取準(zhǔn)植入物應(yīng)變讀數(shù)以評(píng)估骨頭愈合的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種取準(zhǔn)植入物應(yīng)變讀數(shù)以評(píng)估骨頭愈合的方法。一種用于在活體中處理骨頭的裝置，包括：(a)植入物，其附接到骨頭；(b)第一傳感器，其測(cè)量所述植入物的第一部分上的應(yīng)變，所述植入物的第一部分在所述植入物于目標(biāo)位置連接到所述骨頭時(shí)機(jī)械連接到所述骨頭的弱化部分；以及(c)第二傳感器，其測(cè)量所述骨頭的非弱化部分的應(yīng)變。
【專利說(shuō)明】取準(zhǔn)植入物應(yīng)變讀數(shù)以評(píng)估骨頭愈合的方法
[0001 ]本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01080046895.2、發(fā)明名稱為“取準(zhǔn)植入物應(yīng)變讀數(shù)以評(píng)估骨頭愈合的方法”、申請(qǐng)日為2010年1月21的申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002]優(yōu)先權(quán)聲明
[0003]本申請(qǐng)要求在2009年10月21日提交的題為“Method of Normalizing ImplantStrain Readings to Assess Bone Healing” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/253，583的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用方式將其公開(kāi)的全部?jī)?nèi)容并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及用于跟蹤骨頭愈合進(jìn)程的系統(tǒng)和方法，特別而言，涉及在沿著植入物和/或骨頭的多個(gè)位置計(jì)算應(yīng)變率的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0005]可以在整形外科植入物上安置應(yīng)變計(jì)以跟蹤骨頭愈合進(jìn)程。當(dāng)初始植入時(shí)，植入物將會(huì)承受更高的應(yīng)變等級(jí)，該應(yīng)變等級(jí)隨著骨頭開(kāi)始與植入物分擔(dān)更多的負(fù)載而在愈合期間減小。然而當(dāng)前，需要利用施加給骨頭的已知負(fù)載來(lái)評(píng)估植入物的應(yīng)變值而估計(jì)骨頭的愈合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種用于在活體中處理骨頭的裝置，該裝置包括:植入物，其用于附接至骨頭;第一傳感器，其測(cè)量植入物的第一部分上的應(yīng)變，該植入物的第一部分用于當(dāng)該植入物在目標(biāo)位置處與骨頭連接時(shí)與骨頭的弱化部分機(jī)械連接；以及第二傳感器，其測(cè)量骨頭的非弱化部分的應(yīng)變。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的系統(tǒng)的透視圖；
[0008]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的系統(tǒng)的透視圖；
[0009]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的系統(tǒng)的透視圖；
[0010]圖4示出了圖3的系統(tǒng)的骨頭固定元件的側(cè)視圖；以及
[0011]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第四示例性實(shí)施例的系統(tǒng)的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]參照以下描述以及附圖可以進(jìn)一步理解本發(fā)明，其中相同的參考標(biāo)號(hào)指代相同的元件。本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及用于跟蹤骨頭愈合進(jìn)程的系統(tǒng)和方法。特別而言，示例性實(shí)施例描述了在沿著植入物和/或骨頭的多個(gè)位置計(jì)算應(yīng)變率的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)的示例性實(shí)施例可包括在植入物的表面上的第一傳感器，該植入物用于定位于接近骨頭弱化部分的位置。植入物在該位置的應(yīng)變會(huì)受弱化骨頭的強(qiáng)度或硬度以及病人對(duì)該骨頭施加的負(fù)載的影響?？梢栽谥踩胛锷习仓玫诙鞲衅鳎谠摰诙鞲衅魉诘奈恢弥?，由第二傳感器測(cè)量到的應(yīng)變只受該骨頭上的負(fù)載的影響，使得所測(cè)得的應(yīng)變實(shí)質(zhì)上不受骨頭愈合過(guò)程改變。因而，不管骨頭上的負(fù)載如何，在第一傳感器和第二傳感器測(cè)量到的應(yīng)變之間的比率提供了對(duì)應(yīng)于骨頭愈合的信息。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，雖然示例性實(shí)施例具體描述了跟蹤腿骨的愈合進(jìn)程，但是也可以將本發(fā)明用于跟蹤任何承受負(fù)載的骨頭的愈合進(jìn)程。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)理解，雖然示例性實(shí)施例具體示出并且描述了兩個(gè)傳感器，但是本發(fā)明可以沿著骨頭的不同區(qū)域包括附加的傳感器，以確定與不同區(qū)域的骨頭愈合進(jìn)程對(duì)應(yīng)的比率。此外，雖然示例性實(shí)施例示出了骨板，但是本發(fā)明也可以與任何其它固定元件例如螺釘、髓內(nèi)裝置、外固定器、脊椎固定植入物以及假肢等一起使用。
[0013]如圖1中所示，根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的系統(tǒng)100具有植入物102(例如，骨板)以及第一傳感器104和第二傳感器106。植入物102用于固定在骨頭108的目標(biāo)部分上，從而例如固定骨折處110或者支撐骨頭108的弱化部分。第一傳感器104和第二傳感器106沿著植入物102的表面114安裝，以使得第一傳感器104和第二傳感器106可以與骨頭108機(jī)械連接。雖然在將植入物102以期望位置固定到骨頭108時(shí)表面114被示為背向骨頭108，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，傳感器104、106可以沿著植入物102的任何表面安裝。例如，也可以將傳感器104、106安裝在植入物102的、面向骨頭108的表面上或者安裝在植入物102的側(cè)面上。將第一傳感器104和第二傳感器106分別定位在植入物102上，以使得當(dāng)植入物處于骨頭108上的期望位置時(shí)，第一傳感器104位于骨折處110部位上方而第二傳感器106位于骨頭108的健康(S卩，堅(jiān)固的)部分112上方而與骨折處110間隔開(kāi)，以在沿著植入物102的這些位置處測(cè)量植入物102上的負(fù)載和/或應(yīng)變等級(jí)。應(yīng)該將第二傳感器106隔離在鎖定于骨頭108的健康部分112中的兩個(gè)螺釘之間，以測(cè)量骨頭108上的負(fù)載。
[0014]在這個(gè)實(shí)施例中的傳感器104、106可以是無(wú)源供電的MEMs傳感器，如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的那樣，該MEMS傳感器用于測(cè)量應(yīng)變并且具有用于與數(shù)據(jù)收集裝置無(wú)線連接的接口。在另一實(shí)施例中，傳感器104、106可以是連接到印刷電路板(PCB)的外部供電的芯片。這允許在沒(méi)有物理接入傳感器104、106的情況下測(cè)量植入物102上的應(yīng)變并且發(fā)送給數(shù)據(jù)收集裝置以作進(jìn)一步處理。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，由傳感器104、106所檢測(cè)到的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果并不要求表示實(shí)際應(yīng)變值，而是可以包括基于它們基底的不斷變化的應(yīng)變而改變的任何信號(hào)。例如，MEMs傳感器104、106可以是RF裝置，該RF裝置當(dāng)受到應(yīng)變時(shí)變形，導(dǎo)致由傳感器104、106的電容變化而引起的頻移，從而頻移與應(yīng)變變化對(duì)應(yīng)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解的那樣，可以采用外部裝置將信號(hào)以無(wú)線方式提供給傳感器104、106。隨后可以測(cè)量反饋信號(hào)的變化，以確定傳感器所受到的應(yīng)變的等級(jí)。隨后可以由醫(yī)師或其它專業(yè)人士確定第一傳感器104所測(cè)量到的應(yīng)變與第二傳感器106所測(cè)量到的應(yīng)變的比率，以跟蹤愈合進(jìn)程?？商孢x地，該比率可以通過(guò)處理裝置來(lái)確定，該處理裝置還可以(例如，在內(nèi)部存儲(chǔ)器中或在外部存儲(chǔ)裝置中)存儲(chǔ)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果以及所確定的比率，從而可以審視該比率的變化而更加完整地了解隨時(shí)間的愈合進(jìn)展。
[0015]本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，當(dāng)骨頭108初始碎裂或骨折時(shí)，在骨折處110位置的植入物102上的應(yīng)變將基于在愈合過(guò)程期間骨頭108的不斷變化的機(jī)械性質(zhì)以及在骨頭108上施加的負(fù)載(例如，病人施加在腿上的重量)而變化，而在健康部分112中測(cè)量到的應(yīng)變只根據(jù)在骨頭108上施加的負(fù)載而變化。因而，獲取這兩個(gè)傳感器104、106所測(cè)量到的應(yīng)變的比率可以將負(fù)載對(duì)傳感器104、106的作用標(biāo)準(zhǔn)化，提供與骨頭108在骨折部位110處的硬度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。在愈合過(guò)程中來(lái)自第一傳感器104的測(cè)量結(jié)果與來(lái)自第二傳感器106的測(cè)量結(jié)果的比率會(huì)具有隨著時(shí)間推移而呈減小模式的趨勢(shì)，而在沒(méi)有愈合時(shí)隨著時(shí)間推移不會(huì)顯示出可識(shí)別的趨勢(shì)。
[0016]如圖2中所示，根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的系統(tǒng)200基本上類似于系統(tǒng)100，該系統(tǒng)200包括植入物202以及至少兩個(gè)傳感器204、206。然而，并不是將這兩個(gè)傳感器204、206都定位在植入物202上，而是將第一傳感器204在與骨頭208的骨折處對(duì)應(yīng)的位置置于植入物202的表面214上，而第二傳感器206直接置于骨頭208的堅(jiān)固部分212上，在植入物202的邊界之外。因而，第一傳感器204測(cè)量植入物202上的與骨折處210部位對(duì)應(yīng)的位置處的應(yīng)變，而第二傳感器206測(cè)量骨頭208的堅(jiān)固部分212上的應(yīng)變。類似于系統(tǒng)100，確定和跟蹤在第一傳感器204與第二傳感器206所測(cè)量的應(yīng)變之間的比率，以研究骨頭208的愈合進(jìn)程。如以上所示，在來(lái)自第一傳感器204的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果與來(lái)自第二傳感器206的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的比率具有隨著骨頭208愈合呈現(xiàn)減小模式的趨勢(shì)，而在沒(méi)有愈合時(shí)隨著時(shí)間推移不會(huì)顯示出可識(shí)別的趨勢(shì)。
[0017]如圖3-圖4中所示，根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的系統(tǒng)300實(shí)質(zhì)類似于系統(tǒng)200，該系統(tǒng)300包括植入物302以及至少兩個(gè)傳感器304、306。類似于第一傳感器204，第一傳感器304在與骨頭308的骨折處310的位置對(duì)應(yīng)的位置置于植入物302的表面314上(當(dāng)將植入物302安裝在骨頭308上的期望位置時(shí))，以測(cè)量在骨折處310的位置處的植入物302上的應(yīng)變，而第二傳感器306直接置于骨頭308的堅(jiān)固部分312上。然而，第二傳感器306不是置于骨頭308的外表面上，而是例如經(jīng)由骨頭固定元件316(例如，螺釘)而置于堅(jiān)固部分312內(nèi)。
[0018]第二傳感器306可毗鄰骨頭固定元件316的近端318連接，以使得當(dāng)骨頭固定元件316插入到骨頭的堅(jiān)固部分312中時(shí)，第二傳感器306接觸骨頭308的皮質(zhì)壁?？蓪⒌诙鞲衅?06印?；虬惭b在骨頭固定元件316的一部分的周圍，以測(cè)量與骨頭308上的應(yīng)變正相關(guān)的骨頭308變形。隨后，可以確定來(lái)自第一傳感器304的測(cè)量結(jié)果與來(lái)自第二傳感器306的測(cè)量結(jié)果的比率，從而以如上所述相同的方式跟蹤愈合進(jìn)程。
[0019]如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明第四示例性實(shí)施例的系統(tǒng)400基本上類似于系統(tǒng)100，該系統(tǒng)400包括植入物402以及相應(yīng)地均安裝在該植入物402上的第一傳感器404和第二傳感器406。類似于第一傳感器104，第一傳感器404置于植入物402上，當(dāng)植入物402位于期望位置時(shí)，第一傳感器404的位置與骨折處410的位置對(duì)應(yīng)，以使第一傳感器404測(cè)量在與骨折處410部位對(duì)應(yīng)的位置處植入物402上的應(yīng)變。第二傳感器406定位于植入物402的部分420上，該部分420具有比植入物402的、安裝有第一傳感器404的部分更大的柔性。例如，通過(guò)與植入物402的剩余部分相比而減小所述部分420的寬度(S卩，在垂直于植入物402縱軸線的方向上，植入物402橫跨其面對(duì)骨頭的表面的延伸程度)和/或厚度(S卩，面對(duì)骨頭的表面與其背對(duì)骨頭的表面之間的距離)，可以使得所述部分420比植入物402的其它部分更加柔軟。在優(yōu)選的實(shí)施例中，柔性部分420與植入物402的末端422鄰近，以使得第二傳感器406與骨折處410分開(kāi)足夠大的距離，足以確保骨頭408的下方部分412是堅(jiān)固的。
[0020]植入物402的柔性部分420上的第二傳感器406例如經(jīng)由插入在該第二傳感器406兩側(cè)的孔424中的鎖定螺釘而固定到骨頭408的堅(jiān)固部分412。第二傳感器406測(cè)量植入物402的、與骨頭408的堅(jiān)固部分412對(duì)應(yīng)的部分上的應(yīng)變，以使得來(lái)自第二傳感器406的測(cè)量結(jié)果可用于將來(lái)自第一傳感器的測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化。類似于將傳感器直接放置在骨頭中或者骨頭上，如與系統(tǒng)200和系統(tǒng)300結(jié)合描述的那樣，與將第二傳感器406置于植入物402的更堅(jiān)硬部分上所產(chǎn)生的結(jié)果相比，將第二傳感器置于植入物402的、在兩個(gè)鎖定螺釘之間的更柔性部分420上，可允許對(duì)在骨頭408的下方堅(jiān)固部分412上的應(yīng)變進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。在愈合過(guò)程中來(lái)自第一傳感器404的測(cè)量結(jié)果與來(lái)自第二傳感器406的測(cè)量結(jié)果的比率將具有的模式表明骨頭408隨著時(shí)間推移而增加的硬度，而沒(méi)有愈合時(shí)隨著時(shí)間推移不會(huì)顯示出可識(shí)別的趨勢(shì)。
[0021]本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，可以采用其它機(jī)構(gòu)用于將植入物的一部分(當(dāng)在目標(biāo)位置安裝在骨頭上時(shí)，該部分對(duì)應(yīng)于該骨頭的骨折位置或其它弱化部分)上的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化。例如，可為病人提供負(fù)載傳感器，按壓該負(fù)載傳感器或者以受傷的肢體站立，從而可與植入物上的傳感器的應(yīng)變測(cè)量同時(shí)獲得負(fù)載測(cè)量結(jié)果?？商孢x地，可向病人提供傳感器(例如，置于鞋底中)，以在受傷骨頭是股骨或脛骨的情況下測(cè)量受傷的腿上的負(fù)載。
[0022]那些本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，在沒(méi)有脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和方法作出各種變型與變更。因而，本發(fā)明旨在覆蓋在由所附權(quán)利要求以及其對(duì)等體范圍內(nèi)提供的本發(fā)明的變型與變更。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種處理骨頭的系統(tǒng)，包括: 植入物，其定尺寸且成形為附接至骨頭并且包括第一傳感器和第二傳感器，所述第一傳感器定位所述植入物的第一部分上，所述植入物的第一部分在操作位置中在骨頭的弱化部分上延伸，所述第一傳感器構(gòu)造為測(cè)量在所述第一部分上的第一應(yīng)變，所述第二傳感器定位在所述植入物的第二部分上，所述植入物的第二部分在操作位置中在骨頭的非弱化部分上延伸，所述第二傳感器構(gòu)造為測(cè)量在所述第二部分上的第二應(yīng)變；以及 處理裝置，其計(jì)算所述第一應(yīng)變與所述第二應(yīng)變的比率，以使所述骨頭上的負(fù)載的作用標(biāo)準(zhǔn)化并且跟蹤所述骨頭的愈合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二傳感器隔離在所述植入物的兩個(gè)固定元件接收孔之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述植入物是構(gòu)造為連接到骨頭以便覆蓋骨折部位的板，所述骨折部位包括骨頭的弱化部分。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述植入物包括具有第一抗彎硬度的剛性部分和具有第二抗彎硬度的較小剛性部分，所述較小剛性部分的第二抗彎硬度的小于所述剛性部分的第一抗彎硬度。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述植入物的第二部分包括所述植入物的所述較小剛性部分。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一傳感器和所述第二傳感器中的一個(gè)是應(yīng)變傳感器，所述應(yīng)變傳感器用于測(cè)量所述植入物安裝于其上的骨頭上的應(yīng)變。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一傳感器和所述第二傳感器是MEMs傳感器和連接到印刷電路板的外部供電的芯片之一。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述處理裝置包括以無(wú)線方式接收測(cè)量到的第一和第二應(yīng)變的外部數(shù)據(jù)收集單元。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括: 第一鎖定螺釘及第二鎖定螺釘，當(dāng)所述植入物在操作位置中連接到所述骨頭時(shí)，所述第一鎖定螺釘與第二鎖定螺釘插入通過(guò)在所述第二傳感器的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)骨頭固定元件接收孔。10.—種處理骨頭的系統(tǒng)，包括: 植入物，其構(gòu)造為附接至骨頭，所述植入物包括在所述植入物的第一部分上的第一傳感器以測(cè)量在所述第一部分上的第一應(yīng)變，所述植入物的第一部分上構(gòu)造為在操作位置中在所述骨頭的弱化部分上延伸； 第二傳感器，其定位在骨頭的非弱化部分上，以測(cè)量在第二部分上的第二應(yīng)變；以及 處理裝置，其計(jì)算所述第一應(yīng)變與所述第二應(yīng)變的比率，以使所述骨頭上的負(fù)載的作用標(biāo)準(zhǔn)化。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述第二傳感器定位在所述植入物的第二部分上，所述植入物的該第二部分在操作位置中在骨頭的所述非弱化部分上延伸。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述第二傳感器安裝到骨頭固定元件，所述骨頭固定元件在操作位置中插入到骨頭的所述非弱化部分中，所述第二傳感器定位在所述骨頭固定元件上，使得所述第二傳感器在所述骨頭固定元件插入到所述骨頭中時(shí)接觸皮質(zhì)壁。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述第二傳感器圍繞所述骨頭固定元件的近端部分的周緣延伸。14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述植入物是構(gòu)造為連接到骨頭以便覆蓋骨折部位的板。15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述第一傳感器和所述第二傳感器是MEMs傳感器和連接到印刷電路板的外部供電的芯片之一。16.一種方法，其包括: 使處于操作位置中的植入物定位在骨頭的選定部分上，使得所述植入物的第一部分在所述骨頭的弱化部分上延伸，并且使得所述植入物的第二部分在所述骨頭的非弱化部分上延伸； 經(jīng)由在所述植入物的所述第一部分上的第一傳感器測(cè)量第一應(yīng)變； 將第二傳感器定位在所述骨頭的所述非弱化部分上方； 經(jīng)由所述第二傳感器測(cè)量第二應(yīng)變；以及 計(jì)算所述第一應(yīng)變與所述第二應(yīng)變的比率，以使所述骨頭上的負(fù)載的作用標(biāo)準(zhǔn)化并且跟蹤所述骨頭的愈合。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在操作位置中，所述第二傳感器位于骨頭的非弱化部分上方。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述第二傳感器安裝到骨頭固定元件的一部分上，進(jìn)一步包括將所述骨頭固定元件通過(guò)所述植入物插入到骨頭的非弱化部分中以使得所述第二傳感器接觸所述骨頭的皮質(zhì)壁的步驟。19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括: 以無(wú)線方式將所述第一應(yīng)變和所述第二應(yīng)變傳送到外部數(shù)據(jù)收集單元。20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述第一傳感器和所述第二傳感器是MEMs傳感器和連接到印刷電路板的外部供電的芯片之一。
【文檔編號(hào)】A61B5/07GK105919596SQ201610330612
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2010年10月21日
【發(fā)明人】卡爾·德?tīng)柮杉? 喬治·米哈伊爾, 格倫·皮爾遜
【申請(qǐng)人】新特斯有限責(zé)任公司