回具有適當(dāng)?shù)娜∠蚝统叽绲?D脊柱模型。在步驟312中，可以使用棒來配準(zhǔn)一塊椎骨上的多個點，以便評定這塊椎骨的位置。在第一安排中，可以直接將棒固定到椎骨上而沒有任何棒尖端點配準(zhǔn)。這提供了用于評定插入點處的空間位置但不一定包括取向(三維信息)的一個點。
[0061]在第二安排中，首先使用棒配準(zhǔn)椎骨表面上的多個點，并且然后再插入其中。這種配準(zhǔn)捕獲多個解剖椎骨點，然后使用這些解剖椎骨點來檢索取回具有適當(dāng)?shù)娜∠蚝统叽绲?D椎骨模型。這允許系統(tǒng)100在棒插入其中時以適當(dāng)?shù)目s放和位置來跟蹤椎骨。在配準(zhǔn)和將接收器定位在骶骨上以及將各棒定位在椎骨上的過程中，系統(tǒng)100提供實時的器械跟蹤視圖，如在步驟313中所示。也就是說，它產(chǎn)生展示脊柱、帶傳感器的棒301至304以及接收器308的3D模型的虛擬環(huán)境。
[0062]圖5示出非限制實例中的用于確定脊柱狀況的帶傳感器布置。如前面所指出，棒尖端還可以包括傳感器，如生物識別(biometric)換能器。當(dāng)被用于配準(zhǔn)感興趣的點時，棒尖端還可以捕捉與該插入位點直接相關(guān)的生物識別數(shù)據(jù)。棒尖端還可以脫離生物識別換能器并把它留下定位在接觸部位處。圖5和圖6的圖示示出棒尖端傳感器的放置，這在一些構(gòu)造中將其尖端傳感器部署在原位以用于長期植入。系統(tǒng)100還可以實現(xiàn)以振動模式傳輸?shù)哪芰坎ǎ@些能量波可以模仿骨骼上的負(fù)載并且使得骨礦物質(zhì)含量和密度提高。這些傳感器還可以通過或穿過植入物發(fā)送能量波，以便因此幫助骨折的愈合。
[0063]因此，在此提供了用于檢測生物識別參數(shù)的方法，這些生物識別參數(shù)是帶傳感器布置(包括位置和取向)的函數(shù)。該方法包括在椎骨關(guān)節(jié)的移動部件上提供生物識別換能器、在該椎關(guān)節(jié)或脊柱運(yùn)動過程中從該生物識別換能器傳送能量波(例如，超聲波、光波、電磁波)到與該椎關(guān)節(jié)的該移動部件不同的手術(shù)區(qū)域中、在該椎關(guān)節(jié)運(yùn)動過程中量化地評定該能量波的行為；并且基于所評定的行為和椎關(guān)節(jié)運(yùn)動，確定當(dāng)前狀態(tài)或該手術(shù)區(qū)域的選自下組的至少一個參數(shù)，該組由以下各項組成:壓力、張力、剪力、負(fù)載、扭矩、骨密度以及承重?？商娲?，可以使用合并一個或多個傳感器的可插入的頭部組件來測量感興趣的生物識別參數(shù)。在該實例中，生物識別換能器可以檢測和傳送關(guān)于椎骨的運(yùn)動和負(fù)載的信息。作為一個實例，這些傳感器可以通過例如當(dāng)椎關(guān)節(jié)在移動過程中發(fā)生撓曲時評估所評定的行為的頻率或周期性來檢測矯形關(guān)節(jié)的異常運(yùn)動。
[0064]如圖5中所示的一個實例，可以將單個傳感器352植入在椎關(guān)節(jié)的骨骼或假體部件(例如，椎骨)上，以便評定椎關(guān)節(jié)在移動過程中的行為，如與壓力、張力、剪力、骨密度以及承重有關(guān)的關(guān)節(jié)力學(xué)的質(zhì)量或功能性。在這個實施例中，傳感器352是在骨骼(椎骨)上的固定位置處，并且在運(yùn)動過程中與椎骨358 —起相對于手術(shù)區(qū)域360移動。如圖所示，手術(shù)區(qū)域360包括椎骨354、椎間盤356以及椎骨358。由于椎骨主要移動該單個傳感器，所以手術(shù)區(qū)域360相對于傳感器來說是相對靜止的。這種安排中的該單個傳感器暴露于手術(shù)區(qū)域中的感興趣的參數(shù)(例如，壓力、張力、剪力、骨密度以及承重)由于運(yùn)動而造成的各種變化。作為一個實例，傳感器由于在運(yùn)動過程中施加在關(guān)節(jié)中不同位置處的動作而貫穿關(guān)節(jié)移動范圍而被壓縮。在運(yùn)動過程中，傳感器352評定手術(shù)區(qū)域中的能量波；還對相鄰區(qū)域進(jìn)行評定，因為椎骨的移動(以及相應(yīng)地傳感器焦點)由于運(yùn)動而相對于手術(shù)區(qū)域發(fā)生變化。還確定傳感器352相對于該另一椎骨的位置(當(dāng)被附接到棒上時通過棒)，并且將其用于關(guān)于取向、定位以及位置來對感測到的參數(shù)的變化進(jìn)行編目。
[0065]將傳感器352放置在移動部件(例如，椎骨、假體植入物)上以及向與椎關(guān)節(jié)的該運(yùn)動部件不同、其位置和取向已知的手術(shù)區(qū)域中傳送能量波的一個優(yōu)點在于:它有效地改變使傳感器352的分辨率和焦點連同該傳感器上的力發(fā)生改變的傳感器352與該手術(shù)區(qū)域之間的距離。位置信息還指示與感測到的參數(shù)的改變有關(guān)的移動周期性。作為一個實例，以傳送和接收切換方式操作的傳感器352可以取得該手術(shù)區(qū)域的不同深度處的測量結(jié)果而不產(chǎn)生操作變化。由于關(guān)節(jié)運(yùn)動而造成的距離變化，傳感器352可以取得不同的測量結(jié)果而無需傳感器調(diào)整，否則可能需要改變所傳送的能量波的頻率、振幅或相位例如以便匹配阻抗。
[0066] 作為一個實例，生物識別傳感器352可以是超聲波器件。與僅測量骨骼礦物質(zhì)含量的其他骨密度測量方法相比，量化超聲可以測量額外的骨骼性質(zhì)，如機(jī)械完整性。超聲波穿過骨的傳播受骨量、骨結(jié)構(gòu)以及負(fù)載的方向性的影響。量化超聲波測量結(jié)果作為評定骨骼的強(qiáng)度和剛度的量度是基于對所接收到的超聲波信號的處理。聲速和超聲波傳播通過骨骼和軟組織。假體松動或沉陷、以及股骨/脛骨/或白假體或假體的骨折與骨質(zhì)流失相關(guān)。因此，對假體周圍骨骼礦物質(zhì)含量的漸進(jìn)量化變化作出準(zhǔn)確評定可以有助于治療外科醫(yī)生確定何時干預(yù)以便保持骨存量從而進(jìn)行關(guān)節(jié)翻修術(shù)。這一信息有助于用于骨質(zhì)疏松骨骼的植入物的建立，并且有助于對骨質(zhì)疏松的醫(yī)學(xué)處理和不同植入物涂層的影響的評估。[0067]圖6示出非限制實例中的用于確定脊柱狀況的多個帶傳感器布置。如前面所指出，棒尖端還可以包括傳感器，如生物識別換能器。當(dāng)被用于配準(zhǔn)感興趣的點時，棒尖端還可以捕捉與該插入位點直接相關(guān)的生物識別數(shù)據(jù)。棒尖端還可以脫離生物識別換能器并把它留下定位在接觸部位處。
[0068]因此，在此提供種用于檢測生物識別參數(shù)的方法，該方法包括:在不同于椎關(guān)節(jié)的移動部件的該手術(shù)區(qū)域中提供第二生物識別換能器，并且基于第一生物識別換能器與該第二生物識別換能器在椎關(guān)節(jié)運(yùn)動過程中的相對間隔來量化地評定能量波的行為。該手術(shù)區(qū)域的當(dāng)前狀態(tài)或至少一個參數(shù)是從所評定的行為和椎關(guān)節(jié)運(yùn)動確定的。該參數(shù)是應(yīng)變、振動、運(yùn)動學(xué)以及穩(wěn)定性中的一種。第一生物識別換能器或第二生物識別傳感器可以包括收發(fā)器，用于將與該至少一個生物識別參數(shù)有關(guān)的數(shù)據(jù)傳送至外部源以進(jìn)行評定。
[0069]如圖6中所示，可以將傳感器352植入在椎關(guān)節(jié)的骨骼或假體部件(如椎骨)上，并且可以將傳感器366定位在手術(shù)區(qū)域中的不同位置處，用于評定椎關(guān)節(jié)在移動過程中的行為。在這個實施例中，傳感器352是在骨骼(椎骨)上的固定位置處，并且在關(guān)節(jié)運(yùn)動過程中與椎骨一起相對于傳感器366在手術(shù)區(qū)域中移動。傳感器366可以在不同的骨骼上。雖然這兩個傳感器都可以移動，但實際上可以認(rèn)為傳感器352是相對于傳感器366移動并且如所指示發(fā)生相對位移。傳感器352和366允許關(guān)于(但不限于)骨密度、流體粘度、溫度、應(yīng)變、壓力、角畸形、振動、負(fù)載、扭矩、距離、傾斜度、形狀、彈性、運(yùn)動以及其他來對宿主骨骼和組織進(jìn)行評估。
[0070]所示的雙傳感器安排可以評估骨骼完整性。例如，在椎關(guān)節(jié)中，連接到第一和第二椎骨上的傳感器352和366評定骨密度。由根據(jù)本發(fā)明的傳感器352、傳感器366或兩者發(fā)送的外部和內(nèi)部的能量波可以在骨折和脊柱融合的治療過程中使用。利用所部署的兩個傳感器，這些傳感器之間的距離可以在所關(guān)注區(qū)域以及可能生成的功率場處確定。這些能量場可以是標(biāo)準(zhǔn)能量源，如超聲波、射頻和/或電磁場。例如，能量波隨時間的偏轉(zhuǎn)將允許對正在評估的所需參數(shù)的變化的檢測。作為實例，布置在股骨的遠(yuǎn)端上的第一傳感器可以在椎骨移動過程中從嵌入在脛骨的近端上的第二傳感器來評定骨密度。
[0071]兩個或更多個傳感器的一個優(yōu)點是它們由于運(yùn)動而相對于彼此移動得間隔更近和更遠(yuǎn)，這些動作改進(jìn)了對能量波的評定，例如，由于傳感器的頻率特性和所研究的手術(shù)區(qū)域的阻抗特征。再次，傳感器352和366的相對間隔可以允許取得不同的測量結(jié)果而無需傳感器調(diào)整，否則可能需要改變所傳送的能量波的頻率、振幅或相位例如以便匹配阻抗。在當(dāng)前實例中，骨骼的測量是基于對接收到的超聲波信號的處理。聲速和超聲波速度兩者均基于超聲波傳播通過骨骼和軟組織有多迅速而提供測量結(jié)果。這些測量特性允許創(chuàng)建快速三維幾何形狀，該信息可以由系統(tǒng)100結(jié)合位置信息、取向信息以及定位信息進(jìn)行處理。因為這些傳感器橫跨關(guān)節(jié)間隙，所以它們可以檢測植入物功能的變化。植入物功能的實例(僅舉幾例)包括軸承磨損、沉陷、骨結(jié)合、正常和異常運(yùn)動、熱量、粘度變化、顆粒物、運(yùn)動學(xué)。
[0072]圖7示出非限制實例中的帶傳感器的脊柱器械400。呈現(xiàn)了側(cè)視圖和俯視圖。脊柱器械400包括手柄409、軸430以及帶傳感器的頭部407。手柄409連接在軸430的近端處，并且?guī)鞲衅鞯念^部407連接到軸430的遠(yuǎn)端上。在一個實施例中，手柄409、軸430以及帶傳感器的頭部407形成剛性結(jié)構(gòu)，該剛性結(jié)構(gòu)在被用來撐開或測量脊柱區(qū)時不會發(fā)生撓曲。脊柱器械400包括可操作地連接到帶傳感器的頭部407中的一個或多個傳感器上的電子組件401。這些傳感器連接到帶傳感器的頭部407的移動部件404/405上的表面403/406上。電子組件401朝軸407的近端定位或者位于手柄409中。如圖所示，電子組件401連接到軸409上。電子組件401包括電子電路，該電子電路包括邏輯電路、加速度計以及通信電路。在一個實施例中，帶傳感器的頭部407的表面403和406可以具有凸起的形狀。表面403和406的凸起形狀支持將帶傳感器的頭部407放置在脊柱區(qū)內(nèi)并且更確切地說，放置在椎骨的輪廓之間。在一個實施例中，帶傳感器的頭部407是高度可調(diào)節(jié)的，這是借助頂部件404和底部件405通過根據(jù)手柄409轉(zhuǎn)動運(yùn)動411而均勻地張開和閉合的插口402的方式進(jìn)行的。插口 402連接到帶傳感器的頭部407的部件404和405的內(nèi)表面上。軸430包括一個或多個縱長通道。例如，例如柔性電線互連件之類的互連件可以連接穿過軸430的一個縱長通道，這樣使得電子組件401可操作地連接到帶傳感器的頭部407中的一個或多個傳感器上。類似地，螺紋桿可以連接穿過軸430的第二通道以用于將手柄409連接到插口 404上，由此允許經(jīng)由手柄409的旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)帶傳感器的頭部407的高度。
[0073]脊柱器械400還可以通過多個嵌入加速度計的方式來確定取向。帶傳感器的頭部407支持多種功能，這些功能包括確定手術(shù)區(qū)域(例如，椎間隙)的參數(shù)的能力，該參數(shù)包括壓力、張力、剪力、負(fù)載、扭矩、骨密度和/或承重。在一個實施例中，帶傳感器的頭部407中可以包括不止一個負(fù)載傳感器。這不止一個負(fù)載傳感器可以連接至表面403和406的預(yù)定位置。具有不止一個負(fù)載傳感器允許帶傳感器的頭部407測量施加到表面403和406上的負(fù)載的負(fù)載量值和位置。帶傳感器的頭部407可以用于在安裝椎骨部件之前測量、調(diào)整以及測試脊柱關(guān)節(jié)。如下面將看到，對準(zhǔn)系統(tǒng)100評估椎間負(fù)載感測過程中脊柱器械400的最佳插入角度和位置，并且在使用插入器械時復(fù)制這些條件。 [0074]在本發(fā)明中，這些參數(shù)可以用集成的無線帶傳感器的頭部407或包括以下各項的器件來測量:i)支撐多個傳感器和接觸表面的封裝結(jié)構(gòu)，以及ii)電子組裝件，該電子組裝件集成了電源、多個感測元件、一個或多個超聲波諧振器或一個或多個換能器以及一個或多個超聲波波導(dǎo)、一個或多個偏置彈簧或其他形式的彈性構(gòu)件、加速度計、天線以及用于處理測量數(shù)據(jù)以及控制所有的能量轉(zhuǎn)換、傳輸和檢測以及無線通信操作的電子電路。帶傳感器的頭部407或器械400可以定位在范圍廣泛的物理系統(tǒng)上或在其內(nèi)，或者與其相接合，或者附接或貼合到其上或在其內(nèi)，以用于實時感測和通信感興趣的參數(shù)，這些物理系統(tǒng)包括但不限于器械、電器、車輛、設(shè)備或其他物理系統(tǒng)連同動物和人體。
[0075]使用脊柱器械400的實例是在椎間融合器的安裝過程中。該椎間融合器用于代替椎間盤使椎骨隔開。椎間融合器典型地是中空的，并且可以形成為具有用于固定的螺紋。往往在椎骨之間安裝兩個或更多個融合器，以便提供充分的支撐和負(fù)載在運(yùn)動范圍上的分布。在一個實施例中，椎間融合器由鈦制成以實現(xiàn)輕質(zhì)和強(qiáng)度。還可以在融合器中放置骨生長材料以開始并促進(jìn)骨骼生長，由此進(jìn)一步長期強(qiáng)化椎間區(qū)域。脊柱器械400插入在椎骨之間的間隙中以測量負(fù)載和負(fù)載位置。負(fù)載位置對應(yīng)于將負(fù)載施加在帶傳感器的頭部407的表面403或406上的椎骨區(qū)域或表面。還可以測量脊柱器械400的帶傳感器的頭部407的插入角度和位置。外科醫(yī)生使用負(fù)載量值和負(fù)載位置測量結(jié)果來確定椎骨之間的植入物位置和該植入物位置的椎間融合器的最佳大小。該最佳大小將是當(dāng)被脊柱加載時落入預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)的融合器高度。典型地，用于撐開感興趣的椎骨并測量由感興趣的椎骨施加的力的帶傳感器的頭部407的高度等于在后續(xù)步驟中植入的融合器高度。在從椎骨中取出帶傳感器的頭部407后，可以將椎間融合器植入同一區(qū)中。所植入椎間融合器上的負(fù)載約等于由脊柱器械400測得并施加到帶傳感器的頭部407上的測量結(jié)果。在一個實施例中，插入試驗的角度和位置的測量結(jié)果是由脊柱器械400或連接至其上的遠(yuǎn)程系統(tǒng)記錄的。角度和位置測量結(jié)果隨后用來指導(dǎo)將椎間融合器以脊柱器械400在測量過程中的相同路徑插入脊柱的同一區(qū)中。
[0076]圖8示出非限制實例中的集成式帶傳感器的脊柱器械410。具體來說，電子組件401在集成器械410的內(nèi)部。它包括外部無線能量源414，該外部無線能量源可以放置在充電單元附近以啟動無線充電操作。無線能量源414可以包括電源、調(diào)制電路以及數(shù)據(jù)輸入端。該電源可以是電池、充電器件、電容器、電源連接，或用于生成可以向脊柱器械410輸送功率的無線功率信號的其他能量源。外部無線能量源414可以(但不限于)以電磁感應(yīng)或其他電磁或超聲波發(fā)射的形式傳送能量。在至少一個示例性實施例中，無線能量源包括線圈，當(dāng)將該線圈緊靠該感應(yīng)線圈放置時，用來電磁連接到感測器件中的感應(yīng)線圈上并且可以使該感應(yīng)線圈激活(例如，通電)。
[0077]該電子組件401將所測得的參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)通信電路發(fā)送給接收器，用于允許椎骨部件上各點的參數(shù)的水平和分布的可視化。數(shù)據(jù)輸入還可以是接口或端口，以便從另一數(shù)據(jù)源(如從計算機(jī))經(jīng)由有線或無線連接(例如，USB、IEEE802.16等)接收輸入信息。調(diào)制電路可以將輸入信息調(diào)制成由電源生成的功率信號。帶傳感器的頭部407具有典型地由低摩擦聚合物材料 制成的耐磨表面。理想地，帶傳感器的頭部407在被插入椎骨之間時具有類似于天然脊柱的適當(dāng)?shù)呢?fù)載、對準(zhǔn)以及平衡。
[0078]圖9示出非限制實例中的具有多個椎骨部件的插入器械420。如在此所描述的電子組件401類似地支持插入器械420的取向和位置數(shù)據(jù)的生成。通過對準(zhǔn)系統(tǒng)100的方式，用戶可以復(fù)制插入角度、位置以及軌跡(路徑)，從而實現(xiàn)椎骨部件的正確的或預(yù)先計劃的放置?？商娲?，電子組件401中的加速度計可以提供位置和軌跡信息。插入器械420包括手柄432、頸434以及尖端451。附接/釋放機(jī)構(gòu)455連接到頸434的近端上以用于控制尖端451。附接/釋放機(jī)構(gòu)455允許外科醫(yī)生固持或釋放連接到尖端451上的椎骨部件。在該實例中，手柄432在頸434的近端附近以角度延伸。手柄432的定位允許外科醫(yī)生在脊柱區(qū)中準(zhǔn)確地引導(dǎo)尖端451，同時允許接近附接/釋放機(jī)構(gòu)455。
[0079]在第一實例中，該椎骨部件是椎間融合器475。椎間融合器475是可以在外科手術(shù)過程中插入脊柱的椎骨之間的小的中空的圓柱形器件，通常由鈦制成，具有多個多孔壁。一般情況下，在椎間融合器475插入之前，撐開過程使椎骨分開預(yù)定距離。作為改善患者舒適度的解決方案，椎間融合器475可以提高穩(wěn)定性、減小椎體壓縮，并且減少神經(jīng)壓迫。椎間融合器475可以包括表面螺紋以允許融合器是自攻的并且提供進(jìn)一步穩(wěn)定性。椎間融合器475可以是多孔的，以便包括支持骨骼在椎體之間生長并穿過融合器475的骨骼移植材料?？梢栽谧倒侵g放置不止一個椎間融合器以緩解不適。椎間融合器475的正確放置和定位對于成功的長期植入和患者結(jié)果是重要的。
[0080]在第二實例中，該椎骨部件是椎弓根螺釘478。椎弓根螺釘478是設(shè)計用于植入到椎弓根中的具體類型的骨骼螺釘。每塊椎骨存在連接到其他結(jié)構(gòu)(例如，椎板、椎弓)上的兩個椎弓根。多軸椎弓根螺釘可以由鈦制成，以便抵抗腐蝕并且增大部件強(qiáng)度。椎弓根螺釘長度的范圍從30mm到60mm。直徑的范圍從5.0mm到8.5mm。這些尺寸用作尺寸實例，并不限于這些尺寸。椎弓根螺釘478可以用于器械手術(shù)中，用于將桿和板固定到脊柱上以矯正畸形和/或治療創(chuàng)傷。它可以用于固定脊柱的一部分以通過使骨骼結(jié)構(gòu)保持在一起來協(xié)助融合。通過電子組件401 (其可以集成在內(nèi)部或外部)，插入器械420可以確定螺釘放置的深度和角度并引導(dǎo)其中的螺釘。在該實例中，一個或多個加速度計用于在插入過程中提供尖端451的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置信息。
[0081 ] 在一個安排中，螺釘478嵌入有多個傳感器。這些傳感器可以傳送能量、以及獲得密度讀數(shù)并監(jiān)測密度隨時間的變化。作為一個實例，系統(tǒng)100可以因此監(jiān)測和報告骨折部位的愈合情況。這些傳感器可以檢測該骨折部位處的運(yùn)動連同螺釘與骨骼之間的運(yùn)動的變化。這類信息有助于監(jiān)測愈合情況，并且給予醫(yī)護(hù)人員監(jiān)測如所指示的椎骨承重的能力。這些傳感器還可以被外部激活來向骨折本身發(fā)送能量波以幫助愈合。
[0082]圖10示出非限制實例中的定位在脊柱的椎骨之間用于感測椎骨參數(shù)的脊柱器械400的透視圖。一般來說，當(dāng)帶傳感器的頭部407插入到脊柱區(qū)中時，壓縮力會施加到表面403和406上。在一個實施例中，帶傳感器的頭部407包括兩個或更多個負(fù)載傳感器，這些傳感器識別表面403、表面406或兩者之上的負(fù)載的與兩個表面之間的椎間力相關(guān)的量值矢量。在所示實例中，脊柱器械400被定位在椎骨(L5)與骶骨(S)之間，這樣使得壓縮力施加到表面403和406上。用于插入器械400的方法是從后部(背側(cè))通過微小剖腹術(shù)插入，因為內(nèi)窺鏡方法可能難以可視化或提供良好的暴露。另一種方法是從前部(前側(cè))插入，這允許外科醫(yī)生穿過腹部到達(dá)脊柱來工作。通過這種方式，位于背部中的脊柱肌肉不被破壞或切開；從而避免了肌肉無力和疤痕形成。脊柱器械400可以用于前部或后部脊柱方法中的任一種。[0083]脊柱器械400的帶傳感器的部件的多個方面在于2010年6月29日提交的題為“用于矯形負(fù)載感測插入器件的系統(tǒng)和方法(System and Method for Orthopedic LoadSensing Insert Device) ”的美國專利申請12/825，638，以及于2010年6月29日提交的題為“用于感測肌肉-骨骼系統(tǒng)參數(shù)的無線感測模塊(Wireless Sensing Module forSensing a Parameter of the Muscular-Skeletal System) ”的美國專利申請 12/825，724中進(jìn)行了披露，這些申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。簡言之，帶傳感器的頭部407可以測量椎骨的相應(yīng)位置處的力(Fx、Fy以及Fz)和力矩(例如，Tx, Ty以及Tz)以及邊緣載荷。電子電路401 (未示出)控制帶傳感器的頭部407中的傳感器的操作和測量。電子電路401進(jìn)一步包括用于短程數(shù)據(jù)傳送的通信電路。然后，它可以將所測得的數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程系統(tǒng)，以便提供實時可視化來協(xié)助外科醫(yī)生識別實現(xiàn)最佳關(guān)節(jié)平衡所需的任何調(diào)整。
[0084]下面披露了在肌肉-系統(tǒng)中安裝部件的方法。該方法的步驟可以任何順序來執(zhí)行。使用了將融合器放置在椎骨之間的實例來示范該方法，但該方法適用于其他肌肉-骨骼區(qū)，如膝、髖、踝、脊柱、肩、手、臂以及腳。在第一步驟中，將具有預(yù)定寬度的帶傳感器的頭部放置在肌肉-骨骼系統(tǒng)的區(qū)中。在該實例中，插入?yún)^(qū)是在脊柱的椎骨之間?？梢允褂缅N來輕敲手柄的一端，以便提供足夠的力來將帶傳感器的頭部插入椎骨之間。插入過程還可以撐開椎骨，由此增大間距。在第二步驟中，測量施加到帶傳感器的頭部上的負(fù)載的位置。因此，可獲得帶傳感器的頭部的表面上的負(fù)載的負(fù)載量值和位置。一旦帶傳感器的頭部被插入，肌肉-骨骼系統(tǒng)所施加的負(fù)載定位在帶傳感器的頭部的表面上的方式可以有助于確定部件的穩(wěn)定性。可以預(yù)測這樣的情形:在施加到帶傳感器的頭部上的不規(guī)則負(fù)載的情況下，所施加的力會將部件推擠遠(yuǎn)離插入位置。一般情況下，帶傳感器的頭部用于基于量化數(shù)據(jù)識別用于插入部件的合適位置。在第三步驟中，來自帶傳感器的頭部的負(fù)載和負(fù)載位置數(shù)據(jù)被實時顯示在遠(yuǎn)程系統(tǒng)上。類似地，在第四步驟中，取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置中的至少一個被實時顯示在該遠(yuǎn)程系統(tǒng)上。在定位帶傳感器的頭部過程中所做的改變被反映在遠(yuǎn)程系統(tǒng)顯示器上的數(shù)據(jù)中。在第五步驟中，識別了具有適當(dāng)?shù)呢?fù)載和位置的椎骨之間的位置，并且相應(yīng)的量化測量數(shù)據(jù)被存儲在存儲器中。
[0085] 在第六步驟中，將帶傳感器的頭部移除。在第七步驟中，將部件插入肌肉-骨骼系統(tǒng)中。作為實例，所存儲的量化測量數(shù)據(jù)被用于支持部件在肌肉-骨骼系統(tǒng)中的定位。在該實例中，插入器械可以用于將部件引導(dǎo)到肌肉-骨骼系統(tǒng)中。插入器械是有源器件，當(dāng)正在插入部件時，該有源器件提供部件的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置。先前測得的帶傳感器的頭部的插入的方向和位置可以用于指導(dǎo)插入器械。在一個實施例中，遠(yuǎn)程系統(tǒng)顯示器可以幫助顯示插入器械和部件與先前插入的帶傳感器的頭部的關(guān)系對準(zhǔn)。插入器械結(jié)合該系統(tǒng)可以提供視覺的、聲音的、觸覺的或其他反饋，以便進(jìn)一步幫助引導(dǎo)部件的放置。一般情況下，正在插入的部件具有與帶傳感器的頭部大致相同的高度。理想地，部件以與先前插入的帶傳感器的頭部相同的位置和定位插入，這樣使得部件上的負(fù)載和負(fù)載位置類似于量化測量結(jié)果。在第八步驟中，將部件與先前插入的帶傳感器的頭部相同地定位并且釋放部件。然后可以將插入器械從肌肉-骨骼系統(tǒng)中移除。在第九步驟中，至少對帶傳感器的頭部進(jìn)行處理。
[0086]因此，帶傳感器的頭部被用于識別用于部件插入的適合的位置。該插入由包括位置和定位的量化測量提供支持。此外，在已經(jīng)完成手術(shù)之后，可以得知部件上的近似負(fù)載和負(fù)載位置。一般情況下，知道肌肉-骨骼系統(tǒng)所施加的負(fù)載和在部件的表面上的位置可以有助于確定部件長期的穩(wěn)定性。施加在部件上的不規(guī)則負(fù)載可能導(dǎo)致所施加的力將部件推擠遠(yuǎn)離插入位置。
[0087]圖11示出非限制實例中的展示圖10的帶傳感器的脊柱器械的透視圖的圖形用戶界面(GUI) 500。用戶界面500是以遠(yuǎn)程系統(tǒng)105和對準(zhǔn)系統(tǒng)100 (參見圖1)的方式呈現(xiàn)。⑶1500包括窗口 510和相關(guān)窗口 520。窗口 520關(guān)于正在評估的椎骨522展示了脊柱器械400和傳感器頭部407。在這個實例中，示出了椎骨的透視(頂視)圖。它指示軸角523和旋轉(zhuǎn)分量524，該軸角和該旋轉(zhuǎn)分量揭示脊柱器械400例如當(dāng)它朝前移動到切口中時的接近角和旋轉(zhuǎn)。在手術(shù)過程中，窗口 520和相應(yīng)的CTI信息被呈現(xiàn)并實時更新。它允許外科醫(yī)生使脊柱器械400的使用和感測到的參數(shù)可視化。窗口 510展示了帶傳感器的頭部407的感測表面(403或406)。十字線512疊加在傳感器頭圖像上，以便識別力的最大點和位置。它還可以延長以顯不椎骨邊緣載荷。窗口 513報告跨傳感器頭表面的負(fù)載力，例如,201b。在手術(shù)過程中，這一信息被呈現(xiàn)并實時更新。
[0088]如前所述，系統(tǒng)100可以通過參數(shù)感測(例如，脊柱負(fù)載、邊緣載荷、壓縮等)的方式在手術(shù)中使用以幫助假體/器械/硬件的移植。這些部件如接收器101、多個棒103以及脊柱器械400在被使用時保持在手術(shù)區(qū)內(nèi)。遠(yuǎn)程系統(tǒng)105典型地是在手術(shù)區(qū)之外。所有測量都是由這些部件在外科手術(shù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行的。在一個實施例中，在手術(shù)完成之后，接收器101、多個棒103以及脊柱器械中的至少一個被處理掉。一般情況下，它們被設(shè)計成為一次使用供電，并且不能被重新滅菌。[0089]在脊柱中，系統(tǒng)100評估對骨組織和軟組織成分的影響，連同軟組織(例如，軟骨、肌腱、韌帶)在外科手術(shù)(包括矯正性脊柱外科手術(shù))過程中的變化。然后，在手術(shù)過程中(以及在手術(shù)后)使用傳感器來評估和可視化隨時間的變化和動態(tài)變化。當(dāng)存儲外科手術(shù)參數(shù)讀數(shù)時，傳感器可以在手術(shù)中激活。手術(shù)后緊接著，傳感器被激活，并且得知基線。
[0090]傳感器系統(tǒng)100允許關(guān)于(但不限于)骨密度、流體粘度、溫度、應(yīng)變、壓力、角畸形、振動、負(fù)載、扭矩、距離、傾斜度、形狀、彈性以及運(yùn)動對脊柱和結(jié)締組織進(jìn)行評估。由于傳感器跨越椎間隙，所以這些傳感器可以在它們插入之前預(yù)測椎骨部件功能的變化。如前所述，系統(tǒng)100被用于將脊柱器械400放置在椎間隙中，在那里脊柱器械400被展示為相對于椎體522進(jìn)行定位。一旦它被放置在椎骨中心中并被視覺確認(rèn)，系統(tǒng)100就報告器械上的任何邊緣載荷，該邊緣載荷又被用來確定適當(dāng)?shù)淖倒瞧骷拇笮『筒迦敕桨?例如，接近角、旋轉(zhuǎn)、深度、路徑軌跡)。植入物部件功能的實例(僅舉幾例)包括軸承磨損、沉陷、骨結(jié)合、正常和異常運(yùn)動、熱量、粘度變化、顆粒物、運(yùn)動學(xué)。 [0091]圖12示出非限制實例中的定位在脊柱的椎骨之間用于椎間位置和力感測的帶傳感器的脊柱器械400。如圖所示，脊柱器械400的帶傳感器的頭部407被放置在椎骨L4和椎骨L5之間。脊柱器械400撐開L4和L5椎骨成帶傳感器的頭部407的高度，并且提供關(guān)于負(fù)載量值和負(fù)載位置的量化數(shù)據(jù)。在一個實施例中，脊柱器械400與定位在其每一側(cè)附近的第一棒510和第二棒520進(jìn)行通信。在每個棒上設(shè)有長軸514以允許定位在脊柱的椎骨內(nèi)并且還與其他棒以及脊柱器械400的電子組件401并排。棒510跟蹤椎骨L4的取向和位置，而棒520跟蹤椎骨L5的取向和位置。這允許系統(tǒng)100跟蹤脊柱器械400相對于相鄰椎骨的移動的取向和移動。類似于脊柱器械400，每個棒都是帶傳感器的。棒510和棒520對應(yīng)地包括傳感器512和傳感器513。傳感器512和513可以傳送和接收位置信息。電子組件401與棒510和520 —起雙重地用于解決脊柱器械400在手術(shù)過程中的取向和位置。在于2010年4月20日提交的題為“用于位置測量的系統(tǒng)(Method and System forPositional Measurement) ”的美國專利申請12/764，072中披露了超聲位置感測的一個實例，該專利的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
[0092]圖13示出非限制實例中的展示圖12的帶傳感器的脊柱器械的用戶界面600的透視圖。用戶界面600是以遠(yuǎn)程系統(tǒng)105和對準(zhǔn)系統(tǒng)100 (參見圖1)的方式呈現(xiàn)。⑶1600包括第一窗口 610和相關(guān)第二窗口 620。第二窗口 620關(guān)于正在評估的椎骨部件622展不了脊柱器械和帶傳感器的頭部407。在這個實例中，展示了脊柱的矢狀(側(cè))視圖。它指示軸角623和旋轉(zhuǎn)分量624，該軸角和旋轉(zhuǎn)分量揭示脊柱器械和帶傳感器的頭部407的接近角和旋轉(zhuǎn)。在手術(shù)過程中，第二窗口 620和相應(yīng)的CTI信息被呈現(xiàn)并實時更新。它允許外科醫(yī)生使脊柱器械400的帶傳感器的頭部407和感測到的負(fù)載力參數(shù)可視化。第一窗口 610展示了該傳感器頭部的感測表面(參見圖7)。十字線612疊加在帶傳感器的頭部407的圖像上，以便識別力的最大點和位置。還可以調(diào)整該圖像的寬度和長度以顯示椎骨邊緣載荷。另一個⑶I窗口 613報告帶傳感器的頭部407表面上的負(fù)載力。在手術(shù)過程中，⑶1600被呈現(xiàn)并實時更新。
[0093]圖14示出根據(jù)非限制實例中的用于椎間融合器475的放置的帶傳感器的脊柱插入器械420的透視圖。插入器械420提供了用于將椎骨部件475 (例如，椎間融合器、椎弓根螺釘、傳感器)植入在圖示中的L4與L5椎骨之間的外科手術(shù)裝置。頸434的遠(yuǎn)端處的機(jī)械組件尖端451允許通過附接/釋放機(jī)構(gòu)455的方式來附接和釋放椎骨部件。如圖所示，椎骨部件475可以通過背部中的中線切口例如經(jīng)由后路椎體間融合術(shù)(PLIF)放置在脊柱的背部中。類似地，插入器械420可以在前路椎體間融合術(shù)(ALIF)手術(shù)中使用。
[0094]在此所設(shè)想的一種方法中，融合器在插入之前的位置是例如通過關(guān)于圖12和圖13中所示的脊柱器械400的棒510和520所描述的3D成像或者通過超聲導(dǎo)航來最佳地限定的。如上所述，負(fù)載傳感器407 (參見圖12)定位在椎骨之間以評定負(fù)載力，其中限定了最佳插入路徑和軌跡。負(fù)載力和器械插入路徑被記錄。其后如圖14中所示，插入器械420根據(jù)所記錄的路徑并且基于負(fù)載力來插入最終的椎間融合器475。在插入過程中，如圖15中所示的⑶I將脊柱器械420導(dǎo)航至所記錄的插入點。脊柱插入器械420可以配備有用作最終椎間融合器的占位物(placeholder)的一個或多個負(fù)載傳感器。在將椎間融合器放置在椎骨之間、將椎間融合器從插入器械420中釋放、以及移除插入器械420之后，椎間融合器475周圍被占據(jù)的開放空間然后經(jīng)由相鄰椎骨上的桿和椎弓根螺釘而閉合。這將周圍的椎骨壓縮到椎間融合器上，并且為椎骨融合提供了穩(wěn)定性。在這一手術(shù)過程中，圖15的GUI700報告脊柱解剖的變化，例如，由于桿的調(diào)整和椎弓根螺釘?shù)氖站o造成的脊柱前凸和后凸。值得注意的是，GUI700還提供視覺反饋，該視覺反饋指示對桿和螺釘進(jìn)行器械調(diào)整的量和方向以實現(xiàn)所計劃的脊柱對準(zhǔn)。
[0095]圖15示出非限制實例中的展示圖14的帶傳感器的脊柱插入器械420的透視圖的用戶界面700。用戶界面700是以遠(yuǎn)程系統(tǒng)105和對準(zhǔn)系統(tǒng)100 (參見圖1)的方式呈現(xiàn)。⑶1700包括第一窗口 710和相關(guān)第二窗口 720。第二窗口 720關(guān)于正在評估的L4和L5椎骨展示了脊柱器械420和椎骨部件475。在這個實例中，展示了脊柱的矢狀(側(cè))視圖。它指示軸角723和旋轉(zhuǎn)分量724，該軸角和旋轉(zhuǎn)分量揭示插入器械420和椎骨部件475的接近角和旋轉(zhuǎn)。在手術(shù)過 程中，第二窗口 720和相應(yīng)的⑶I信息被呈現(xiàn)并實時更新。這允許外科醫(yī)生根據(jù)先前所感測的負(fù)載力參數(shù)使插入器械420的椎骨部件475可視化。
[0096]第一窗口 710展示了目標(biāo)(所希望的)帶傳感器的頭部取向722和當(dāng)前的器械頭部取向767。目標(biāo)取向722展示了先前當(dāng)使用脊柱器械400評估負(fù)載參數(shù)時所確定的接近角、旋轉(zhuǎn)以及軌跡路徑。當(dāng)前器械頭部取向767展示了對當(dāng)前用來插入最終融合器475的插入器械420的跟蹤。⑶1700基于當(dāng)前的器械頭部取向767呈現(xiàn)目標(biāo)取向模型722，以便提供先前所確定的手術(shù)計劃的可視化。
[0097]回想一下，圖10、圖11、圖12以及圖13示出了脊柱器械400基于所確定的感測參數(shù)(例如，負(fù)載、力、邊緣)評定最佳手術(shù)參數(shù)(例如，角度、旋轉(zhuǎn)、路徑)。一旦確定了這些手術(shù)參數(shù)，系統(tǒng)100現(xiàn)在就通過⑶1700的方式指導(dǎo)外科醫(yī)生操作插入器械420來插入椎部件475 (例如，椎間融合器、椎弓根螺釘)。在一個安排中，系統(tǒng)100提供觸覺反饋，以便在插入過程中指導(dǎo)插入器械420。例如，它在當(dāng)前接近角713偏離目標(biāo)接近角時發(fā)生振動、或者當(dāng)取向767未與目標(biāo)軌跡路徑722對準(zhǔn)時提供視覺提示(紅色/綠色指示)?？商娲兀到y(tǒng)100可以提供聲音反饋，以便補(bǔ)充所提供的視覺信息。GUI700基于先前的插裝通過視覺和觸覺反饋有效地再現(xiàn)了帶傳感器的插入器械420的定位和目標(biāo)路徑。
[0098]在手術(shù)過程中，可以使用來自對準(zhǔn)和負(fù)載平衡系統(tǒng)100的帶傳感器的器件(例如，101、103、400、420、475)的數(shù)據(jù)，通過外科手術(shù)技術(shù)和調(diào)整在預(yù)定的量化測量范圍內(nèi)對負(fù)載、平衡以及位置進(jìn)行調(diào)整。試驗插入物和最終插入物(例如，椎間融合器、椎弓根螺釘、傳感器等)兩者均可以包括感測模塊，以便將所測得的數(shù)據(jù)提供給遠(yuǎn)程系統(tǒng)用于顯示。最終插入物還可以用于長期監(jiān)測椎骨關(guān)節(jié)。該數(shù)據(jù)可以由患者和衛(wèi)生保健提供者使用，以便確保椎骨關(guān)節(jié)或融合后椎骨在康復(fù)期間以及在患者回到活躍的正常生活方式時功能正常。相反，當(dāng)所測得的參數(shù)超出規(guī)定范圍時，可以通知患者或衛(wèi)生保健提供者。這提供了脊柱問題的早期發(fā)現(xiàn)，從而可以在給患者最小壓力的情況下解決脊柱問題。來自最終插入物的數(shù)據(jù)可以使用來自嵌入感測模塊的數(shù)據(jù)來實時顯示在屏幕上。在一個實施例中，使用手持式器件來接收來自最終插入物的數(shù)據(jù)?？梢晕粘衷撌殖质狡骷咏怪瑥亩试S獲得強(qiáng)信號，用于數(shù)據(jù)的接收。
[0099]下面披露了撐開脊柱區(qū)的方法。該方法的步驟可以任何順序來執(zhí)行?？梢詤⒖紙D
10、圖11、圖12、圖13以及圖14。使用了將例如椎間融合器的假體部件放置在椎骨之間的實例來示范該方法，但該方法適用于其他肌肉-骨骼區(qū)，如膝、髖、踝、脊柱、肩、手、臂以及腳。一般情況下，量化測量數(shù)據(jù)需要在脊柱區(qū)進(jìn)行收集。在此所披露的脊柱器械、對準(zhǔn)器件以及插入器械可以用于生成量化數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)下，由于缺少有效的工具和測量器件，因此存在量化測量數(shù)據(jù)的缺乏?？梢詫⒂杉袤w部件安裝過程中的工具生成的測量數(shù)據(jù)與其他短期和長期數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，以便確定負(fù)載、負(fù)載位置以及假體部件對準(zhǔn)的影響，因為它與患者健康有關(guān)。在此所披露的系統(tǒng)可以在假體部件安裝過程中生成數(shù)據(jù)，并且適于提供植入物和脊柱區(qū)的長期周期性測量。因此，撐開方法的結(jié)果是生成足以支持減少恢復(fù)時間、最少化失敗、提高性能、可靠性并且延長器件壽命預(yù)期的安裝程序的數(shù)據(jù)。
[0100]在第一步驟中，插入脊柱器械以撐開脊柱區(qū)。該脊柱器械包括用于在手術(shù)過程中實時生成量化測量數(shù)據(jù)的多個傳感器。在第二步驟中，對脊柱區(qū)所施加到脊柱器械上的負(fù)載進(jìn)行測量。脊柱器械具有第一高度，這樣使得脊柱區(qū)被撐開至該第一高度。該系統(tǒng)通過視覺的、聽覺的或觸覺的手段指示測量數(shù)據(jù)。在一個實施例中，該系統(tǒng)披露了來自脊柱器械的負(fù)載測量結(jié)果在預(yù)定負(fù)載范圍之外。該系統(tǒng)用以評定脊柱區(qū)的該預(yù)定負(fù)載范圍可以通過臨床研究確定。例如，預(yù)定負(fù)載范圍可以通過將負(fù)載測量數(shù)據(jù)與外科手術(shù)的結(jié)果相關(guān)聯(lián)來支持器件安裝。一般情況下，預(yù)定負(fù)載范圍之外的測量結(jié)果可能在統(tǒng)計學(xué)上增加器件失敗的機(jī)會。在第三步驟中，將脊柱區(qū)撐開至第二高度。在第四步驟中，在該第二高度下，對脊柱區(qū)所施加到脊柱器械上的負(fù)載進(jìn)行測量。該系統(tǒng)指示來自脊柱器械的負(fù)載測量結(jié)果是在預(yù)定負(fù)載范圍之內(nèi)。使所測得的負(fù)載在預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)減少了由于假體部件上的過大負(fù)載導(dǎo)致的失敗。一般情況下，該過程可以在不同撐開高度下按照需要重復(fù)多次，直到脊柱器械測量結(jié)果指示所測得的負(fù)載處于預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)。
[0101]在第五步驟中，對脊柱器械的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置中的至少一個進(jìn)行測量。在一個實施例中，測量結(jié)果可以對應(yīng)于脊柱器械插入脊柱區(qū)中的部分。例如，位置數(shù)據(jù)可以與脊柱器械的帶傳感器的頭部有關(guān)。數(shù)據(jù)可以用于以脊柱器械所測得的類似定位并且以相同軌跡來放置假體部件。在第六步驟中，可以在遠(yuǎn)程系統(tǒng)上對脊柱區(qū)所施加到脊柱器械上的負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測。在該實例中，遠(yuǎn)程系統(tǒng)包括允許在手術(shù)過程中實時查看數(shù)據(jù)的顯示器。在第七步驟中，可以對脊柱器械的高度進(jìn)行調(diào)整。如所披露的，脊柱器械可以包括剪刀型機(jī)構(gòu)以便減小或增大撐開表面的高度。在一個實施例中，旋轉(zhuǎn)脊柱器械的手柄以改變撐開高度?？梢宰鞒鲞@種調(diào)整，同時在遠(yuǎn)程系統(tǒng)上實時監(jiān)測負(fù)載數(shù)據(jù)。一般情況下，對高度進(jìn)行調(diào)整，直到所測得的負(fù)載處于預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)。在第八步驟中，增大或減小高度，這樣使得調(diào)整后的高度對應(yīng)于假體部件的高度。在一個實施例中，可以將具有相同撐開高度的假體部件放置在脊柱區(qū)中負(fù)載測量的位置中。當(dāng)與軌跡對準(zhǔn)并且放置在與脊柱器械相同的位置中時，假體部件被類似地裝載到負(fù)載測量值處。
[0102]在第九步驟中，脊柱器械測量所施加負(fù)載的位置。脊柱器械可以具有連接至脊柱區(qū)的表面。在該實例中，不止一個傳感器被連接到脊柱器械的表面上以便支持負(fù)載位置測量。負(fù)載位置提供了關(guān)于當(dāng)假體部件被放置在脊柱區(qū)中時，力、壓力或負(fù)載將如何施加到假體部件上的量化測量數(shù)據(jù)。例如，不正確的負(fù)載位置可以造成這樣的情況，其中假體部件在該位置中將是不穩(wěn)定的并且最終從脊柱區(qū)中壓出從而造成災(zāi)難性的失敗。在一個實施例中，可以使用來自脊柱器械的負(fù)載位置的數(shù)據(jù)來評定假體部件放置的位置。量化數(shù)據(jù)可以包括對應(yīng)于脊柱器械的測量表面的預(yù)定范圍或區(qū)域以用于評定負(fù)載位置。在第十步驟中，當(dāng)脊柱區(qū)所施加到脊柱器械上的負(fù)載的位置在預(yù)定位置范圍之外時，將脊柱器械移動到脊柱區(qū)中的不同位置處。可以通過負(fù)載量值和負(fù)載位置的量化數(shù)據(jù)對新位置進(jìn)行評定，作為用于假體部件的部位。
[0103]在第十一步驟中，當(dāng)所測得的量化數(shù)據(jù)落在預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)和預(yù)定位置范圍內(nèi)時，為假體部件識別脊柱區(qū)中的適當(dāng)位置。如前面所提到的，基于臨床證據(jù)，將假體部件放置在被測得處于預(yù)定負(fù)載范圍和預(yù)定位置范圍內(nèi)的脊柱區(qū)區(qū)域中產(chǎn)生積極結(jié)果并且降低失敗率。在第十二步驟中，將假體部件放置在脊柱器械所測得的位置中。放置在該位置中的假體部件將具有由脊柱區(qū)施加的類似于脊柱器械所測得的負(fù)載量值和負(fù)載位置。假體部件被插入到具有類似于脊柱器械的軌跡的脊柱區(qū)中。在該實例中，脊柱器械在測量過程中的軌跡和位置被記錄。在第十三步驟中，可以通過將假體部件的軌跡與脊柱器械的軌跡進(jìn)行比較來進(jìn)一步支持假體部件的插入過程。在一個實施例中，可以向外科醫(yī)生提供視覺、觸覺或聽覺反饋以便幫助假體部件與該位置的對準(zhǔn)。在第十四步驟中，在遠(yuǎn)程系統(tǒng)上查看假體部件和脊柱器械的軌跡。該遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以關(guān)于脊柱器械當(dāng)在脊柱區(qū)中識別該位置時的位置和軌跡來展示假體部件的實際或模擬位置和軌跡。在一個實施例中，外科醫(yī)生可以用固持假體部件的器件或插入器械、通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)上顯示的脊柱器械位置數(shù)據(jù)的可視化或疊加來模擬該軌跡。如在此所披露的，脊柱器械可以具有能夠改變撐開表面的高度的例如剪式插口的機(jī)構(gòu)。用于升高和降低該剪式插口的桿連接到脊柱器械的手柄上。在第十五步驟中，可以旋轉(zhuǎn)脊柱器械的手柄以改變撐開高度。在第十六步驟中，當(dāng)脊柱區(qū)所施加到脊柱器械上的負(fù)載在預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)時，提供視覺、音頻或觸覺信號。類似地，在第十七步驟中，當(dāng)脊柱區(qū)所施加到脊柱器械上的負(fù)載在預(yù)定位置范圍內(nèi)時，提供視覺、音頻或觸覺信號。
[0104]圖16是根據(jù)示例實施例的脊柱器械400的多個部件的方框圖。應(yīng)注意，脊柱器械400可以包括比所示部件的數(shù)量更多或更少的部件。脊柱器械400是可以測量肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)的自含式工具。在該實例中，當(dāng)被插入脊柱區(qū)中時，脊柱器械400測量負(fù)載和負(fù)載位置。脊柱器械400的有源部件包括一個或多個傳感器1602、負(fù)載板1606、電源1608、電子電路1610、收發(fā)器1612、以及加速度計1614。在非限制實例中，脊柱區(qū)向傳感器1602施加所施加的壓縮力并且該壓縮力由脊柱器械400進(jìn)行測量。
[0105] 傳感器1602可以定位、接合、附接或固定到脊柱器械400的表面403和406上。一般情況下，當(dāng)插入到脊柱區(qū)中時，脊柱區(qū)會向表面403和406施加壓縮力。表面403和406連接到傳感器1602上，這樣使得壓縮力被施加到每個傳感器上。在一個實施例中，可以測量施加到表面403和406上的負(fù)載的位置。在該實例中，帶傳感器的頭部中使用三個負(fù)載傳感器來識別所施加的負(fù)載的位置。每個負(fù)載傳感器連接到負(fù)載板1606上的預(yù)定位置上。負(fù)載板1606連接到表面403上以便將施加到脊柱器械400的帶傳感器的頭部的壓縮力分布到每個傳感器上。負(fù)載板1606可以是剛性的并且當(dāng)將力、壓力或負(fù)載分布到傳感器1606上時不發(fā)生撓曲。每個傳感器所測得的力或負(fù)載量值可以反向關(guān)聯(lián)至表面403上所施加的負(fù)載的位置。
[0106]在該椎間測量實例中，具有表面403和406的帶傳感器的頭部可以定位在脊柱的椎骨之間。帶傳感器的頭部的表面403連接到第一椎骨表面上，并且類似地，表面406連接到第二椎骨表面上。加速度計1614或外部對準(zhǔn)系統(tǒng)可以用于測量當(dāng)帶傳感器的頭部被引導(dǎo)到脊柱區(qū)中時，帶傳感器的頭部的位置和取向。傳感器1602連接到電子電路1610上。電子電路1610包括邏輯電路、輸入/輸出電路、時鐘電路、D/A和A/D電路。在一個實施例中，電子電路1610包括減小形狀因子、降低功率并且提高性能的應(yīng)用專用集成電路。一般情況下，電子電路1610控制測量過程、接收測量信號、將測量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式、支持顯示在界面上，并且啟動測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸。電子電路1610測量傳感器1602的物理變化以確定感興趣的參數(shù)，例如作用在表面403和406上的力的水平、分布以及方向。插入物感測器件400可以由內(nèi)部電源1608供電。因此，測量肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)所需的所有部件駐留在脊柱器械400中。
[0107]作為一個實例，傳感器1602可以包括在第一換能器與第二換能器之間的彈性的或可壓縮的傳播結(jié)構(gòu)。這些換能器可以是超聲波(或超聲)諧振器，并且該彈性的或可壓縮的傳播結(jié)構(gòu)可以是 超聲波波導(dǎo)。電子電路1610電連接到換能器上以便將可壓縮的傳播結(jié)構(gòu)的長度(或壓縮或延展)變化轉(zhuǎn)化成感興趣的參數(shù)，如力。該系統(tǒng)測量可壓縮的傳播結(jié)構(gòu)(例如，波導(dǎo))的長度響應(yīng)于所施加的力的變化并將該變化轉(zhuǎn)換成多個電信號，這些電信號可以經(jīng)由收發(fā)器1612傳送以傳達(dá)所施加的力的水平和方向。例如，可壓縮傳播結(jié)構(gòu)具有所施加的力對比波導(dǎo)長度的已知的且可重復(fù)的特征?？梢允褂靡阎卣鲗⑹褂贸暡ㄐ盘柕牟▽?dǎo)長度的精確測量轉(zhuǎn)換成力。
[0108]傳感器1602不限于力、壓力或負(fù)載感測的波導(dǎo)測量結(jié)果。在仍另一些其他安排中，傳感器1602可以包括壓阻傳感器、可壓縮聚合物傳感器、電容傳感器、光學(xué)傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)、應(yīng)變儀、化學(xué)傳感器、溫度傳感器、PH傳感器、以及機(jī)械傳感器，用于測量肌肉-骨骼系統(tǒng)的多種參數(shù)。在可替代實施例中，可以使用壓阻薄膜傳感器來感測負(fù)載。壓阻薄膜具有低輪廓，由此減小實施植入所需的形狀因子。壓阻薄膜的電阻隨所施加的壓力發(fā)生變化?？梢韵驂鹤璞∧な┘与妷夯螂娏鱽肀O(jiān)測電阻的變化?？梢赃B接電子電路1610以施加該電壓或電流。類似地，可以連接電子電路1610以測量對應(yīng)于壓阻薄膜的電阻的電壓和電流。壓阻薄膜與所施加的力、壓力或負(fù)載的關(guān)系是已知的。電子電路1610可以將所測得的電壓或電流轉(zhuǎn)換成施加到帶傳感器的頭部上的力、壓力或負(fù)載。此外，電子電路1610可以將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式以用于顯示或傳輸以便實時使用或存儲。電子電路1610可以包括允許串行和并行數(shù)據(jù)傳輸，由此測量和數(shù)據(jù)傳送可以同時發(fā)生的轉(zhuǎn)換器、輸入端、輸出端以及輸入/輸出端。在一個實施例中，電子電路1610中包括ASIC，該ASIC合并數(shù)字控制邏輯以管理控制功能和由用戶引導(dǎo)的脊柱器械400的測量過程。
[0109]加速度計1614可以測量加速度和靜態(tài)重力引力。加速度計1614可以是檢測作為矢量的加速度的量值和方向的單軸和多軸加速度計結(jié)構(gòu)。加速度計1614還可以用于感測取向、振動、沖擊以及震動。電子電路1610結(jié)合加速度計1614以及傳感器1602可以相對于脊柱器械400的取向來測量感興趣的參數(shù)(例如負(fù)載分布、力、壓力、位移、移動、旋轉(zhuǎn)、扭矩、位置以及加速度)。在這種安排中，可以計算出所測得的參數(shù)相對于所選擇的參考系的空間分布并呈現(xiàn)以用于實時顯示。
[0110]收發(fā)器1612包括發(fā)送器1622和天線1620，以便允許無線操作和遙測功能。在各個實施例中，天線1620可以通過設(shè)計配置為集成的環(huán)形天線。該集成環(huán)形天線被配置在印刷電路板上的各個層和位置處，該印刷電路板具有其他安裝到其上的電部件。例如，電子電路1610、電源1608、收發(fā)器1612以及加速度計1614可以安裝在位于脊柱器械400上或脊柱器械400中的電路板上。一旦啟動收發(fā)器1612，就可以實時廣播感興趣的參數(shù)。遙測數(shù)據(jù)可以用各種接收器、或者用定制接收器來接收和解碼。無線操作可以消除由以下造成的物理干擾的可能性或強(qiáng)加的限制引起的測量結(jié)果的失真或其對測量結(jié)果的限制:將感測模塊與電源或者與相關(guān)的數(shù)據(jù)收集、存儲、顯示設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備相連接的布線和線纜。
[0111]收發(fā)器1612從電源1608接收電力，并且可以通過例如合并在電子電路1610或應(yīng)用專用集成電路內(nèi)的高效率電源管理方案的方式以低功率在各個無線電頻率下操作。作為一個實例，收發(fā)器1612可以按所選擇的發(fā)射模式中的選定頻率通過天線1620的方式傳送數(shù)據(jù)。所選定的頻率可以包括，但不限于，國際電信聯(lián)盟區(qū)域1、2以及3中所識別的ISM頻帶。選擇的發(fā)射模式可以是，但不限于，高斯頻移鍵控(GFSK)、幅移鍵控(ASK)、相移鍵控(PSK)、最小頻移鍵控(MSK)、頻率調(diào)制(FM)、振幅調(diào)制(AM)，或其他版本的頻率或振幅調(diào)制(例如，二進(jìn)制、相干、正交、等)。 [0112]天線1620可以與感測模塊的部件集成以提供無線電頻率傳送。天線1620和電子電路1610被安裝并連接，以使用電線蹤跡在印刷電路板上形成電路。天線1620可以進(jìn)一步包括匹配網(wǎng)絡(luò)，用于高效的信號傳輸。天線和電子器件的這種集成水平使得能夠減小無線設(shè)備的大小和成本。潛在應(yīng)用可以包括但不限于，其中通常使用緊湊天線的任何類型的短程手持式、可佩戴式或其他便攜式通信設(shè)備。這包括一次性模塊或器件，連同可重復(fù)使用的模塊或器件和用于長期使用的模塊或器件。
[0113]電源1608向脊柱器械400的電子部件提供電力。在一個實施例中，電源1608可以通過有線能量傳輸、短距離無線能量傳輸或它們的組合進(jìn)行充電。用于向電源1608提供無線能量的外部電源可以包括但不限于，電池或多個電池、交流電電源、射頻接收器、電磁感應(yīng)線圈、一個或多個光電電池、一個或多個熱電偶、或一個或多個超聲波換能器。通過電源1608的方式，脊柱器械400可以一次充電進(jìn)行操作直到內(nèi)部能量被耗盡。它可以周期性地再充電，從而能夠連續(xù)操作。電源1608可以進(jìn)一步利用電源管理技術(shù)，用于向脊柱器械400的部件高效地供應(yīng)和提供能量，從而利于測量和無線操作。電源管理電路可以合并在ASIC上以管理ASIC功率消耗連同系統(tǒng)的其他部件。
[0114]電源1608使在測量操作過程中為感測模塊供電所需的額外能量輻射源最少。在一個實施例中，如圖所示，能量存儲1608可以包括電容式能量存儲器件1624和感應(yīng)線圈1626。外部充電源可以通過一個或多個電磁感應(yīng)線圈1626通過感應(yīng)充電的方式無線地連接到電容式能量存儲器件1624上。充電操作可以由被設(shè)計成或具有電子電路1610的電源管理系統(tǒng)控制。例如，在電子電路1610的操作過程中，功率可以通過高效的升壓和降壓電壓轉(zhuǎn)換電路從電容式能量存儲器件1624進(jìn)行傳輸。這使電路塊的操作功率保持在支持所要求的性能水平的最小電壓水平下?？商娲兀娫?608可以包括容納在脊柱器械400內(nèi)的一個或多個電池。這些電池可以為脊柱器械400的一次使用供電，由此該器件在其已經(jīng)在一次外科手術(shù)中使用后被處理掉。
[0115]在一種配置中，外部電源可以進(jìn)一步用于在再充電操作過程中向收發(fā)器1612傳送下行鏈路數(shù)據(jù)。例如，可以將下行鏈路控制數(shù)據(jù)調(diào)制到無線能量源信號上，并且之后通過電子電路1610的方式從感應(yīng)線圈1626進(jìn)行解調(diào)。代替配置收發(fā)器1612用于上行鏈路和下行鏈路操作兩者，這可以用作用于接收下行鏈路數(shù)據(jù)的更高效的方式。作為一個實例，下行鏈路數(shù)據(jù)可以包括脊柱器械400在進(jìn)行測量(如外部位置信息)時或者用于重新校準(zhǔn)目的所使用的已更新的控制參數(shù)。它還可用于下載序號或其他識別數(shù)據(jù)。
[0116]電子電路1610管理并且控制感測模塊的部件的各種操作，如感測、電源管理、遙測以及加速度感測。它可以包括模擬電路、數(shù)字電路、集成電路、分立部件或其任何組合。在一種安排中，它可以在多個集成電路和多個分立部件之間進(jìn)行分配以最小化功率消耗而不破壞性能。在數(shù)字電路與模擬電路之間分配功能增強(qiáng)了設(shè)計靈活性并且有助于最小化功率消耗而不損失功能性或性能。因此，電子電路1610可以包括一個或多個集成電路或ASIC，例如，專用于核心信號處理算法。[0117]在另一種安排中，電子電路1610可以包括具有相關(guān)聯(lián)的存儲存儲器和邏輯的控制器，如可編程處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)、微控制器或微處理器?？刂破骺梢岳门c存儲存儲器(如Flash、ROM、RAM、SRAM、DRAM)相關(guān)的計算技術(shù)、或用于控制感測模塊的上述部件的操作的其他類似技術(shù)。在一種安排中，存儲存儲器可以存儲使在此所描述的任何一種或多種方法或功能具體化的一組或多組指令(例如，軟件)。這些指令還可以在其由另一個處理器或計算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的過程中完全地或至少部分地駐留在其他存儲器和/或處理器內(nèi)。
[0118]電子組裝件還支持可測試性和校準(zhǔn)特征，這些可測試性和校準(zhǔn)特征確保完成的無線感測模塊或器件的質(zhì)量、準(zhǔn)確性以及可靠性。可以使用臨時雙向連接來確保這些電子器件的高水平的電可觀測性和可控制性。該測試互連還提供感測子系統(tǒng)的高水平的電可觀察性，這些感測子系統(tǒng)包括換能器、波導(dǎo)以及機(jī)械彈簧或彈性組件。載體或固定物在制造加工過程中模仿完成的無線感測模塊或器件的最終外殼，因此使得能夠捕獲完成的無線感測模塊或器件的校準(zhǔn)的參數(shù)的準(zhǔn)確校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這些校準(zhǔn)參數(shù)被存儲在集成至電子組裝件中的板上存儲器內(nèi)。
[0119]包括傳感器1602和電子電路1610的電子組件的應(yīng)用可以包括但不限于，一次性模塊或器件連同可重復(fù)使用的模塊或器件和用于長期使用的模塊或器件。除了非醫(yī)療應(yīng)用之外，廣泛范圍的潛在醫(yī)療應(yīng)用的實例可以包括但不限于，可植入器件，可植入器件內(nèi)的模塊，手術(shù)中植入物或手術(shù)中植入物內(nèi)的模塊或試驗插入物，插入或攝入器件內(nèi)的模塊，可佩戴器件內(nèi)的模塊，手持式器件內(nèi)的模塊，器械、器具、設(shè)備或所有這些的附件內(nèi)的模塊，或植入物、試驗插入物、插入或攝入器件、可佩戴器件、手持式器件、器械、器具、設(shè)備或這些器件、器械、器具或設(shè)備的附件內(nèi)的一次性用品。
[0120]圖17是用于根據(jù)示例性實施例的用于短程遙測的示例性通信系統(tǒng)1700的示意圖。如圖所示，通信系統(tǒng)1700包括在脊柱器械中的醫(yī)療器件通信部件1710和在基于處理器的遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的接收系統(tǒng)通信。在一個實施例中，這些接收遠(yuǎn)程系統(tǒng)通信是在外科手術(shù)小組在手術(shù)期間可以查看的一臺計算機(jī)或筆記本計算機(jī)中或者連接到其上。遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以在手術(shù)室的無菌區(qū)的外部，但在實時訪問所測得的量化數(shù)據(jù)的觀察范圍內(nèi)。醫(yī)療器件通信部件1710可操作地連接至(包括但不限于)天線1712、匹配網(wǎng)絡(luò)1714、遙測收發(fā)器1716,CRC電路1718、數(shù)據(jù)打包器1722、數(shù)據(jù)輸入端1724、電源1726以及應(yīng)用專用集成電路(ASIC) 1720。醫(yī)療器件通信部件1710可以包括比所示部件的數(shù)目更多或更少的部件，并且不限于所示的這些部件或這些部件的順序。
[0121]接收站通信部件1750包括天線1752、匹配網(wǎng)絡(luò)1754、遙測接收器1756、CRC電路1758、數(shù)據(jù)打包器1760以及可任選地USB接口 1762。值得注意的是，其他接口系統(tǒng)可以直接連接至數(shù)據(jù)打包器1760以用于處理和呈現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)。
[0122]參照圖16，電子電路1610可操作地連接到脊柱器械400的一個或多個傳感器602上。在一個實施例中，一個或多個傳感器602所生成的數(shù)據(jù)可以包括來自微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、壓阻式傳感器、應(yīng)變儀、機(jī)械傳感器、脈沖式傳感器、連續(xù)波傳感器或可以轉(zhuǎn)化為肌肉-骨骼系統(tǒng)的正在測量的參數(shù)的其他傳感器類型的電壓、電流、頻率或計數(shù)。返回參照圖17，數(shù)據(jù)打包器1722將傳感器數(shù)據(jù)組裝成分組；這包括由ASIC1720接收或處理的傳感器信息。ASIC1720可以包括用于高效地執(zhí)行醫(yī)療器件通信部件1710的核心信號處理功能的專用模塊。ASIC1720還提供了減小該工具的形狀因子的益處。
[0123]CRC電路1718對分組數(shù)據(jù)應(yīng)用錯誤碼檢測。循環(huán)冗余校驗是基于計算任何長度的數(shù)據(jù)流或分組的校驗和的算法。這些校驗和可以用于檢測傳送過程中數(shù)據(jù)的干擾或意外更改。循環(huán)冗余校驗尤其善于檢測由電噪聲引起的錯誤，并且因此使得能夠在具有高水平的電磁活動環(huán)境中良好地防止對已損壞數(shù)據(jù)的不正確處理。然后，遙測發(fā)送器1716經(jīng)由天線1712通過匹配網(wǎng)絡(luò)1714來傳送經(jīng)CRC編碼的數(shù)據(jù)分組。匹配網(wǎng)絡(luò)1714和1754提供了用于實現(xiàn)最佳通信功率效 率的阻抗匹配。
[0124]接收系統(tǒng)通信部件1750接收由脊柱器械通信部件1710發(fā)送的傳送信息。在一個實施例中，遙測發(fā)送器1716與專用遙測接收器1756結(jié)合操作，該專用遙測接收器被約束以接收指定發(fā)射模式中的指定頻率上的數(shù)據(jù)流廣播。遙測接收器1756通過接收站天線1752來檢測所指定頻率下的傳入傳送信息。天線1752可以是定向天線，該定向天線可以被指向部件1710的定向天線。使用至少一個定向天線可以通過進(jìn)一步限制是輻射方向圖的數(shù)據(jù)來減少數(shù)據(jù)損壞，同時增加數(shù)據(jù)安全性。匹配網(wǎng)絡(luò)1754連接到天線1752上以便提供阻抗匹配，該阻抗匹配將來自天線1752的信號高效地傳輸至遙測接收器1756。遙測接收器1756可以減小一個或多個步驟中的載波頻率并且剝離部件1710所發(fā)送的信息或數(shù)據(jù)。遙測接收器1756連接到CRC電路1758上。CRC電路1758驗證單獨數(shù)據(jù)分組的循環(huán)冗余校驗和。CRC電路1758連接到數(shù)據(jù)打包器1760上。數(shù)據(jù)打包器1760處理單獨數(shù)據(jù)分組。一般來說，由CRC電路1758驗證的數(shù)據(jù)被解碼(例如，解包)并轉(zhuǎn)發(fā)給外部數(shù)據(jù)處理器件，如用于隨后處理、顯示或存儲或這些的某種組合的外部計算機(jī)。
[0125]遙測接收器1756被設(shè)計和構(gòu)造成在非常低的功率下操作，該功率例如但不限于，從供電的USB端口 1762或電池可獲得的功率。在另一個實施例中，遙測接收器1756被設(shè)計成用于以最少的可控制功能使用，以便限制對所接收到的數(shù)據(jù)的無意損壞或惡意篡改的機(jī)會。遙測接收器1756可以被設(shè)計和構(gòu)造為緊湊的、便宜的、并且使用標(biāo)準(zhǔn)制造工藝容易制造的，同時確保始終如一高水平的質(zhì)量和可靠性。
[0126]在一種配置中，通信系統(tǒng)1700以僅發(fā)送操作、在數(shù)米級別的廣播范圍內(nèi)進(jìn)行操作，以便提供高安全性并且防止任何形式的未經(jīng)授權(quán)的或意外的查詢。傳送范圍可以通過所傳送的信號強(qiáng)度、天線選擇或兩者的組合進(jìn)行控制。在數(shù)據(jù)捕獲操作過程中，高傳送重復(fù)率可以與嵌入在所傳送的數(shù)據(jù)分組中的循環(huán)冗余校驗(CRC)位結(jié)合使用，由此使得接收系統(tǒng)能夠丟棄已損壞數(shù)據(jù)而不實質(zhì)性地影響數(shù)據(jù)的顯示或數(shù)據(jù)的視覺表示的完整性，該數(shù)據(jù)包括但 不限于，操作中物理系統(tǒng)或靜態(tài)物理系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)載、力、壓力、位移、撓曲、姿態(tài)以及位置的測量結(jié)果。
[0127]通過將操作范圍限制為數(shù)米級別的距離，遙測發(fā)送器1716可以對于所選擇的操作頻率來說適當(dāng)?shù)囊环N或多種發(fā)射模式在非常低的功率下操作，而不破壞數(shù)據(jù)的傳送重復(fù)率。這種操作模式還支持使用緊湊天線(如集成的環(huán)形天線)的操作。低功率和緊湊天線的組合使得能夠?qū)崿F(xiàn)(但不限于)高度緊湊的遙測發(fā)送器的構(gòu)造，這些高度緊湊的遙測發(fā)送器可以用于廣泛范圍的非醫(yī)療應(yīng)用和醫(yī)療應(yīng)用。
[0128]通過在預(yù)定條件內(nèi)操作遙測系統(tǒng)，發(fā)送器安全性以及所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的完整性得以保證。發(fā)送器的安全性不會受破壞，因為它是以僅發(fā)送模式進(jìn)行操作并且不存在非法侵入醫(yī)療器件通信部件的路徑。CRC算法和測量結(jié)果的重復(fù)率的使用確保了數(shù)據(jù)的完整性。未經(jīng)授權(quán)的數(shù)據(jù)接收的風(fēng)險通過該器件的有限廣播范圍得到最小化。即使未經(jīng)授權(quán)的數(shù)據(jù)分組的接收應(yīng)發(fā)生，也存在進(jìn)一步減輕數(shù)據(jù)訪問的適當(dāng)防范措施。第一種措施是所傳送的數(shù)據(jù)分組僅包含來自計數(shù)器的二進(jìn)制位連同CRC位。第二種措施是在任何時間沒有數(shù)據(jù)可用于或不需要數(shù)據(jù)來解釋二進(jìn)制值廣播的意義。可以實施的第三種措施是在任何時間都不廣播患者或器件識別數(shù)據(jù)。
[0129]遙測發(fā)送器1716還可以根據(jù)一些FCC條例進(jìn)行操作。根據(jù)FCC條例的章節(jié)18.301，美國境內(nèi)的 ISM 頻帶包括 6.78,13.56,27.12,30.68,915,2450 和 5800MHz 以及24.125、61.25、122.50和245GHz。在全球，其他ISM頻帶(包括433MHz)是由國際電信聯(lián)盟在一些地理位置定義的。在18.303中限定的禁止頻帶的列表是“以下安全、搜索以及救援頻帶被禁止:490-510kHz、2170-2194kHz、8354-8374kHz、121.4-121.6ΜΗζ、156.7-156.9MHz以及242.8-243.2MHz”。章節(jié)18.305規(guī)定ISM設(shè)備操作時的場強(qiáng)度和發(fā)射水平不能超出所限定的I SM頻帶之外?？傊梢缘贸鼋Y(jié)論，I SM設(shè)備可以在I SM頻帶內(nèi)連同在高于9KHz的大多數(shù)其他頻帶內(nèi)在全世界范圍內(nèi)操作，只要通過設(shè)計或通過主動控制滿足章節(jié)18.305中所指定的對場強(qiáng)度和發(fā)射水平的限制。作為替代，可商購的ISM收發(fā)器，包括可商購的集成電路ISM收發(fā)器可以被設(shè)計成當(dāng)正確使用時滿足這些場強(qiáng)度和發(fā)射水平要求。
[0130]在一種配置中，遙測發(fā)送器1716還可以在無許可的ISM頻帶或者在無許可的低功率設(shè)備操作中進(jìn)行操作，其中ISM設(shè)備(例如，遙測發(fā)送器1716)可以在除FCC碼的章節(jié)18.303中所指明的之外高于9kHz的任何頻率上操作。
[0131]無線操作消除了由以下造成的物理干擾的可能性或強(qiáng)加的限制引起的測量結(jié)果的失真或其對測量結(jié)果的限制:將無線感測模塊與電源或者與數(shù)據(jù)收集、存儲、顯示設(shè)備相連接的布線和線纜。用于這些感測部件和電子電路的功率維持在內(nèi)部能量存儲器件上的無線感測模塊或器件內(nèi)。這個能量存儲器件是用外部電源進(jìn)行充電的，這些外部電源包括但不限于，電池或多個電池、超級電容器、電容器、交流電源、射頻接收器、電磁感應(yīng)線圈、一個或多個光電池、一個或多個熱電偶或一個或多個超聲波換能器。無線感測模塊可以在一次充電的情況下進(jìn)行操作，直到內(nèi)部能量源被耗盡，或者該能量源可以進(jìn)行周期性地再充電以使得能夠連續(xù)操作。嵌入的電源使在測量操作過程中為無線感測模塊或器件供電所需的額外能量輻射源最少。遙測功能也集成在無線感測模塊或器件內(nèi)。一旦啟動，遙測發(fā)送器就持續(xù)地實時廣播測量數(shù)據(jù)。遙測數(shù)據(jù)可以用商用接收器或者用簡單的低成本定制接收器進(jìn)行接收并解碼。
[0132] 圖18示出根據(jù)示例實施例的用于測量和報告的通信網(wǎng)絡(luò)1800。簡言之，通信網(wǎng)絡(luò)1800擴(kuò)展了脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)100、脊柱器械400以及插入器械420以便提供與其他器件或服務(wù)的廣泛的數(shù)據(jù)連接性。如圖所示，脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)100、脊柱器械400以及插入器械420可以通信地連接至通信網(wǎng)絡(luò)1800和任何關(guān)聯(lián)系統(tǒng)或服務(wù)上。
[0133]作為一個實例，脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)100、脊柱器械400以及插入器械420可以與遠(yuǎn)程服務(wù)或提供商共享其感興趣的參數(shù)(例如，負(fù)載分布、力、壓力、位移、移動、旋轉(zhuǎn)、扭矩以及加速度)，例如以便分析或報告外科手術(shù)狀態(tài)或結(jié)果。在傳感器系統(tǒng)被永久植入的情況下，來自傳感器的數(shù)據(jù)可以例如與服務(wù)提供商共享以監(jiān)測進(jìn)度，或者與計劃管理員共享，用于外科手術(shù)計劃的目的或效力研究。通信網(wǎng)絡(luò)1800可以進(jìn)一步連結(jié)至電子醫(yī)療記錄(EMR)系統(tǒng)以便實施健康信息技術(shù)實踐。在其他實施例中，通信網(wǎng)絡(luò)1800可以通信地連接至HIS醫(yī)院信息系統(tǒng)、HIT醫(yī)院信息技術(shù)以及HM醫(yī)院信息管理、EHR電子健康記錄、CPOE計算機(jī)化的醫(yī)囑條目以及CDSS計算機(jī)化的決策支持系統(tǒng)。這提供了不同的信息技術(shù)系統(tǒng)和軟件應(yīng)用程序進(jìn)行通信以便準(zhǔn)確地、有效地并且一致地交換數(shù)據(jù)以及使用所交換的數(shù)據(jù)的能力。
[0134]通信網(wǎng)絡(luò)1800可以通過局域網(wǎng)(LAN) 1801、無線局域網(wǎng)(WLAN) 1805、蜂窩網(wǎng)絡(luò)1814、和/或其他射頻(RF)系統(tǒng)來提供有線或無線連接性。LAN1801和WLAN1805可以例如通過中心局通信地連接至因特網(wǎng)1820。該中心局可以容納用于分配電信服務(wù)的常見網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。電信服務(wù)可以包括傳統(tǒng)的POTS(普通老式電話服務(wù))和寬帶服務(wù)，如電纜、HDTV、DSL, VoIP (因特網(wǎng)協(xié)議電話)、IPTV (因特網(wǎng)協(xié)議電視)、因特網(wǎng)服務(wù)等。
[0135]通信網(wǎng)絡(luò)1800可以利用常見計算和通信技術(shù)來支持電路交換和/或分組交換通信。用于因特網(wǎng)1820和其他分組交換網(wǎng)絡(luò)傳送的各標(biāo)準(zhǔn)(例如，TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP、RTP、MMS、SMS)代表現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的實例。這類標(biāo)準(zhǔn)被具有大致相同功能的更快或更高效的等效標(biāo)準(zhǔn)周期性地取代。因此，具有相同功能的替代標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議被認(rèn)為是等效的。
[0136]蜂窩網(wǎng)絡(luò)1814可以通過許多接入技術(shù)來支持語音和數(shù)據(jù)服務(wù)，這些接入技術(shù)如GSM-GPRS、EDGE、CDMA、UMTS、WiMAX、2G、3G、WAP、軟件定義無線電(SDR)以及其他已知技術(shù)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)1814可以在頻率復(fù)用方案下連接至基站接收器1810，用于與移動器件1802進(jìn)行通信。
[0137]基站接收器1810轉(zhuǎn)而可以通過分組交換鏈路將移動器件1802連接至因特網(wǎng)1820。因特網(wǎng)1820可以支持用于將來自脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)100、脊柱器械400以及插入器械420的數(shù)據(jù)分配至移動器件502的應(yīng)用服務(wù)和服務(wù)層。移動器件1802還可以使用無線通信信道通過因特網(wǎng)1820連接至其他通信器件。
[0138]移動器件1802還可以通過WLAN1805連接至因特網(wǎng)1820。無線本地接入網(wǎng)絡(luò)(WLAN)提供了在局部地理區(qū)域內(nèi)的無線接入。WLAN典型地是由接入點(AP) 1804(也被稱為基站)的群集組成。脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)100、脊柱器械400以及插入器械420可以與基站區(qū)域內(nèi)的其他WLAN站(如筆記本計算機(jī)1803)通信。在典型的WLAN實現(xiàn)中，物理層使用多種技術(shù)，如802.1lb或802.1lg WLAN技術(shù)。物理層可以使用2.4GHz頻帶中的紅外、跳頻擴(kuò)頻，
2.4GHz頻帶中的直接序列擴(kuò)頻，或(例如)5.8GHz ISM頻帶或更高ISM頻帶(例如，24GHz等)中的其他接入技術(shù)。
[0139]通過通信網(wǎng)絡(luò)1800，脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)100、脊柱器械400以及插入器械420可以與網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程服務(wù)器1830并且與其他移動器件建立連接，用于交換數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程服務(wù)器1830可以訪問數(shù)據(jù)庫1840，該數(shù)據(jù)庫被本地或遠(yuǎn)程地存儲并且可以包含應(yīng)用專用數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程服務(wù)器1830還可以直接地、或通過因特網(wǎng)1820來托管應(yīng)用服務(wù)。
[0140]圖19描繪了呈計算機(jī)系統(tǒng)1900形式的機(jī)器的示例性圖形表示，在該計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，一組指令當(dāng)被執(zhí)行時可以使該機(jī)器執(zhí)行以上所論述的方法中的任何一種或多種。在一些實施例中，該機(jī)器作為獨立器件操作。在一些實施例中，該機(jī)器可以(例如，使用網(wǎng)絡(luò))連接至其他機(jī)器。在網(wǎng)絡(luò)化部署中，該機(jī)器可以作為服務(wù)器-客戶端用戶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的服務(wù)器或客戶端用戶機(jī)或作為點對點(或分布式)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的對等機(jī)操作。
[0141]該機(jī)器可以包括服務(wù)器計算機(jī)、客戶端用戶計算機(jī)、個人計算機(jī)(PC)、平板PC、筆記本計算機(jī)、臺式計算機(jī)、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機(jī)或網(wǎng)橋、或能夠執(zhí)行指定將由該機(jī)器采取的動作的指令集(順序地或以另外的方式)的任何機(jī)器。應(yīng)當(dāng)理解的是，本披露的器件廣義上包括提供語音、視頻或數(shù)據(jù)通信的任何電子器件。另外，雖然圖解了單個機(jī)器，術(shù)語“機(jī)器”還應(yīng)當(dāng)理解為包括單獨地或聯(lián)合地執(zhí)行指令集(或多個指令集)以執(zhí)行在此所討論的任何一種或多種方法的機(jī)器的任何集合。
[0142]計算機(jī)系統(tǒng)1900可以包括經(jīng)由總線1908彼此通信的處理器1902(例如，中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)或兩者)、主存儲器1904以及靜態(tài)存儲器1906。計算機(jī)系統(tǒng)1900可以進(jìn)一步包括視頻顯示單元1910(例如,液晶顯示器(IXD)、平板、固態(tài)顯示器或陰極射線管(CRT))。計算機(jī)系統(tǒng)1900可以包括輸入器件1912(例如，鍵盤)、光標(biāo)控制器件1914(例如，鼠標(biāo))、磁盤驅(qū)動單元1916、信號產(chǎn)生器件1918(例如，揚(yáng)聲器或遠(yuǎn)程控制)以及網(wǎng)絡(luò)接口器件1920。
[0143]磁盤驅(qū)動單元1916可以包括機(jī)器可讀介質(zhì)1922，在該機(jī)器可讀介質(zhì)上存儲有實施在此所描述的任何一種或多種方法或功能(包括以上所說明的那些方法)的一個或多個指令集(例如，軟件1924)。這些指令1924還可以在由計算機(jī)系統(tǒng)1900執(zhí)行其期間，完全地或至少部分地駐留在主存儲器1904、靜態(tài)存儲器1906內(nèi)、和/或處理器1902內(nèi)。主存儲器1904和處理器1902還可以構(gòu)成機(jī)器可讀介質(zhì)。
[0144]可以類似地構(gòu)建專用硬件實施，包括但不限于:應(yīng)用專用集成電路、可編程的邏輯陣列以及其他硬件器件，以便實施在此所描述的方法。可以包括各個實施例的設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛地包括多種電子系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng)。一些實施例在兩個或更多個特定互連的硬件模塊或器件中實施功能，這些模塊或器件帶有在模塊之間和通過模塊通信的相關(guān)控制信號和數(shù)據(jù)信號，或作為應(yīng)用專用集成電路的部分。因此，該示例性系統(tǒng)適用于軟件、固件以及硬件實施。
[0145] 根據(jù)本披露的各個實施例，在此所描述的方法旨在用于作為在處理器、數(shù)字信號處理器或邏輯電路上運(yùn)行的軟件程序而操作。此外，軟件實施可以包括但不限于，分布式處理或部件/對象分布式處理、并行處理或虛擬機(jī)器處理，還可以被構(gòu)建以實施在此所描述的方法。
[0146]本披露設(shè)想機(jī)器可讀介質(zhì)，該機(jī)器可讀介質(zhì)包含指令1924或接收并執(zhí)行來自傳播信號的指令1924，這樣使得連接到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境1926的器件可以發(fā)送或接收語音、視頻或數(shù)據(jù)，并且使用這些指令1924通過網(wǎng)絡(luò)1926進(jìn)行通信。這些指令1924可以通過網(wǎng)絡(luò)接口器件1920在網(wǎng)絡(luò)1926上進(jìn)一步傳送或接收。
[0147]雖然在示例性實施例中示出了機(jī)器可讀介質(zhì)1922是單一介質(zhì)，但術(shù)語“機(jī)器可讀介質(zhì)”應(yīng)被理解為包括存儲該一個或多個指令集的單一介質(zhì)或多重介質(zhì)(例如，中心式或分布式數(shù)據(jù)庫，和/或相關(guān)高速緩沖存儲器和服務(wù)器)。術(shù)語“機(jī)器可讀介質(zhì)”還應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包括能夠存儲、編碼或攜帶指令集的任何介質(zhì)，這些指令集由機(jī)器執(zhí)行并且使得機(jī)器執(zhí)行本披露的方法中的一種或多種。 [0148]術(shù)語“機(jī)器可讀介質(zhì)”因此應(yīng)該被理解為包括但不限于:固態(tài)存儲器，如存儲卡或容納一個或多個只讀(非易失性)存儲器、隨機(jī)存取存儲器或其他可重寫(易失性)存儲器的其他封裝；磁光介質(zhì)或光介質(zhì)如磁盤或磁帶；以及載波信號，如實施傳送介質(zhì)中的計算機(jī)指令的信號；和/或電子郵件的數(shù)字文件附件或其他自含式信息文檔或文檔集被認(rèn)為是等效于實體存儲介質(zhì)的分布式介質(zhì)。因此，認(rèn)為本披露包括任何一種或多種機(jī)器可讀介質(zhì)或分布式介質(zhì)，如在此所列舉的并且包括本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠識別的等效物和后繼介質(zhì)，其中存儲在此的軟件實施。
[0149]雖然本說明書描述了參考具體標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的實施例中實現(xiàn)的部件和功能，但本披露不局限于這類標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。用于因特網(wǎng)的和其他分組交換網(wǎng)絡(luò)傳送的每個標(biāo)準(zhǔn)(例如，TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP)代表現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的實例。這類標(biāo)準(zhǔn)被具有大致相同功能的更快或更高效的等效標(biāo)準(zhǔn)周期性地取代。因此，具有相同功能的替代標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議被認(rèn)為是等效物。
[0150]在此所描述的實施例的說明旨在提供對不同實施例的結(jié)構(gòu)的一般理解，并且它們不旨在用作對可能利用在此所描述的結(jié)構(gòu)的設(shè)備和系統(tǒng)的所有元件和特征的完整描述。許多其他實施例將為本領(lǐng)域的技術(shù)人員在回顧以上描述時變得明顯。可以使用其他實施例并且從其中衍生，這樣使得可以作出結(jié)構(gòu)性和邏輯性替換和改變而不偏離本披露的范圍。附圖也僅是代表性的并且可能不是按比例繪制的。其某些部分可能被放大，而其他部分可能被最小化的。因此，應(yīng)以說明意義而非以限制性意義看待本說明書和附圖。
[0151]本發(fā)明主題的此類實施例可以在此單獨地和/或共同地由術(shù)語“發(fā)明”提到，該術(shù)語僅出于方便起見并且不意在自行地將本申請的范圍限于任何單一發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思(如果實際上披露多于一個的話)。因此，雖然已經(jīng)在此說明和描述了特定實施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以用經(jīng)計算以實現(xiàn)相同目的的任何安排替換所示的特定實施例。本披露意在覆蓋不同實施例的任何和全部改編或變化。上述實施例的組合，和未在此確切地描述的其他實施例，將為本領(lǐng)域的技術(shù)人員在回顧以上描述時編的明顯。
【權(quán)利要求】
1.脊柱測量系統(tǒng)，包括: 接收器； 多個棒；以及 用于評定椎間力的負(fù)載傳感器； 其中該多個棒與該接收器進(jìn)行通信，以便確定包括椎骨的與在椎骨間確定的椎間力相關(guān)的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置中的至少一個的位置信息。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該接收器包括一個或多個傳感器、處理器以及接口，并且其中該處理器解 釋經(jīng)由該一個或多個傳感器從該至少一個棒接收到的感官信號，并且將該位置信息傳送給遠(yuǎn)程系統(tǒng)以供顯示。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中該多個棒各自包括控制器，該控制器可操作地連接到一個或多個傳感器上，并且其中該一個或多個傳感器響應(yīng)于該控制器的指示而傳送感官信號。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的系統(tǒng)，其中該接收器的該一個或多個傳感器以及該多個棒選自下組，該組包括:光學(xué)傳感器、超聲傳感器以及磁傳感器。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的系統(tǒng)，其中該負(fù)載傳感器連接到帶傳感器的頭部上。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 軸，該軸具有連接到其遠(yuǎn)端上的該帶傳感器的頭部；以及 手柄，該手柄連接到該軸的近端上。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括容納在該軸的該近端中的電子電路，其中電子電路包括邏輯電路、加速度計以及通信電路，并且其中該電子電路可操作地連接到該負(fù)載傳感器上。
8.如權(quán)利要求6抑或權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中該帶傳感器的頭部包括多個負(fù)載傳感器，用于定位所施加在該帶傳感器的頭部上的負(fù)載的位置。
9.如權(quán)利要求6至8中任一項所述的系統(tǒng)，其中棒連接到該帶傳感器的頭部上，以便測量取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置中的至少一個。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項所述的系統(tǒng)，其中來自該接收器、該多個棒以及該負(fù)載傳感器的數(shù)據(jù)被無線傳送給遠(yuǎn)程系統(tǒng)，用于顯示來自它們的量化測量結(jié)果。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的系統(tǒng)，其中該接收器、該多個棒或該負(fù)載傳感器中的一個在使用后被處理掉。
12.負(fù)載平衡和定位系統(tǒng),包括: 脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)，該脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)使用超聲信號來測量三維空間中的位置； 脊柱器械，該脊柱器械具有帶傳感器的頭部，以便在該帶傳感器的頭部被插入脊柱區(qū)中時測量負(fù)載；以及 遠(yuǎn)程系統(tǒng)，該遠(yuǎn)程系統(tǒng)與該脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)以及該脊柱器械進(jìn)行通信，以便顯示來自它們的量化測量結(jié)果。
13.如權(quán)利要求12所述的負(fù)載平衡和定位系統(tǒng)，其中該脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)和該脊柱器械是在手術(shù)室的手術(shù)區(qū)內(nèi)。
14.如權(quán)利要求12抑或權(quán)利要求13所述的負(fù)載平衡和定位系統(tǒng)，其中該脊柱對準(zhǔn)系統(tǒng)或該脊柱器械在使用之后是可處理掉的。
15.如權(quán)利要求12至14中任一項所述的負(fù)載平衡和定位系統(tǒng)，其中該對準(zhǔn)系統(tǒng)包括: 接收器，該接收器具有多個超聲換能器；以及 多個棒，該多個棒具有多個超聲換能器。
16.如權(quán)利要求12至15中任一項所述的負(fù)載平衡和定位系統(tǒng)，其中該脊柱器械包括: 連接到該帶傳感器的頭部上的軸，其中該帶傳感器的頭部連接到該軸的遠(yuǎn)端上； 處于該軸的近端處的手柄；以及 容納在該軸的該近端中的電子電路，其中電子電路包括邏輯電路、加速度計以及通信電路，并且其中該電子電路可操作地連接到該負(fù)載傳感器上。
17.在肌肉-骨骼系統(tǒng)中安裝部件的方法，該方法包括: 在該肌肉-骨骼系統(tǒng)中插入帶傳感器的頭部； 測量該肌肉-骨骼系統(tǒng)施加到該帶傳感器的頭部上的負(fù)載； 測量插入在該肌肉-骨骼系統(tǒng)中的該帶傳感器的頭部的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置中的至少一個； 用已測得的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置中的該至少一個來將該部件與該肌肉-骨骼系統(tǒng)對準(zhǔn)；并且 將該部件插入該肌肉-骨骼系統(tǒng)中，這樣使得該部件上的該負(fù)載大約等于該已測得的負(fù)載。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括測量所施加到該帶傳感器的頭部上的該負(fù)載的位置。
19.如權(quán)利要求17或權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括: 將來自該帶傳感器的頭部的負(fù)載和負(fù)載位置數(shù)據(jù)實時顯示在遠(yuǎn)程系統(tǒng)上；并且 在該遠(yuǎn)程系統(tǒng)上實時顯示已測得的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置中的該至少一個。
20.如權(quán)利要求17至19中任一項所述的方法，進(jìn)一步包括在手術(shù)后將至少該帶傳感器的頭部處理掉。
21.撐開脊柱區(qū)的方法，該方法包括: 插入脊柱器械以撐開該脊柱區(qū)； 測量由該脊柱區(qū)施加到該脊柱器械上的負(fù)載，其中該脊柱區(qū)被撐開至第一高度，其中負(fù)載測量結(jié)果在預(yù)定負(fù)載范圍之外； 將該脊柱區(qū)撐開至第二高度；并且 在該第二高度下測量該脊柱區(qū)所施加到該脊柱器械上的該負(fù)載，其中該負(fù)載是在該預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括測量該脊柱器械的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置中的至少一個。
23.如權(quán)利要求21或權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括: 在遠(yuǎn)程系統(tǒng)上監(jiān)測該脊柱器械所測得的負(fù)載；并且 調(diào)整連接到該脊柱區(qū)上的該脊柱器械的高度，以便增大或減小該脊柱器械的撐開，直到所測得負(fù)載是在該預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中調(diào)整該高度包括:增大或減小對應(yīng)于假體部件的高度的撐開高度。
25.如權(quán)利要求21至24中任一項所述的方法，進(jìn)一步包括: 對該脊柱區(qū)所施加到該脊柱器械上的負(fù)載的位置進(jìn)行測量；并且 當(dāng)該脊柱區(qū)所施加到該脊柱器械上的該負(fù)載位置在預(yù)定位置范圍之外時，將該脊柱器械移動到不同位置處。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，進(jìn)一步包括在該脊柱區(qū)中為該假體部件識別位置，該位置落在該預(yù)定負(fù)載范圍和該預(yù)定位置范圍內(nèi)。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步包括將該假體部件放置在該脊柱區(qū)中的該位置處。
28.如權(quán)利要求26或27所述的方法，進(jìn)一步包括: 將該假體部件的軌跡與該脊柱器械的軌跡相比較；并且 在該遠(yuǎn)程系統(tǒng)上查看該假體部件和該脊柱器械的該軌跡，這樣使得該假體部件被沿著與該脊柱器械相似的軌跡放置在該脊柱區(qū)中的該位置處。
29.如權(quán)利要求21至28中任一項所述的方法，進(jìn)一步包括旋轉(zhuǎn)該脊柱器械的手柄以改變撐開高度。
30.如權(quán)利要求21至29中任一項所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)該脊柱區(qū)所施加到該脊柱器械上的該負(fù)載在該預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)時，通過視覺、聽覺或觸覺手段進(jìn)行指示。
31.撐開脊柱區(qū)的方法，該方法包括: 插入脊柱器械以撐開該脊柱區(qū)； 測量由該脊柱區(qū)施加到該脊柱器械上的負(fù)載，其中該脊柱區(qū)被撐開至第一高度； 指示所測得的負(fù)載在預(yù)定負(fù)載范圍之外；并且 調(diào)整該脊柱器械以便將該脊柱區(qū)撐開至第二高度，其中在該第二高度下的負(fù)載測量結(jié)果落在該預(yù)定負(fù)載范圍內(nèi)。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括測量肌肉-骨骼系統(tǒng)中的帶傳感器的頭部的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置中的至少一個。
33.如權(quán)利要求31或權(quán)利要求32所述的方法，進(jìn)一步包括: 對該脊柱區(qū)所施加到該脊柱器械上的負(fù)載的位置進(jìn)行測量；并且 當(dāng)該脊柱區(qū)所施加到該脊柱器械上的該負(fù)載位置在預(yù)定位置范圍之外時，將該脊柱器械移動到不同位置處。
34.如權(quán)利要求31至33中任一項所述的方法，進(jìn)一步包括在該脊柱區(qū)中為假體部件識別位置，該位置落在該預(yù)定負(fù)載范圍和該預(yù)定位置范圍內(nèi)。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，進(jìn)一步包括將該假體部件放置在該脊柱區(qū)中的該位置處。
36.如權(quán)利要求34或35所述的方法，進(jìn)一步包括: 將該假體部件的軌跡與該脊柱器械的軌跡相比較；并且 在遠(yuǎn)程系統(tǒng)上查看該假體部件和該脊柱器械的該軌跡，這樣使得該假體部件被沿著與該脊柱器械相似的軌跡放置在該脊柱區(qū)中的該位置處。
37.跟蹤脊柱區(qū)的對準(zhǔn)和取向的方法，該方法包括: 將接收器放置在多個棒附近，其中該接收器是處于固定位置中并且與該多個棒在描準(zhǔn)線上； 用棒配準(zhǔn)骶骨的一個或多個解剖特征； 檢索具有對應(yīng)于該配準(zhǔn)的解剖特征的取向和尺寸的3D脊柱模型；并且 識別一塊或多塊椎骨的至少一個位置或定位，其中位置測量結(jié)果是通過超聲來確定的。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，進(jìn)一步包括將該多個棒的棒附接到脊柱的不同椎骨上。
39.如權(quán)利要求37或權(quán)利要求38所述的方法，進(jìn)一步包括: 用棒配準(zhǔn)椎骨的一個或多個解剖特征； 將該棒附接到該椎骨上； 使用該多個棒對不同椎骨重復(fù)該配準(zhǔn)和該附接；并且 檢索具有對應(yīng)于每個椎骨的該配準(zhǔn)的解剖特征的取向和尺寸的3D椎骨模型。
40.如權(quán)利要求37至39中任一項所述的方法，進(jìn)一步包括將測量器械的帶傳感器的頭部插入脊柱的椎骨之間并測量其上的負(fù)載，其中生成對應(yīng)于該帶傳感器的頭部相對于該椎骨的取向、旋轉(zhuǎn)、角度或位置數(shù)據(jù)中的一個。
【文檔編號】A61B5/103GK103945763SQ201280057837
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月23日
【發(fā)明者】M.羅奇, M.波伊洛特, M.斯坦 申請人:奧索傳感器公司