專利名稱：取準植入物應(yīng)變讀數(shù)以評估骨頭愈合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于跟蹤骨頭愈合進程的系統(tǒng)和方法，特別而言，涉及在沿著植入物和/或骨頭的多個位置計算應(yīng)變率的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
可以在整形外科植入物上安置應(yīng)變計以跟蹤骨頭愈合進程。當初始植入時，植入物將會承受更高的應(yīng)變等級，該應(yīng)變等級隨著骨頭開始與植入物分擔更多的負載而在愈合期間減小。然而當前，需要利用施加給骨頭的已知負載來評估植入物的應(yīng)變值而估計骨頭的愈合。

發(fā)明內(nèi)容
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該植入物在目標位置處與骨頭連接時與骨頭的弱化部分機械連接；以及第二傳感器，其測量骨頭的非弱化部分的應(yīng)變。


圖I示出了根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的系統(tǒng)的透視圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的系統(tǒng)的透視圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的系統(tǒng)的透視圖；圖4示出了圖3的系統(tǒng)的骨頭固定元件的側(cè)視圖；以及圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第四示例性實施例的系統(tǒng)的透視圖。
具體實施例方式參照以下描述以及附圖可以進一步理解本發(fā)明，其中相同的參考標號指代相同的元件。本發(fā)明的示例性實施例涉及用于跟蹤骨頭愈合進程的系統(tǒng)和方法。特別而言，示例性實施例描述了在沿著植入物和/或骨頭的多個位置計算應(yīng)變率的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)的示例性實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)變會受弱化骨頭的強度或硬度以及病人對該骨頭施加的負載的影響?？梢栽谥踩胛锷习仓玫诙鞲衅?，在該第二傳感器所在的位置中，由第二傳感器測量到的應(yīng)變只受該骨頭上的負載的影響，使得所測得的應(yīng)變實質(zhì)上不受骨頭愈合過程改變。因而，不管骨頭上的負載如何，在第一傳感器和第二傳感器測量到的應(yīng)變之間的比率提供了對應(yīng)于骨頭愈合的信息。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，雖然示例性實施例具體描述了跟蹤腿骨的愈合進程，但是也可以將本發(fā)明用于跟蹤任何承受負載的骨頭的愈合進程。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當理解，雖然示例性實施例具體示出并且描述了兩個傳感器，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)域的骨頭愈合進程對應(yīng)的比率。此外，雖然示例性實施例示出了骨板，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。如圖I中所示，根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的系統(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機械連接。雖然在將植入物102以期望位置固定到骨頭108時表面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，以使得當植入物處于骨頭108上的期望位置時，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(即，堅固的)部分112上方而與骨折處110間隔開，以在沿著植入物102的這些位置處測量植入物102上的負載和/或應(yīng)變等級。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中的兩個螺釘之間，以測量骨頭 108上的負載。在這個實施例中的傳感器104、106可以是無源供電的MEMs傳感器，如本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解的那樣，該MEMS傳感器用于測量應(yīng)變并且具有用于與數(shù)據(jù)收集裝置無線連接的接口。在另一實施例中，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。這允許在沒有物理接入傳感器104、106的情況下測量植入物102上的應(yīng)變并且發(fā)送給數(shù)據(jù)收集裝置以作進一步處理。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，由傳感器104、106所檢測到的應(yīng)變測量結(jié)果并不要求表示實際應(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。例如，MEMs傳感器104、106可以是RF裝置，該RF裝置當受到應(yīng)變時變形，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)變變化對應(yīng)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解的那樣，可以采用外部裝置將信號以無線方式提供給傳感器104、106。隨后可以測量反饋信號的變化，以確定傳感器所受到的應(yīng)變的等級。隨后可以由醫(yī)師或其它專業(yè)人士確定第一傳感器104所測量到的應(yīng)變與第二傳感器106所測量到的應(yīng)變的比率， 以跟蹤愈合進程?？商孢x地，該比率可以通過處理裝置來確定，該處理裝置還可以(例如， 在內(nèi)部存儲器中或在外部存儲裝置中)存儲應(yīng)變測量結(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間的愈合進展。本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，當骨頭108初始碎裂或骨折時，在骨折處110位置的植入物102上的應(yīng)變將基于在愈合過程期間骨頭108的不斷變化的機械性質(zhì)以及在骨頭108上施加的負載(例如，病人施加在腿上的重量)而變化，而在健康部分112中測量到的應(yīng)變只根據(jù)在骨頭108上施加的負載而變化。因而，獲取這兩個傳感器104、106所測量到的應(yīng)變的比率可以將負載對傳感器104、106的作用標準化，提供與骨頭108在骨折部位110處的硬度對應(yīng)的數(shù)據(jù)。在愈合過程中來自第一傳感器104的測量結(jié)果與來自第二傳感器106的測量結(jié)果的比率會具有隨著時間推移而呈減小模式的趨勢，而在沒有愈合時隨著時間推移不會顯示出可識別的趨勢。如圖2中所示，根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的系統(tǒng)200基本上類似于系統(tǒng)100， 該系統(tǒng)200包括植入物202以及至少兩個傳感器204、206。然而，并不是將這兩個傳感器 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的堅固部分212上，在植入物202的邊界之外。因而，第一傳感器204測量植入物202上的與骨折處210部位對應(yīng)的位置處的應(yīng)變，而第二傳感器206測量骨頭208的堅固部分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所測量的應(yīng)變之間的比率，以研究骨頭208的愈合進程。如以上所示，在來自第一傳感器204的應(yīng)變測量結(jié)果與來自第二傳感器206的應(yīng)變測量結(jié)果的比率具有隨著骨頭208愈合呈現(xiàn)減小模式的趨勢，而在沒有愈合時隨著時間推移不會顯示出可識別的趨勢。如圖3-圖4中所示，根據(jù)本發(fā)明第三示例性實施例的系統(tǒng)300實質(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的位置對應(yīng)的位置置于植入物302的表面314上 (當將植入物302安裝在骨頭308上的期望位置時)，以測量在骨折處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)而置于堅固部分312內(nèi)。第二傳感器306可毗鄰骨頭固定元件316的近端318連接，以使得當骨頭固定元件316插入到骨頭的堅固部分312中時，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，可以確定來自第一傳感器304的測量結(jié)果與來自第二傳感器306的測量結(jié)果的比率，從而以如上所述相同的方式跟蹤愈合進程。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明第四示例性實施例的系統(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，當植入物402位于期望位置時，第一傳感器404的位置與骨折處410的位置對應(yīng)，以使第一傳感器404測量在與骨折處410部位對應(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，通過與植入物402的剩余部分相比而減小所述部分420的寬度(即，在垂直于植入物 402縱軸線的方向上，植入物402橫跨其面對骨頭的表面的延伸程度)和/或厚度(即，面對骨頭的表面與其背對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分開足夠大的距離，足以確保骨頭408的下方部分412是堅固的。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的堅固部分412。第二傳感器406測量植入物402的、與骨頭408的堅固部分412對應(yīng)的部分上的應(yīng)變，以使得來自第二傳感器406 的測量結(jié)果可用于將來自第一傳感器的測量結(jié)果標準化。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、在兩個鎖定螺釘之間的更柔性部分420上，可允許對在骨頭408的下方堅固部分412上的應(yīng)變進行更準確的測量。在愈合過程中來自第一傳感器404的測量結(jié)果與來自第二傳感器406的測量結(jié)果的比率將具有的模式表明骨頭408隨著時間推移而增加的硬度，而沒有愈合時隨著時間推移不會顯示出可識別的趨勢。本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，可以采用其它機構(gòu)用于將植入物的一部分(當在目標位置安裝在骨頭上時，該部分對應(yīng)于該骨頭的骨折位置或其它弱化部分)上的應(yīng)變測量結(jié)果標準化。例如，可為病人提供負載傳感器，按壓該負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)變測量同時獲得負載測量結(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量受傷的腿上的負載。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，在沒有脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對本發(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)利要求以及其對等體范圍內(nèi)提供的本發(fā)明的變型與變更。
權(quán)利要求
1.一種用于在活體中處理骨頭的裝置，包括植入物，其用于附接至骨頭；第一傳感器，其測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用于在所述植入物于目標位置連接到所述骨頭時機械連接到所述骨頭的弱化部分；以及第二傳感器，其測量所述骨頭的非弱化部分的應(yīng)變。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述植入物是用于連接到骨頭的板，置于骨折部位之上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述第二傳感器用于直接連接到所述骨頭的非弱化部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中，將所述第二傳感器安裝到骨頭固定元件的一部分，所述骨頭固定元件當處于操作位置時插入到所述骨頭的非弱化部分中，使得所述第二傳感器接觸所述骨頭的非弱化部分的皮質(zhì)壁。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，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。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述植入物包括剛性部分和柔性部分，所述柔性部分具有比所述剛性部分更小的抗彎硬度，所述第二傳感器安裝在所述柔性部分上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述第二傳感器是測量所述骨頭上的負載的負載傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述第二傳感器用于放置在鞋內(nèi)，以在所述第一傳感器測量所述骨折部位上的應(yīng)變的同時測量包括所述骨頭的腿上的負載。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述第一和第二傳感器將數(shù)據(jù)以無線方式提供給外部的數(shù)據(jù)收集單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述第一和第二傳感器是MEMs傳感器和連接到印刷電路板的外部供電的芯片之一。
11.一種用于跟蹤骨骼愈合進程的系統(tǒng)，包括對骨頭的骨折進行固定的植入物，測量應(yīng)變的第一傳感器安裝在該植入物上一位置處，在植入物以目標位置安裝在骨頭上時，該位置與骨頭的骨折機械連接；以及第二傳感器，其測量所述骨頭的、與所述骨折間隔開的部分上的應(yīng)變，使得所述第一應(yīng)變與所述第二應(yīng)變的比率將負載對所述骨頭的作用標準化，并且指示隨著骨折愈合具有增加的硬度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括骨頭固定元件，所述第二傳感器安裝在所述骨頭固定元件的近端，使得當所述骨頭固定元件插入到所述骨頭中至期望位置時，所述第二傳感器接觸所述骨頭的皮質(zhì)壁。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述植入物包括柔性部分和剛性部分，所述剛性部分的抗彎硬度大于所述柔性部分的抗彎硬度，所述第二傳感器安裝在所述柔性部分上而所述第一傳感器安裝在所述剛性部分上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括第一鎖定螺釘及第二鎖定螺釘，當所述植入物以目標構(gòu)造連接到所述骨頭時，所述第一鎖定螺釘與第二鎖定螺釘穿過所述植入物中在所述柔性部分的相對兩側(cè)的孔。
15.—種方法,包括測量植入物的第一部分上的應(yīng)變，當所述植入物以期望構(gòu)造連接到骨頭時，所述植入物的第一部分機械連接到所述骨頭的骨折處。經(jīng)由第二傳感器測量與所述骨折處間隔開的第二應(yīng)變；并且確定由所述第一傳感器測量的所述應(yīng)變與由第二傳感器測量的所述應(yīng)變的比率，以將負載對所述骨頭的作用標準化。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述第二傳感器安裝在所述植入物的第二部分上，當所述植入物以所述期望構(gòu)造連接到所述骨頭時，所述第二部分在所述骨頭的堅固部分上與所述骨折處隔開。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將所述第二傳感器安裝在所述植入物邊界之外的所述骨頭的堅固部分上。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將骨頭固定元件插入到所述骨頭的堅固部分，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，使得當所述固定元件插入到所述骨頭時，所述第二傳感器接觸所述骨頭的皮質(zhì)壁以測量其變形。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，通過位于所述主體外部的裝置以無線方式獲得來自所述第一傳感器與第二傳感器的所述應(yīng)變的測量結(jié)果。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述第一傳感器與第二傳感器是MEMs傳感器和連接到印刷電路板的外部供電的芯片之一。
全文摘要
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位置連接到所述骨頭時機械連接到所述骨頭的弱化部分；以及(c)第二傳感器，其測量所述骨頭的非弱化部分的應(yīng)變。
文檔編號A61B17/80GK102612348SQ201080046895
公開日2012年7月25日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者喬治·米哈伊爾, 卡爾·德爾蒙吉安, 格倫·皮爾遜 申請人:新特斯有限責任公司