氣密密封假體部件及其方法
【專利摘要】本發(fā)明提供適用于長(zhǎng)期植入的假體部件。該假體部件測(cè)量肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)。該假體部件包括具有至少一個(gè)支撐表面的第一結(jié)構(gòu)、具有被配置用于聯(lián)接到骨上的至少一個(gè)特征的第二結(jié)構(gòu)、以及至少一個(gè)傳感器。電子電路和傳感器是氣密地密封在該假體部件內(nèi)的。該傳感器聯(lián)接到該第一結(jié)構(gòu)的該支撐表面上。該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)被聯(lián)接在一起，從而容納該至少一個(gè)傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)被焊接在一起，從而形成使該至少一個(gè)傳感器與外部環(huán)境隔離的氣密密封。該至少一個(gè)傳感器可以是用于測(cè)量負(fù)載和負(fù)載位置的壓力傳感器。
【專利說(shuō)明】氣密密封假體部件及其方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)是基于以下各項(xiàng)的國(guó)際申請(qǐng):2012年2月27日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406, 484 ；2012年2月27日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，488 ；2012年2月27日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406,494 ;2012年2月27日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406,500 ;2012年2月27日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，510 ；2012年2月27日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，512 ;以及2012年2月27日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，515，這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。
[0003]美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，484、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，488、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，494、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，500、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，510、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，512以及美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，515各自是2010年6月29日提交的、要求2009年6月30日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/221，881的優(yōu)先權(quán)的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?2/825，852的部分繼續(xù)申請(qǐng)，這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，484、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406,488、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，494、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，500、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，510、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406,512以及美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406,515要求2010年6月29日提交的非臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/826, 349以及2011年9月23日提交的非臨時(shí)申請(qǐng)13/242，277和13/242, 662的優(yōu)先權(quán)，這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。同樣，美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，484、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，488、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，494、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406，500、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406,510、美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406,512以及美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/406,515要求全部在2009年6月30日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?61/221，761,61/221, 767,61/221, 779,61/221, 788,61/221, 793、61/221，801,61/221, 808,61/221, 817,61/221, 867,61/221, 874,61/221, 879,61/221, 881、61/221，886,61/221, 889,61/221, 894,61/221, 901,61/221, 909,61/221, 916,61/221,923以及61/221，929的優(yōu)先權(quán)，所有這些申請(qǐng)均通過(guò)引用結(jié)合在此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明總體上涉及物理參數(shù)的測(cè)量，且更具體來(lái)說(shuō)，但非排他地，涉及用于高精度感測(cè)的醫(yī)療電子裝置。
【背景技術(shù)】
[0005]哺乳類動(dòng)物的骨骼系統(tǒng)在不同物種之間存在差異?？赡苡捎诃h(huán)境因素、通過(guò)使用而退化以及老化而發(fā)生另外的變化。骨骼系統(tǒng)的矯形關(guān)節(jié)典型地包括相對(duì)于彼此移動(dòng)的兩個(gè)或更多個(gè)骨頭。移動(dòng)是由附接到關(guān)節(jié)的骨骼系統(tǒng)上的肌組織和肌腱來(lái)實(shí)現(xiàn)。韌帶使該一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)骨在位置上固持不動(dòng)且穩(wěn)定。軟骨是防止骨與骨接觸、分布負(fù)載并且減小摩擦的磨損表面。
[0006]在人體骨骼系統(tǒng)的修復(fù)中一直存在大量增長(zhǎng)。總體上，矯形關(guān)節(jié)已使用來(lái)自模擬、機(jī)械原型以及收集并用于發(fā)起改進(jìn)設(shè)計(jì)的患者數(shù)據(jù)的信息而得到發(fā)展。類似地，用于矯形外科手術(shù)的工具這些年來(lái)已經(jīng)得到了改善，但實(shí)質(zhì)上沒(méi)有改變。因此，用于矯形關(guān)節(jié)置換的基本程序已被標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)滿足廣泛分布的群體的一般需求。盡管這些工具、程序和人工關(guān)節(jié)滿足一般需求，但每個(gè)置換程序在不同患者之間均存在顯著差異。這些個(gè)體差異的校正依賴于外科醫(yī)生使用可用的工具使置換關(guān)節(jié)適應(yīng)并且適合于特定情況的技能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]該系統(tǒng)的不同特征在所附權(quán)利要求書(shū)中具體地闡述。在此這些實(shí)施例可以結(jié)合附圖參照以下說(shuō)明來(lái)理解，在附圖中:
[0008]圖1示出根據(jù)示例性實(shí)施例的在股骨與脛骨之間接觸放置以用于測(cè)量參數(shù)的傳感器；
[0009]圖2示出根據(jù)示例性實(shí)施例的零交叉接收器的框圖；
[0010]圖3示出根據(jù)示例性實(shí)施例的聯(lián)接到感測(cè)組件上的集成零交叉接收器的框圖；
[0011]圖4示出根據(jù)示例性實(shí)施例的結(jié)合有零交叉接收器或邊沿檢測(cè)接收器以用于維持正閉環(huán)反饋的傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)；
[0012]圖5示出根據(jù)示例性實(shí)施例在連續(xù)波復(fù)用安排中結(jié)合有零交叉接收器以用于維持正閉環(huán)反饋的傳感器接口；
[0013]圖6示出結(jié)合有集成零交叉接收器以用于以連續(xù)波模式操作的傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)的框圖；
[0014]圖7示出根據(jù)示例性實(shí)施例在脈沖復(fù)用安排中結(jié)合有集成零交叉接收器以用于維持正閉環(huán)反饋的傳感 器接口圖；
[0015]圖8示出根據(jù)示例性實(shí)施例的結(jié)合有集成零交叉接收器以用于以脈沖模式操作的傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)的框圖；
[0016]圖9示出根據(jù)示例性實(shí)施例的邊沿檢測(cè)接收器電路的框圖；
[0017]圖10示出聯(lián)接到感測(cè)組件上的邊沿檢測(cè)接收器電路的框圖；
[0018]圖11示出根據(jù)示例性實(shí)施例在脈沖回波復(fù)用安排中結(jié)合有邊沿檢測(cè)接收器電路以用于維持正閉環(huán)反饋的傳感器接口圖；
[0019]圖12示出結(jié)合有邊沿檢測(cè)接收器電路以用于以脈沖回波模式操作的傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)的框圖；
[0020]圖13示出根據(jù)示例性實(shí)施例的感測(cè)模塊的簡(jiǎn)化截面視圖；
[0021]圖14示出根據(jù)示例性實(shí)施例的用于說(shuō)明反射和單向操作模式的組裝件；
[0022]圖15示出組裝件，說(shuō)明超聲波在這個(gè)組裝件的雙向操作模式下在波導(dǎo)內(nèi)的傳播；
[0023]圖16示出用于說(shuō)明超聲波的傳播上的變化與波導(dǎo)長(zhǎng)度上的變化的傳感器元件的截面視圖；
[0024]圖17示出根據(jù)示例性實(shí)施例的用于高精度處理和測(cè)量數(shù)據(jù)的方法步驟的簡(jiǎn)化流程圖；
[0025]圖18示出根據(jù)示例性實(shí)施例的醫(yī)療感測(cè)系統(tǒng)的框圖；
[0026]圖19示出根據(jù)示例性實(shí)施例的被配置為生成對(duì)應(yīng)于電容器的測(cè)量周期的振蕩器；
[0027]圖20示出根據(jù)示例性實(shí)施例的感測(cè)力、壓力或負(fù)載的方法；
[0028]圖21示出根據(jù)示例性實(shí)施例的電容器的截面視圖；
[0029]圖22示出根據(jù)示例性實(shí)施例的包括超過(guò)一個(gè)串聯(lián)機(jī)械聯(lián)接的電容器的圖21的電容器；
[0030]圖23示出根據(jù)示例性實(shí)施例的包括超過(guò)一個(gè)機(jī)械并聯(lián)電聯(lián)接的電容器的圖21的電容器；
[0031]圖24示出根據(jù)示例性實(shí)施例的圖21的電容器的導(dǎo)電區(qū)域和通向該導(dǎo)電區(qū)域的互連件的頂視圖；
[0032]圖25示出根據(jù)示例性實(shí)施例的聯(lián)接到圖21的電容器上的互連件的截面視圖；
[0033]圖26示出根據(jù)示例性實(shí)施例的測(cè)量力、壓力或負(fù)載的方法的圖；
[0034]圖27示出根據(jù)示例性實(shí)施例的具有多個(gè)傳感器的醫(yī)療裝置；
[0035]圖28示出根據(jù)示例性實(shí)施例的具有聯(lián)接到并且符合非平面表面的傳感器的一個(gè)或多個(gè)假體部件；
[0036]圖29示出根據(jù)示例性實(shí)施例的具有聯(lián)接到非平面表面上的一個(gè)或多個(gè)屏蔽傳感器的工具；
[0037]圖30示出根據(jù)示例性實(shí)施例的使用電容器作為傳感器來(lái)測(cè)量肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)的方法的圖；
[0038]圖31示出根據(jù)示例性實(shí)施例的具有多個(gè)傳感器的假體部件；
[0039]圖32示出根據(jù)示例性實(shí)施例的該假體部件的結(jié)構(gòu)的截面視圖；
[0040]圖33示出根據(jù)示例性實(shí)施例的該假體部件和插入物；
[0041]圖34示出根據(jù)示例性實(shí)施例的聯(lián)接到互連件上的電子電路；
[0042]圖35示出根據(jù)示例性實(shí)施例的已組裝假體部件；
[0043]圖36示出根據(jù)示例性實(shí)施例的假體部件的部分截面視圖；
[0044]圖37示出根據(jù)示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和電子電路；
[0045]圖38示出根據(jù)示例性實(shí)施例的假體部件和遠(yuǎn)程系統(tǒng)；
[0046]圖39是根據(jù)示例性實(shí)施例的電子電路和結(jié)構(gòu)的圖示；
[0047]圖40是根據(jù)示例性實(shí)施例的電子電路和結(jié)構(gòu)的圖示；
[0048]圖41描繪了根據(jù)示例性實(shí)施例的機(jī)器的示例性圖解表示，該機(jī)器呈系統(tǒng)的形式，在該系統(tǒng)內(nèi)，一個(gè)指令集被執(zhí)行；并且
[0049]圖42是根據(jù)示例性實(shí)施例的用于測(cè)量和報(bào)告的通信網(wǎng)絡(luò)的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0050]本發(fā)明的實(shí)施例廣泛地針對(duì)物理參數(shù)的測(cè)量，且更具體來(lái)說(shuō)，針對(duì)支持傳感器小變化的準(zhǔn)確測(cè)量的快速響應(yīng)電路。
[0051]以下對(duì)一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例的說(shuō)明本質(zhì)上僅僅是說(shuō)明性的并且決不是意在限制本發(fā)明、其應(yīng)用、或用途。
[0052]如由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的過(guò)程、技術(shù)、設(shè)備和材料可能未進(jìn)行詳細(xì)討論但旨在在適當(dāng)情況下是實(shí)現(xiàn)說(shuō)明書(shū)的一部分。例如，可能沒(méi)有列出特定計(jì)算機(jī)代碼以用于實(shí)現(xiàn)所討論步驟中的每一個(gè)，然而，鑒于在此的實(shí)現(xiàn)披露，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠在無(wú)需實(shí)驗(yàn)的情況下寫出此代碼。此代碼旨在落在至少一個(gè)示例性實(shí)施例的范圍內(nèi)。
[0053] 在所有在此所示和所討論的實(shí)例中，用于處理步驟或特定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式的任何特定資料(如溫度、時(shí)間、能量以及材料特性)應(yīng)解釋為僅僅是說(shuō)明性的而非限制性的。如由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的過(guò)程、技術(shù)、設(shè)備以及材料可能并未進(jìn)行詳細(xì)討論但旨在在適當(dāng)情況下是實(shí)現(xiàn)說(shuō)明書(shū)的部分。還應(yīng)指出，在此所使用的詞語(yǔ)“聯(lián)接”意味著元件可以被直接聯(lián)接在一起或可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)介入元件來(lái)聯(lián)接。
[0054]另外，示例性實(shí)施例中所使用的結(jié)構(gòu)的大小并不受在此的任何討論限制(例如，結(jié)構(gòu)的大小可以是宏觀的(厘米、米和更大尺寸)、微觀的(微米)和納米尺寸以及更小。
[0055]請(qǐng)注意，在以下附圖中，類似的參考數(shù)字和字母指代類似的物品，并且因此一旦在一個(gè)附圖中定義了物品，則在下面的附圖中可能不對(duì)該物品進(jìn)行討論或進(jìn)一步定義。
[0056]在第一實(shí)施例中，超聲波測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)超聲波換能器、超聲波波導(dǎo)以及傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)或鎖相環(huán)路(PLL)。在這個(gè)實(shí)施例中，該超聲波測(cè)量系統(tǒng)采用操作的連續(xù)模式(CM)來(lái)借助于閉環(huán)反饋對(duì)連續(xù)超聲波在該波導(dǎo)中的傳播特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便確定在該波導(dǎo)上所施加的力的水平。
[0057]在第二實(shí)施例中，超聲波測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)超聲波換能器、超聲波波導(dǎo)以及傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)或鎖相環(huán)路(PLL)。在這個(gè)實(shí)施例中，該超聲波測(cè)量系統(tǒng)采用操作的脈沖模式(PM)來(lái)借助于閉環(huán)反饋對(duì)脈沖超聲波在該波導(dǎo)中的傳播特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便確定在該波導(dǎo)上施加的力的水平。
[0058]在第三實(shí)施例中，超聲波測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)超聲波換能器、超聲波波導(dǎo)以及傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)或鎖相環(huán)路(PLL)。在這個(gè)實(shí)施例中，該超聲波測(cè)量系統(tǒng)采用操作的脈沖回波模式(PE)來(lái)借助于閉環(huán)反饋對(duì)超聲回波反射在該波導(dǎo)中的傳播特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以便確定在該波導(dǎo)上施加的力的水平。 [0059]圖1是根據(jù)示例性實(shí)施例的在股骨102與脛骨108之間接觸放置以用于測(cè)量參數(shù)的傳感器100的圖示?？傮w上，傳感器100被放置成與肌肉-骨骼系統(tǒng)接觸且鄰近以測(cè)量參數(shù)。在非限制性實(shí)例中，傳感器100用于在程序(如人工關(guān)節(jié)的安裝)過(guò)程中測(cè)量肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)。傳感器100的實(shí)施例廣泛地針對(duì)物理參數(shù)的測(cè)量，且更具體來(lái)說(shuō)，針對(duì)評(píng)價(jià)脈沖能量波傳播穿過(guò)介質(zhì)的渡越時(shí)間上的變化。在矯形關(guān)節(jié)植入物外科手術(shù)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)于驗(yàn)證植入物是否處于平衡并處于適當(dāng)?shù)呢?fù)載或張力下來(lái)說(shuō)將是大大有益的。在一個(gè)實(shí)施例中，儀器與外科醫(yī)生當(dāng)前所使用的其他儀器是類似的并且與外科醫(yī)生當(dāng)前所使用的其他儀器類似地(familiarly)操作。這將提高接受性并減少新技術(shù)的采用周期。這些測(cè)量將允許外科醫(yī)生確保植入的部件是安裝在預(yù)先確定的范圍內(nèi)，該預(yù)先確定的范圍使得關(guān)節(jié)假體的使用壽命最大化并減少昂貴的修正。提供定量測(cè)量和使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)程序的評(píng)估將產(chǎn)生更一致的結(jié)果。另一個(gè)問(wèn)題是在手術(shù)后以及長(zhǎng)期存在很少或不存在從植入物外科手術(shù)所生成的植入物數(shù)據(jù)。傳感器100可以提供植入物狀態(tài)數(shù)據(jù)給矯形制造商和外科醫(yī)生。此外，由對(duì)植入的關(guān)節(jié)本身的直接測(cè)量所生成的數(shù)據(jù)將大大改善對(duì)植入的關(guān)節(jié)操作和關(guān)節(jié)磨損的認(rèn)識(shí)，從而導(dǎo)致改善的設(shè)計(jì)和材料。
[0060]在至少一個(gè)示例性實(shí)施例中，能量脈沖通過(guò)脈沖模式操作和脈沖成形在傳感器100中的一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)內(nèi)被引導(dǎo)。該波導(dǎo)是在預(yù)先確定的方向上引導(dǎo)能量脈沖的導(dǎo)管。該能量脈沖典型地被約束在該波導(dǎo)內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)包含聚合材料。例如，氨基甲酸乙酯或聚乙烯是適用于形成波導(dǎo)的聚合物。聚合物波導(dǎo)可以被壓縮并且在系統(tǒng)中具有很少或不具有滯后現(xiàn)象。可替代地，能量脈沖可以被引導(dǎo)穿過(guò)肌肉-骨骼系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，能量脈沖被引導(dǎo)穿過(guò)肌肉-骨骼系統(tǒng)的骨頭以測(cè)量骨密度。能量脈沖的渡越時(shí)間是與該能量脈沖所橫穿的介質(zhì)的材料特性相關(guān)。這種關(guān)系用于生成對(duì)參數(shù)(略舉數(shù)例如距離、重量、應(yīng)變、壓力、磨損、振動(dòng)、粘度以及密度)的準(zhǔn)確測(cè)量。
[0061]傳感器100的大小可能受將肌肉-骨骼系統(tǒng)或部件(如工具、設(shè)備或人工關(guān)節(jié))配合在區(qū)域內(nèi)的形狀因子要求來(lái)約束。在非限制性實(shí)例中，傳感器100用于測(cè)量安裝好的人工膝關(guān)節(jié)的負(fù)載和平衡。膝假體包括股骨假體部件104、插入物以及脛骨假體部件106。股骨102的遠(yuǎn)端是準(zhǔn)備好的并且接收股骨假體部件104。股骨假體部件104典型地具有模擬天然股骨的兩個(gè)髁表面。如所示，股骨假體部件104具有聯(lián)接到股骨102上的單個(gè)髁表面。股骨假體部件104典型地是由金屬或金屬合金制成。
[0062]脛骨108的近端是準(zhǔn)備好的以接收脛骨假體部件106。脛骨假體部件106是支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)被緊固到該脛骨的近端上并且通常是由金屬或金屬合金制成。脛骨假體部件106還使插入物相對(duì)于脛骨108固持在固定位置中。插入物是配合在股骨假體部件104與脛骨假體部件106之間。該插入物具有至少與股骨假體部件104的髁表面相接觸的至少一個(gè)支承表面。該髁表面可以相對(duì)于該插入物的支承表面移動(dòng)，以使得小腿可以在負(fù)載下轉(zhuǎn)動(dòng)。該插入物典型地是由使摩擦最小化的高磨損塑料材料制成。
[0063]在膝關(guān)節(jié)置換過(guò)程中，外科醫(yī)生將股骨假體部件104固定到股骨102上并且將脛骨假體部件106固定到脛骨108上。脛骨假體部件106可以包括固定到脛骨108的平面化近端上的盤或板。傳感器100被放置在股骨假體部件104的髁表面與脛骨假體部件106的主要表面之間。該髁表面接觸傳感器100的主要表面。傳感器100的該主要表面接近插入物的表面。脛骨假體部件106可以包括主要表面上的空腔或盤，該空腔或盤在測(cè)量過(guò)程中接收并且固持傳感器100。脛骨假體部件106和傳感器100具有組合厚度，該組合厚度表示該脛骨假體部件106和膝關(guān)節(jié)的最終(或長(zhǎng)期)插入物的組合厚度。
[0064]在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)傳感器100被配合到兩個(gè)單獨(dú)的空腔中，這些空腔是處于由脛骨部件106保持在適當(dāng)位置中的試驗(yàn)插入物內(nèi)(該試驗(yàn)插入物也可以稱作脛骨插入物，而不是脛骨部件本身)。一個(gè)或兩個(gè)傳感器100可以被插入在股骨假體部件104與脛骨假體部件106之間。每個(gè)傳感器都是獨(dú)立的并且各自測(cè)量股骨102的對(duì)應(yīng)髁。單獨(dú)的傳感器還適應(yīng)其中單個(gè)髁被修補(bǔ)并且僅使用單個(gè)傳感器的情況?？商娲?，這些電子器件可以在兩個(gè)傳感器之間共享以降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。這些共享電子器件可以在每個(gè)傳感器模塊之間復(fù)用以便在適當(dāng)?shù)那闆r下進(jìn)行測(cè)量。由傳感器100進(jìn)行的測(cè)量幫助外科醫(yī)生修改每個(gè)髁上的絕對(duì)負(fù)載和髁之間的平衡。雖然示出用于膝植入物，但傳感器100可以用于測(cè)量其他矯形關(guān)節(jié)，如脊柱、髖、肩、肘、踝、腕、趾間關(guān)節(jié)、跖趾關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)及其他?？商娲?，傳感器100還可以被適配用于矯形工具以提供測(cè)量。
[0065]結(jié)合有傳感器100的假體模仿自然膝關(guān)節(jié)的功能。傳感器100可以測(cè)量在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)各個(gè)點(diǎn)處的負(fù)載或其他參數(shù)。來(lái)自傳感器100的數(shù)據(jù)經(jīng)由有線或無(wú)線通信發(fā)送至接收站110。在第一實(shí)施例中，傳感器100是一次性系統(tǒng)。傳感器100可以在使用傳感器100來(lái)使關(guān)節(jié)植入物最優(yōu)地配合之后被處置掉。傳感器100是低成本的一次性系統(tǒng)，該系統(tǒng)降低資本成本、操作成本，有助于定量測(cè)量的快速采用，并且開(kāi)啟基于證據(jù)的矯形醫(yī)學(xué)。在第二實(shí)施例中，可以實(shí)施用于對(duì)傳感器100進(jìn)行清潔和滅菌以供再使用的方法。在第三實(shí)施例中，傳感器100可以被結(jié)合在工具中而不是成為置換關(guān)節(jié)的部件。該工具可以是一次性的或被清潔和滅菌以供再使用。在第四實(shí)施例中，傳感器100可以是置換關(guān)節(jié)的永久部件。傳感器100可以用于提供關(guān)于植入的關(guān)節(jié)的手術(shù)后短期數(shù)據(jù)和手術(shù)后長(zhǎng)期數(shù)據(jù)二者。在第五實(shí)施例中，傳感器100可以聯(lián)接到肌肉-骨骼系統(tǒng)上。在所有這些實(shí)施例中，接收站110可以包括數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、或顯示、或其組合，并且提供負(fù)載的水平和分布的實(shí)時(shí)圖形表示。接收站110可以記錄傳感器100的會(huì)計(jì)信息并將該會(huì)計(jì)信息提供給適當(dāng)機(jī)構(gòu)。
[0066]在手術(shù)中實(shí)例中，傳感器100可以測(cè)量股骨假體部件104和脛骨假體部件106上具有相應(yīng)位置的力(Fx、Fy以及Fz)和扭矩(例如，Tx、Ty以及Tz)。所測(cè)量的力和扭矩?cái)?shù)據(jù)被發(fā)送至接收站110，以便提供用于輔助外科醫(yī)生識(shí)別實(shí)現(xiàn)最優(yōu)關(guān)節(jié)壓力和平衡所需的任何調(diào)整的實(shí)時(shí)可視化。該數(shù)據(jù)在確定使返工最小化并且使患者功能和關(guān)節(jié)壽命最大化所要求的負(fù)載和對(duì)準(zhǔn)公差的范圍方面具有相當(dāng)大的價(jià)值。
[0067]如之前所提及，傳感器100可以用于其他關(guān)節(jié)外科手術(shù)；它不局限于一種或多種膝置換植入物。此外，傳感器100不局限于試驗(yàn)測(cè)量值。傳感器100可以被結(jié)合到最終關(guān)節(jié)系統(tǒng)中，以便在手術(shù)后提供數(shù)據(jù)來(lái)確定植入的關(guān)節(jié)是否正在正確地運(yùn)行。使用傳感器100對(duì)問(wèn)題的早期確定可以通過(guò)使人們意識(shí)到患者不能檢測(cè)到的問(wèn)題而減少關(guān)節(jié)的嚴(yán)重失效。該問(wèn)題通常可以使用對(duì)患者來(lái)說(shuō)具有更低的成本和應(yīng)力的微創(chuàng)程序來(lái)進(jìn)行矯正。類似地，關(guān)節(jié)的更長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)可以確定以下磨損或未對(duì)準(zhǔn):如果在早期被檢測(cè)的，那么這些磨損或未對(duì)準(zhǔn)可以使用最小外科手術(shù)來(lái)針對(duì)最優(yōu)壽命或磨損表面的置換來(lái)調(diào)整，從而延長(zhǎng)植入物的壽命?？傮w上，傳感器100可以被成形成使得它可以被放置或接合或固定至在與肌肉骨骼系統(tǒng)、關(guān)節(jié)、以及與其相關(guān)聯(lián)的工具有關(guān)的許多矯形應(yīng)用中所使用的(或任何矯形應(yīng)用中所使用的)承載表面之上或之內(nèi)。傳感器100可以提供關(guān)于一個(gè)或多個(gè)所感興趣的性能參數(shù)(如磨損、應(yīng)力、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、固定強(qiáng)度、韌帶平衡、解剖學(xué)配合以及平衡)的組合的信肩、O
[0068]圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的零交叉接收器200的框圖。在第一實(shí)施例中，零交叉接收器200被提供來(lái)檢測(cè)能量波的過(guò)渡態(tài)，如每個(gè)能量波穿過(guò)對(duì)稱性或周期性波形的中點(diǎn)的過(guò)渡。這使得能夠捕獲以下參數(shù)，這些參數(shù)包括但不限于能量波的渡越時(shí)間、相位或頻率。接收器快速地響應(yīng)于信號(hào)過(guò)渡并輸出與能量波過(guò)渡特性并且與最小延遲相符的數(shù)字脈沖。零交叉接收器200進(jìn)一步通過(guò)可調(diào)整水平的降噪來(lái)在噪聲與所感興趣的能量波(包括非常低水平波)之間進(jìn)行區(qū)分。降噪段218包括濾波級(jí)和偏移調(diào)整級(jí)，以便在包括低水平波的廣泛范圍的振幅內(nèi)準(zhǔn)確地執(zhí)行噪聲抑制。
[0069]在第二實(shí)施例中，零交叉接收器被提供用于將進(jìn)入的對(duì)稱波、周期波或正弦波轉(zhuǎn)換成對(duì)于非常低水平的輸入信號(hào)具有優(yōu)越性能的方形的或矩形的數(shù)字脈沖序列。數(shù)字脈沖序列表示與能量波渡越時(shí)間一致的脈沖定時(shí)間隔。零交叉接收器與感測(cè)組件聯(lián)接以便響應(yīng)于評(píng)價(jià)進(jìn)入正弦波的渡越而生成數(shù)字脈沖序列。這個(gè)數(shù)字脈沖序列輸送與感興趣的參數(shù)(如施加的力)有關(guān)的、與感測(cè)組件中的物理變化相關(guān)聯(lián)的定時(shí)信息。
[0070]在第三實(shí)施例中，集成零交叉接收器被結(jié)合在傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)內(nèi)，以便在以連續(xù)波模式或脈沖環(huán)路模式操作時(shí)維持正閉環(huán)反饋。集成邊緣零交叉接收器通過(guò)復(fù)用輸入和輸出電路來(lái)與PTO電氣地集成，以便實(shí)現(xiàn)超低功率和小型緊湊尺寸。PTO的電部件與零交叉接收器的部件集成以便保證對(duì)低水平信號(hào)的足夠的靈敏度。
[0071] 在一個(gè)實(shí)施例中，低功率零交叉接收器200可以是與傳播調(diào)諧振蕩器的其他電路集成，以便進(jìn)一步改進(jìn)低信號(hào)水平下的性能。零交叉接收器200包括前置放大器206、濾波器208、偏移調(diào)整電路210、比較器212以及數(shù)字脈沖電路214。濾波器208和偏移調(diào)整電路210構(gòu)成如將在之后解釋的降噪段218。零交叉接收器200可以按離散模擬分量、數(shù)字分量或其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。集成零交叉接收器200實(shí)踐在指定位置處、并且在指定條件下檢測(cè)能量波的中點(diǎn)的測(cè)量方法，以使得能夠捕獲多個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)包括但不限于能量波的渡越時(shí)間、相位或頻率。對(duì)操作方法的簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。
[0072]進(jìn)入能量波202從電連接件、天線或換能器聯(lián)接至零交叉接收器200的輸入端204。零交叉接收器200的輸入端204被聯(lián)接到前置放大器206上以放大進(jìn)入能量波202。放大的信號(hào)由濾波器208過(guò)濾。濾波器208被聯(lián)接到前置放大器206的輸出端和偏移調(diào)整電路210的輸入端上。在一種配置中，濾波器208是用于移除在進(jìn)入能量波202帶寬之上的高頻分量的低通濾波器。在另一種安排中，濾波器是具有對(duì)應(yīng)于進(jìn)入能量波202的帶寬的通帶的帶通濾波器。然而，該濾波器不限于任一安排。濾過(guò)的放大的波的偏移是由偏移調(diào)整電路210來(lái)調(diào)整。比較器212的輸入端被聯(lián)接到偏移調(diào)整電路210的輸出端上。比較器212監(jiān)測(cè)放大的波形，并且每當(dāng)檢測(cè)到預(yù)設(shè)觸發(fā)電平時(shí)就觸發(fā)數(shù)字脈沖電路214。數(shù)字脈沖電路214具有聯(lián)接到比較器212的輸出端上的輸入端和用于提供數(shù)字脈沖216的輸出端。數(shù)字脈沖216可以被進(jìn)一步聯(lián)接到信號(hào)處理電路上，如將在之后進(jìn)行解釋。
[0073]在優(yōu)選實(shí)施例中，這些電子部件可操作地聯(lián)接在一起，作為集成電路的區(qū)塊。如將在之后所示，這種集成安排用最少數(shù)量的部件來(lái)有效地執(zhí)行其特定功能。這是因?yàn)檫@些電路部件被劃分在集成電路內(nèi)的多個(gè)結(jié)構(gòu)與多個(gè)離散部件之間，并且模擬和數(shù)字的創(chuàng)新劃分起作用，以便以最少數(shù)量的部件和最低功率消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的性能。
[0074]圖3示出根據(jù)示例性實(shí)施例的聯(lián)接到感測(cè)組件300上的集成零交叉接收器200的框圖。示出前置放大器206和數(shù)字脈沖電路214以供參考和討論。在一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)組件300包括發(fā)送器換能器302、能量傳播結(jié)構(gòu)(或介質(zhì))304、以及接收器換能器306。如將在下文中進(jìn)一步所解 釋，在一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)組件300是測(cè)量參數(shù)(如力、壓力或負(fù)載)的傳感裝置的部分。在非限制性實(shí)例中，外部參數(shù)(如施加的力308)影響感測(cè)組件200。如所示，施加的力308在尺寸上修改傳播結(jié)構(gòu)304?？傮w上，感測(cè)組件300輸送一個(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)，如與能量傳播結(jié)構(gòu)304的變化有關(guān)的距離、力、重量、應(yīng)變、壓力、磨損、振動(dòng)、粘度、密度、方向以及位移。實(shí)例是在該關(guān)節(jié)的骨頭之間使用感測(cè)組件300來(lái)測(cè)量如上文所披露的由肌肉-骨骼系統(tǒng)的關(guān)節(jié)所施加的負(fù)載。
[0075]換能器驅(qū)動(dòng)電路(未示出)驅(qū)動(dòng)感測(cè)組件300的發(fā)送器換能器302產(chǎn)生被引導(dǎo)進(jìn)入能量傳播結(jié)構(gòu)304中的能量波310。能量傳播介質(zhì)304中由于施加的參數(shù)(如施加的力308)而引起的變化改變能量波310 (或脈沖)的頻率、相位以及渡越時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施例中，施加的力308影響傳播結(jié)構(gòu)304在能量波310的傳播路徑方向上的長(zhǎng)度。零交叉接收器200被聯(lián)接到接收器換能器306上來(lái)檢測(cè)再生能量波202的零交叉。在檢測(cè)時(shí)，零交叉數(shù)字脈沖電路214被觸發(fā)來(lái)輸出脈沖216。數(shù)字脈沖216的定時(shí)輸送所感興趣的參數(shù)(例如，距離、力、重量、應(yīng)變、壓力、磨損、振動(dòng)、粘度、密度、方向、位移等)。
[0076]依賴于能量波310或能量波脈沖的這種傳播的測(cè)量方法是實(shí)現(xiàn)對(duì)能量波或脈沖進(jìn)行高度準(zhǔn)確且受控的檢測(cè)所要求的。此外，能量波脈沖可能含有其中具有復(fù)雜波形的多個(gè)能量波，從而導(dǎo)致檢測(cè)的潛在的模糊性。具體來(lái)說(shuō)，將能量波310引導(dǎo)到能量傳播結(jié)構(gòu)304中可以生成由于波導(dǎo)的無(wú)效和共振、以及所生成的能量波310的特性而引起的干涉圖案。這些干涉圖案能夠生成導(dǎo)致原始能量波的邊緣失真的多繞組勵(lì)磁波形。
[0077]簡(jiǎn)要地回顧圖2，為了可靠地檢測(cè)到能量波脈沖的到達(dá)，零交叉接收器200利用結(jié)合有兩種形式的降噪的降噪段218。用濾波器208來(lái)衰減高于用于所感興趣的參數(shù)的物理測(cè)量的操作頻率的頻率。另外，通過(guò)偏移調(diào)整210來(lái)調(diào)整進(jìn)入波形的偏移水平，以便最優(yōu)化比較器212觸發(fā)輸出脈沖所處的電壓水平。這與放大進(jìn)入波形相比是更加可靠的，因?yàn)樗⒉辉黾訉?duì)存在于輸入端上的噪聲的額外放大。對(duì)進(jìn)入的對(duì)稱波、周期波或正弦波的到達(dá)的快速響應(yīng)與可調(diào)整的降噪水平的組合借助于對(duì)于非常低水平的信號(hào)具有優(yōu)越性能的超低功率零交叉接收器200實(shí)現(xiàn)了可靠的過(guò)零檢測(cè)。
[0078]對(duì)于具有超低功率電路的緊湊測(cè)量模塊或裝置來(lái)說(shuō)存在廣泛范圍的應(yīng)用，該超低功率電路實(shí)現(xiàn)了可以被定制成配合廣泛范圍的非醫(yī)療和醫(yī)療應(yīng)用的高度執(zhí)行測(cè)量模塊或裝置的設(shè)計(jì)和構(gòu)建。高度緊湊測(cè)量模塊或裝置的應(yīng)用可以包括但不限于一次性模塊或裝置，以及可重復(fù)使用的模塊或裝置和用于長(zhǎng)期使用的模塊或裝置。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(shí)例可以包括但不限于可植入裝置，可植入裝置內(nèi)的模塊，手術(shù)中植入物或手術(shù)中植入物或試驗(yàn)插入物內(nèi)的模塊，插入或攝入裝置內(nèi)的模塊，可佩戴裝置內(nèi)的模塊，手持式裝置內(nèi)的模塊，儀器、器具、設(shè)備、或所有這些的附件內(nèi)的模塊，或植入物、試驗(yàn)插入物、插入或攝入裝置、可佩戴裝置、手持式裝置、儀器、器具、設(shè)備或這些裝置、儀器、器具或設(shè)備的附件內(nèi)的一次性用品。[0079]圖4是根據(jù)示例性實(shí)施例的用于維持正閉環(huán)反饋的傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)404的示例性框圖400。測(cè)量系統(tǒng)包括感測(cè)組裝件401和傳播調(diào)諧振蕩器(PTO) 404，該傳播調(diào)諧振蕩器檢測(cè)感測(cè)組裝件401的一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)403中的能量波402。在一個(gè)實(shí)施例中，能量波402是超聲波。響應(yīng)于檢測(cè)到能量波402而生成脈沖411，以便引發(fā)新的能量波在波導(dǎo)403內(nèi)的傳播。應(yīng)指出，超聲能量脈沖或波，即，由超聲共振器或換能器發(fā)射、被發(fā)送穿過(guò)超聲波導(dǎo)、并且由這些超聲共振器或換能器檢測(cè)到的超聲脈沖或波僅僅作為能量脈沖、波、以及傳播結(jié)構(gòu)和介質(zhì)的實(shí)例來(lái)使用。在此所考慮的其他實(shí)施例可以利用其他波形式，如光。
[0080]感測(cè)組裝件401包括換能器405、換能器406以及波導(dǎo)403 (或能量傳播結(jié)構(gòu))。在非限制性實(shí)例中，感測(cè)組裝件401被固定到承載表面或接觸表面408上。施加到這些接觸表面408上的外力壓縮波導(dǎo)403并且改變波導(dǎo)403的長(zhǎng)度。在壓縮作用下，換能器405和406還將被移動(dòng)得更靠近在一起。距離上的變化影響能量波402在換能器405與406之間被發(fā)送和被接收的渡越時(shí)間407。響應(yīng)于這些物理變化，傳播調(diào)諧振蕩器404將更早地(例如，更短的渡越時(shí)間)檢測(cè)到每個(gè)能量波并且發(fā)起與該更短的渡越時(shí)間相關(guān)聯(lián)的新的能量波的傳播。如下文將解釋，這通過(guò)PT0404結(jié)合脈沖發(fā)生器410、模式控制412、以及相位檢測(cè)器414來(lái)完成。
[0081]值得注意的是，波導(dǎo)403 ( 一個(gè)或多個(gè)能量傳播結(jié)構(gòu))上的變化改變了傳播介質(zhì)的傳播特性(例如，渡越時(shí)間407)。能量波可以是連續(xù)波或脈沖能量波。脈沖能量波方法降低功率損耗，從而允許臨時(shí)電源(如電池或電容器)在手術(shù)過(guò)程中為系統(tǒng)供電。在至少一個(gè)示例性實(shí)施例中，連續(xù)波能量波或脈沖能量波是由換能器405提供給波導(dǎo)403的第一表面。換能器405生成耦合到波導(dǎo)403中的能量波402。在非限制性實(shí)例中，換能器405是能夠發(fā)送和接收在超聲波頻率范圍內(nèi)的聲信號(hào)的壓電裝置。
[0082]換能器406被聯(lián)接到波導(dǎo)403的第二表面上，以便接收所傳播的脈沖信號(hào)并生成相應(yīng)的電信號(hào)。由換能器406輸出的電信號(hào)被耦合到相位檢測(cè)器414。總體上，相位檢測(cè)器414是將所檢測(cè)的能量波的波形上的選擇點(diǎn)的定時(shí)與于其他所傳播的能量波的波形上的同一點(diǎn)的定時(shí)進(jìn)行比較的檢測(cè)電路。在第一實(shí)施例中，相位檢測(cè)器414可以是零交叉接收器。在第二實(shí)施例中，相位檢測(cè)器414可以是邊沿檢測(cè)接收器。在第三實(shí)施例中，相位檢測(cè)器414可以是鎖相環(huán)路。在其中感測(cè)組裝件401被壓縮的實(shí)例中，與外力被施加給接觸表面之前的信號(hào)相比，檢測(cè)到所傳播的能量波402更早地發(fā)生(由于波導(dǎo)403的長(zhǎng)度/距離減少)。脈沖發(fā)生器410響應(yīng)于由相位檢測(cè)器414檢測(cè)到所傳播的能量波402而生成新的脈沖。該新的脈沖被提供給換能器405來(lái)發(fā)起新的能量波序列。因此，每個(gè)能量波序列均是維持能量波402在波導(dǎo)403中傳播的能量波傳播、能量波檢測(cè)、以及能量波發(fā)射的單獨(dú)事件。
[0083]所傳播的能量波的渡越時(shí)間407是能量波從波導(dǎo)403的第一表面?zhèn)鞑サ降诙砻嫠ㄙM(fèi)的時(shí)間。存在與上述每個(gè)電路相關(guān)聯(lián)的延遲。典型地，電路的總延遲顯著地小于能量波穿過(guò)波導(dǎo)403的傳播時(shí)間。另外，在平衡條件下，電路延遲上的變動(dòng)最小。當(dāng)外力上的變化相對(duì)于脈沖信號(hào)傳播時(shí)間相對(duì)緩慢地發(fā)生時(shí)(如在生理或機(jī)械系統(tǒng)中)，多個(gè)脈沖到脈沖定時(shí)可以用于生成平均時(shí)間間隔。數(shù)字計(jì)數(shù)器420結(jié)合電子部件來(lái)對(duì)所傳播的能量波的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，以便確定波導(dǎo)403的長(zhǎng)度上的相應(yīng)變化。這些長(zhǎng)度變化與外力成正比地改變，從而使得能夠?qū)⒁粋€(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)上的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
[0084]框圖400進(jìn)一步包括計(jì)數(shù)和定時(shí)電路。更確切地說(shuō),定時(shí)、計(jì)數(shù)和時(shí)鐘電路包括數(shù)字計(jì)時(shí)器420、數(shù)字計(jì)時(shí)器422、數(shù)字時(shí)鐘426以及數(shù)據(jù)寄存器424。數(shù)字時(shí)鐘426在測(cè)量序列過(guò)程中提供時(shí)鐘信號(hào)給數(shù)字計(jì)數(shù)器420和數(shù)字計(jì)時(shí)器422。數(shù)字計(jì)數(shù)器420被聯(lián)接到傳播調(diào)諧振蕩器404上。數(shù)字計(jì)時(shí)器422被聯(lián)接到數(shù)據(jù)寄存器424上。數(shù)字計(jì)時(shí)器420、數(shù)字計(jì)時(shí)器422、數(shù)字時(shí)鐘426以及數(shù)據(jù)寄存器424捕獲由超聲共振器或換能器405發(fā)射的、傳播穿過(guò)波導(dǎo)403的、并且由超聲共振器或換能器405或406檢測(cè)到的能量波402的渡越時(shí)間407，這取決于施加于 表面408的所感興趣的物理參數(shù)的測(cè)量模式。定時(shí)和計(jì)數(shù)電路的操作在下文進(jìn)行更詳細(xì)的披露。
[0085]可以分析測(cè)量數(shù)據(jù)以取得準(zhǔn)確的、可重復(fù)的、高精度的以及高分辨率的測(cè)量值。這種方法使得所捕獲數(shù)據(jù)的精度或分辨率的水平設(shè)置能夠最優(yōu)化測(cè)量分辨率與頻率(包括感測(cè)和數(shù)據(jù)處理操作的帶寬)之間的權(quán)衡，從而使得感測(cè)模塊或裝置能夠在其最優(yōu)操作點(diǎn)下操作，而不會(huì)折損測(cè)量的分辨率。這是通過(guò)的多個(gè)周期的激勵(lì)和渡越時(shí)間累加而不是對(duì)多個(gè)單獨(dú)激勵(lì)和渡越周期的渡越時(shí)間求平均來(lái)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)果是物理系統(tǒng)中所感興趣的參數(shù)的準(zhǔn)確的、可重復(fù)的、高精度的以及高分辨率的測(cè)量值。
[0086]在至少一個(gè)示例性實(shí)施例中，傳播調(diào)諧振蕩器404結(jié)合一個(gè)或多個(gè)感測(cè)組裝件401用于對(duì)肌肉-骨骼系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。在非限制性實(shí)例中，感測(cè)組裝件401被放置在股骨假體部件與脛骨假體部件之間，以提供有助于安裝人工膝關(guān)節(jié)的所測(cè)量的負(fù)載信息。感測(cè)組裝件401還可以是用于監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)功能的永久部件或肌肉-骨骼關(guān)節(jié)或人工肌肉-骨骼關(guān)節(jié)。這些測(cè)量可以在伸展時(shí)以及在撓曲時(shí)進(jìn)行。在該實(shí)例中，組裝件401用于測(cè)量髁負(fù)載，以便確定該髁負(fù)載是否落在預(yù)先確定的范圍和位置內(nèi)?；谠摐y(cè)量值，外科醫(yī)生可以選擇插入物的厚度，以使得在最終插入物處于適當(dāng)位置時(shí)所測(cè)量的負(fù)載和發(fā)病率將落在預(yù)先確定的范圍內(nèi)。軟組織張緊可以由外科醫(yī)生使用來(lái)進(jìn)一步最優(yōu)化力或壓力。類似地，兩個(gè)組裝件401可以用于同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)髁或可以被復(fù)用?？梢詼y(cè)量髁之間的負(fù)載上的差異(例如，平衡)。軟組織張緊可以用于減小具有較高測(cè)量負(fù)載的髁上的力，以便減小所測(cè)量的髁之間的壓力差。
[0087] 一種操作方法將傳播穿過(guò)波導(dǎo)403的能量波的數(shù)量保持為恒定的整數(shù)。能量波的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)于能量波周期數(shù)。穩(wěn)定的時(shí)間間隔是其中時(shí)間間隔在許多能量波內(nèi)改變非常小的時(shí)間間隔。這在影響感測(cè)組裝件401的條件保持始終如一或恒定時(shí)出現(xiàn)。將傳播穿過(guò)波導(dǎo)403的能量波的數(shù)量保持為整數(shù)是約束條件，該約束條件在波導(dǎo)403的長(zhǎng)度變化時(shí)，迫使脈沖之間在時(shí)間上發(fā)生變化。所得的每個(gè)能量波的時(shí)間間隔上的變化對(duì)應(yīng)于合計(jì)能量波時(shí)間間隔上的變化，該變化是使用數(shù)字計(jì)數(shù)器420來(lái)捕獲以作為施加于接觸表面408的外力或條件上的變化的測(cè)量值。
[0088]在下文描述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于從換能器405傳播并且由換能器406接收的能量波402的另一種操作方法。在至少一個(gè)示例性實(shí)施例中，能量波402是超聲波能量波。換能器405和406是壓電共振式換能器。雖然未描述,但波傳播可以在相反方向上發(fā)生，由換能器406發(fā)起并由換能器405接收。此外，檢測(cè)超聲共振式換能器406可以是單獨(dú)的超聲共振器(如所示)，或換能器405可以僅僅取決于所選擇的傳播模式(例如，反射感測(cè))來(lái)使用。施加于接觸表面408的外力或條件上的變化影響波導(dǎo)403的傳播特性并且改變渡越時(shí)間407。如先前所提及的，傳播調(diào)諧振蕩器404保持傳播穿過(guò)波導(dǎo)403的能量波402的整數(shù)數(shù)量(例如，脈沖能量波時(shí)間間隔的整數(shù)數(shù)量)恒定，從而控制重復(fù)率。如上所指出，一旦PT0404穩(wěn)定化，數(shù)字計(jì)數(shù)器420就使脈沖能量波的重復(fù)率數(shù)字化，例如，通過(guò)邊沿檢測(cè)，如下文將更詳細(xì)地解釋。
[0089]在替代實(shí)施例中，由換能器405發(fā)射的脈沖能量波402的重復(fù)率可以由脈沖發(fā)生器410來(lái)控制。在有待測(cè)量的參數(shù)對(duì)應(yīng)于脈沖能量波402在波導(dǎo)403內(nèi)的渡越時(shí)間407的測(cè)量值的情況下，操作保持類似。應(yīng)指出，單獨(dú)的超聲波脈沖可以包括具有阻尼波形狀的一個(gè)或多個(gè)能量波。能量波形狀是由脈沖發(fā)生器410的電參數(shù)和機(jī)械參數(shù)、一種或多種界面材料(當(dāng)需要時(shí))、以及超聲共振器或換能器405來(lái)確定。單獨(dú)脈沖內(nèi)的能量波的頻率是由發(fā)射超聲共振器404對(duì)由電脈沖411進(jìn)行的勵(lì)磁做出的響應(yīng)來(lái)確定。脈沖能量波402穿過(guò)波導(dǎo)403的傳播模式是由模式控制電路412 (例如，反射或單向)來(lái)控制。檢測(cè)超聲共振器或換能器可以是單獨(dú)的超聲共振器或換能器406或發(fā)射共振器或換能器405，這取決于所選擇的操作模式(反射或單向)。
[0090]總體上，物理參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量是在具有以下性質(zhì)的平衡點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)的:整數(shù)數(shù)量的脈沖在任何時(shí)間點(diǎn)都正在傳播穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)。對(duì)超聲能量波在已知長(zhǎng)度的波導(dǎo)內(nèi)的“飛行時(shí)間”或渡越時(shí)間上的變化的測(cè)量可以通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn):根據(jù)由于一個(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)上的變化而引起的穿過(guò)傳播介質(zhì)的距離和速度上的變化、或距離和速度上的變化的組合來(lái)調(diào)節(jié)超聲能量波的重復(fù)率。
[0091]依賴于能量波、或能量脈沖內(nèi)的能量波的傳播的測(cè)量方法可以要求在指定位置處、或在指定條件下檢測(cè)能量波的特定點(diǎn)，以便使得能夠捕獲以下參數(shù)，這些參數(shù)包括但不限于這些能量波的渡越時(shí)間、相位或頻率。對(duì)單獨(dú)超聲波導(dǎo)的物理長(zhǎng)度上的變化的測(cè)量可以若干種模式來(lái)進(jìn)行。一個(gè)或兩個(gè)超聲共振器或換能器連同超聲波導(dǎo)的每個(gè)組裝件可以被控制來(lái)以六種不同的模式來(lái)操作。這包括:兩種波形狀模式:連續(xù)波或脈沖波，以及三種傳播模式:超聲波的反射、單向傳播以及雙向傳播。這些測(cè)量的分辨率可以進(jìn)一步通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的先進(jìn)處理來(lái)增強(qiáng)，以便使得能夠最優(yōu)化測(cè)量分辨率與波導(dǎo)的長(zhǎng)度、超聲波的頻率以及感測(cè)與數(shù)據(jù)捕獲操作的帶寬之間的權(quán)衡，從而達(dá)到感測(cè)模塊或裝置的最優(yōu)操作點(diǎn)。
[0092]由傳播調(diào)諧振蕩器404和感測(cè)組裝件401進(jìn)行的測(cè)量實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高信噪比?；跁r(shí)間的測(cè)量在很大程度上對(duì)于可能會(huì)影響電壓或電流驅(qū)動(dòng)的感測(cè)方法和裝置的大多數(shù)誤差源不敏感。所得操作的渡越時(shí)間上的變化對(duì)應(yīng)于可以快速測(cè)得的頻率，并且具有高分辨率。這實(shí)現(xiàn)了所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度和精度，從而捕獲所感興趣的物理參數(shù)上的變化并且使得能夠分析它們的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)行為。
[0093]這些測(cè)量可以通過(guò)集成無(wú)線感測(cè)模塊或裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，該集成無(wú)線感測(cè)模塊或裝置具有:封裝結(jié)構(gòu)，該封裝結(jié)構(gòu)支撐傳感器和承載表面或接觸表面；以及電子組裝件，該電子組裝件集成電源、感測(cè)元件、一個(gè)或多個(gè)能量換能器和一個(gè)或多個(gè)彈性能量傳播結(jié)構(gòu)、一個(gè)或多個(gè)偏置彈簧或其他形式的彈性構(gòu)件、一個(gè)加速度計(jì)、多根天線以及電子電路，該電子電路處理測(cè)量數(shù)據(jù)并且控制超聲生成、傳播以及檢測(cè)和無(wú)線通信的所有操作。該電子組裝件還支持可測(cè)試性和校準(zhǔn)特征，這些可測(cè)試性和校準(zhǔn)特征保證完整的無(wú)線感測(cè)模塊或裝置的質(zhì)量、準(zhǔn)確度以及可靠性。
[0094]由能量換能器和與傳播調(diào)諧振蕩器的電子部件聯(lián)接的一個(gè)或多個(gè)能量傳播結(jié)構(gòu)的集成實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度和分辨率的水平使得能夠構(gòu)建(但不限于)用于監(jiān)測(cè)或測(cè)量所感興趣的參數(shù)的緊湊的超低功率模塊或裝置。在廣泛范圍的尺寸內(nèi)構(gòu)建感測(cè)模塊或裝置的靈活性使得感測(cè)模塊能夠被定制成配合廣泛范圍的應(yīng)用，以使得該感測(cè)模塊或裝置可以接合或放置、附接或固定到身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備、或其他物理系統(tǒng)之上或之內(nèi)并且監(jiān)測(cè)或收集關(guān)于所感興趣的物理參數(shù)的數(shù)據(jù)，而不會(huì)干擾該身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備、或物理系統(tǒng)的操作。
[0095]參照?qǐng)D17，示出根據(jù)示例性實(shí)施例的用于高精度處理和測(cè)量數(shù)據(jù)的方法步驟的簡(jiǎn)化流程圖1700。方法1700可以通過(guò)多于或少于所示步驟來(lái)實(shí)踐，并且不限于所示的步驟順序。這些方法步驟對(duì)應(yīng)于有待通過(guò)上文提及的部件或適合于這種處理的任何其他部件(例如，用于控制能量脈沖或波的發(fā)射并且用于捕獲這些能量脈沖的重復(fù)率或傳播穿過(guò)彈性能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)的能量波的頻率的電子電路)來(lái)實(shí)踐的圖4。
[0096]在步驟1702中，該過(guò)程開(kāi)始測(cè)量操作。在步驟1704中，通過(guò)重設(shè)數(shù)字計(jì)時(shí)器422和數(shù)據(jù)寄存器424來(lái)確立已知狀態(tài)。在步驟1706中，將數(shù)字計(jì)數(shù)器420預(yù)設(shè)為測(cè)量周期的數(shù)量，在這些測(cè)量周期內(nèi)將取得并收集測(cè)量值。在步驟1708中，開(kāi)始該測(cè)量周期并且能夠進(jìn)行數(shù)字時(shí)鐘426的時(shí)鐘輸出。來(lái)自數(shù)字時(shí)鐘426的時(shí)鐘信號(hào)被提供給數(shù)字計(jì)數(shù)器420和數(shù)字計(jì)時(shí)器422 二者。由數(shù)字計(jì)時(shí)器420基于由數(shù)字時(shí)鐘426輸出的時(shí)鐘信號(hào)的頻率對(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。在步驟1710中，數(shù)字計(jì)時(shí)器422開(kāi)始追蹤經(jīng)過(guò)時(shí)間。同時(shí)，數(shù)字計(jì)數(shù)器420開(kāi)始在每個(gè)測(cè)量序列后遞減計(jì)數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，在每個(gè)能量波傳播穿過(guò)波導(dǎo)403并由換能器406檢測(cè)到時(shí)，數(shù)字計(jì)數(shù)器420遞減。數(shù)字計(jì)數(shù)器420遞減計(jì)數(shù)，直到已經(jīng)完成預(yù)設(shè)數(shù)量的測(cè)量周期。在步驟1712中，在數(shù)字計(jì)數(shù)器420在檢測(cè)到所傳播的能量波時(shí)遞減時(shí)，由傳播調(diào)諧振蕩器404持續(xù)能量波傳播。在步驟1714中，當(dāng)數(shù)字計(jì)數(shù)器420中的計(jì)數(shù)大于零時(shí)，能量波檢測(cè)、發(fā)射以及傳播繼續(xù)進(jìn)行。在步驟1716中，在數(shù)字計(jì)數(shù)器420上達(dá)到零計(jì)數(shù)時(shí)，禁用數(shù)字計(jì)時(shí)器422的時(shí)鐘輸入，從而防止數(shù)字計(jì)數(shù)器420和數(shù)字計(jì)時(shí)器422被記時(shí)。在一個(gè)實(shí)施例中，提供給數(shù)字計(jì)數(shù)器420的測(cè)量周期的預(yù)設(shè)數(shù)量除以由數(shù)字計(jì)時(shí)器422測(cè)量的經(jīng)過(guò)時(shí)間，從而計(jì)算出所傳播的能量波的頻率。相反，可以通過(guò)來(lái)自數(shù)字計(jì)時(shí)器422的經(jīng)過(guò)時(shí)間除以測(cè)量周期的預(yù)設(shè)數(shù)量來(lái)計(jì)算出數(shù)字作為渡越時(shí)間。最終，在步驟1718中，將所得值傳輸至寄存器424?？梢詫?shù)據(jù)寄存器424中的數(shù)字無(wú)線地發(fā)送給顯示器和數(shù)據(jù)庫(kù)?？梢允箒?lái)自數(shù)據(jù)寄存器424的數(shù)據(jù)與正測(cè)量的參數(shù)相關(guān)。參數(shù)(如力或負(fù)載)被施加到傳播介質(zhì)(例如，波導(dǎo)403)，以使得參數(shù)變化也改變測(cè)量的頻率或渡越時(shí)間計(jì)算。傳播介質(zhì)的材料特性與參數(shù)之間的關(guān)系與測(cè)量值(例如，頻率、渡越時(shí)間、相位)一起使用來(lái)計(jì)算參數(shù)值。
[0097]由圖4的示例性組裝件、并且通過(guò)數(shù)字計(jì)數(shù)器420、數(shù)字計(jì)時(shí)器422、數(shù)字時(shí)鐘426以及相關(guān)聯(lián)的電子電路實(shí)踐的方法1700根據(jù)操作點(diǎn)條件分析數(shù)字化測(cè)量數(shù)據(jù)。具體來(lái)說(shuō)，這些部件累加多個(gè)數(shù)字化數(shù)據(jù)值以提高彈性能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)的長(zhǎng)度變化的測(cè)量分辨率水平，或提高可以改變能量脈沖或波在該彈性能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)內(nèi)傳播的渡越時(shí)間的其他方面上的變化的測(cè)量分辨率水平。通過(guò)控制數(shù)字計(jì)數(shù)器420運(yùn)行多個(gè)測(cè)量周期來(lái)對(duì)數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，每個(gè)周期均具有多個(gè)勵(lì)磁和渡越階段，這樣使得在多個(gè)連續(xù)測(cè)量周期之間不存在滯后并且捕獲總經(jīng)過(guò)時(shí)間。計(jì)數(shù)器的大小被確定成對(duì)多達(dá)實(shí)現(xiàn)所要求的分辨率而不溢出該計(jì)數(shù)器的累加能力并且不損害計(jì)數(shù)器最低有效位的分辨率所要求的測(cè)量周期的總經(jīng)過(guò)時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。隨后總經(jīng)過(guò)渡越時(shí)間的數(shù)字化測(cè)量值除以測(cè)量周期的數(shù)量，以便估計(jì)這些單獨(dú)測(cè)量周期的時(shí)間并且由此估計(jì)勵(lì)磁、穿過(guò)彈性能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)的傳播、以及能量脈沖或波的檢測(cè)的單獨(dú)周期的渡越時(shí)間。在用于能量脈沖或波的激勵(lì)和檢測(cè)的經(jīng)過(guò)時(shí)間固定時(shí)，捕獲這些能量脈沖或波穿過(guò)彈性能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)的渡越時(shí)間上的變化的準(zhǔn)確估計(jì)值。
[0098]在除法之前對(duì)單獨(dú)測(cè)量值進(jìn)行求和以估計(jì)平均測(cè)量值數(shù)據(jù)值比對(duì)相同數(shù)量的樣本求平均產(chǎn)生更優(yōu)良的結(jié)果。從數(shù)字計(jì)數(shù)器收集的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的分辨率是由計(jì)數(shù)器中的最低有效位來(lái)限制。捕獲一系列計(jì)數(shù)并對(duì)它們求平均不會(huì)產(chǎn)生比這個(gè)最低有效位(也就是說(shuō)，單個(gè)計(jì)數(shù)的精度)更大的精度。如果在單獨(dú)測(cè)量值之間存在隨機(jī)變動(dòng)，那么求平均確實(shí)降低最終估計(jì)值的隨機(jī)性。對(duì)大量測(cè)量周期的計(jì)數(shù)求和以便獲得累計(jì)計(jì)數(shù)、隨后計(jì)算整個(gè)測(cè)量間隔內(nèi)的平均值通過(guò)內(nèi)插小于計(jì)數(shù)器的最低有效位的測(cè)量值分量來(lái)提高測(cè)量值的精度。由這個(gè)程序獲得的精度大約是計(jì)數(shù)器的最低有效位的分辨率除以測(cè)量周期的總計(jì)數(shù)量。
[0099]數(shù)字計(jì)數(shù)器的大小和累加的測(cè)量周期的數(shù)量可以大于所要求的分辨率水平。這不僅保證實(shí)現(xiàn)所要求分辨率水平的性能，而且對(duì)單獨(dú)計(jì)數(shù)內(nèi)的隨機(jī)分量求平均，從而產(chǎn)生可靠地滿足所要求分辨率水平的高度可重復(fù)測(cè)量值。
[0100]測(cè)量周期的數(shù)量大于所要求的分辨率水平。這不僅保證實(shí)現(xiàn)所要求分辨率水平的性能，而且對(duì)單獨(dú)計(jì)數(shù)內(nèi)的任何隨機(jī)分量求平均，從而產(chǎn)生可靠地滿足所要求分辨率水平的高度可重復(fù)測(cè)量值。
[0101]圖5是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例將零交叉接收器200接合在連續(xù)波復(fù)用安排中以用于維持正閉環(huán)反饋的傳感器接口圖。正閉環(huán)反饋是由粗線路徑示出。最初，復(fù)用器(mux) 502接收被傳遞給換能器驅(qū)動(dòng)器506以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)線路信號(hào)508的時(shí)鐘信號(hào)504作為輸入。模擬復(fù)用器(mux) 510接收被傳遞給發(fā)送器換能器512以產(chǎn)生能量波514的驅(qū)動(dòng)線路信號(hào)508。換能器512位于一能量傳播介質(zhì)的第一位置處。所發(fā)射的能量波514傳播穿過(guò)該能量傳播介質(zhì)。接收器換能器516位于該能量傳播介質(zhì)的第二位置處。接收器換能器516捕獲這些能量波514，這些能量波被饋送到模擬復(fù)用器520并被傳遞給零交叉接收器200。由換能器516捕獲的能量波是由提供給復(fù)用器520的電波518來(lái)指示。零交叉接收器200輸出對(duì)應(yīng)于從所捕獲電波518中檢測(cè)到的每個(gè)零交叉的脈沖。這些零交叉被計(jì)數(shù)并用于確定傳播穿過(guò)能量傳播介質(zhì)的這些能量波的相位和頻率上的變化。在非限制性實(shí)例中，參數(shù)(如施加的力)是通過(guò)使所測(cè)得的相位和頻率與該參數(shù)(例如，力)跟能量傳播介質(zhì)的材料特性之間的已知關(guān)系相關(guān)來(lái)測(cè)得?？傮w上，脈沖序列522對(duì)應(yīng)于所檢測(cè)的信號(hào)頻率。零交叉接收器200處于傳播調(diào)諧振蕩器的反饋路徑中。脈沖序列522在正閉環(huán)反饋路徑中通過(guò)復(fù)用器502被耦合。脈沖序列522禁用時(shí)鐘信號(hào)504，以使得提供脈沖序列522的路徑被聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)器506上以繼續(xù)將能量波發(fā)射到能量傳播介質(zhì)中并且禁用時(shí)鐘信號(hào)504到驅(qū)動(dòng)器506的路徑。
[0102]圖6是用于以連續(xù)波模式操作的結(jié)合有零交叉接收器640的傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)的示例性框圖。具體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于圖4，該圖示出通過(guò)傳播調(diào)諧振蕩器416的操作對(duì)超聲波414在波導(dǎo)408內(nèi)的渡越時(shí)間412進(jìn)行的閉環(huán)測(cè)量。此實(shí)例是用于以連續(xù)波模式來(lái)操作。該系統(tǒng)還能夠以脈沖模式和脈沖回波模式來(lái)操作。脈沖模式和脈沖回波模式使用脈沖能量波。脈沖回波模式使用反射來(lái)在能量傳播介質(zhì)內(nèi)引導(dǎo)能量波。簡(jiǎn)言之，數(shù)字邏輯電路646將傳播調(diào)諧振蕩器的操作頻率數(shù)字化。
[0103]在連續(xù)波操作模式下，包括換能器604、傳播結(jié)構(gòu)602以及換能器606的傳感器用于測(cè)量參數(shù)?？傮w上，有待測(cè)量的參數(shù)影響傳播介質(zhì)的特性。例如，外力或條件612被施加到傳播結(jié)構(gòu)602，從而改變傳播能量波的路徑中的波導(dǎo)的長(zhǎng)度。長(zhǎng)度上的變化對(duì)應(yīng)于傳播波的渡越時(shí)間608上的變化。類似地，傳播結(jié)構(gòu)602的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于施加的力612。長(zhǎng)度減小對(duì)應(yīng)于施加到傳播結(jié)構(gòu)602的較高的力。相反，長(zhǎng)度增大對(duì)應(yīng)于施加到傳播結(jié)構(gòu)602的力612的下降。傳播結(jié)構(gòu) 602的長(zhǎng)度被測(cè)量并通過(guò)已知的長(zhǎng)度與力的關(guān)系轉(zhuǎn)換成力。
[0104]換能器604是處于連續(xù)波模式的發(fā)射裝置。用于測(cè)量參數(shù)的傳感器包括聯(lián)接到傳播結(jié)構(gòu)602的第一位置處的換能器604。換能器606被聯(lián)接到傳播結(jié)構(gòu)602的第二位置處。換能器606是用于捕獲傳播能量波的接收換能器。在一個(gè)實(shí)施例中，所捕獲的所傳播的能量波是由換能器606輸出的正弦電波634。
[0105]當(dāng)控制電路618閉合將振蕩器622的振蕩器輸出端624聯(lián)接到放大器626的輸入端上的開(kāi)關(guān)620時(shí)，測(cè)量序列被發(fā)起。提供給放大器626的一個(gè)或多個(gè)脈沖啟動(dòng)使具有簡(jiǎn)單或復(fù)雜波形的能量波610傳播穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的動(dòng)作。放大器626包括數(shù)字驅(qū)動(dòng)器628和匹配網(wǎng)絡(luò)630。在一個(gè)實(shí)施例中，放大器626將振蕩器622的振蕩器輸出轉(zhuǎn)變成電波的正弦波632，這些正弦波具有與振蕩器輸出端624相同的重復(fù)率和足以激勵(lì)換能器604的振幅。
[0106]發(fā)射換能器604將正弦波632轉(zhuǎn)換成具有相同頻率的能量波610，并在第一位置處將它們發(fā)射到能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602中。這些能量波610傳播穿過(guò)該能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602。在到達(dá)第二位置處的換能器606時(shí)，能量波610被捕獲、感測(cè)或檢測(cè)。所捕獲的能量波是由換能器606轉(zhuǎn)換成正弦波634，這些正弦波是具有相同頻率的電波。
[0107]放大器636包括前置放大器634和零交叉接收器640。放大器636將正弦波634轉(zhuǎn)換成具有足以持續(xù)閉環(huán)電路的行為的持續(xù)時(shí)間的數(shù)字脈沖642?？刂齐娐?18通過(guò)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)620和閉合開(kāi)關(guān)644來(lái)對(duì)來(lái)自放大器636的數(shù)字脈沖642作出響應(yīng)。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)620使振蕩器輸出端624與放大器626的輸入端去耦。閉合開(kāi)關(guān)644造成閉環(huán)電路，該閉環(huán)電路使放大器636的輸出端聯(lián)接到放大器626的輸入端上并持續(xù)穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的能量波的發(fā)射、傳播以及檢測(cè)。
[0108]通過(guò)在這條閉環(huán)電路周圍維持單位增益來(lái)獲得平衡狀態(tài)，其中輸入到換能器604中的正弦波632和由換能器606輸出的正弦波634是同相的，具有較小但恒定的偏移。如上所披露，換能器606在檢測(cè)到傳播到第二位置的能量波時(shí)，輸出正弦波634。在該平衡狀態(tài)下，整數(shù)數(shù)量的能量波610傳播穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602。
[0109]能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的移動(dòng)或物理特性上的變化改變能量波610的渡越時(shí)間608。渡越時(shí)間608包括能量波從傳播結(jié)構(gòu)602的第一位置傳播到第二位置的時(shí)間。因此，傳播結(jié)構(gòu)602的物理特性上的變化造成能量波610在能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602內(nèi)的相應(yīng)時(shí)間間隔變化。能量波610的時(shí)間間隔上的這些變化改變閉環(huán)電路的平衡點(diǎn)和該閉環(huán)電路的操作頻率。閉環(huán)電路進(jìn)行調(diào)整以使得正弦波632和634對(duì)應(yīng)于新的平衡點(diǎn)。正弦波610的頻率和頻率的變化與能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的物理屬性上的變化相關(guān)。
[0110]可以通過(guò)外力或條件612將物理變化強(qiáng)加在能量傳播結(jié)構(gòu)602上，由此將一個(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)的水平和變化轉(zhuǎn)化成可以被數(shù)字化以用于隨后處理、存儲(chǔ)、以及顯示的信號(hào)。操作頻率轉(zhuǎn)化成數(shù)字二進(jìn)制數(shù)促進(jìn)了關(guān)于所感興趣的物理參數(shù)的水平和變化的信息的傳達(dá)、另外的處理、存儲(chǔ)、以及顯示。類似地，能量波610在閉環(huán)電路操作過(guò)程中的頻率、以及在此頻率下的變化可以用于測(cè)量能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的移動(dòng)或物理屬性上的變化。[0111]在頻率的測(cè)量或傳播調(diào)諧振蕩器的操作之前，控制邏輯618將存儲(chǔ)在計(jì)數(shù)寄存器648中的循環(huán)計(jì)數(shù)加載到數(shù)字計(jì)數(shù)器650中。第一數(shù)字脈沖642在傳播調(diào)諧振蕩器和信號(hào)控制電路618內(nèi)發(fā)起閉環(huán)操作以開(kāi)始測(cè)量操作。在開(kāi)始閉環(huán)操作時(shí)，控制邏輯618啟用數(shù)字計(jì)數(shù)器650和數(shù)字計(jì)時(shí)器652。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字計(jì)數(shù)器650在由零交叉接收器640輸出的每個(gè)數(shù)字脈沖的上升沿上遞減其值。數(shù)字計(jì)時(shí)器652在時(shí)鐘脈沖656的每個(gè)上升沿上遞增其值。當(dāng)數(shù)字脈沖642的數(shù)量使數(shù)字計(jì)數(shù)器650內(nèi)的值遞減至零時(shí)，從數(shù)字計(jì)數(shù)器650輸出停止信號(hào)。該停止信號(hào)禁用數(shù)字計(jì)時(shí)器652并觸發(fā)控制電路618以輸出加載命令給數(shù)據(jù)寄存器654。數(shù)據(jù)寄存器654加載來(lái)自數(shù)字計(jì)時(shí)器652的二進(jìn)制數(shù)，該二進(jìn)制數(shù)等于能量波或脈沖的間隔乘以計(jì)數(shù)器648中的值除以時(shí)鐘間隔656。在具有恒定時(shí)鐘間隔656的情況下，數(shù)據(jù)寄存器654中的值是與在測(cè)量操作過(guò)程中累加的能量波或脈沖的合計(jì)間隔成正比的。測(cè)量操作的持續(xù)時(shí)間和測(cè)量分辨率可以通過(guò)增大或減小計(jì)數(shù)寄存器648中所預(yù)設(shè)的值來(lái)調(diào)整。
[0112]圖7是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例將集成零交叉接收器200結(jié)合在脈沖復(fù)用安排中以用于維持正閉環(huán)反饋的傳感器接口圖。在一個(gè)實(shí)施例中，除傳感器之外的電路也是集成在專用集成電路(ASIC)上。正閉環(huán)反饋是由粗線路徑示出。最初，復(fù)用器702被啟用來(lái)將一個(gè)或多個(gè)數(shù)字脈沖704耦合到換能器驅(qū)動(dòng)器706。換能器驅(qū)動(dòng)器706生成對(duì)應(yīng)于數(shù)字脈沖704的脈沖序列708。模擬復(fù)用器710被啟用來(lái)將脈沖序列708耦合到發(fā)送器換能器712上。換能器712被聯(lián)接到介質(zhì)的第一位置處。換能器712對(duì)脈沖序列708作出響應(yīng)并生成在第一位置處被發(fā)射到介質(zhì)中的相應(yīng)能量脈沖714。這些能量脈沖714傳播穿過(guò)介質(zhì)。接收器換能器716位于介質(zhì)的第二位置處。接收器換能器716捕獲這些能量脈沖714并生成電脈沖718的相應(yīng)信號(hào)。換能器716被聯(lián)接到復(fù)用器720上。復(fù)用器720被啟用來(lái)聯(lián)接到零交叉接收器200上。來(lái)自換能器716的電脈沖718被耦合到零交叉接收器200。零交叉接收器200對(duì)電脈沖718的零交叉進(jìn)行計(jì)數(shù)以確定這些能量脈沖的相位和頻率上響應(yīng)于施加的力的變化，如先前所解釋。零交叉接收器200輸出對(duì)應(yīng)于所檢測(cè)的信號(hào)頻率的脈沖序列722。脈沖序列722被耦合到復(fù)用器702。在檢測(cè)到脈沖722時(shí)，復(fù)用器702被去耦以免將數(shù)字脈沖704聯(lián)接至驅(qū)動(dòng)器706。相反，在檢測(cè)到脈沖722時(shí)，復(fù)用器702被啟用來(lái)將脈沖722耦合到驅(qū)動(dòng)器706，從而形成正閉環(huán)反饋路徑。因此，在脈沖模式下，零交叉接收器200是閉環(huán)反饋路徑的部分，繼續(xù)在第一位置處將能量脈沖發(fā)射到介質(zhì)中，并且在第二位置進(jìn)行檢測(cè)以測(cè)量脈沖穿過(guò)介質(zhì)的渡越時(shí)間和渡越時(shí)間上的變化。
[0113]圖8是用于以脈沖模式操作的結(jié)合有零交叉接收器640的傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)的示例性框圖。具體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于圖4，該圖示出通過(guò)傳播調(diào)諧振蕩器416的操作對(duì)超聲波414在波導(dǎo)408內(nèi)的渡越時(shí)間412進(jìn)行的閉環(huán)測(cè)量。此實(shí)例是用于以脈沖模式操作。該系統(tǒng)還能夠以連續(xù)波模式和脈沖回波模式來(lái)操作。連續(xù)波模式使用連續(xù)波信號(hào)。脈沖回波模式使用反射來(lái)在能量傳播介質(zhì)內(nèi)引導(dǎo)能量波。簡(jiǎn)言之，數(shù)字邏輯電路646將傳播調(diào)諧振蕩器的操作頻率數(shù)字化。
[0114]在脈沖操作模式下，包括換能器604、傳播結(jié)構(gòu)602以及換能器606的傳感器用于測(cè)量參數(shù)?？傮w上，有待測(cè)量的參數(shù)影響傳播介質(zhì)的特性。例如，外力或條件612被施加到傳播結(jié)構(gòu)602，從而改變傳播能量波的路徑中的波導(dǎo)的長(zhǎng)度。長(zhǎng)度上的變化對(duì)應(yīng)于傳播波的渡越時(shí)間608上的變化。傳播結(jié)構(gòu)602的長(zhǎng)度被測(cè)量并通過(guò)已知的長(zhǎng)度與力的關(guān)系轉(zhuǎn)換成力。脈沖操作模式的一個(gè)益處是使用高幅值脈沖能量波。在一個(gè)實(shí)施例中，能量波的幅值在該能量波傳播穿過(guò)介質(zhì)時(shí)衰減。如果能量波必須橫越相當(dāng)大的距離或在該能量波在被傳播時(shí)由于介質(zhì)而遭受在幅值上的減小，那么使用高幅值脈沖是用于產(chǎn)生可檢測(cè)信號(hào)的功率高效的方法。
[0115]當(dāng)控制電路618閉合將振蕩器622的振蕩器輸出端624聯(lián)接到放大器626的輸入端上的開(kāi)關(guān)620時(shí)，測(cè)量序列被發(fā)起。提供給放大器626的一個(gè)或多個(gè)脈沖啟動(dòng)使具有簡(jiǎn)單或復(fù)雜波形的能量波610傳播穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的動(dòng)作。放大器626包括數(shù)字驅(qū)動(dòng)器628和匹配網(wǎng)絡(luò)630。在一個(gè)實(shí)施例中，放大器626將振蕩器622的振蕩器輸出轉(zhuǎn)變成電波的模擬脈沖832，這些模擬脈沖具有與振蕩器輸出端624相同的重復(fù)率和足以激勵(lì)換能器604的振幅。
[0116]發(fā)射換能器604將模擬脈沖832轉(zhuǎn)換成具有相同頻率的能量波610并在第一位置處將它們發(fā)射到能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602中。這些能量波610傳播穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602。在到達(dá)第二位置處的換能器606時(shí)，能量波610被捕獲、感測(cè)或檢測(cè)。所捕獲的能量波是由換能器606轉(zhuǎn)換成模擬脈沖834，這些模擬脈沖具有相同頻率的電波。
[0117]放 大器636包括前置放大器638和零交叉接收器640。放大器636將模擬脈沖834轉(zhuǎn)換成具有足以持續(xù)閉環(huán)電路的行為的持續(xù)時(shí)間的數(shù)字脈沖642?？刂齐娐?18通過(guò)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)620和閉合開(kāi)關(guān)644來(lái)對(duì)來(lái)自放大器636的數(shù)字脈沖642作出響應(yīng)。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)620使振蕩器輸出端624與放大器626的輸入端去耦。閉合開(kāi)關(guān)644造成閉環(huán)電路，該閉環(huán)電路使放大器636的輸出端聯(lián)接到放大器626的輸入端上并持續(xù)穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的能量波的發(fā)射、傳播以及檢測(cè)。
[0118]平衡狀態(tài)是通過(guò)在這條閉環(huán)電路周圍維持單位增益來(lái)獲得，其中輸入到換能器604中的脈沖832和由換能器606輸出的脈沖834是同相的，具有較小但恒定的偏移。如上所披露，換能器606在檢測(cè)到傳播到第二位置的能量波時(shí)，輸出脈沖834。在該平衡狀態(tài)下，整數(shù)數(shù)量的能量波610傳播穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602。
[0119]能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的移動(dòng)或物理特性上的變化改變能量波610的渡越時(shí)間608。渡越時(shí)間608包括能量波從傳播結(jié)構(gòu)602的第一位置傳播到第二位置的時(shí)間。因此，傳播結(jié)構(gòu)602的物理特性上 的變化造成能量波610在能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602內(nèi)的相應(yīng)時(shí)間間隔變化。能量波610的時(shí)間間隔上的這些變化改變閉環(huán)電路的平衡點(diǎn)和該閉環(huán)電路的操作頻率。閉環(huán)電路進(jìn)行調(diào)整以使得脈沖832和834對(duì)應(yīng)于新的平衡點(diǎn)。正弦波610的頻率和頻率的變化與能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的物理屬性上的變化相關(guān)。
[0120]可以通過(guò)外力或條件612將物理變化強(qiáng)加在能量傳播結(jié)構(gòu)602上，由此將一個(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)的水平和變化轉(zhuǎn)化成可以被數(shù)字化以用于隨后處理、存儲(chǔ)、以及顯示的信號(hào)。操作頻率轉(zhuǎn)化成數(shù)字二進(jìn)制數(shù)促進(jìn)了關(guān)于所感興趣的物理參數(shù)的水平和變化的信息的傳達(dá)、另外的處理、存儲(chǔ)、以及顯示，如上文中更詳細(xì)地披露。類似地，能量波610在閉環(huán)電路操作過(guò)程中的頻率、以及在此頻率下的變化可以用于測(cè)量能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)602的移動(dòng)或物理屬性上的變化。
[0121]圖9示出根據(jù)示例性實(shí)施例的邊沿檢測(cè)接收器電路900的框圖。在第一實(shí)施例中，邊沿檢測(cè)接收器900被提供來(lái)檢測(cè)能量波的脈沖的波前。這使得能夠捕獲多個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)包括但不限于能量波的渡越時(shí)間、相位或頻率。該集成邊沿檢測(cè)接收器900的電路提供快速開(kāi)始(on-set)檢測(cè)并且迅速地對(duì)能量脈沖的到達(dá)作出響應(yīng)。此后，該集成邊沿檢測(cè)接收器可靠地在每個(gè)所捕獲的能量脈沖或脈沖能量波的初始波前上的同一點(diǎn)處觸發(fā)數(shù)字輸出脈沖。該數(shù)字脈沖可以按最優(yōu)方式被配置為以最小且恒定的延遲進(jìn)行輸出。邊沿檢測(cè)接收器900可以在存在干擾和失真信號(hào)的情況下孤立和精確地檢測(cè)初始能量波或波前上的指定點(diǎn)，從而克服通常與檢測(cè)能量傳播介質(zhì)中的多個(gè)所生成的復(fù)信號(hào)之一相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。邊沿檢測(cè)接收器900在包括非常低水平的能量脈沖的廣泛范圍的振幅內(nèi)準(zhǔn)確地執(zhí)行這些功能。
[0122]在第二實(shí)施例中，邊沿檢測(cè)接收器900被結(jié)合在傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)內(nèi)，以便在以脈沖模式或脈沖回路模式進(jìn)行操作時(shí)維持正閉環(huán)反饋。邊沿檢測(cè)接收器900可以通過(guò)復(fù)用輸入和輸出電路與PTO的其他電路集成，以實(shí)現(xiàn)超低功率和小型緊湊尺寸。PTO的電路與邊沿檢測(cè)接收器的集成提供增大對(duì)低水平信號(hào)的靈敏度的益處。
[0123]該框圖示出在低信號(hào)水平下具有優(yōu)越性能的低功率邊沿檢測(cè)接收器電路900的一個(gè)實(shí)施例。邊沿檢測(cè)接收器900包括前置放大器912、微分器914、數(shù)字脈沖電路916以及去消隱電路(deblank circuit)9180邊沿檢測(cè)接收器電路900可以離散模擬分量、數(shù)字分量或其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，邊沿檢測(cè)接收器900被集成到ASIC中，作為下文所述傳感器系統(tǒng)的部分。邊沿檢測(cè)接收器電路900實(shí)踐在指定位置處并且在指定條件下檢測(cè)能量脈沖或脈沖能量波的測(cè)量方法，以使得能夠捕獲以下參數(shù)，這些參數(shù)包括但不限于能量脈沖的渡越時(shí)間、相位、頻率或振幅。對(duì)操作方法的簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。在非限制性實(shí)例中，前置放大器響應(yīng)于輸入信號(hào)的斜率上的小變化而觸發(fā)比較器電路。比較器和其他邊沿檢測(cè)電路以最小延遲快速地作出響應(yīng)。輸入信號(hào)上的小變化的檢測(cè)保證快速檢測(cè)到能量波的脈沖的到達(dá)。最小相位設(shè)計(jì)減少外來(lái)延遲，從而將較少變動(dòng)引入到對(duì)進(jìn)入能量脈沖的渡越時(shí)間、相位、頻率或振幅的測(cè)量中。
[0124]邊沿檢測(cè)接收器900的輸入端920被聯(lián)接到前置放大器912上。作為實(shí)例，到邊沿檢測(cè)接收器電路900的進(jìn)入波910可以是從電連接件、天線或換能器接收的。進(jìn)入波910是由前置放大器912來(lái)放大，該前置放大器保證對(duì)小信號(hào)的充分靈敏度。微分器電路914監(jiān)測(cè)前置放大器912的輸出，并且每當(dāng)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)于脈沖能量波的信號(hào)變化時(shí)就觸發(fā)數(shù)字脈沖電路916。例如，識(shí)別脈沖能量波的信號(hào)變化是該脈沖能量波的初始波前或前沿。在一個(gè)安排中，微分器914通過(guò)檢測(cè)電流上的小變化而不是測(cè)量電壓水平上的變化以實(shí)現(xiàn)對(duì)斜率的快速檢測(cè)來(lái)檢測(cè)電流，且更確切地說(shuō)，檢測(cè)能量波910的斜率上的變化?？商娲兀⒎制?14可以被實(shí)現(xiàn)成在電壓發(fā)生變化時(shí)觸發(fā)。共同地，前置放大器912和微分器916針對(duì)一個(gè)或多個(gè)能量波910的波前的到達(dá)監(jiān)測(cè)靜態(tài)輸入電流。前置放大器912和微分器916檢測(cè)能量波的低水平脈沖以及能量波的較大脈沖的到達(dá)。這種檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)于非常低水平信號(hào)的優(yōu)越性能。每當(dāng)檢測(cè)到由進(jìn)入波910的初始信號(hào)斜坡驅(qū)動(dòng)的電流時(shí)，微分器電路912就觸發(fā)數(shù)字脈沖電路916。數(shù)字脈沖被耦合到使前置放大器912降低靈敏度的去消隱電路918上。例如，前置放大器912的降敏作用可以包括增益上的減小、輸入端920與能量波910去耦、或改變頻率響應(yīng)。去消隱電路918還忽略電壓或電流水平，持續(xù)指定或預(yù)先確定的持續(xù)時(shí)間，以便有效地跳過(guò)干擾段或能量波910的失真部分?？傮w上，能量波910在斜率上可以包括超過(guò)一個(gè)變化并且典型地是阻尼波形式。前置放大器912的輸入端920上的脈沖能量波的另外的信號(hào)或波并不在預(yù)設(shè)消隱間隔過(guò)程中進(jìn)行處理。在此實(shí)例中，數(shù)字輸出脈沖928隨后可以被耦合到信號(hào)處理電路，如下文所解釋。在一個(gè)實(shí)施例中，這些電子部件作為區(qū)塊被可操作地聯(lián)接集成電路內(nèi)。如將在之后所示，這種集成安排用最少數(shù)量的部件來(lái)有效地執(zhí)行其特定功能。這是因?yàn)檫@些電路部件被劃分在集成電路內(nèi)的結(jié)構(gòu)與離散部件之間，并且模擬和數(shù)字的創(chuàng)新劃分起作用，以便以最少數(shù)量的部件和最低功率消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的性能。
[0125]圖10示出聯(lián)接到感測(cè)組件1000上的邊沿檢測(cè)接收器電路900的框圖。示出前置放大器912和數(shù)字脈沖電路916以供參考和討論。感測(cè)組件1000包括發(fā)送器換能器1002、能量傳播介質(zhì)1004以及接收器換能器1006。發(fā)送器換能器1002被聯(lián)接到傳播介質(zhì)1004的第一位置處。接收器換能器1006被聯(lián)接到能量傳播介質(zhì)1004的第二位置處?？商娲?，反射表面可以代替接收器換能器1006。該反射表面朝向該第一位置反射能量波。換能器1006可以被啟用以成為發(fā)送換能器和接收換能器，從而節(jié)約換能器的成本。如將在之后進(jìn)一步詳細(xì)解釋，在一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)組件1000是評(píng)估負(fù)載(具體來(lái)說(shuō)，該感測(cè)組件1000上的外部施加力1008)的傳感裝置的部分。換能器驅(qū)動(dòng)電路(未示出)驅(qū)動(dòng)感測(cè)組件1000的發(fā)送器換能器1002產(chǎn)生被引導(dǎo)進(jìn)入能量傳播介質(zhì)1004中的能量波1010。在該非限制性實(shí)例中，能量傳播介質(zhì)1004由于外部施加力1008而引起的變化改變從能量傳播介質(zhì)1004的第一位置傳播到第二位置的能量波1010的頻率、相位以及渡越時(shí)間1012。集成邊沿檢測(cè)接收器電路900被聯(lián)接到接收器換能器1006上來(lái)檢測(cè)再生能量波910的邊緣并觸發(fā)數(shù)字脈沖928?？傮w上，數(shù)字脈沖928的定時(shí)(timing)輸送與能量傳播結(jié)構(gòu)1004的因外部參數(shù)而引起的變化有關(guān)的所感興趣的參數(shù)(例如，距離、力、重量、應(yīng)變、壓力、磨損、振動(dòng)、粘度、密度、方向、位移等)。例如，感測(cè)組件1000被放置在如上所述的膝關(guān)節(jié)中。
[0126] 依賴于能量脈沖的傳播的測(cè)量方法要求在指定位置處或在指定條件下檢測(cè)能量脈沖，以便使得能夠捕獲參數(shù)，這些參數(shù)包括但不限于這些能量脈沖的渡越時(shí)間、相位、頻率或振幅。依賴于能量波1010或能量波脈沖的這種傳播的測(cè)量方法是實(shí)現(xiàn)對(duì)能量波或脈沖進(jìn)行高度準(zhǔn)確且受控的檢測(cè)所要求的。此外，能量波脈沖可能含有其中具有復(fù)雜波形的多個(gè)能量波，從而導(dǎo)致檢測(cè)的潛在的模糊性。具體來(lái)說(shuō)，將能量波1010引導(dǎo)到能量傳播結(jié)構(gòu)1004中可以生成由于波導(dǎo)的無(wú)效和共振、以及所生成的能量波1010的特性而引起的干涉圖案。這些干涉圖案可以生成導(dǎo)致原始能量波的邊緣失真的多繞組勵(lì)磁波形。為了可靠地檢測(cè)能量波的脈沖的到達(dá)，邊沿檢測(cè)接收器900僅對(duì)每個(gè)脈沖內(nèi)的第一能量波的前沿作出響應(yīng)。這部分地通過(guò)使邊沿檢測(cè)電路900消隱持續(xù)每個(gè)能量脈沖的持續(xù)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為實(shí)例，去消隱(deblank)電路918忽略電壓或電流水平，持續(xù)指定的持續(xù)時(shí)間，以便有效地跳過(guò)干擾段或波形的失真部分。
[0127]圖11是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例將邊沿檢測(cè)接收器電路900結(jié)合在脈沖回波復(fù)用安排中以用于維持正閉環(huán)反饋的傳感器接口圖。正閉環(huán)反饋是由粗線路徑示出。最初，復(fù)用器(mux) 1102接收被傳遞給換能器驅(qū)動(dòng)器1106以產(chǎn)生脈沖序列1108的數(shù)字脈沖1104作為輸入。模擬復(fù)用器(mux) 1110接收被傳遞給換能器1112以產(chǎn)生能量脈沖1114的脈沖序列1108。能量脈沖1114被發(fā)射到介質(zhì)的第一位置中并且傳播穿過(guò)該介質(zhì)。在該脈沖回波實(shí)例中，能量脈沖1114被反射離開(kāi)該介質(zhì)的第二位置(例如，波導(dǎo)或反射器的末端)處的表面1116，并被回送回到換能器1112。換能器1112隨后開(kāi)始捕獲所反射的脈沖回波。在脈沖回波模式下，換能器1112既作為發(fā)送器又作為接收器執(zhí)行。如上所披露，換能器1112在發(fā)射能量波與接收能量波之間來(lái)回切換。換能器1112捕獲所反射的回波脈沖，這些回波脈沖被耦合到模擬復(fù)用器1110并被引導(dǎo)至邊沿檢測(cè)接收器900。所捕獲的反射回波脈沖是由電波1120指示。邊沿檢測(cè)接收器900鎖定在對(duì)應(yīng)于所傳播的能量波的波前的脈沖邊緣上，以便確定能量脈沖1114的相位和頻率上響應(yīng)于施加的力的變化，如先前所解釋。除了其他參數(shù)，該邊沿檢測(cè)接收器生成對(duì)應(yīng)于所檢測(cè)的信號(hào)頻率的脈沖序列1118。脈沖序列1118被耦合到復(fù)用器1102并被引導(dǎo)至驅(qū)動(dòng)器1106以發(fā)起正由換能器1112發(fā)射到介質(zhì)中的一個(gè)或多個(gè)能量波。脈沖1104被去耦以免被提供給驅(qū)動(dòng)器1106。因此，形成正閉環(huán)反饋，該正閉環(huán)反饋可重復(fù)地將能量波發(fā)射到介質(zhì)中，直到復(fù)用器1102阻止信號(hào)被提供給驅(qū)動(dòng)器1106。邊沿檢測(cè)接收器900被聯(lián)接到介質(zhì)的第二位置上并且處于反饋路徑中。當(dāng)反饋路徑閉合時(shí)，當(dāng)在第二位置處檢測(cè)到波前時(shí)，邊沿檢測(cè)接收器900發(fā)起在該介質(zhì)的第一位置處被提供的脈沖能量波。
[0128]圖12是結(jié)合有邊沿檢測(cè)接收器電路900的用于以脈沖回波模式操作的傳播調(diào)諧振蕩器(Ρ--)的示例性框圖。具體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于圖4，該圖示出通過(guò)傳播調(diào)諧振蕩器416的操作對(duì)超聲波414在波導(dǎo)408內(nèi)的渡越時(shí)間412進(jìn)行的閉環(huán)測(cè)量。此實(shí)例是用于以脈沖回波模式操作。該系統(tǒng)還能夠以脈沖模式和連續(xù)波模式來(lái)操作。脈沖模式并不使用反射信號(hào)。連續(xù)波模式使用連續(xù)信號(hào)。簡(jiǎn)言之，數(shù)字邏輯電路1246將傳播調(diào)諧振蕩器的操作頻率數(shù)字化。
[0129]在脈沖回波操作模式下，包括換能器1204、傳播結(jié)構(gòu)1202以及反射表面1206的傳感器用于測(cè)量參數(shù)?？傮w上，有待測(cè)量的參數(shù)影響傳播介質(zhì)的特性。例如，外力或條件1212被施加到傳播結(jié)構(gòu)1202，從而改變傳播能量波的路徑中的波導(dǎo)的長(zhǎng)度。長(zhǎng)度上的變化對(duì)應(yīng)于傳播波的渡越時(shí)間上的變化。類似地，傳播結(jié)構(gòu)1202的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于施加的力1212。長(zhǎng)度減小對(duì)應(yīng)于施加到傳播結(jié)構(gòu)1202的較高的力。相反，長(zhǎng)度增大對(duì)應(yīng)于施加到傳播結(jié)構(gòu)1202的力1212的下降。傳播結(jié)構(gòu)1202的長(zhǎng)度被測(cè)量并通過(guò)已知的長(zhǎng)度與力的關(guān)系轉(zhuǎn)換成力。
[0130]換能器1204在脈沖回波模式下既是發(fā)射裝置又是接收裝置。用于測(cè)量參數(shù)的傳感器包括聯(lián)接到傳播結(jié)構(gòu)1202的第一位置處的換能器1204。反射表面被聯(lián)接到傳播結(jié)構(gòu)1202的第二位置處。換能器1204具有兩種操作模式，包括發(fā)射模式和接收模式。換能器1204在發(fā)射模式下在第一位置處將能量波發(fā)射到傳播結(jié)構(gòu)1202中。能量波傳播到第二位置并由反射表面1206反射。所反射的能量波被反射朝向第一位置，并且換能器1204隨后在接收模式下生成對(duì)應(yīng)于所反射的能量波的信號(hào)。
[0131]當(dāng)控制電路1218閉合將振蕩器1222的數(shù)字輸出端1224聯(lián)接到放大器1226的輸入端上的開(kāi)關(guān)1220時(shí)，測(cè)量序列在脈沖回波模式下被發(fā)起。提供給放大器1226的一個(gè)或多個(gè)脈沖起動(dòng)將具有簡(jiǎn)單或復(fù)雜波形的能量波1210發(fā)射到能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)1202中的過(guò)程。放大器1226包括數(shù)字驅(qū)動(dòng)器1228和匹配網(wǎng)絡(luò)1230。在一個(gè)實(shí)施例中，放大器1226將振蕩器1222的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)變成電波的脈沖1232，這些脈沖具有與數(shù)字輸出端1224相同的重復(fù)率和足以激勵(lì)換能器1204的振幅。
[0132]換能器1204將電波的脈沖1232轉(zhuǎn)換成具有相同重復(fù)率的能量波1210的脈沖，并將它們發(fā)射到能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)1202中。能量波1210的脈沖傳播穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)1202，如由朝向反射表面1206的箭頭1214所示。在到達(dá)反射表面1206時(shí)，能量波1210被反射表面1206反射。所反射的能量波朝向換能器1204傳播,如由箭頭1216所示。所反射的能量波由換能器1204檢測(cè)到并被轉(zhuǎn)換成具有相同重復(fù)率的電波的脈沖1234。
[0133]放大器1236包括前 置放大器1234和邊沿檢測(cè)接收器1240。放大器1236將電波的脈沖1234轉(zhuǎn)換成具有足以持續(xù)閉環(huán)電路的脈沖行為的持續(xù)時(shí)間的數(shù)字脈沖1242。控制電路1218通過(guò)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)1220和閉合開(kāi)關(guān)1244來(lái)對(duì)來(lái)自放大器1236的數(shù)字輸出脈沖1242作出響應(yīng)。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)1220使振蕩器輸出端1224與放大器1226的輸入端去耦。閉合開(kāi)關(guān)1244造成閉環(huán)電路，該閉環(huán)電路使放大器1236的輸出端聯(lián)接到放大器1226的輸入端上并持續(xù)穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)1202的能量脈沖的發(fā)射、傳播、以及檢測(cè)。
[0134]通過(guò)在這條閉環(huán)電路周圍維持單位增益來(lái)獲得平衡狀態(tài)，其中輸入到換能器1204中的電波1232和由換能器1204輸出的電波1234是同相的，具有較小但恒定的偏移。如上所披露，換能器1204在檢測(cè)到從反射表面1206反射的所反射的能量波時(shí)，輸出電波1234。在該平衡狀態(tài)下，整數(shù)數(shù)量的能量波1210的脈沖傳播穿過(guò)能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)1202。
[0135]能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)1202的移動(dòng)或物理特性上的變化改變能量波1210的渡越時(shí)間1208。渡越時(shí)間1208包括能量波從傳播結(jié)構(gòu)1202的第一位置傳播到第二位置的時(shí)間和所反射的能量波從傳播結(jié)構(gòu)1202的第二位置傳播到第一位置的時(shí)間。因此，傳播結(jié)構(gòu)1202的物理特性上的變化造成能量波1210在能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)1202內(nèi)的相應(yīng)時(shí)間間隔變化。能量脈沖1210的重復(fù)率的時(shí)間間隔上的這些變化改變閉環(huán)電路的平衡點(diǎn)和該閉環(huán)電路的操作重復(fù)率。閉環(huán)電路進(jìn)行調(diào)整以使得電波1232和1234對(duì)應(yīng)于新的平衡點(diǎn)。能量波1210的重復(fù)率和重復(fù)率的變化與能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)1202的物理屬性上的變化相關(guān)。
[0136]可以通過(guò)外力或條件1212將物理變化強(qiáng)加在能量傳播結(jié)構(gòu)1202上，由此將一個(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)的水平和變化轉(zhuǎn)化成可以被數(shù)字化以用于隨后處理、存儲(chǔ)、以及顯示的信號(hào)。操作頻率轉(zhuǎn)化成數(shù)字二進(jìn)制數(shù)促進(jìn)了關(guān)于所感興趣的物理參數(shù)的水平和變化的信息的傳達(dá)、另外的處理、存儲(chǔ)、以及顯示。類似地，能量波1210在閉環(huán)電路操作過(guò)程中的頻率、以及在此頻率下的變化可以用于測(cè)量能量傳播結(jié)構(gòu)或介質(zhì)1202的移動(dòng)或物理屬性上的變化。
[0137]在頻率的測(cè)量或傳播調(diào)諧振蕩器的操作之前，控制邏輯1218將存儲(chǔ)在計(jì)數(shù)寄存器1248中的循環(huán)計(jì)數(shù)加載到數(shù)字計(jì)數(shù)器1250中。第一數(shù)字脈沖1242在傳播調(diào)諧振蕩器和信號(hào)控制電路1218內(nèi)發(fā)起閉環(huán)操作以開(kāi)始測(cè)量操作。在開(kāi)始閉環(huán)操作時(shí)，控制邏輯1218啟動(dòng)數(shù)字計(jì)數(shù)器1250和數(shù)字計(jì)時(shí)器1252。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字計(jì)數(shù)器1250在由邊沿檢測(cè)接收器1240輸出的每個(gè)數(shù)字脈沖的上升沿上遞減其值。數(shù)字計(jì)時(shí)器1252在時(shí)鐘脈沖1256的每個(gè)上升沿上遞增其值。當(dāng)數(shù)字脈沖1242的數(shù)量使數(shù)字計(jì)數(shù)器1250內(nèi)的值遞減至零時(shí)，從數(shù)字計(jì)數(shù)器1250輸出停止信號(hào)。該停止信號(hào)禁用數(shù)字計(jì)時(shí)器1252并觸發(fā)控制電路1218以輸出加載命令給數(shù)據(jù)寄存器1254。數(shù)據(jù)寄存器1254加載來(lái)自數(shù)字計(jì)時(shí)器1252的二進(jìn)制數(shù)，該二進(jìn)制數(shù)等于能量波或脈沖的間隔乘以計(jì)數(shù)器1248中的值除以時(shí)鐘間隔1256。在具有恒定時(shí)鐘間隔1256的情況下，數(shù)據(jù)寄存器1254中的值是與在測(cè)量操作過(guò)程中累加的能量波或脈沖的合計(jì)間隔成正比的。測(cè)量操作的持續(xù)時(shí)間和測(cè)量分辨率可以通過(guò)增大或減小計(jì)數(shù)寄存器1248中所預(yù)設(shè)的值來(lái)調(diào)整。
[0138]圖13是根據(jù)示例性實(shí)施例的感測(cè)模塊1301的簡(jiǎn)化截面視圖。感測(cè)模塊(或組裝件)是包括電部件和機(jī)械部件的機(jī)電組件，該機(jī)電組件在根據(jù)感測(cè)模式配置和操作時(shí)，作為正反饋閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行。該測(cè)量系統(tǒng)可以精確地測(cè)量機(jī)電組件上的施加的力，如負(fù)載。該感測(cè)模式可以是連續(xù)模式、脈沖模式、或脈沖回波模式。
[0139]在一個(gè)實(shí)施例中 ，這些電部件可以包括超聲共振器405或超聲換能器406、超聲波導(dǎo)403、以及信號(hào)處理電子器件1310，但不限于這些。這些機(jī)械部件可以包括偏置彈簧1332、彈簧保持件和支柱、以及負(fù)載平臺(tái)1306，但不限于這些。這些電部件和機(jī)械部件可以被交互組裝(或集成)到印刷電路板1336上，以便作為相干超聲波測(cè)量系統(tǒng)在感測(cè)模塊1301內(nèi)并根據(jù)感測(cè)模式操作。如將在之后更詳細(xì)解釋，信號(hào)處理電子器件結(jié)合有傳播調(diào)諧振蕩器(Ρ--)或鎖相環(huán)路(PLL)來(lái)控制超聲共振器或換能器的操作頻率，以便提供高精度感測(cè)。此外，信號(hào)處理電子器件結(jié)合有檢測(cè)電路，該檢測(cè)電路在能量波已傳播穿過(guò)介質(zhì)后始終檢測(cè)該能量波。該檢測(cè)通過(guò)聯(lián)接到介質(zhì)上以便傳播穿過(guò)該介質(zhì)的超聲共振器或換能器發(fā)起新的能量波的生成。能量波穿過(guò)介質(zhì)的渡越時(shí)間上的變化被測(cè)量，并且與該介質(zhì)的因施加到其上的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)而引起的材料屬性上的變化相關(guān)。
[0140]感測(cè)模塊1301包括一個(gè)或多個(gè)組裝件401,這些組裝件各自包括一個(gè)或多個(gè)超聲共振器405和406。如所示，波導(dǎo)403被聯(lián)接在換能器(405，406)之間并被固定到承載表面或接觸表面408上。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，超聲信號(hào)被耦合以用于傳播穿過(guò)波導(dǎo)403。感測(cè)模塊1301被放置、附接、或固定到身體、儀器或其他物理系統(tǒng)1318之上或之內(nèi)，所述物理系統(tǒng)具有與感測(cè)模塊401的承載表面或接觸表面408相接觸的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件1316。這個(gè)安排促進(jìn)將所感興趣的參數(shù)轉(zhuǎn)化成感測(cè)模塊1301內(nèi)的該一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)403的長(zhǎng)度或壓縮或伸展上的變化并且將這些長(zhǎng)度上的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這促進(jìn)捕獲數(shù)據(jù)、測(cè)量所感興趣的參數(shù)并將該數(shù)據(jù)數(shù)字化，并且隨后通過(guò)天線1334將該數(shù)據(jù)傳達(dá)至外部設(shè)備，其中對(duì)身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備、或用于廣泛范圍的應(yīng)用的物理系統(tǒng)1318的操作具有最小的干擾。
[0141]感測(cè)模塊401支持能量波傳播和測(cè)量的三種操作模式:反射、單向以及雙向。這些模式可以在適當(dāng)時(shí)用于每種單獨(dú)應(yīng)用。在單向和雙向模式下，所選擇的超聲共振器或換能器被控制來(lái)將超聲波的脈沖發(fā)射到超聲波導(dǎo)中，并且一個(gè)或多個(gè)其他超聲共振器或換能器被控制來(lái)在該聲波導(dǎo)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)指定位置處檢測(cè)超聲波的脈沖的傳播。在反射或脈沖回波模式下，單個(gè)超聲或換能器將超聲波的脈沖發(fā)射到波導(dǎo)403中，并且隨后在從該波導(dǎo)的所選擇的特征或終端反射之后檢測(cè)回波的脈沖。在脈沖回波模式下，這些脈沖的回波可以通過(guò)控制發(fā)射超聲共振器或換能器在發(fā)射操作模式與檢測(cè)操作模式之間交替的動(dòng)作來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。脈沖操作模式和脈沖回波操作模式可以要求在平衡狀態(tài)下以在波導(dǎo)內(nèi)傳播的超過(guò)一個(gè)脈沖能量波進(jìn)行操作。
[0142]物理系統(tǒng)或身體內(nèi)的很多所感興趣的參數(shù)可以通過(guò)評(píng)價(jià)能量脈沖的渡越時(shí)間上的變化來(lái)測(cè)量。頻率(如由連續(xù)或不連續(xù)信號(hào)的平均間隔的倒數(shù)和能量脈沖的類型所定義)是由以下因素來(lái)確定:如測(cè)量的距離、信號(hào)在其中行進(jìn)的介質(zhì)、測(cè)量所要求的準(zhǔn)確度、測(cè)量所要求的精度、將適用于系統(tǒng)的形狀因子、功率限制、以及成本。一個(gè)或多個(gè)所感興趣的物理參數(shù)可以包括但不限于負(fù)載、力、壓力、位移、密度、粘度、局部溫度的測(cè)量值。可以通過(guò)測(cè)量能量脈沖或波的傳播時(shí)間上的變化，由定位在身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備、或其他物理系統(tǒng)之上或之內(nèi)的無(wú)線感測(cè)模塊或裝置來(lái)相對(duì)于取向、對(duì)準(zhǔn)、方向、或位置以及沿一條軸線或多條軸線的組合的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、或加速來(lái)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0143]在非限制性實(shí)例中，超聲能量的脈沖提供用于測(cè)量這些脈沖在波導(dǎo)403內(nèi)的渡越時(shí)間的準(zhǔn)確標(biāo)記物?？傮w上，超聲波信號(hào)是具有的頻率高于人類聽(tīng)力范圍(例如，>20KHz)、包括深入兆赫范圍內(nèi)的頻率的聲信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，超聲波能量脈沖的渡越時(shí)間上的變化對(duì)應(yīng)于波導(dǎo)與先前狀態(tài)在物理尺寸上的差異。例如，施加在膝關(guān)節(jié)上的力或壓力將波導(dǎo)403壓縮到新的長(zhǎng)度并且改變能量脈沖的渡越時(shí)間。當(dāng)集成為感測(cè)模塊并且插入或聯(lián)接到物理系統(tǒng)或身體上時(shí)，這些變化是與該系統(tǒng)或身體上的物理變化直接相關(guān)的并且可以作為壓力或力容易地被測(cè)量出。
[0144] 圖14是根據(jù)示例性實(shí)施例的用于說(shuō)明反射和單向操作模式的示例性組裝件1400。該組裝件包括一個(gè)或多個(gè)換能器1402、1404、和1406、一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)1414、以及一個(gè)或多個(gè)任選的反射表面1416。組裝件1400示出在反射和單向操作模式下超聲波1418在波導(dǎo)1414內(nèi)的傳播。任一個(gè)超聲共振器或換能器1402和1404結(jié)合一種或多種對(duì)接材料1408和1410(如果需要的話)可以被選擇成將超聲波1418發(fā)射到波導(dǎo)1414中。
[0145]在單向模式下，超聲共振器或換能器中的任一個(gè)例如1402可以被啟用來(lái)將超聲波1418發(fā)射到波導(dǎo)1414中。非發(fā)射超聲共振器或換能器1404被啟用來(lái)檢測(cè)由超聲共振器或換能器1402發(fā)射的超聲波1418。
[0146]在反射模式下，這些超聲波1418是從波導(dǎo)1414的另一端處的表面、界面、或身體反射之后，由發(fā)射超聲共振器或換能器1402來(lái)檢測(cè)。在此模式下，超聲共振器或換能器1402或1404中的任一個(gè)可以被選擇來(lái)發(fā)射和檢測(cè)超聲波。另外的反射特征1416可以被添加在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)來(lái)反射超聲波。這可以支持在單向模式和反射模式的組合下進(jìn)行操作。在這種操作模式下，這些超聲共振器之一例如共振器1402被控制來(lái)將超聲波1418發(fā)射到波導(dǎo)1414中。另一個(gè)超聲共振器或換能器1406被控制來(lái)繼由發(fā)射超聲共振器1402(或換能器)發(fā)射的超聲波1418被反射特征1416反射之后,檢測(cè)這些超聲波。
[0147]圖15是示例性組裝件1500，說(shuō)明超聲波1510在這個(gè)組裝件的雙向操作模式下在波導(dǎo)1506內(nèi)的傳播。在此模式下，固定至對(duì)接材料1520和1522(如果需要的話)的兩個(gè)單獨(dú)的超聲共振器(1502,1504)或換能器的角色的選擇周期性地調(diào)換。在雙向模式下，可以測(cè)量出超聲波在波導(dǎo)1506內(nèi)在任一方向上傳播的渡越時(shí)間。這能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種應(yīng)用中的多普勒效應(yīng)的調(diào)整，在這些應(yīng)用中，感測(cè)模塊1508在處于運(yùn)動(dòng)1516中時(shí)操作。此外，通過(guò)捕獲數(shù)據(jù)以用于計(jì)算調(diào)整值來(lái)抵消這個(gè)外部運(yùn)動(dòng)1516，這種操作模式幫助保證對(duì)施加的負(fù)載、力、壓力、或位移的準(zhǔn)確測(cè)量。在以下情況中提供優(yōu)點(diǎn)，其中身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備、或其他物理系統(tǒng)1514本身在負(fù)載、壓力、或位移的感測(cè)過(guò)程中進(jìn)行操作或移動(dòng)。類似地，這種能力也可以在以下情況中進(jìn)行校正，其中身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備、或其他物理系統(tǒng)在負(fù)載、壓力、或位移的感測(cè)過(guò)程中引起該身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備、或其他物理系統(tǒng)的正被測(cè)量的部分1512處于運(yùn)動(dòng)1516中?？紤]到對(duì)用于系統(tǒng)1514的物理變化的測(cè)量的其他調(diào)整并且能夠以類似的方式進(jìn)行補(bǔ)償。例如，可以測(cè)量系統(tǒng)1514的溫度，并且具有溫度與渡越時(shí)間的關(guān)系的查找表或等式可以用于使測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)化。微分測(cè)量技術(shù)也可以用于消去本領(lǐng)域中為人所知 的很多類型的公因子。
[0148]波導(dǎo)1506的使用使得能夠使用標(biāo)準(zhǔn)部件和制造過(guò)程在廣泛的尺寸范圍內(nèi)構(gòu)建低成本感測(cè)模塊和裝置，包括高度緊湊的感測(cè)模塊、用于生物醫(yī)療應(yīng)用的一次性模塊、以及裝置。構(gòu)建能夠在廣泛的尺寸范圍內(nèi)縮放的具有非常高水平的測(cè)量準(zhǔn)確度、可重復(fù)性、以及分辨率的感測(cè)模塊和裝置的靈活性使得感測(cè)模塊和裝置能夠被定制成配合并且收集關(guān)于一個(gè)或多個(gè)所感興趣的物理參數(shù)的數(shù)據(jù)以用于廣泛范圍的醫(yī)療和非醫(yī)療應(yīng)用。
[0149]例如，感測(cè)模塊或裝置可以被放置在廣泛范圍的物理系統(tǒng)(包括但不限于儀器、器具、車輛、設(shè)備或其他物理系統(tǒng)以及動(dòng)物和人身體)之上或之內(nèi)、或者附接或固定至該廣泛范圍的物理系統(tǒng)之上或之內(nèi)，以用于實(shí)時(shí)地感測(cè)該一個(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)，而不會(huì)干擾身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備、或物理系統(tǒng)的操作。
[0150]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(shí)例可以包括但不限于:可植入裝置，可植入裝置內(nèi)的模塊，手術(shù)中植入物或試驗(yàn)插入物內(nèi)的模塊，被插入或攝入的裝置內(nèi)的模塊，可佩戴裝置內(nèi)的模塊，手持式裝置內(nèi)的模塊，儀器、器具、設(shè)備、或所有這些的附件內(nèi)的模塊，或植入物、試驗(yàn)插入物、被插入或攝入的裝置、可佩戴裝置、手持式裝置、儀器、器具、設(shè)備或這些裝置、儀器、器具或設(shè)備的附件內(nèi)的一次性用品。可以測(cè)量動(dòng)物或人身體內(nèi)的很多生理參數(shù)，這些生理參數(shù)包括但不限于:在遍及血管系統(tǒng)、淋巴系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)的以及肌肉、骨、關(guān)節(jié)和軟組織區(qū)域內(nèi)的或影響肌肉、骨、關(guān)節(jié)和軟組織區(qū)域的應(yīng)用下，單獨(dú)的關(guān)節(jié)內(nèi)的負(fù)載、骨密度、移動(dòng)、間隙液體的各種參數(shù)，這些間隙液體的參數(shù)包括但不限于粘度、壓力、以及局部溫度。例如，矯形應(yīng)用可以包括但不限于承載假體部件；或者用于但不限于膝、髖、肩、肘、腕、踝以及脊柱的外科手術(shù)程序的臨時(shí)或試驗(yàn)假體部件；任何其他矯形或肌肉骨骼植入物；或這些的任何組合。
[0151]圖16是用于說(shuō)明超聲波1614的傳播上的變化與波導(dǎo)1606的長(zhǎng)度上的變化的傳感器元件1600的示例性截面視圖?？傮w上，對(duì)參數(shù)的測(cè)量是通過(guò)使位移與該參數(shù)有關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在一個(gè)實(shí)施例中，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)所要求的位移是以微米度量的。例如，外力1608壓縮波導(dǎo)1606，從而改變波導(dǎo)1606的長(zhǎng)度。感測(cè)電路(未示出)測(cè)量超聲波信號(hào)在波導(dǎo)1606中的傳播特性，以便確定波導(dǎo)1606的長(zhǎng)度上的變化。這些長(zhǎng)度上的變化與所感興趣的參數(shù)成正比地改變，從而使得該一個(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)上的變化能夠轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
[0152]如所示，外力1608壓縮波導(dǎo)1606并且使換能器1602和1604移動(dòng)，使彼此更靠近了距離1610。這使波導(dǎo)1606的在換能器1602與1604之間的波導(dǎo)傳播路徑的長(zhǎng)度改變了距離1612。取決于操作模式，感測(cè)電路通過(guò)分析超聲波在波導(dǎo)1606內(nèi)的傳播特性來(lái)測(cè)量該波導(dǎo)的長(zhǎng)度上的變化。 [0153]對(duì)圖16的一個(gè)闡釋說(shuō)明從波導(dǎo)1606的一端處的換能器1602發(fā)射并且傳播至該波導(dǎo)1606的另一端處的換能器1604的波。該闡釋包括波導(dǎo)1606的移動(dòng)、和由此波在波導(dǎo)1606內(nèi)傳播的速度(在不改變單獨(dú)波的形狀或?qū)挾鹊那闆r下)、以及因此在該波導(dǎo)的每一端處的換能器1602與1604之間的渡越時(shí)間的影響。該解釋進(jìn)一步包括對(duì)在相反方向上傳播的波的相反影響，并被評(píng)價(jià)來(lái)估計(jì)波導(dǎo)的速度并且通過(guò)對(duì)在兩個(gè)方向上傳播的波的渡越時(shí)間求平均來(lái)除去該相反影響。
[0154]該一個(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)上的變化是通過(guò)測(cè)量能量脈沖或波在傳播介質(zhì)內(nèi)的渡越時(shí)間上的變化來(lái)測(cè)量的。對(duì)該一個(gè)或多個(gè)所感興趣的參數(shù)上的變化的閉環(huán)測(cè)量是通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的:根據(jù)彈性能量傳播結(jié)構(gòu)的傳播特性來(lái)調(diào)節(jié)能量脈沖的重復(fù)率或能量波的頻率。
[0155]在連續(xù)波操作模式下，相位檢測(cè)器(未示出)對(duì)波導(dǎo)1606中的共振超聲波的頻率和頻率上的變化作出評(píng)價(jià)。如下文將描述，在連續(xù)波(CW)模式下進(jìn)行的正反饋閉環(huán)電路操作調(diào)整波導(dǎo)1606中的超聲波1614的頻率，以便在波導(dǎo)1606中維持相同數(shù)量或整數(shù)數(shù)量的間隔的超聲波。CW操作持續(xù)進(jìn)行，只要波導(dǎo)的長(zhǎng)度的變化速率沒(méi)有那么快速以使得在傳播調(diào)諧振蕩器(PTO)的頻率能夠作出響應(yīng)之前發(fā)生超過(guò)四分之一波長(zhǎng)的變化。這種限制例示了 PTO與鎖相環(huán)路(PLL)的性能之間的一個(gè)有利差異。假設(shè)換能器正在以例如2.4MHz產(chǎn)生超聲波，那么空氣中的波長(zhǎng)(假定速度為343微米每微秒)是約143 μ，盡管與在不受限制的空氣中相比，波導(dǎo)內(nèi)的波長(zhǎng)可能更長(zhǎng)。
[0156]在脈沖操作模式下，相位檢測(cè)器測(cè)量在由換能器1602發(fā)送超聲波脈沖時(shí)與在換能器1604處接收該超聲波脈沖之間的飛行時(shí)間(TOF)。該飛行時(shí)間確定波導(dǎo)傳播路徑的長(zhǎng)度，并且因此揭示波導(dǎo)1606的長(zhǎng)度上的變化。在另一種安排中，微分飛行時(shí)間測(cè)量值(或相位差)可以用于確定波導(dǎo)1606的長(zhǎng)度上的變化。脈沖由一個(gè)或多個(gè)波的脈沖組成。這些波可以具有相等的振幅和頻率(方波脈沖)或它們可以具有不同的振幅，例如，裳減振幅(梯形脈沖)或某種其他復(fù)雜波形。PTO正使傳播穿過(guò)波導(dǎo)的脈沖的前沿的相位保持恒定。在脈沖模式操作下，PTO通過(guò)邊沿檢測(cè)接收器而不是如在CW模式下所使用的零交叉接收器電路來(lái)檢測(cè)每個(gè)脈沖的第一波的前沿。
[0157]圖18示出根據(jù)示例性實(shí)施例的醫(yī)療感測(cè)系統(tǒng)1800的框圖。該醫(yī)療感測(cè)系統(tǒng)類似于圖4、圖6、圖8、以及圖12中所述的系統(tǒng)進(jìn)行操作以測(cè)量醫(yī)療參數(shù)。系統(tǒng)1800的傳感器是電容器1802。電容器1802是隨正被測(cè)量的醫(yī)療參數(shù)變化的可變電容器。電容器1802的電容值與參數(shù)的值相關(guān)。在第一實(shí)例中，正被測(cè)量的參數(shù)是溫度。電容器1802的電容被耦合至有待測(cè)量的溫度。電容器1802在“溫度”下的電容可以由系統(tǒng)1800準(zhǔn)確地測(cè)量并且反向關(guān)聯(lián)到一個(gè)溫度值。參數(shù)的另一個(gè)實(shí)例是力、壓力、或負(fù)載。在一個(gè)實(shí)施例中，該力、壓力、或負(fù)載可以被施加到電容器1802上。電容器1802在該“力、壓力、或負(fù)載”下的電容是由系統(tǒng)1800測(cè)量并且反向關(guān)聯(lián)到力、壓力或負(fù)載值。在任一個(gè)實(shí)例中，電容將在參數(shù)測(cè)量范圍內(nèi)以已知的方式變化。總體上，電容在參數(shù)測(cè)量范圍內(nèi)的變化以常規(guī)的方式發(fā)生。參數(shù)系統(tǒng)1800內(nèi)的電容變化的不規(guī)則性可以在參數(shù)測(cè)量范圍內(nèi)被校準(zhǔn)，以便考慮到電容變化的任何不規(guī)則性，或以便進(jìn)一步改善測(cè)量準(zhǔn)確度。
[0158]系統(tǒng)1800包括電容器1802、信號(hào)發(fā)生器1804、數(shù)字時(shí)鐘1806、數(shù)字計(jì)數(shù)器1808、數(shù)字計(jì)時(shí)器1810、計(jì)數(shù)寄存器1812以及數(shù)據(jù)寄存器1814。信號(hào)發(fā)生器1804被聯(lián)接到電容器1802上并且具有用于提供信號(hào)的輸出端。信號(hào)發(fā)生器1804生成對(duì)應(yīng)于電容器1802的電容的信號(hào)1816或波形。信號(hào)1816隨電容器1802的電容的改變而改變。例如，信號(hào)1816的測(cè)量周期的時(shí)間間隔可以與電容器1802的電容有關(guān)。
[0159]在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器1804是振蕩器。數(shù)字時(shí)鐘1806被聯(lián)接到數(shù)字計(jì)數(shù)器1808和數(shù)字計(jì)時(shí)器1810上。數(shù)字時(shí)鐘1806在測(cè)量序列過(guò)程中提供時(shí)鐘信號(hào)給數(shù)字計(jì)數(shù)器1808和數(shù)字計(jì)時(shí)器1810。數(shù)字計(jì)數(shù)器1808聯(lián)接到計(jì)數(shù)寄存器1812上并且聯(lián)接到信號(hào)發(fā)生器1804的輸出端上。計(jì)數(shù)寄存器1812提供對(duì)應(yīng)于該測(cè)量序列的預(yù)先確定的計(jì)數(shù)。總體上，測(cè)量準(zhǔn)確度可以通過(guò)增加預(yù)先確定的計(jì)數(shù)來(lái)提高。數(shù)字計(jì)數(shù)器1808接收來(lái)自計(jì)數(shù)寄存器1812的預(yù)先確定的計(jì)數(shù)。在發(fā)起測(cè)量序列后，數(shù)字計(jì)數(shù)器將信號(hào)發(fā)生器1804的輸出端處的測(cè)量周期的數(shù)量與預(yù)先確定的計(jì)數(shù)進(jìn)行比較。該測(cè)量序列在測(cè)量周期的計(jì)數(shù)等于預(yù)先確定的計(jì)數(shù)時(shí)結(jié)束。在一個(gè)實(shí)施例中，由信號(hào)發(fā)生器1804輸出的每個(gè)測(cè)量周期使數(shù)字計(jì)數(shù)器1808遞減，直到達(dá)到零計(jì)數(shù)，該零計(jì)數(shù)表示該測(cè)量序列結(jié)束。數(shù)字計(jì)時(shí)器1810測(cè)量該測(cè)量序列的時(shí)間間隔。換句話說(shuō)，數(shù)字計(jì)時(shí)器1810測(cè)量信號(hào)發(fā)生器1804輸出預(yù)先確定的計(jì)數(shù)的測(cè)量周期所要求的經(jīng)過(guò)時(shí)間。數(shù)據(jù)寄存器1814聯(lián)接到數(shù)字計(jì)時(shí)器1810上并且存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于測(cè)量序列的時(shí)間間隔或經(jīng)過(guò)時(shí)間的值。測(cè)量序列的經(jīng)過(guò)時(shí)間對(duì)應(yīng)于電容器1802的在統(tǒng)計(jì)上大量的測(cè)量值。經(jīng)過(guò)時(shí)間對(duì)應(yīng)于預(yù)先確定的計(jì)數(shù)的測(cè)量周期的合計(jì)或電容測(cè)量值的合計(jì)。存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器1814中的值可以是經(jīng)過(guò)時(shí)間到力、壓力或負(fù)載值的轉(zhuǎn)化。正被測(cè)量的參數(shù)應(yīng)在測(cè)量序列的時(shí)間間隔過(guò)程中產(chǎn)生穩(wěn)定的電容值。
[0160]圖19不出根據(jù)不例性實(shí)施例的生成對(duì)應(yīng)于電容器1802的信號(hào)的振蕩器1900。振蕩器1900對(duì)應(yīng)于圖18的信號(hào)發(fā)生器1804。振蕩器1900是用于生成圖18的信號(hào)1816的電路的實(shí)例。振蕩器1900包括電流源1902、電流源1904、比較器1906、開(kāi)關(guān)1908、開(kāi)關(guān)1910、以及開(kāi)關(guān)控制1912。電容器1802被聯(lián)接到電流源1902和1904上。電流源1902和1904對(duì)應(yīng)地提供電流和從電容器1802吸入電流。電流源1902提供電流I。電流源1904吸入電流21或由電流源1902提供的電流的兩倍。開(kāi)關(guān)1910在聯(lián)接到接地件上時(shí)，使得電流源1904能夠吸入電流。比較器1906包括聯(lián)接到電容器1802上的正輸入端、聯(lián)接到開(kāi)關(guān)1908上的負(fù)輸入端、以及輸出端。比較器1906的輸出端聯(lián)接到開(kāi)關(guān)控制1912上。開(kāi)關(guān)控制1912聯(lián)接到開(kāi)關(guān)1908和1910上以控制開(kāi)關(guān)位置。比較器1906的輸出是開(kāi)關(guān)控制1912的控制信號(hào)。[0161]總體上，電流源1902和1904對(duì)應(yīng)地對(duì)電容器1802進(jìn)行充電和放電。電容器1802是在比較器1906的輸出處于低狀態(tài)下時(shí)由電流源1902充電。當(dāng)比較器1906的輸出過(guò)渡到低狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)控制1912斷開(kāi)開(kāi)關(guān)1910并且參考電壓Vref由開(kāi)關(guān)1908耦合到比較器1906的負(fù)輸入端。電容器1802上的電壓在來(lái)自電流源1902的電流I對(duì)電容充電時(shí)升高。電容器上的電壓變化的轉(zhuǎn)換速率是與電容器1802的電容和電流I有關(guān)的。比較器1906的輸出在電容器1802上的電壓大于或等于參考電壓Vref時(shí)從低狀態(tài)過(guò)渡到高狀態(tài)。在比較器1906的輸出過(guò)渡到高狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)控制1912閉合開(kāi)關(guān)1910并且參考電壓Vref/2由開(kāi)關(guān)1908耦合到比較器1906的負(fù)輸入端。電流源1904的吸入電流是21或由電流源1902提供的電流的兩倍大。電流源1904從電容器1802吸入電流I并從電流源1902吸入相等的電流。電容器1802上的電壓在電荷被移除時(shí)下降。比較器的輸出在電容器上的電壓小于或等于參考電壓Vref/2時(shí)從高狀態(tài)過(guò)渡到低狀態(tài)。在該實(shí)例中，電容器1802上的電壓將在參考電壓Vref與Vref/2之間過(guò)渡。電容器電壓的上升沿和下降沿的轉(zhuǎn)換速率是對(duì)稱的。由振蕩器1900生成重復(fù)鋸齒圖案直到序列停止。測(cè)量周期對(duì)應(yīng)于生成單個(gè)三角形波形的時(shí)間。該三角形波形構(gòu)成將電容器1802上的電壓從Vref/2過(guò)渡到Vref以及從Vref過(guò)渡到Vref/2的時(shí)間。應(yīng)指出，測(cè)量周期與電容器1802的電容有關(guān)。增大電容器1802的電容相應(yīng)地增大測(cè)量周期。相反，減小電容器1802的電容相應(yīng)地減小測(cè)量周期。比較器1906的輸出端處的信號(hào)還對(duì)應(yīng)于信號(hào)1816。因此，由振蕩器1900輸出的信號(hào)建立了與電容器1802的電容的關(guān)系。[0162]簡(jiǎn)要地參照?qǐng)D1，傳感器100被聯(lián)接到肌肉-骨骼系統(tǒng)上。在該實(shí)例中，示出假體膝關(guān)節(jié)并且傳感器100被聯(lián)接到膝區(qū)域上。傳感器100可以是聯(lián)接到肌肉-骨骼系統(tǒng)上的電容器1802。電容器1802可以被聯(lián)接到假體膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)表面上以測(cè)量力、壓力或負(fù)載。在一個(gè)實(shí)施例中，施加到關(guān)節(jié)表面上的力、壓力或負(fù)載被聯(lián)接到電容器1802上，借此，電容隨施加到其上的力、壓力或負(fù)載而變化。盡管示出膝關(guān)節(jié)，但圖18的電容器1802和系統(tǒng)1800也可以用于醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備、以及假體部件中來(lái)測(cè)量影響電容器1802的電容的參數(shù)。類似地，盡管膝關(guān)節(jié)被作為實(shí)例來(lái)描述，但電容器1802可以被集成到肌肉-骨骼醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備、以及假體部件中來(lái)測(cè)量施加的力、壓力或負(fù)載。此外，圖18的電容器1802和系統(tǒng)1800并非限于膝，而是可以被集成到用于參數(shù)測(cè)量的假體部件中，如骨、組織、肩、踝、髖、膝、脊柱、肘、手以及腳。
[0163]回顧圖18和圖19，信號(hào)發(fā)生器1804輸出對(duì)應(yīng)于電容器1802的電容的重復(fù)波形。振蕩器1900是振蕩或生成重復(fù)波形的信號(hào)發(fā)生器1804的實(shí)現(xiàn)方式。在該實(shí)例中，振蕩器1900輸出具有對(duì)稱上升沿和下降沿的重復(fù)鋸齒波形。波形的測(cè)量周期是從Vref/2過(guò)渡到Vref以及過(guò)渡回Vref/2所需要的時(shí)間。測(cè)量周期的時(shí)間對(duì)應(yīng)于電容器的電容。如果電容器1802的電容在測(cè)量序列過(guò)程中保持恒定，那么每個(gè)測(cè)量周期的時(shí)間將是基本上相等的。在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)數(shù)寄存器1812被加載有預(yù)先確定的計(jì)數(shù)。該測(cè)量序列可以在波形的預(yù)先確定的點(diǎn)處被發(fā)起。例如，電壓Vref/2能夠被檢測(cè)來(lái)在波形上起動(dòng)以便起動(dòng)測(cè)量序列。每次檢測(cè)到電壓Vref/2后，數(shù)字計(jì)數(shù)器1808遞減。測(cè)量序列在數(shù)字計(jì)數(shù)器遞減到零時(shí)結(jié)束。數(shù)字計(jì)時(shí)器1810測(cè)量對(duì)應(yīng)于鋸齒波形的測(cè)量周期的預(yù)先確定的計(jì)數(shù)的測(cè)量序列的經(jīng)過(guò)時(shí)間?？商娲?，比較器1906的輸出可以用作振蕩或重復(fù)波形。比較器1906的輸出的上升沿或下降沿可以用于使數(shù)字計(jì)數(shù)器1808啟動(dòng)并且遞減。該測(cè)量序列被配置成是在將要測(cè)量的參數(shù)以及通過(guò)關(guān)系式電容器1802的電容基本上恒定時(shí)的間隔過(guò)程中被發(fā)起。該過(guò)程測(cè)量電容1802等于預(yù)先確定的計(jì)數(shù)的次數(shù)。測(cè)量上的變動(dòng)可以通過(guò)具有較大的預(yù)先確定的計(jì)數(shù)來(lái)平均掉(averaged out)。該過(guò)程還允許非常準(zhǔn)確地測(cè)量出電容上的非常小的變化。測(cè)量的準(zhǔn)確度可以通過(guò)增大測(cè)量周期的預(yù)先確定的計(jì)數(shù)來(lái)提高。在一個(gè)實(shí)施例中，所測(cè)得的電容是由所測(cè)得的經(jīng)過(guò)時(shí)間和測(cè)量周期的預(yù)先確定的計(jì)數(shù)所確定的平均值。所測(cè)得的電容可以被轉(zhuǎn)化為正被測(cè)量的參數(shù)，如力、壓力或負(fù)載。數(shù)據(jù)寄存器1814可以夠被配置用于存儲(chǔ)參數(shù)測(cè)量值或?qū)?yīng)于該參數(shù)測(cè)量值的數(shù)字。
[0164]圖20披露用于測(cè)量力、壓力或負(fù)載的方法2000。該方法描述涉及并且可以參考圖1、圖4、圖6、圖8、圖12、圖13、以及圖19。在此所披露的實(shí)例使用假體部件實(shí)現(xiàn)方式，但方法2000可以在任何其他合適的系統(tǒng)或裝置中實(shí)踐。方法2000的步驟不限于所披露的順序。此外，方法2000還可以具有與所示相比更大數(shù)量的步驟或更小數(shù)量的步驟。
[0165]在步驟2002，將力、壓力或負(fù)載施加到電容器上。該力、壓力或負(fù)載上的變化引起該電容器的電容上的相應(yīng)變化。在步驟2004，生成重復(fù)信號(hào)。該重復(fù)信號(hào)的單個(gè)波形的時(shí)間間隔是測(cè)量周期。該測(cè)量周期的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)于電容器的電容。在步驟2006，重復(fù)該波形或信號(hào)預(yù)先確定的次數(shù)。測(cè)量序列包括預(yù)先確定次數(shù)的重復(fù)波形。在步驟2008，測(cè)量該測(cè)量序列的經(jīng)過(guò)時(shí)間。該經(jīng)過(guò)時(shí)間是生成預(yù)先確定數(shù)量的波形所需要的時(shí)間。在步驟2010，在該測(cè)量序列過(guò)程中維持該力、壓力或負(fù)載?？傮w上，聯(lián)接到電容器上的力、壓力或負(fù)載在該測(cè)量序列過(guò)程中應(yīng)是恒定的。在步驟2012，使所測(cè)得的經(jīng)過(guò)時(shí)間與該力、壓力或負(fù)載測(cè)量值相關(guān)。典型地，測(cè)量范圍對(duì)于正被施加到電容器上的力、壓力或負(fù)載而言是已知的。正使用的電容器或電容器類型可以在使用之前在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)使用已知的力、壓力以及負(fù)載來(lái)表征。因此，電容與力、壓力或負(fù)載之間的相關(guān)性是已知的。例如，電容與力、壓力或負(fù)載之間的關(guān)系可以存儲(chǔ)在查找表中或通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)存儲(chǔ)。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)近似線性地作出響應(yīng)?？梢允褂盟鶞y(cè)得的經(jīng)過(guò)時(shí)間計(jì)算出電容器的平均電容，以便在測(cè)量序列過(guò)程中生成預(yù)先確定數(shù)量的波形。隨后可以根據(jù)先前表征來(lái)確定力、壓力或負(fù)載?？梢酝ㄟ^(guò)在電容器的最終測(cè)試過(guò)程中使用校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)另外的改進(jìn)。關(guān)于電容器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以用于計(jì)算力、壓力或負(fù)載，以便進(jìn)一步降低測(cè)量誤差。在步驟2014，可以增加預(yù)先確定數(shù)量的波形以便提高測(cè)量準(zhǔn)確度。如果力、壓力或負(fù)載在增加數(shù)量的預(yù)先確定數(shù)量的波形范圍內(nèi)是基本上恒定的，那么測(cè)量分辨率能夠通過(guò)這種技術(shù)來(lái)提高。此外，在電容變化在該力、壓力或負(fù)載測(cè)量范圍內(nèi)相當(dāng)小的情況下，分辨率支持測(cè)量。
[0166]圖21示出根據(jù)示例性實(shí)施例的電容器2100?？傮w上，用于醫(yī)療環(huán)境中的傳感器是準(zhǔn)確的、可靠的、低成本的，并且具有適合于應(yīng)用的形狀因子。產(chǎn)生電信號(hào)的傳感器需要通向電子電路的有線或無(wú)線互連件，以便接收、分析并且提供測(cè)量數(shù)據(jù)。電容器2100滿足以上列出的要求。電容器2100可以在用于測(cè)量不同醫(yī)療參數(shù)的醫(yī)療裝置、工具以及設(shè)備中使用。在該實(shí)例中，電容器2100可以被集成到裝置、工具、設(shè)備以及假體部件中，用于測(cè)量肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)。電容器2100適用于手術(shù)中假體部件和可植入假體部件，這些部件支持對(duì)所安裝結(jié)構(gòu)的安裝和長(zhǎng)期測(cè)量。
[0167] 電容器2100包括介電層2102、介電層2104、以及介電層2106。電容器2100包括超過(guò)兩個(gè)機(jī)械串聯(lián)的電容器。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器2100包括3個(gè)機(jī)械串聯(lián)的電容器。簡(jiǎn)要地參照?qǐng)D22，圖21的電容器2100包括電容器2206、2204、以及2208。電容器2206、2204、以及2208是機(jī)械串聯(lián)聯(lián)接的。壓縮力、壓力、或負(fù)載2202被施加到串聯(lián)聯(lián)接的電容器2206、2204、以及2208上。回顧圖21，第一電容器包括導(dǎo)電區(qū)域2108、介電層2102、以及導(dǎo)電區(qū)域2110。該第一電容器對(duì)應(yīng)于圖22的電容器2204。導(dǎo)電區(qū)域2108和2110具有預(yù)先確定的面積，這樣該預(yù)先確定的面積、介電層2102的介電常數(shù)、以及介電層2102的厚度確定電容器2204的電容。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電層2108上覆于導(dǎo)電層2110之上、具有與該導(dǎo)電層2110基本上相等的面積、并且與該導(dǎo)電層2110對(duì)齊。
[0168]第二電容器包括導(dǎo)電區(qū)域2108、介電層2104、以及導(dǎo)電區(qū)域2112。該第二電容器對(duì)應(yīng)于圖22的電容器2206。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域2112上覆于導(dǎo)電區(qū)域2108之上、具有與該導(dǎo)電區(qū)域2108近似相等的面積、并且與該導(dǎo)電區(qū)域2108對(duì)齊。負(fù)載墊2114上覆于導(dǎo)電區(qū)域2112之上而形成。負(fù)載墊2114保護(hù)導(dǎo)電層2112并防止由于施加到電容器2100上的力、壓力或負(fù)載而對(duì)該導(dǎo)電層造成損壞。
[0169]第三電容器包括導(dǎo)電區(qū)域2110、介電層2106、以及導(dǎo)電層2116。該第三電容器對(duì)應(yīng)于圖22的電容器2208。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域2116上覆于導(dǎo)電區(qū)域2110之上、具有與該導(dǎo)電區(qū)域2110近似相等的面積、并且與該導(dǎo)電區(qū)域2110對(duì)齊。負(fù)載墊2118上覆于導(dǎo)電區(qū)域2116之上而形成。負(fù)載墊2118保護(hù)導(dǎo)電層2116并防止由于施加到電容器2100上的力、壓力或負(fù)載而對(duì)該導(dǎo)電層造成損壞。總體上，負(fù)載墊2114和2118包含不可壓縮材料。負(fù)載墊2114和2218能夠包含金屬、復(fù)合材料、或聚合物。
[0170]電容器2100聯(lián)接到電子電路上，如圖18中所披露。電容器2100可以包括超過(guò)一個(gè)并聯(lián)的電容器。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域2108和2110可以被聯(lián)接在一起。在該實(shí)例中，導(dǎo)電區(qū)域2108和2110是由導(dǎo)電通路2120聯(lián)接在一起。導(dǎo)電區(qū)域2112和2116也被聯(lián)接在一起或被聯(lián)接至公共電壓電位。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域2112和2116被聯(lián)接到接地件上形成屏蔽物。簡(jiǎn)要地參照?qǐng)D23，電容器2100包括電容器2206和2208。電容器2206和2208是并聯(lián)電聯(lián)接的，具有聯(lián)接到接地件上的端子以及包括聯(lián)接在一起的導(dǎo)電區(qū)域2108和2110的端子。電容器2204在電容器2100的電子等效電路中未示出，因?yàn)殡娙萜?204的導(dǎo)電區(qū)域被短接在一起?；仡檲D21，可以形成具有基本上相等的電容的電容器2206和電容器2208。因 此，電容器2100包括超過(guò)一個(gè)機(jī)械串聯(lián)的電容器并且包括超過(guò)一個(gè)并聯(lián)電聯(lián)接的電容器。
[0171]在該實(shí)例中，電容器2100可以用作用于肌肉-骨骼系統(tǒng)的力、壓力或負(fù)載傳感器。電容器2100可以被集成到假體部件中來(lái)測(cè)量由肌肉-骨骼系統(tǒng)所施加的力、壓力或負(fù)載。該測(cè)量支持對(duì)假體部件的安裝并且可以用于在植入系統(tǒng)上進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)收集。電容器2100的大小和形狀對(duì)生物感測(cè)應(yīng)用是有益的。電容器2100的形狀因子可以被制成非常小。此外，電容器2100可以被制成非常薄，從而支持集成和放置在身體的常規(guī)傳感器所不能達(dá)到的區(qū)域中。可以制造出厚度小于2.5毫米并且典型地小于I毫米的電容器2100。
[0172]在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用多層互連件來(lái)形成電容器2100。多層互連件包括交替的導(dǎo)電層和介電層。導(dǎo)電層可以被圖案化來(lái)形成導(dǎo)電區(qū)域和互連件。將力、壓力或負(fù)載施加到多層互連件上可以使這些介電層變形。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于小變形，互連件的介電層在刺激被去除時(shí)將彈性地回彈。介電層的變形改變電容器2100的介電厚度及其電容值。圖18的系統(tǒng)1800支持電容上的小變化的高分辨率，這使得使用電容器2100可行。
[0173]總體上，用于互連件的介電材料可以包括聚合物、聚酯、芳族聚酰胺、粘合劑、硅、玻璃、或復(fù)合材料。電容器2100包括包含聚酰亞胺的至少一個(gè)介電層。在一個(gè)實(shí)例中，介電層2102、2104、以及2106包含聚酰亞胺?？商娲?，層2102可以是將電容器2206和2208聯(lián)接在一起的膠粘層。在測(cè)試下，已經(jīng)證明聚酰亞胺在對(duì)于假體部件負(fù)載測(cè)量來(lái)說(shuō)典型的負(fù)載值下彈性地壓縮?？傮w上，電容器2100壓縮了小于每個(gè)電容器的厚度的20%以便在電介質(zhì)的彈性區(qū)域中維持操作。在一個(gè)實(shí)施例中，在操作范圍內(nèi)，電容器2100的電介質(zhì)被壓縮了小于電介質(zhì)厚度的10%。例如，聚酰亞胺層可以是近似0.0254毫米厚。在假體膝應(yīng)用的整個(gè)負(fù)載測(cè)量范圍內(nèi)，聚酰亞胺的壓縮可以是小于0.0022毫米?；ミB件可以是柔性的，從而允許放置在非平面區(qū)域上。此外，如果要求的話，電容器2100可以是與不同的表面形狀共形的。可替代地，電容器2100可以被形成為不會(huì)撓曲或符合的可壓縮結(jié)構(gòu)。
[0174] 如先前所提及的，電容器2100被聯(lián)接到電子電路上，該電子電路如圖18所披露的電子電路。使用互連件形成電容器2100提供能夠使電容器2100與聯(lián)接到電子電路上的互連件集成的另外的益處。這消除了傳感器與互連件之間的連接，因?yàn)樗鼈儽恍纬蔀閱蝹€(gè)結(jié)構(gòu)。集成的電容器和互連件還提高了傳感器可靠性、降低了成本、并且簡(jiǎn)化了組裝。
[0175]簡(jiǎn)要地參照?qǐng)D24，俯視圖示出上覆于介電層2104之上而形成的導(dǎo)電區(qū)域2112。總體上，力、壓力或負(fù)載被均勻地施加在傳感器電容器的導(dǎo)電區(qū)域上。負(fù)載墊可以支持該力、壓力或負(fù)載在整個(gè)導(dǎo)電區(qū)域上的分布。導(dǎo)電區(qū)域的面積具有足以在應(yīng)用的整個(gè)力、壓力負(fù)載范圍內(nèi)維持介電材料的彈性壓縮的大小?？梢栽龃髮?dǎo)電區(qū)域的面積以減少每單位面積的力、壓力或負(fù)載，從而降低整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的介電壓縮，以便提高可靠性。在膝假體部件實(shí)例中，導(dǎo)電區(qū)域2112可以具有圓形形狀。導(dǎo)電區(qū)域2112的面積是正被測(cè)量的力、壓力、或負(fù)載范圍的函數(shù)。對(duì)于用于膝應(yīng)用的傳感器來(lái)說(shuō)，導(dǎo)電區(qū)域2112的直徑是近似2.0毫米。虛線指示位于導(dǎo)電區(qū)域2112之下的導(dǎo)電區(qū)域2108的外周。在該實(shí)例中，導(dǎo)電區(qū)域2108具有近似2.2毫米的直徑。傳感器中的超過(guò)一個(gè)可以配合在膝的假體部件內(nèi)?；ミB件2124被聯(lián)接到導(dǎo)電區(qū)域2112上?；ミB件2124可以與導(dǎo)電區(qū)域2112形成在同一層上。回顧圖21，導(dǎo)電區(qū)域2116可以具有與導(dǎo)電區(qū)域2112類似的圓形形狀。對(duì)于用于膝應(yīng)用的傳感器來(lái)說(shuō)，導(dǎo)電區(qū)域2116的直徑是近似2.0毫米。上覆于導(dǎo)電區(qū)域2112之上的導(dǎo)電區(qū)域2110的直徑是近似2.2毫米?；ミB件2126可以上覆于聚酰亞胺層2106之上而形成并且聯(lián)接到導(dǎo)電區(qū)域2116上。
[0176]在該實(shí)例中，力、壓力或負(fù)載是由肌肉-骨骼系統(tǒng)施加到負(fù)載墊2114和2118上。該力、壓力或負(fù)載壓縮機(jī)械串聯(lián)的、構(gòu)成電容器2100的電容器2206、2204、以及2208。介電層2202、2204、以及2206在該力、壓力或負(fù)載下壓縮。電容器2204的板被聯(lián)接在一起并且不對(duì)電容器2100的電容有影響。電容器2100的結(jié)構(gòu)使得寄生電容的影響最小化。導(dǎo)電區(qū)域2112和2116被聯(lián)接到接地件上。導(dǎo)電區(qū)域2112和2116對(duì)應(yīng)地上覆于導(dǎo)電區(qū)域2108之上和位于導(dǎo)電區(qū)域2110之下，從而充當(dāng)接地屏蔽物。該屏蔽物最小化或阻止可能與導(dǎo)電區(qū)域2112和2116發(fā)生的可能影響測(cè)量準(zhǔn)確度的外部電容交互。
[0177]簡(jiǎn)要地參照?qǐng)D25，提供了在示例性實(shí)施例中的互連件2122、2124、以及2126的截面視圖。如上文所述，導(dǎo)電區(qū)域2108和2110是由通路2120聯(lián)接在一起。互連件2122聯(lián)接到導(dǎo)電區(qū)域2108和2110上。互連件2122、2124、以及2126可以將電容器2100聯(lián)接到圖18的系統(tǒng)1800上?；ミB件2124和2126被聯(lián)接到接地件上?；ミB件2124和2126上覆于互連件2122之上和位于互連件2122之下，從而充當(dāng)屏蔽物。在一個(gè)實(shí)施例中，互連件2122具有小于互連件2124和2126的寬度。當(dāng)互連件2122被路由并聯(lián)接到圖18的系統(tǒng)1800上時(shí)，互連件2124和2126屏蔽并阻止與互連件2122的潛在電容交互。
[0178]回顧圖21，與電容器2100有關(guān)的寄生電容在整個(gè)參數(shù)測(cè)量范圍內(nèi)保持基本上恒定。第一寄生電容包括互連件2124、介電層2104、以及互連件2122。第二寄生電容包括互連件2126、介電層2106、以及互連件2122。該第一寄生電容和該第二寄生電容加在一起，增大了電容器2100的電容。力、壓力或負(fù)載未被施加到第一寄生電容和第二寄生電容上,從而在測(cè)量過(guò)程中保持恒定。因此，電容器2100的電容上的變化可以由系統(tǒng)1800在力、壓力、或負(fù)載范圍內(nèi)使用在此所披露的方法來(lái)測(cè)量，其中由于寄生電容上的變化所造成的二次影響正被最小化。
[0179]圖26披露用于測(cè)量力、壓力或負(fù)載的方法2600。該方法描述涉及并且可以參考圖1、圖4、圖6、圖8、圖12、圖13、圖19、以及圖21至圖25。方法2600的步驟不限于所披露的順序。此外，方法2600還可以具有與所示相比更大數(shù)量的步驟或更小數(shù)量的步驟。在步驟2602，壓縮超過(guò)一個(gè)串聯(lián)的電容器。傳感器電容器可以包括超過(guò)一個(gè)串聯(lián)聯(lián)接的電容器。在串聯(lián)聯(lián)接的電容器上施加力、壓力或負(fù)載。在步驟2604，測(cè)量超過(guò)一個(gè)并聯(lián)的電容器的電容。傳感器電容器可以包括超過(guò)一個(gè)并聯(lián)電聯(lián)接的電容器。
[0180]在步驟2606，生成重復(fù)信號(hào)，該重復(fù)信號(hào)具有對(duì)應(yīng)于該超過(guò)一個(gè)并聯(lián)的電容器的電容的測(cè)量周期。在一個(gè)實(shí)施例中，該超過(guò)一個(gè)并聯(lián)的電容器被聯(lián)接到信號(hào)發(fā)生器電路上。聯(lián)接到該超過(guò)一個(gè)并聯(lián)的電容器上的該信號(hào)發(fā)生器電路被配置用于振蕩。該重復(fù)信號(hào)包括重復(fù)測(cè)量周期。由該信號(hào)發(fā)生器生成的每個(gè)測(cè)量周期的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)于該超過(guò)一個(gè)并聯(lián)的電容器的電容。
[0181]在步驟2608，測(cè)量重復(fù)信號(hào)的經(jīng)過(guò)時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施例中，重復(fù)該重復(fù)信號(hào)預(yù)先確定的次數(shù)。換句話說(shuō)，重復(fù)測(cè)量周期該預(yù)先確定的次數(shù)并且測(cè)量該預(yù)先確定次數(shù)的測(cè)量周期的經(jīng)過(guò) 時(shí)間。在步驟2610，使經(jīng)過(guò)時(shí)間與超過(guò)一個(gè)并聯(lián)的電容器的電容相關(guān)。如在此所披露，超過(guò)一個(gè)并聯(lián)的電容器的電容對(duì)應(yīng)于所施加的力、壓力或負(fù)載。在所施加的力、壓力或負(fù)載基本上恒定時(shí)測(cè)量大量測(cè)量周期支持電容與該力、壓力或負(fù)載之間的準(zhǔn)確的相關(guān)性。
[0182]圖27示出根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的具有多個(gè)傳感器的醫(yī)療裝置。總體上，本發(fā)明的實(shí)施例廣義上針對(duì)物理參數(shù)的測(cè)量。該醫(yī)療裝置包括機(jī)電系統(tǒng)，該機(jī)電系統(tǒng)被配置用于測(cè)量醫(yī)療參數(shù)，并且在該實(shí)例中涉及肌肉-骨骼系統(tǒng)的測(cè)量。由于大小、成本、時(shí)間、或測(cè)量精度，當(dāng)前尚未測(cè)量物理系統(tǒng)或身體內(nèi)的許多所感興趣的物理參數(shù)。例如，關(guān)節(jié)植入物如膝、髖、脊柱、肩、以及踝植入物將基本上受益于在外科手術(shù)過(guò)程中取得以便幫助外科醫(yī)生安裝和精調(diào)假體系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值。測(cè)量值可以補(bǔ)充外科醫(yī)生的主觀反饋以確保最優(yōu)安裝。最終假體部件中的參數(shù)傳感器可以提供與在使用中的植入物的狀態(tài)相關(guān)的周期性數(shù)據(jù)。手術(shù)中和長(zhǎng)期收集的數(shù)據(jù)可以用于確定用于外科手術(shù)安裝的參數(shù)范圍并且改進(jìn)未來(lái)假體部件。
[0183]一個(gè)或多個(gè)所感興趣的物理參數(shù)可以包括但不限于負(fù)載、力、壓力、位置、位移、密度、粘度、pH、偽加速度(spurious acceleration)、以及局部溫度的測(cè)量值。通常,測(cè)量的參數(shù)與另一個(gè)測(cè)量的參數(shù)結(jié)合使用以便進(jìn)行定性評(píng)估。在關(guān)節(jié)重建中，使肌肉-骨骼系統(tǒng)的多個(gè)部分準(zhǔn)備好接收假體部件。準(zhǔn)備包括骨切割或骨成形以便與一個(gè)或多個(gè)假體配合。可以通過(guò)定位在身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備或其他物理系統(tǒng)之上或之內(nèi)的無(wú)線感測(cè)模塊或裝置來(lái)相對(duì)于取向、對(duì)準(zhǔn)、方向、位移、或位置以及沿一條軸線或多條軸線的組合的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、或加速對(duì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0184]在本發(fā)明中，參數(shù)是使用集成無(wú)線感測(cè)模塊或裝置來(lái)測(cè)量的，該集成無(wú)線感測(cè)模塊或裝置包括:i)支撐多個(gè)傳感器和接觸表面的封裝結(jié)構(gòu)，以及ii)電子組裝件，該電子組裝件集成電源、感測(cè)元件、加速度計(jì)、天線、控制和處理測(cè)量序列的電子電路、以及無(wú)線通信電路。該無(wú)線感測(cè)模塊或裝置可以被定位在廣泛范圍的物理系統(tǒng)之上或之內(nèi)、或與廣泛范圍的物理系統(tǒng)接合、或附接或固定至廣泛范圍的物理系統(tǒng)之上或之內(nèi)以用于實(shí)時(shí)地感測(cè)和傳達(dá)所感興趣的參數(shù)，這些物理系統(tǒng)包括但不限于儀器、設(shè)備、裝置、器具、車輛、設(shè)備或其他物理系統(tǒng)以及動(dòng)物和人身體。
[0185]披露可以間接地測(cè)量參數(shù)的多個(gè)傳感器，如具有的電容隨參數(shù)變化的電容器。電容或相關(guān)因素(例如，時(shí)間)被測(cè)量并且隨后被轉(zhuǎn)換成該參數(shù)。測(cè)量系統(tǒng)具有與人體動(dòng)力學(xué)相容的形狀因子、功率使用、以及材料。一個(gè)或多個(gè)所感興趣的物理參數(shù)可以包括但不限于負(fù)載、力、壓力、位移、密度、粘度、pH、距離、體積、疼痛、感染、偽加速度、以及局部溫度等等的測(cè)量值。可以由定位在身體、儀器、器具、車輛、設(shè)備、或其他物理系統(tǒng)之上或之內(nèi)的無(wú)線感測(cè)模塊或裝置通過(guò)傳感器測(cè)量、對(duì)準(zhǔn)、方向、或位置以及沿一條軸線或多條軸線的組合的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、或加速對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0186]在該實(shí)例中，插入物2700示出具有用于測(cè)量肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)的醫(yī)療傳感器的裝置。假體插入物2700是允許肌肉-骨骼系統(tǒng)的關(guān)節(jié)連接的關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)的部件。假體插入物2700是該關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)的磨損部件。假體插入物2700具有允許關(guān)節(jié)連接的一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)表面。在關(guān)節(jié)置換中，假體部件具有聯(lián)接到插入物2700的關(guān)節(jié)表面上的表面。該關(guān)節(jié)表面是低摩擦的并且可以吸收基于位姿或體位自然發(fā)生的負(fù)載。關(guān)節(jié)連接關(guān)節(jié)的表面之間的接觸面積可以在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)變化。由于在關(guān)節(jié)的移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)假體部件表面接觸關(guān)節(jié)表面所產(chǎn)生的摩擦，插入物2700的關(guān)節(jié)表面將隨時(shí)間推移而磨損。韌帶、肌肉以及肌腱一起保持關(guān)節(jié)并且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍中激勵(lì)關(guān)節(jié)。
[0187]插入物2700是假體部件的本體內(nèi)的有源裝置，該有源裝置具有電源2702、電子電路2704、負(fù)載墊2722、傳送能力、以及傳感器。電子電路2704包括圖18和圖19的電路。在該實(shí)例中，傳感器位于負(fù)載墊2722之下。這些傳感器是形成于聯(lián)接到電子電路2704上的互連件2718中的電容器?；ミB件2718可以是柔性的并與非平面形狀共形。在一個(gè)實(shí)施例中，插入物2700在手術(shù)中用于測(cè)量肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)以幫助安裝一個(gè)或多個(gè)假體部件。如下文將披露，插入物2700的操作被示出為膝插入物以說(shuō)明操作和對(duì)參數(shù)(如負(fù)載和平衡)的測(cè)量。簡(jiǎn)要地參照?qǐng)D1，典型的膝關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)包括插入物、股骨假體部件104、以及脛骨假體部件106。雖然容納在該插入物中，但傳感器電容器也可以被容納在股骨假體部件104或脛骨假體部件106之內(nèi)或聯(lián)接到股骨假體部件104或脛骨假體部件106之上?；仡檲D27，插入物2700可以被適配成用于在具有關(guān)節(jié)表面的其他假體關(guān)節(jié)(髖、脊柱、肩、踝及其他)中使用?？商娲兀迦胛?700可以是可用于在植入物的壽命內(nèi)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量的永久有源裝置。感測(cè)系統(tǒng)不限于假體部件實(shí)例。該系統(tǒng)還可以在醫(yī)療工具、裝置、以及設(shè)備中實(shí)施。
[0188]插入物2700在尺寸上基本上等于無(wú)源最終假體插入物?；旧舷嗟鹊某叽鐚?duì)應(yīng)于允許插入物2700基本上與無(wú)源最終假體插入物相等地配合在脛骨假體部件中的大小和形狀。在手術(shù)中實(shí)例中，使用插入物2700作為試驗(yàn)插入物所測(cè)量的負(fù)載和平衡將基本上等于由最終無(wú)源插入物在相等條件下所經(jīng)歷的負(fù)載和平衡。應(yīng)指出，用于手術(shù)中測(cè)量的插入物2700可以是在形狀上不相似的，或在操作過(guò)程中丟失不利于試驗(yàn)的特征。插入物2700在與最終插入物相等的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍中應(yīng)是在位置上穩(wěn)定的。
[0189]插入物2700的外部結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部件。在所示實(shí)施例中，插入物2700包括支撐結(jié)構(gòu)2706和支撐結(jié)構(gòu)2708。支撐結(jié)構(gòu)2706和2708具有由肌肉-骨骼系統(tǒng)施加負(fù)載的主要支撐表面。如先前所提及的，插入物2700被示出為膝插入物以說(shuō)明一般概念，但不限于這種構(gòu)型。支撐結(jié)構(gòu)2706具有關(guān)節(jié)表面2710和關(guān)節(jié)表面2712。股骨假體部件的髁與表面2710和2712關(guān)節(jié)連接。假體膝關(guān)節(jié)上的負(fù)載分布在關(guān)節(jié)表面2710和2712的接觸區(qū)域上。支撐結(jié)構(gòu)2708包括承載表面2724。承載表面2724聯(lián)接到脛骨假體部件上。由于更大的表面面積用于分布力、壓力或負(fù)載，承載表面2724上的負(fù)載比施加給關(guān)節(jié)表面的負(fù)載要低得多。
[0190]支撐結(jié)構(gòu)2706的區(qū)域2714在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)是無(wú)載的或輕負(fù)載的。區(qū)域2714位于關(guān)節(jié)表面2710與2712之間。應(yīng)指出 ，在關(guān)節(jié)表面2710與2712上存在最小接觸面積，以便在維持關(guān)節(jié)性能的同時(shí)使磨損最小化。接觸位置和接觸面積大小可以根據(jù)肌肉-骨骼系統(tǒng)的位置而變化。如果接觸面積落在關(guān)節(jié)表面2710和2712內(nèi)在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)落內(nèi)的預(yù)先確定的面積范圍之外，那么可能出現(xiàn)問(wèn)題。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載被施加在關(guān)節(jié)表面2710和2712上的位置可以由感測(cè)系統(tǒng)確定。這是有益的，因?yàn)橥饪漆t(yī)生現(xiàn)在具有負(fù)載被施加在何處的定量信息。外科醫(yī)生隨后可以使用來(lái)自感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋來(lái)追蹤每次校正的結(jié)果進(jìn)行在預(yù)先確定的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)所施加負(fù)載的位置的調(diào)整。
[0191]支撐結(jié)構(gòu)2708可以被形成來(lái)支撐測(cè)量插入物2700的每個(gè)關(guān)節(jié)表面上的負(fù)載的這些傳感器和電子電路2704。負(fù)載板2716位于關(guān)節(jié)表面2710之下。類似地，負(fù)載板2720位于關(guān)節(jié)表面2712之下?；ミB件2718位于負(fù)載板2720之下。電容器傳感器位于負(fù)載墊2722之下，在支撐結(jié)構(gòu)2708中的三角形互連件2718的頂點(diǎn)中。在一個(gè)實(shí)施例中，這些電容器傳感器形成于互連件2718中?；ミB件2718將這些傳感器聯(lián)接到電子電路2704上。屏蔽件形成于互連件2718中，該屏蔽件使寄生電容和耦合最小化以便確保測(cè)量范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度。負(fù)載板2720通過(guò)負(fù)載墊2722聯(lián)接到電容器傳感器上。負(fù)載墊2720將施加給關(guān)節(jié)表面2712的負(fù)載分布到在插入物2700內(nèi)的預(yù)先確定的位置處的電容器傳感器上。來(lái)自位于關(guān)節(jié)表面2712之下的三個(gè)傳感器的測(cè)量值可以用于確定施加到插入物2700的負(fù)載的位置。負(fù)載板2716在關(guān)節(jié)表面2710之下類似地操作。雖然負(fù)載板2716和2720的表面(如所示)是平面的，但它們?cè)趥鞲衅鞣戏瞧矫姹砻娴那闆r下可以是非平面的。類似地，電容器傳感器可以形成為具有非平面形狀。
[0192]由肌肉-骨骼系統(tǒng)施加的力、壓力或負(fù)載被聯(lián)接到假體部件插入物2700的關(guān)節(jié)表面2710和2712上，這些關(guān)節(jié)表面對(duì)應(yīng)地聯(lián)接到板2716和2720上。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)電容器由于該力、壓力或負(fù)載而彈性地壓縮。電子電路2704可操作性地聯(lián)接到位于負(fù)載板2716和2720之下的電容器傳感器上。對(duì)應(yīng)于正被測(cè)量的電容器的電容的信號(hào)被生成。該信號(hào)被重復(fù)預(yù)先確定數(shù)量的次數(shù)或達(dá)到預(yù)先確定的計(jì)數(shù)。測(cè)量該預(yù)先確定的計(jì)數(shù)的經(jīng)過(guò)時(shí)間。該經(jīng)過(guò)時(shí)間對(duì)應(yīng)于電容器的電容。電容與力、壓力或負(fù)載之間的關(guān)系是已知的并且用于確定測(cè)量值。此外，測(cè)量數(shù)據(jù)可以被處理并傳送到插入物2700外部的接收器以用于顯示和分析。
[0193]在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器和電子電路2704的物理位置被容納在插入物2700中，從而保護(hù)有源部件免受外部環(huán)境影響。電子電路2704可以位于關(guān)節(jié)表面2710與2712之間，在支撐結(jié)構(gòu)2700的區(qū)域2714之下。用于容納電子電路2704的空腔可以位于區(qū)域2714之下。支撐結(jié)構(gòu)2708在該空腔內(nèi)具有表面，該表面具有從其延伸以將電子電路2704定位并且固持在該空腔內(nèi)的固持特征。區(qū)域2714是插入物2700的無(wú)載或輕負(fù)載區(qū)域，從而降低在外科手術(shù)過(guò)程中或在由患者使用關(guān)節(jié)時(shí)由于高壓縮力而損壞電子電路2704的可能性。在一個(gè)實(shí)施例中，臨時(shí)電源(如電池、電容器、電感器、或其他存儲(chǔ)介質(zhì))位于插入物2700內(nèi)以便為這些傳感器和電子電路2704供電。
[0194]支撐結(jié)構(gòu)2706附接到支撐結(jié)構(gòu)2708上以形成插入物外殼或殼體。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)2706和2708的內(nèi)部表面配合在一起。此外，支撐結(jié)構(gòu)2706和2708的內(nèi)部表面可以具有用于容納和固持感測(cè)系統(tǒng)的部件的空腔或擠壓件(extrusion)。在外部，支撐結(jié)構(gòu)2706和2708提供對(duì)接到關(guān)節(jié)的其他假體部件上的承載表面和關(guān)節(jié)表面。支撐結(jié)構(gòu)2708的承載表面2724聯(lián)接到脛骨假體部件上。承載表面2724可以具有支持聯(lián)接到脛骨假體部件上的一個(gè)或多個(gè)特征或形狀。
[0195]支撐結(jié)構(gòu)2706和2708可以被暫時(shí)地或永久地聯(lián)接、附接、或緊固在一起。如所示，插入物2700可以被拆開(kāi)以使支撐結(jié)構(gòu)2706與2708分離。密封件可以外周地位于支撐結(jié)構(gòu)2708的內(nèi)部表面上。在一個(gè)實(shí)施例中，該密封件可以是包含順應(yīng)性且可壓縮材料的O形環(huán)。當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)2706和2708被附接在一起時(shí)，該O形環(huán)壓縮并抵靠在這些支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)部表面上形成密封件。支撐結(jié)構(gòu)2706和2708形成殼體，借此，使該密封件的邊界內(nèi)的空腔或凹陷與外部環(huán)境隔離。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)O形環(huán)被充分地壓縮以使多個(gè)緊固元件互鎖時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)2706和2708被聯(lián)接在一起。支撐結(jié)構(gòu)2706和2708是由這些緊固元件在由O形環(huán)或其他裝置(如彈簧)提供的力或壓力下保持在一起。
[0196] 在一個(gè)實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)2700包含常見(jiàn)地用于無(wú)源插入物的材料。例如，可以使用超高分子量聚乙烯。該材料可以被模制、成形、或機(jī)械加工以便為最終插入物提供適當(dāng)?shù)闹魏完P(guān)節(jié)表面厚度?？商娲兀谓Y(jié)構(gòu)2706和2708可以由對(duì)于試驗(yàn)應(yīng)用來(lái)說(shuō)具有足夠強(qiáng)度的金屬、塑料、或聚合材料制成。在手術(shù)中實(shí)例中，支撐結(jié)構(gòu)2706和2708可以由聚碳酸酯形成。應(yīng)指出，關(guān)節(jié)表面的長(zhǎng)期磨損對(duì)于關(guān)節(jié)安裝的短持續(xù)時(shí)間來(lái)說(shuō)是較小問(wèn)題。當(dāng)通過(guò)聚碳酸酯關(guān)節(jié)表面在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，關(guān)節(jié)與最終插入物類似地移動(dòng)。支撐結(jié)構(gòu)2706和2708可以形成為復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中支承材料(如超高分子量聚乙烯)是允許感測(cè)系統(tǒng)既在手術(shù)中使用又用作最終插入物的復(fù)合材料的部分。
[0197]圖28示出根據(jù)示例性實(shí)施例的具有聯(lián)接到非平面表面上并且與這些非平面表面相符的多個(gè)傳感器的一個(gè)或多個(gè)假體部件。髖關(guān)節(jié)假體部件用作用于說(shuō)明非平面?zhèn)鞲衅鞯膶?shí)例。該髖關(guān)節(jié)假體包括髖白杯2806、插入物2808、以及股骨假體部件2810。髖白杯2806聯(lián)接到骨盆上。杯2806可以被膠合到骨盆2802上，從而在永久空間取向上緊固假體部件以用于接收股骨假體部件2810。插入物2808被插入具有暴露關(guān)節(jié)表面的髖白杯2806中。股骨假體部件2810的股骨頭可以被放置到插入物2808中。插入物2808固持該股骨頭。插入物2808的關(guān)節(jié)表面聯(lián)接到股骨假體部件2810的股骨頭上，從而允許關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。負(fù)載被分布在插入物2808的關(guān)節(jié)表面的取決于腿位置而變化的區(qū)域上。股骨假體部件2810的軸被聯(lián)接到股骨2804上。膠合劑可以用于將股骨假體部件2810的軸緊固到股骨2804上。組織(如肌腱、韌帶以及肌肉)聯(lián)接到骨盆2802和股骨2804上以便保持和支持髖關(guān)節(jié)的移動(dòng)。在此所披露的傳感器和電子電路不限于假體髖部件并且可以被類似地應(yīng)用于解剖結(jié)構(gòu)的其他部分，這些部分包括但不限于肌肉-骨骼系統(tǒng)、骨、器官、顱骨、膝、肩、脊柱、踝、肘、手、以及腳。
[0198]在一個(gè)實(shí)施例中，股骨假體部件2810可以容納電子電路2812，從而保護(hù)有源部件免受外部環(huán)境影響。該電子電路2812可以包括圖18和圖19中所披露的用于測(cè)量電容器傳感器的電容的電路。該電子電路2812可以進(jìn)一步包括電源、功率管理電路、轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字邏輯、處理器、多輸入/輸出電路、以及通信電路。該電子電路2812可以是具有可配合在假體部件內(nèi)的形狀因子的模塊。類似地，電子電路2812可以被集成到工具、裝置、或設(shè)備中?？商娲兀娮与娐?812可以是通過(guò)有線或無(wú)線連接聯(lián)接到傳感器上的單獨(dú)部件。[0199]假體部件2810的股骨頭在形狀上是球形的。電容器2814是符合并聯(lián)接到股骨頭的彎曲表面的傳感器。在第一實(shí)施例中，電容器2814可以位于股骨頭的外部表面之下。施加給股骨頭的力、壓力或負(fù)載聯(lián)接到電容器2814上并且可以彈性地壓縮該電容器。保護(hù)電容器2814和電子電路2812免受外部環(huán)境影響，以使得假體部件適用于關(guān)節(jié)的長(zhǎng)期監(jiān)視。在第二實(shí)施例中，電容器2814可以在符合股骨頭的球形形狀的表面的多個(gè)部分上暴露。在第三實(shí)施例中，電容器2814可以形成為具有非平面形狀。電容器2814可以位于在單次使用后被處置掉的試驗(yàn)假體部件中。如在此所披露，電容器2814可以形成于如圖21至圖25中所披露的互連件中。該互連件可以是柔性的并且可以符合非平面表面。在該實(shí)例中，電容器2814形成于聯(lián)接到電子電路2812上的連接件中以接收并處理測(cè)量數(shù)據(jù)。該連接件以及更確切地說(shuō)電容器2814被定位在球形股骨頭表面內(nèi)并聯(lián)接到該表面上，借此，可以在預(yù)先確定的位置處測(cè)量力、壓力或負(fù)載。因此，傳感器系統(tǒng)可以被完全容納在假體部件內(nèi)。類似地,這些傳感器可以被放置在髖白杯2806與插入物2808之上、之內(nèi)或之間。作為實(shí)例，電容器2816被示出為被放置在髖白杯2806與插入物2808之間。電容器2816還可以位于插入物2808的關(guān)節(jié)表面的一部分之下或構(gòu)成該部分。類似地，電容器2816可以位于髖臼杯2806的彎曲表面的一部分之下或構(gòu)成該部分。電容器2816可以被配置用于測(cè)量施加給插入物2808的關(guān)節(jié)表面的不同區(qū)域的力、壓力或負(fù)載。聯(lián)接到電容器2816上的電子電路可以鄰近髖白杯2806、插入物2808或被容納在髖白杯2806、插入物2808中。骨上的力、壓力或負(fù)載測(cè)量可以由該系統(tǒng)支持。電容器2822可以被嵌入骨(如盆骨2802)中以測(cè)量施加到其上的力。
[0200]在該實(shí)例中，電容器2814位于股骨假體部件2810的股骨頭的預(yù)先確定的位置處。電容器2814的電容與由肌肉-骨骼系統(tǒng)施加給股骨頭的力、壓力或負(fù)載有關(guān)，從而提供股骨頭的不同位置處的測(cè)量數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，來(lái)自電容器2814的測(cè)量數(shù)據(jù)可以被實(shí)時(shí)地?zé)o線傳送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)2818上。遠(yuǎn)程系統(tǒng)2818包括被配置用于顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示器2820。遠(yuǎn)程系統(tǒng)2818可以是進(jìn)一步處理測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。測(cè)量數(shù)據(jù)可以允許用戶快速地評(píng)估信息的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)或觸覺(jué)形式來(lái)提供。在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)腿可以提供關(guān)于負(fù)載在髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)如何變化的定量數(shù)據(jù)以用于安裝。腿移動(dòng)將電容器2814聯(lián)接到插入物2808的關(guān)節(jié)表面的不同區(qū)域上。在腿在恒定平面中移動(dòng)時(shí)，電容器2814沿弧線移動(dòng)。測(cè)量數(shù)據(jù)可以指示可能要求對(duì)關(guān)節(jié)安裝進(jìn)行修改的負(fù)載上的變動(dòng)。安裝可以按照由遠(yuǎn)程系統(tǒng)2818支持的工作流程步驟進(jìn)行。此外，來(lái)自對(duì)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著數(shù)量的患者的定量測(cè)量的臨床證據(jù)用作最優(yōu)配合的目標(biāo)值或范圍。外科醫(yī)生可以基于實(shí)際測(cè)量的定量數(shù)據(jù)和來(lái)自患者安裝的主觀反饋進(jìn)一步精調(diào)安裝。[0201]圖29示出根據(jù)示例性實(shí)施例的具有聯(lián)接到非平面表面上的一個(gè)或多個(gè)屏蔽傳感器的工具。擴(kuò)孔鉆2902用作具有一個(gè)或多個(gè)傳感器的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備、或部件的實(shí)例。擴(kuò)孔鉆2902可以用于髖假體關(guān)節(jié)置換外科手術(shù)中，用于去除盆骨2908中的骨，以便接納假體部件(如髖白杯)。擴(kuò)孔鉆2902具有球形表面2904，該球形表面具有切削片或砂輪(abrasive)，這些切削片或砂輪用于去除髖臼區(qū)域2910中的骨以便形成球形骨區(qū)域。擴(kuò)孔鉆2902的切削頭的大小被確定成切削髖臼區(qū)域2910區(qū)域，該髖臼區(qū)域2910區(qū)域在尺寸上基本上等于有待配合到該髖白區(qū)域中的髖臼杯。
[0202]在一個(gè)實(shí)施例中，超過(guò)一個(gè)傳感器可以被聯(lián)接到擴(kuò)孔鉆2902的切削頭上。在非限制性實(shí)例中，這些傳感器可以用于測(cè)量力、壓力或負(fù)載。更確切地說(shuō)，這些傳感器可以與切削頭的表面2904上的多個(gè)位置相應(yīng)地定位。這些傳感器被聯(lián)接到表面2904上，但位于擴(kuò)孔鉆2902的切削頭的內(nèi)部。力、壓力、或負(fù)載是從表面2904聯(lián)接到這些傳感器。這些傳感器提供關(guān)于施加到表面2904的不同位置的力、壓力或負(fù)載的定量數(shù)據(jù)。定量數(shù)據(jù)可以作為對(duì)材料去除過(guò)程的反饋以用于髖臼杯的最優(yōu)配合。例如，在一個(gè)方向上放置太多的力可能會(huì)導(dǎo)致在一個(gè)位置中去除太多的材料，從而影響骨切削的形狀。
[0203]電容器2906是用于測(cè)量力、壓力或負(fù)載的多個(gè)傳感器的實(shí)例。電容器2906是在擴(kuò)孔鉆2902的可測(cè)量范圍內(nèi)彈性可壓縮的。更確切地說(shuō)，構(gòu)成電容器2906的介電材料在施加的力、壓力或負(fù)載下壓縮。電容器的電容在介電材料的厚度由于力、壓力或負(fù)載而減小時(shí)增大。相反，介電材料的厚度在施加到電容器上的力、壓力或負(fù)載減小時(shí)增大，從而減小電容值。多個(gè)電容器2906被聯(lián)接到擴(kuò)孔鉆2902的切削頭的表面2904的不同位置。這些電容器2906被分布在表面2904上以便在材料去除過(guò)程中提供不同表面區(qū)域的力、壓力、或負(fù)載大小以及差分力、壓力、或負(fù)載大小。正由電容器2906測(cè)量的表面區(qū)域?qū)㈦S著擴(kuò)孔鉆2902的軌跡發(fā)生變化。測(cè)量數(shù)據(jù)可以用于支持用于最優(yōu)假體部件配合的骨擴(kuò)孔過(guò)程。 [0204]在一個(gè)實(shí)施例中，電容器2906形成于如圖21至圖25所披露的互連件中。該互連件可以包括包含聚酰亞胺的一個(gè)或多個(gè)介電層或基板。這些聚酰亞胺層是柔性的、可以符合非平面表面、或形成為具有預(yù)先確定的形狀。電容器2906包括用于減少與裝置的電容耦合的一個(gè)或多個(gè)屏蔽件。屏蔽件可以被聯(lián)接到接地件上并且在物理上位于電容器2906的導(dǎo)電區(qū)域與互連件的外部環(huán)境之間。該屏蔽件可以是電容器的導(dǎo)電區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，第一屏蔽件形成為上覆于電容器的導(dǎo)電區(qū)域之上，并且第二屏蔽件形成為位于該電容器的該導(dǎo)電區(qū)域之下。屏蔽件使可改變電容器2906的電容值的寄生電容最小化。
[0205]互連件可以形成于聯(lián)接到電容器2906的導(dǎo)電區(qū)域上的一個(gè)或多個(gè)聚酰亞胺層上。該互連件可以將電容器2906聯(lián)接到電子電路(未示出)上以用于生成對(duì)應(yīng)于每個(gè)電容器的電容的信號(hào)。電容器2906聯(lián)接到擴(kuò)孔鉆2902的切削頭的表面2904上。在該實(shí)例中，電容器2906符合對(duì)應(yīng)于表面2904的形狀的彎曲或非平面表面。在一個(gè)實(shí)施例中，該互連件和這些電容器2906位于切削頭的內(nèi)部，從而與外部環(huán)境隔離。該互連件聯(lián)接到電子電路上以用于測(cè)量電容器2906的電容。該電子電路可以被容納在擴(kuò)孔鉆2902的切削頭或手柄中。該電子電路可以包括電源，如電池、感應(yīng)電源、超級(jí)電容器、或其他存儲(chǔ)介質(zhì)。如先前所提及的，電容器2906的電容可以與施加到其上的力、壓力、或負(fù)載有關(guān)。在該實(shí)例中，電子電路針對(duì)電容器2906中的每個(gè)電容器生成與電容值有關(guān)的信號(hào)。該電子電路可以包括用于發(fā)送來(lái)自電容器2906的測(cè)量數(shù)據(jù)的傳送和接收電路。在一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量數(shù)據(jù)被傳送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)2818上。遠(yuǎn)程系統(tǒng)2818可以包括用于呈現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示器2820。數(shù)據(jù)處理可以由遠(yuǎn)程系統(tǒng)2818執(zhí)行，以便將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為力、壓力或負(fù)載。軌跡數(shù)據(jù)和力、壓力或負(fù)載測(cè)量值可以按允許快速評(píng)估信息的視覺(jué)形式來(lái)提供。當(dāng)用戶要求直接觀察操作面積時(shí)，可以提供可聽(tīng)反饋來(lái)補(bǔ)充顯示器2820。遠(yuǎn)程系統(tǒng)2818可以分析定量測(cè)量數(shù)據(jù)并將信息傳送到擴(kuò)孔鉆2902，該擴(kuò)孔鉆提供觸覺(jué)或其他類型的反饋給裝置，該反饋影響如由用戶引導(dǎo)的軌跡或力、壓力、或負(fù)載。由擴(kuò)孔鉆2902提供的定量數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)地提供，從而允許用戶在顯示器2820上看見(jiàn)這些改變?nèi)绾斡绊懺谂韫?908上去除骨。
[0206]圖30披露用于測(cè)量力、壓力或負(fù)載的方法3000。該方法描述涉及并且可以參考圖1、圖4、圖6、圖8、圖12、圖13、圖19、圖21至圖25、以及圖27至圖29。方法3000的步驟不限于所披露的順序。此外，方法3000還可以具有與所示相比更大數(shù)量的步驟或更小數(shù)量的步驟。在步驟3002，將力、壓力或負(fù)載施加到電容器上。該力、壓力或負(fù)載的變化引起該電容器的電容上的相應(yīng)變化。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器形成于互連件之上或之中。電容器的介電材料可以是彈性可壓縮的。在步驟3004，電容器的至少一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域被屏蔽以便減少電容耦合。在一個(gè)實(shí)施例中，屏蔽件可以包括電容器的導(dǎo)電區(qū)域，該導(dǎo)電區(qū)域是該電容器的板?？商娲?，屏蔽件可以是單獨(dú)結(jié)構(gòu)。屏蔽件可以是接地的，以便使寄生電容或與電容器的耦合最小化。屏蔽件可以位于電容器的外部環(huán)境與正被屏蔽的電容器的有源導(dǎo)電區(qū)域或板之間。此外，屏蔽件減小了可影響測(cè)量準(zhǔn)確度的可變寄生電容。接地的導(dǎo)電區(qū)域可以位于有源導(dǎo)電區(qū)域與外部環(huán)境之間。在步驟3006，將電容器聯(lián)接到電子電路上的互連件被屏蔽，以便進(jìn)一步減少電容耦合。該屏蔽件可以是該電容器的互連件。例如，接地的互連件可以被放置在攜帶信號(hào)的互連件與外部環(huán)境之間，以便防止與該外部環(huán)境中的電路電容耦合?？商娲兀帘渭梢允菃为?dú)結(jié)構(gòu)。對(duì)電容器和互連件的屏蔽支持對(duì)非常小的電容值的測(cè)量。所測(cè)量的電容上的變化與總電容相比可以是小的。屏蔽防止總電容發(fā)生變化，從而允許測(cè)量到小于10皮法的電容變化。
[0207]因此，在此提供用于測(cè)量小電容值和電容上的小變化的系統(tǒng)。該系統(tǒng)進(jìn)一步支持小形狀因子、高可靠性、測(cè)量準(zhǔn)確度、以及低成本。用于力、壓力以及負(fù)載測(cè)量的電容器可以形成于用于將電容器聯(lián)接到電子電路上的互連件中。這些電容器在介電材料的基本上彈性可壓縮區(qū)域內(nèi)進(jìn)行操作。在互連件中形成電容器降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高可靠性、產(chǎn)品相容性，并且減少組裝步驟。
[0208]在力、壓力、或負(fù)載下生成對(duì)應(yīng)于電容器的電容的信號(hào)。重復(fù)該信號(hào)預(yù)先確定的計(jì)數(shù)。當(dāng)正被測(cè)量的參數(shù)上的變化相對(duì)于生理變化(如發(fā)生在肌肉-骨骼系統(tǒng)中)緩慢地發(fā)生時(shí)，測(cè)量大量測(cè)量周期的經(jīng)過(guò)時(shí)間可以用于生成測(cè)量周期的平均時(shí)間間隔?？梢苑治鰷y(cè)量數(shù)據(jù)以獲得準(zhǔn)確的、可重復(fù)的、高精度的以及高分辨率的測(cè)量值。在此所披露的系統(tǒng)使得所捕獲數(shù)據(jù)的精度或分辨率的水平設(shè)置能夠最優(yōu)化測(cè)量分辨率與頻率(包括感測(cè)和數(shù)據(jù)處理操作的帶寬)之間的權(quán)衡，從而使得感測(cè)模塊或裝置能夠在其最優(yōu)操作點(diǎn)下操作，而不會(huì)折損測(cè)量的分辨率。這是通過(guò)勵(lì)磁和渡越時(shí)間的多個(gè)周期的累加而不是對(duì)多個(gè)單獨(dú)勵(lì)磁和渡越周期的渡越時(shí)間求平均來(lái)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)果是物理系統(tǒng)中所感興趣的參數(shù)的準(zhǔn)確的、可重復(fù)的、高精度的以及高分辨率的測(cè)量值。
[0209]使用彈性可壓縮電容器進(jìn)行的測(cè)量實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高信噪比?；跁r(shí)間的測(cè)量在很大程度上對(duì)于可能會(huì)影響電壓或電流驅(qū)動(dòng)的感測(cè)方法和裝置的大多數(shù)誤差源不敏感。所得操作的渡越時(shí)間上的變化與可以快速測(cè)得的頻率相對(duì)應(yīng)，并且具有高分辨率。這實(shí)現(xiàn)了所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度和精度，從而捕獲所感興趣的物理參數(shù)上的變化并且使得能夠分析它們的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)行為。
[0210]此外，在除法之前對(duì)單獨(dú)電容測(cè)量值進(jìn)行求和以估計(jì)平均測(cè)量值數(shù)據(jù)值比對(duì)相同數(shù)量的樣本求平均產(chǎn)生更優(yōu)良的結(jié)果。從數(shù)字計(jì)數(shù)器收集的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的分辨率是由計(jì)數(shù)器中的最低有效位來(lái)限制。捕獲一系列計(jì)數(shù)并對(duì)它們求平均不會(huì)產(chǎn)生比這個(gè)最低有效位(也就是說(shuō)，單個(gè)計(jì)數(shù)的精度)更大的精度。如果在單獨(dú)測(cè)量值之間存在隨機(jī)變動(dòng)，那么求平均確實(shí)降低最終估計(jì)值的隨機(jī)性。對(duì)大量測(cè)量周期的計(jì)數(shù)求和以便獲得累計(jì)計(jì)數(shù)、隨后計(jì)算整個(gè)測(cè)量間隔內(nèi)的平均值通過(guò)內(nèi)插小于計(jì)數(shù)器的最低有效位的測(cè)量分量來(lái)提高測(cè)量的精度。由這個(gè)程序獲得的精度大約是計(jì)數(shù)器的最低有效位的分辨率除以測(cè)量周期的總計(jì)數(shù)量。
[0211]圖31示出根據(jù)示例性實(shí)施例的具有多個(gè)傳感器的假體部件3100。總體上，對(duì)于支持假體關(guān)節(jié)和假體部件的安裝的短期手術(shù)中帶傳感器的假體部件存在需求。類似地，需要假體關(guān)節(jié)包括傳感器以長(zhǎng)期監(jiān)視關(guān)節(jié)。假體部件3100可以用作試驗(yàn)假體部件或用作永久假體部件，以供在體內(nèi)長(zhǎng)期使用。在該實(shí)例中，假體部件3100被示出為脛骨假體部件。假體部件3100可以被適配用于在髖、膝、肩、脊柱、踝、肘、趾、手、或骨植入物中使用。假體部件3100包括結(jié)構(gòu)3102、結(jié)構(gòu)3104、互連件3106、負(fù)載墊3108、以及電子電路3110。
[0212]假體部件3100典型地包含金屬，如鈦、鈦合金、鈷、鈷合金、鋼或鋼合金。該材料適用于運(yùn)送由肌肉-骨骼系統(tǒng)在關(guān)節(jié)上產(chǎn)生的負(fù)載?？商娲?，假體部件3100可以由聚合材料形成。一種這樣的合適材料是PEEK(聚醚醚酮)。PEEK是具有高抗拉強(qiáng)度并且耐熱、耐水、或抗生物降解的半晶狀熱塑性塑料。PEEK可以被模制以形成假體部件所要求的復(fù)雜形狀。PEEK是輕質(zhì)的并且可以通過(guò)膠結(jié)緊固到骨上。PEEK部件可以被焊接在一起以形成氣密密封。PEEK具有另外的益處:它是用于通信或用于傳感器檢測(cè)的信號(hào)可透過(guò)的。
[0213]結(jié)構(gòu)3102具有至少一個(gè)支撐表面。如所示，結(jié)構(gòu)3102包括支撐表面3112和支撐表面3114。這些支撐表面3112和3114接收插入物3116。插入物3116包括支持關(guān)節(jié)移動(dòng)的關(guān)節(jié)表面3118和關(guān)節(jié)表面3120。關(guān)節(jié)表面3118和3120對(duì)應(yīng)地上覆于支撐表面3112和3114之上。施加到關(guān)節(jié)表面3118和3120上的力、壓力或負(fù)載將相應(yīng)的力、壓力或負(fù)載施加到支撐表面3112和3114上。輕負(fù)載區(qū)域位于支撐表面3112與3114之間。在一個(gè)實(shí)施例中，殼體3122在結(jié)構(gòu)3102中形成于該輕負(fù)載區(qū)域中。殼體3122包括用于接收電子電路3110的空腔，該電子電路控制對(duì)假體部件3100進(jìn)行的測(cè)量活動(dòng)。
[0214]結(jié)構(gòu)3104包括聯(lián)接到骨上的至少一個(gè)特征。在該實(shí)例中，脛骨的近端被準(zhǔn)備好以接收結(jié)構(gòu)3104。桿部3124可以被插入脛骨的骨髓管中。桿部3124使結(jié)構(gòu)3104與脛骨對(duì)準(zhǔn)并且將該結(jié)構(gòu)支撐到脛骨上。結(jié)構(gòu)3104可以被膠結(jié)到脛骨上以便將假體部件3100牢固地緊固在適當(dāng)位置。可替代地，包含PEEK的結(jié)構(gòu)3104或金屬結(jié)構(gòu)可以包括支持骨生長(zhǎng)的點(diǎn)。結(jié)構(gòu)3104將包括錨定骨并提供骨生長(zhǎng)激素的特征。骨可以生長(zhǎng)到假體部件之中和周圍，從而使結(jié)構(gòu)3104融合到脛骨上。利用骨生長(zhǎng)進(jìn)行緊固還可以結(jié)合膠水或其他粘結(jié)劑一起使用。
[0215] 在一個(gè)實(shí)施例中，三個(gè)傳感器構(gòu)成傳感器陣列。每個(gè)膝室存在傳感器陣列。每個(gè)傳感器陣列用于測(cè)量膝室的負(fù)載和負(fù)載值位置。插入物3116的關(guān)節(jié)表面3118對(duì)應(yīng)于假體部件3100的第一膝室。類似地，插入物3116的關(guān)節(jié)表面3120對(duì)應(yīng)于假體部件3100的第二膝室。施加到關(guān)節(jié)表面3118和3120上的力、壓力或負(fù)載被對(duì)應(yīng)地施加到結(jié)構(gòu)3102的支撐表面3112和支撐表面3114上。這些支撐表面3112和3114將該力、壓力或負(fù)載傳輸?shù)较鄳?yīng)傳感器陣列上。負(fù)載墊3108是處于對(duì)應(yīng)于關(guān)節(jié)表面3118和3120的預(yù)先確定的位置處。負(fù)載墊3108將預(yù)先確定位置處的力、壓力或負(fù)載傳輸?shù)皆谙旅娴膫鞲衅魃弦杂糜跍y(cè)量。因此，力、壓力或負(fù)載大小以及所施加的力、壓力或負(fù)載的位置可以根據(jù)由第一膝室和第二膝室中的三個(gè)傳感器獲得的測(cè)量值來(lái)計(jì)算。負(fù)載的位置可以被反向轉(zhuǎn)化成關(guān)節(jié)表面3118和3120上的位置。這些傳感器上覆于結(jié)構(gòu)3104的支撐表面3126和支撐表面3128之上。支撐表面3126和3128對(duì)應(yīng)地對(duì)應(yīng)于第一膝室和第二膝室。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐表面3126和3128在負(fù)載下是剛性的。
[0216]用于測(cè)量負(fù)載的傳感器可以是如以下各項(xiàng)的裝置:超聲波波導(dǎo)、壓阻傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)傳感器、應(yīng)變儀、聚合物傳感器、機(jī)械傳感器以及電容傳感器。在該實(shí)例中，假體部件3100的形狀因子限制傳感器的高度。在無(wú)源假體部件(例如，不具有傳感器)中，該結(jié)構(gòu)被形成為單個(gè)裝置。這些支撐表面的厚度是近似2毫米?？傮w上，聯(lián)接到支撐表面3126和3128上的支撐表面3112和3114的組合厚度在其間具有傳感器的情況下可以維持在2毫米或更小。因此，傳感器要求基本上小于2毫米厚的形狀因子。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器是彈性可壓縮電容傳感器。傳感器的面積是由有待測(cè)量的負(fù)載范圍和可壓縮范圍(在該可壓縮范圍中，傳感器保持有彈性)來(lái)確定。如上文所披露，可以應(yīng)用允許測(cè)量準(zhǔn)確度、精度、以及可重復(fù)性的且對(duì)電容上的小變化敏感的測(cè)量技術(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中,這些彈性可壓縮電容器形成于互連件3106中。
[0217]電子電路3110可以被配合在由結(jié)構(gòu)3102的殼體3122形成的空腔中。在一個(gè)實(shí)施例中，該空腔形成于假體部件3100的無(wú)載或輕負(fù)載區(qū)域中。殼體3122的無(wú)載或輕負(fù)載區(qū)域是在支撐表面3112 與3114之間。因此，保護(hù)電子電路3110免受沖擊力和在關(guān)節(jié)的正常操作下發(fā)生的負(fù)載?；ミB件3106和其中的這些傳感器聯(lián)接到電子電路3110上?；ミB件3106包括將這些傳感器聯(lián)接到電子電路3110上的互連件。多個(gè)空腔3130形成于結(jié)構(gòu)3104的表面上?？涨?130支持互連件3106從結(jié)構(gòu)3104的支撐表面3126和3128到電子電路3110的聯(lián)接?？涨?130為互連件3106提供到殼體3122中的路徑。
[0218]總體上，結(jié)構(gòu)3102聯(lián)接到結(jié)構(gòu)3104上以形成假體部件3100。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)3102和3104圍繞外周被焊接在一起以形成氣密密封。電子電路3110、傳感器、以及互連件3106被容納在假體部件3100內(nèi)并且與外部環(huán)境氣密隔絕?？商娲?，結(jié)構(gòu)3102和3104可以被膠結(jié)或機(jī)械緊固在一起以便維持氣密性。結(jié)構(gòu)3102和3104可以進(jìn)一步包括防止氣體、液體或固體進(jìn)入或排出的密封件或O形環(huán)。
[0219]互連件3106對(duì)應(yīng)地聯(lián)接到結(jié)構(gòu)3104的支撐表面3126和表面3128上。如先前所提及的，負(fù)載墊3108將每個(gè)傳感器聯(lián)接到支撐表面3112和支撐表面3114上的對(duì)應(yīng)位置。在該實(shí)例中，負(fù)載墊3108在每個(gè)膝室中限制對(duì)應(yīng)于插入物3116的關(guān)節(jié)表面3118和3120的區(qū)域。施加到關(guān)節(jié)表面3118和3120上的力、壓力或負(fù)載被對(duì)應(yīng)地傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)3102的表面3112和3114上。應(yīng)指出，表面3112和表面3114是順應(yīng)性的并且不是剛性的。每個(gè)表面均具有允許在下面的傳感器壓縮的足夠的順應(yīng)性。在一個(gè)實(shí)施例中，表面3112和表面3114變薄或被制成薄的以便實(shí)現(xiàn)順應(yīng)性。結(jié)構(gòu)3102的表面3112或3114和結(jié)構(gòu)3104的表面3126或3128的組合厚度可以是近似2毫米。結(jié)構(gòu)3102的表面3112和3114可以是小于I毫米厚以便具有順應(yīng)性?？商娲?，支撐結(jié)構(gòu)3112和3114可以包括順應(yīng)性的材料，如聚合材料。
[0220]在該實(shí)例中，施加到每個(gè)傳感器上的負(fù)載可以被計(jì)算出來(lái)。負(fù)載大小對(duì)應(yīng)于三個(gè)單獨(dú)測(cè)量值的組合。所施加負(fù)載的位置可以根據(jù)在這些傳感器的固定位置處所測(cè)得的負(fù)載大小來(lái)計(jì)算。電子電路3110包括輸入/輸出電路、定時(shí)電路、轉(zhuǎn)換電路、邏輯電路、功率管理電路、傳送和接收電路的多個(gè)通道。電子電路3110可以進(jìn)一步包括用于存儲(chǔ)用以操作或控制測(cè)量過(guò)程的軟件程序的存儲(chǔ)器。在一個(gè)實(shí)施例中，ASIC用于在低功率解決方案中組合模擬電路和數(shù)字電路。ASIC減小電子電路3110的形狀因子，從而允許該電子電路配合在結(jié)構(gòu)3102的殼體3122中。電子電路3110可以包括在此和通過(guò)引用而結(jié)合的披露內(nèi)容所描述的電路。電子電路3110包括用于從這些傳感器向遠(yuǎn)程系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)的傳送電路和天線。電子電路3110可以進(jìn)一步包括用于接收來(lái)自該遠(yuǎn)程系統(tǒng)的信息和編程指令的接收電路。該遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以是具有用于報(bào)告數(shù)據(jù)的顯示器的便攜式裝置。該遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)庫(kù)以用于進(jìn)一步審查和分析。
[0221]圖32示出根據(jù)示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)3102的截面視圖。該截面視圖是屬于第一膝室與第二膝室之間的輕負(fù)載區(qū)域。該視圖包括上覆于電子電路3110之上的殼體3122的一部分。殼體3122保護(hù)電子電路并使該電子電路與外部環(huán)境隔離。
[0222]圖33示出根據(jù)示 例性實(shí)施例的假體部件3100和插入物3116。結(jié)構(gòu)3102被聯(lián)接到結(jié)構(gòu)3104上。在一個(gè)實(shí)施例中，形成聯(lián)接結(jié)構(gòu)3102和3104的氣密密封3302。結(jié)構(gòu)3102和3104可以具有支持組裝的位置和對(duì)準(zhǔn)特征。結(jié)構(gòu)3102和3104的外周可以在整個(gè)周邊周圍彼此鄰近。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)3102和3104包含鋼或鈦的合金。氣密密封3302是通過(guò)將結(jié)構(gòu)3102焊接到結(jié)構(gòu)3104上來(lái)形成。焊縫對(duì)于假體部件3100是周向的，從而使這些傳感器和電子電路與外部環(huán)境隔絕。焊接將結(jié)構(gòu)3102的金屬連結(jié)到結(jié)構(gòu)3104上，從而形成連續(xù)結(jié)構(gòu)。這些傳感器和電子電路3110與外部環(huán)境隔離、被完全封閉在假體部件3100內(nèi)。形成焊縫，借此很少或無(wú)壓力被施加到這些傳感器上。由于聯(lián)接結(jié)構(gòu)3102和3104所引起的任何偏移都可以在裝置校準(zhǔn)過(guò)程中得到補(bǔ)償。假體部件3100適用于用作用于提供關(guān)于關(guān)節(jié)狀態(tài)的周期性數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期植入物。如果這些結(jié)構(gòu)是由PEEK形成，則可以執(zhí)行類似的方法。可替代地，使用粘合劑、機(jī)械聯(lián)接、以及密封件的其他方法可以用于將結(jié)構(gòu)3102和3104連結(jié)在一起以形成氣密密封。
[0223]插入物3116配合到假體部件的盤中。假體部件3100的盤可以具有用于固持插入物3116的一個(gè)或多個(gè)特征。插入物3116典型地包含聚合材料，如超高分子量聚乙烯。關(guān)節(jié)表面3118和3120與關(guān)節(jié)的另一個(gè)假體部件(未示出)對(duì)接。在該實(shí)例中，關(guān)節(jié)表面3118和3120將與股骨假體部件的髁表面對(duì)接。肌肉、肌腱以及韌帶激勵(lì)假體關(guān)節(jié)，借此關(guān)節(jié)表面3118和3120允許這些部件相對(duì)于彼此移動(dòng)。插入物3116可以是無(wú)源部件或包括一個(gè)或多個(gè)傳感器。
[0224]圖34示出根據(jù)示例性實(shí)施例的聯(lián)接到互連件3106上的電子電路3110。電子電路3110可以包括用于聯(lián)接到互連件3106上的一個(gè)或多個(gè)連接器。在一個(gè)實(shí)施例中，這些傳感器是彈性可壓縮的電容傳感器。這些電容器形成于互連件3106中的多個(gè)負(fù)載墊3108之下。簡(jiǎn)要地參照?qǐng)D21至圖25，描述傳感器結(jié)構(gòu)。多個(gè)負(fù)載墊3108可以包含非導(dǎo)電材料或?qū)щ姴牧?。在該?shí)例中，多個(gè)負(fù)載墊3108是剛性的且不可壓縮的，以便將力、壓力或負(fù)載傳輸?shù)皆谙旅娴碾娙萜?。非?dǎo)電負(fù)載墊可以包含聚合材料。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載墊3108包含導(dǎo)電金屬(如銅或銅合金)，該導(dǎo)電金屬被鍍到互連件3106的表面上。這些導(dǎo)電負(fù)載墊3108電聯(lián)接到在下面的電容器的板上。
[0225] 在一個(gè)實(shí)施例中，這些電容器可以形成于柔性聚酰亞胺基板之上或之中。這些負(fù)載墊、電容器、以及該互連件可以使用平版印刷技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確地且重復(fù)地形成。該聚酰亞胺基板可以被制成非常薄，以適用于配合在假體部件內(nèi)。該電容器在其彈性可壓縮的范圍內(nèi)操作。位于負(fù)載墊3108之下的每個(gè)電容器類似于圖21的電容器2100。電容器2100包括機(jī)械串聯(lián)的3個(gè)電容器和電并聯(lián)的2個(gè)電容器。力、壓力或負(fù)載被施加在電容器2204、2206、以及2208上。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器2204在電路中并不用電，因?yàn)殡娙萜?204的兩塊板被聯(lián)接在一起。在電學(xué)上，傳感器電容器包括并聯(lián)電聯(lián)接的多個(gè)傳感器2206和2208。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器2206的板和電容器2208的板被聯(lián)接到接地件上。接地板2112和2116對(duì)應(yīng)地位于互連件的外部環(huán)境與板2108和2110之間。類似地，從電容器2100到電子電路的互連件具有類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。接地互連件2124和2126位于外部環(huán)境與聯(lián)接到板2108和2110上的攜帶信號(hào)的互連件2122之間。因此，寄生耦合通過(guò)屏蔽件被最小化。此外，任何寄生電容都是恒定且不可變的。
[0226]電容大小和大小上的變化可以使用圖18和圖19中所披露的電路和方法來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量。簡(jiǎn)要地參照?qǐng)D33和圖34，力、壓力或負(fù)載被施加到關(guān)節(jié)表面3118和3120上。該力、壓力或負(fù)載被對(duì)應(yīng)地從關(guān)節(jié)表面3118和3120傳輸?shù)街伪砻?112和3114上。如先前所提及的，支撐表面3112和3114是順應(yīng)性的，以使得力、壓力或負(fù)載通過(guò)負(fù)載墊3108被傳輸?shù)皆谙旅娴膫鞲衅?。這些傳感器是由支撐表面3126和3128來(lái)支撐，這些支撐表面是剛性的且非順應(yīng)性的。施加到傳感器電容器上的力、壓力或負(fù)載壓縮該結(jié)構(gòu)。電容器板之間的介電層被壓縮。傳感器電容器的電容值是與介電層的厚度有關(guān)。因此，測(cè)量電容和電容上的變化可以是與施加到其上的力、壓力或負(fù)載有關(guān)。
[0227]重復(fù)信號(hào)被施加到傳感器電容器上?？傮w上，該傳感器是在時(shí)間間隔內(nèi)在預(yù)先確定的電壓水平之間被充電和放電。該重復(fù)信號(hào)的單個(gè)波形的時(shí)間間隔是測(cè)量周期。該測(cè)量周期的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)于電容器的電容。該波形或信號(hào)被重復(fù)預(yù)先確定的次數(shù)。測(cè)量序列包括預(yù)先確定次數(shù)的被重復(fù)波形。測(cè)量該測(cè)量序列的經(jīng)過(guò)時(shí)間。該經(jīng)過(guò)時(shí)間是生成預(yù)先確定數(shù)量的波形所需要的時(shí)間。在測(cè)量序列過(guò)程中維持該力、壓力或負(fù)載。所測(cè)得的傳感器電容器的經(jīng)過(guò)時(shí)間與力、壓力或負(fù)載測(cè)量值相關(guān)。電容與力、壓力或負(fù)載之間的關(guān)系是已知的。在一個(gè)實(shí)施例中，可以在假體部件的組裝之后針對(duì)已知的力、壓力或負(fù)載值來(lái)測(cè)量每個(gè)電容傳感器。這些測(cè)量值可以被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，該存儲(chǔ)器是容納在假體部件中的電子電路的一部分?？梢酝ㄟ^(guò)在每個(gè)電容器的最終測(cè)試過(guò)程中使用校準(zhǔn)技術(shù)或算法來(lái)實(shí)現(xiàn)另外的改進(jìn)，這些校準(zhǔn)技術(shù)或算法可以將測(cè)量值之間的插值和電介質(zhì)的非線性壓縮考慮在內(nèi)。如果力、壓力或負(fù)載在增加數(shù)量的預(yù)先確定數(shù)量的波形范圍內(nèi)是基本上恒定的，那么測(cè)量分辨率能夠通過(guò)這種技術(shù)來(lái)提高。此外，在電容變化在該力、壓力或負(fù)載測(cè)量范圍內(nèi)相當(dāng)小的情況下，分辨率支持測(cè)量。
[0228]圖35示出根據(jù)示例性實(shí)施例的已組裝假體部件3100。假體部件3100包括聯(lián)接到結(jié)構(gòu)3104上的結(jié)構(gòu)3102。假體部件3100容納電子電路和傳感器。氣密密封3302將結(jié)構(gòu)3102聯(lián)接到結(jié)構(gòu)3104上。在一個(gè)實(shí)施例中，氣密密封3302是圍繞外周的連續(xù)焊縫。如所提及的，焊縫并不對(duì)位于支撐表面之下的傳感器施加負(fù)載或輕負(fù)載。在該實(shí)例中，假體部件3100是脛骨假體部件。結(jié)構(gòu)3102包括用于接收具有至少一個(gè)關(guān)節(jié)表面的插入物的盤。該脛骨假體部件可以是單室裝置或雙室裝置。結(jié)構(gòu)3104包括用于聯(lián)接到骨上的桿部3124。在該實(shí)例中，桿部3124聯(lián)接到脛骨上。
[0229]圖36示出根據(jù)示例性實(shí)施例的假體部件3100的部分截面視圖。該截面視圖是在外周(其中氣密密封3302將結(jié)構(gòu)3102和3104聯(lián)接在一起)附近的區(qū)域。在該實(shí)例中，包括了傳感器2100。該傳感器2100形成于互連件3106中。負(fù)載墊3108形成于傳感器2100上。互連件3106進(jìn)一步說(shuō)明屏蔽傳感器以使信號(hào)耦合和寄生電容最小化。
[0230]截面說(shuō)明了假體部件3100的傳感器2100的放置以用于負(fù)載感測(cè)。結(jié)構(gòu)3104的支撐表面3128支撐傳感器2100。在該實(shí)例中，支撐表面3128是剛性的。導(dǎo)電區(qū)域2116是形成于互連件3106中的電容器的板?；ミB件2126將導(dǎo)電區(qū)域2116聯(lián)接到電子電路3110上。導(dǎo)電區(qū)域2116和互連件2126聯(lián)接到支撐表面3128上。在該實(shí)例中，導(dǎo)電區(qū)域2116和互連件2126被聯(lián)接到接地件上。導(dǎo)電區(qū)域2116充當(dāng)用于防止到傳感器2100的導(dǎo)電區(qū)域2110和2108的信號(hào)耦合或寄生耦合的屏蔽件。類似地，互連件2126充當(dāng)用于互連件2124的屏蔽件，以便防止信號(hào)耦合或寄生耦合。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐表面3128包含導(dǎo)電材料，如金屬。因此，結(jié)構(gòu)3104通過(guò)導(dǎo)電區(qū)域2116和互連件2126聯(lián)接到接地件上。結(jié)構(gòu)3104充當(dāng)用于防止與這些電容傳感器的信號(hào)耦合或寄生耦合的屏蔽件。
[0231]結(jié)構(gòu)3102的支撐表面3114是由負(fù)載墊3108和傳感器2100來(lái)支撐。負(fù)載墊3108將負(fù)載分布到傳感器2100上。支撐表面3114對(duì)于放置到其上的負(fù)載是順應(yīng)性的。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐表面3114被制成薄的以允許撓曲?？傮w上，支撐表面3114在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)彎曲短距離。傳感器2100可以彈性地壓縮總介電厚度的近似20%。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器2100的壓縮限于總 介電厚度的10%或更少。例如，如在此所披露的電容器可以在典型的假體部件負(fù)載傳感器的負(fù)載范圍內(nèi)壓縮近似0.00254毫米。在一個(gè)實(shí)施例中，三個(gè)串聯(lián)電容傳感器、層壓材料以及絕緣材料的堆疊將在最大負(fù)載下產(chǎn)生近似0.0076毫米的總壓縮。因此，支撐表面3112或3114在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)不會(huì)顯著地?fù)锨?。?fù)載墊3108聯(lián)接到支撐表面3114上的已知位置。該已知位置還與插入物的關(guān)節(jié)表面上的點(diǎn)有關(guān)。這些傳感器中的每一個(gè)的已知位置用于通過(guò)比較所測(cè)得的負(fù)載大小來(lái)確定負(fù)載在何處聯(lián)接到關(guān)節(jié)表面上。盡管單個(gè)傳感器被示出，但形成于互連件3106中的其他傳感器被類似地聯(lián)接到結(jié)構(gòu)3102和3104上。氣密密封3302將結(jié)構(gòu)3102與3104聯(lián)接在一起。氣密密封3302可以是熔化并連結(jié)結(jié)構(gòu)3102和3104的材料的焊縫。
[0232]導(dǎo)電區(qū)域2112是形成于互連件3106中的電容器的板。互連件2124將導(dǎo)電區(qū)域2112聯(lián)接到電子電路3110上。在該實(shí)例中，導(dǎo)電區(qū)域2112和互連件2124被聯(lián)接到接地件上。導(dǎo)電區(qū)域2108和導(dǎo)電區(qū)域2110是形成于互連件3106中的電容器的板。傳感器2100的導(dǎo)電區(qū)域2108和2110是由通路2120聯(lián)接在一起?；ミB件2122將導(dǎo)電區(qū)域2108和2110聯(lián)接到電子電路上。互連件2122將來(lái)自該電子電路的信號(hào)攜帶到傳感器2100以測(cè)量電容器。導(dǎo)電區(qū)域2112是通過(guò)介電層2104與導(dǎo)電區(qū)域2108分離的。類似地，導(dǎo)電區(qū)域2116是通過(guò)介電層2106與導(dǎo)電區(qū)域2110分離的。導(dǎo)電區(qū)域2108和2110是通過(guò)介電層2102分離的，但如先前所提及的，它們被聯(lián)接在一起。在一個(gè)實(shí)施例中，介電層2102、2104、以及2106包含聚酰亞胺?？墒褂闷渌娊橘|(zhì)，如二氧化硅、氮化硅、聚酯薄膜、以及其他聚合物?；ミB件3106和傳感器2100可以通過(guò)沉積、電鍍、以及平版印刷技術(shù)而形成于基板上。
[0233]傳感器2100的電容器包括三個(gè)機(jī)械串聯(lián)的電容器。施加到支撐表面3114上的力、壓力或負(fù)載壓縮這三個(gè)電容器。第一電容器包括導(dǎo)電區(qū)域2112、介電層2104、以及導(dǎo)電區(qū)域2108。第二電容器包括導(dǎo)電區(qū)域2108、介電層2102、以及導(dǎo)電區(qū)域2110。第三電容器包括導(dǎo)電區(qū)域2108、介電層2106、以及導(dǎo)電區(qū)域2116。在電學(xué)上,傳感器2100的電容器包括并聯(lián)聯(lián)接的第一電容器和第三電容器。該第一電容器和該第三電容器具有聯(lián)接在一起的導(dǎo)電區(qū)域2108和2110。類似地，該第一電容器和該第三電容器的導(dǎo)電區(qū)域2112和2116被聯(lián)接到接地件上。導(dǎo)電區(qū)域2112和2116對(duì)應(yīng)地屏蔽導(dǎo)電區(qū)域2108和2110免受互連件3106外部的耦合和寄生電容。類似 地，互連件2124和2126屏蔽互連件2122免受互連件3106外部的信號(hào)耦合和寄生電容。
[0234]結(jié)構(gòu)3102和3104可以包含導(dǎo)電材料。例如，鈦、鈷以及鋼合金是用于制造假體部件3100的導(dǎo)電材料。將互連件3106放置在支撐表面3128上將導(dǎo)電區(qū)域2116和互連件2126聯(lián)接到結(jié)構(gòu)3104上。導(dǎo)電區(qū)域2116和支撐表面3128被一起聯(lián)接到接地件上。類似地，負(fù)載墊3108可以包含導(dǎo)電材料。在一個(gè)實(shí)施例中，材料(如銅或銅合金)可以沉積或電鍍到互連件3106的表面上。負(fù)載墊3108被聯(lián)接到導(dǎo)電區(qū)域2112和互連件2124上。支撐表面3114是由負(fù)載墊3108聯(lián)接到導(dǎo)電區(qū)域2112和互連件2124上。如先前所提及的，導(dǎo)電區(qū)域2112和互連件2124被聯(lián)接到接地件上。因此，結(jié)構(gòu)3102和3104被聯(lián)接到接地件上。可替代地,結(jié)構(gòu)3102和3104可以通過(guò)除了傳感器2100之外的替代路徑聯(lián)接到接地件上。在一個(gè)實(shí)施例中，電子電路和傳感器2100被容納在假體部件3100中。結(jié)構(gòu)3102和3104形成使電子電路3110和傳感器2100與外部環(huán)境中的寄生耦合和寄生電容隔離的屏蔽件。該設(shè)計(jì)進(jìn)一步結(jié)合有內(nèi)置在電容器中的內(nèi)部屏蔽件，該屏蔽件防止或最小化互連件3106外部的寄生耦合和寄生電容。盡管在該實(shí)例中使用電容傳感器，但假體部件3100中的負(fù)載傳感器可以包括應(yīng)變儀、微機(jī)電系統(tǒng)裝置、壓阻傳感器、機(jī)械傳感器、聚合物傳感器、以及超聲波傳感器中的一種。
[0235]圖37示出根據(jù)示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)3102。當(dāng)安裝在患者的關(guān)節(jié)區(qū)域中時(shí)，假體部件3100的結(jié)構(gòu)3102包括暴露于關(guān)節(jié)外部的至少一個(gè)區(qū)域。該視圖示出結(jié)構(gòu)3102的包括可透過(guò)區(qū)域3702的殼體3122。在一個(gè)實(shí)施例中，可透過(guò)區(qū)域3702包含玻璃、PEEK、塑料、或聚合物?？赏高^(guò)區(qū)域3702可以被結(jié)合到包含鋼合金、鈦、鈷、合金或金屬的殼體3122的壁中的開(kāi)口。在一個(gè)實(shí)施例中，殼體3122容納電子電路?？商娲?，結(jié)構(gòu)3102的一部分或全部可以包含聚合物(如PEEK)，該聚合物是光譜中的一些可透過(guò)的。在一個(gè)實(shí)施例中，可透過(guò)區(qū)域3702是傳感器信號(hào)和通信信號(hào)可透過(guò)的。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)3102包含導(dǎo)電材料并且該導(dǎo)電材料接地時(shí)，信號(hào)可能被阻塞。假體部件3100可以充當(dāng)容納在該裝置內(nèi)的電子電路和傳感器的屏蔽件?？赏高^(guò)區(qū)域3702可以是信號(hào)(如聲信號(hào)、超聲波信號(hào)、射頻信號(hào)、紅外線信號(hào)、以及光信號(hào))可透過(guò)的?？赏高^(guò)區(qū)域3702暴露于關(guān)節(jié)區(qū)域周圍和鄰近的區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，窗口 3702可以用于監(jiān)測(cè)駐留在關(guān)節(jié)之中和周圍的滑液。
[0236]傳感器還可以位于可透過(guò)區(qū)域3702處或附近。這些傳感器可以與電子電路3110一起安裝。電子電路3110可以包括具有互連件和連接器的一個(gè)或多個(gè)印刷電路板。集成電路、ASIC裝置、電源、通信電路、數(shù)字邏輯、轉(zhuǎn)換器、功率管理、以及其他系統(tǒng)可以按小的形狀因子聯(lián)接在一起。在一個(gè)實(shí)施例中，ASIC組合這些特征中的許多特征以便使形狀因子最小化并且降低功率消耗。傳感器和通信電路位于電子電路3110上、鄰近可透過(guò)區(qū)域3122，從而允許傳送和接收信號(hào)。定向天線可以鄰近可透過(guò)區(qū)域3702放置，以便向遠(yuǎn)程系統(tǒng)發(fā)送信息并且接收信息。
[0237]總體上，傳感器可以用于監(jiān)測(cè)鄰近關(guān)節(jié)區(qū)域的滑液?；菏窃诩∪?骨骼關(guān)節(jié)中發(fā)現(xiàn)的天然潤(rùn)滑劑?；菏窃诙鄠€(gè)關(guān)節(jié)(如肘、膝、肩、髖及其他)中發(fā)現(xiàn)的?；喊车鞍?、白蛋白、脂肪、上皮細(xì)胞、以及白細(xì)胞。該潤(rùn)滑劑還滋養(yǎng)無(wú)血管關(guān)節(jié)軟骨。在骨與軟骨在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)彼此接觸時(shí)，滑液緩沖關(guān)節(jié)沖擊并減小摩擦。滑液還可以將氧氣和其他營(yíng)養(yǎng)物攜帶到軟骨和關(guān)節(jié)的其他區(qū)域。類似地，滑液充當(dāng)用于從關(guān)節(jié)區(qū)域中去除廢棄材料的運(yùn)輸工具?；罕Ａ粼陉P(guān)節(jié)之中和周圍?；嚎梢杂蓪?rùn)滑劑保持在適當(dāng)位置的滑膜固持。
[0238]在關(guān)節(jié)的健康與滑液的狀況之間存在很強(qiáng)相關(guān)性。測(cè)量溫度、pH、顏色、濁度、粘度、葡萄糖、以及蛋白質(zhì)的傳感器可以用于分析滑液。這些傳感器可以單獨(dú)地或彼此協(xié)調(diào)使用來(lái)確定關(guān)節(jié)健康。假體部件3100包括用于監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的這些傳感器中的一個(gè)或多個(gè)。在該實(shí)例中，針對(duì)感染對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。新植入的關(guān)節(jié)中的感染是嚴(yán)重問(wèn)題。具有關(guān)節(jié)植入物的患者通常難以確定他或她是否已感染。外科手術(shù)本身和關(guān)節(jié)復(fù)原可以掩蓋感染的早期跡象。假體關(guān)節(jié)是感染增長(zhǎng)而無(wú)減緩的理想場(chǎng)所。在假體關(guān)節(jié)中存在是隔離的、但具有可以庇護(hù)細(xì)菌和促進(jìn)生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物的區(qū)域。感染可能導(dǎo)致巨大健康風(fēng)險(xiǎn)、抗生素治療、增長(zhǎng)的復(fù)原、長(zhǎng)期住院、以及巨大成本。如果感染是顯著的，那么存在要求移除假體關(guān)節(jié)的情況?；颊弑还潭ㄖ钡礁腥緶p退，并且隨后植入新的假體關(guān)節(jié)。此類情況下的患者創(chuàng)傷可能是顯著的。假體關(guān)節(jié)3100可以檢測(cè)到關(guān)節(jié)局部的感染，通知醫(yī)生或衛(wèi)生保健提供者或及時(shí)采取適當(dāng)行動(dòng)。
[0239]在一個(gè)實(shí)施例中，可以監(jiān)測(cè)溫度。溫度傳感器3704可以鄰近可透過(guò)區(qū)域3702安裝。溫度傳感器3704被聯(lián)接到電子電路3110上以用于接收溫度數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，電子電路3110具有用于聯(lián)接到多個(gè)傳感器上的多個(gè)I/O通道。溫度傳感器3704監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器3704測(cè)量滑液的溫度。對(duì)滑液的測(cè)量可以周期性地發(fā)生。
[0240]可以檢測(cè)健康膝蓋與被感染膝蓋之間的溫度差。在該實(shí)例中，將溫度傳感器3704校準(zhǔn)到滑液的正常溫度。這些校準(zhǔn)可以周期性地發(fā)生，因?yàn)樵撜囟葘⒏鶕?jù)患者狀況而發(fā)生變化。監(jiān)測(cè)絕對(duì)溫度和溫度上的變化。從正常溫度在溫度上的變化可以指示感染。在該實(shí)例中，溫度傳感器可以是微機(jī)電系統(tǒng)傳感器、熱電偶、熱敏電阻或其他溫度測(cè)量裝置。[0241 ] 在一個(gè)實(shí)施例中，可以監(jiān)測(cè)pH。pH傳感器3706可以鄰近可透過(guò)區(qū)域3702安裝并被聯(lián)接到電子電路3110上用于接收pH數(shù)據(jù)。與溫度類似，pH傳感器3706可以被初始地校準(zhǔn)到正常PH并且被周期性地重新校準(zhǔn)。比正常值更低的pH可以指示存在感染。對(duì)隨時(shí)間推移的絕對(duì)PH和差分pH的測(cè)量可以用于檢測(cè)細(xì)菌的增加?？傮w上，健康膝蓋具有近似
7.23的pH。被感染膝蓋具有近似7.06的pH。該裝置可以針對(duì)個(gè)別患者的詳情被校準(zhǔn)。pH傳感器可以是微機(jī)電系統(tǒng)pH傳感器、可植入的pH微傳感器、靜電pH傳感器、或其他pH測(cè)量裝置。
[0242]在一個(gè)實(shí)施例中，可以監(jiān)測(cè)濁度和顏色。濁度是對(duì)由于顆粒懸浮在流體內(nèi)而引起的混濁或模糊的度量。例如，滑液隨感染增長(zhǎng)而變得渾濁。細(xì)菌、細(xì)菌廢產(chǎn)物、以及白細(xì)胞只是可以懸浮在滑液中的微粒中的一些。濁度在感染由于細(xì)菌生長(zhǎng)增強(qiáng)而惡化時(shí)增大。類似地，滑液的顏色在感染增長(zhǎng)時(shí)發(fā)生變化。例如，健康滑液是相對(duì)清澈的流體?；涸陉P(guān)節(jié)狀態(tài)從健康變成非炎癥性、從非炎癥性變成炎癥性、以及從炎癥性變成敗血性時(shí)改變顏色。非炎癥性滑液是指示關(guān)節(jié)相關(guān)問(wèn)題(如骨關(guān)節(jié)炎)的淺黃色的清澈液體?；簩⑹钦承缘模瑥亩３制錆?rùn)滑和阻尼特性。炎癥性滑液在顏色上是淺黃色的。該炎癥性滑液是模糊且不清澈的。該炎癥性滑液還將失去其粘性特性中的某一些，從而具有水樣稠度。該炎癥性滑液可以指示問(wèn)題，如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎或感染。敗血性滑液在顏色上可以是暗黃色至紅色的。此外，敗血性滑液是不透明的。該滑液可以含有高計(jì)數(shù)的細(xì)菌、真菌、白細(xì)胞、以及紅細(xì)胞。測(cè)量顏色、濁度、或兩者的組合可以用于確定關(guān)節(jié)健康。
[0243]在該實(shí)例中，光學(xué)傳感器如LED3708(發(fā)光二極管)和光電二極管陣列3710可以用于測(cè)量顏色和濁度。在一個(gè)實(shí)施例中，LED3708和光電二極管陣列3710被定位在可透過(guò)區(qū)域3702之后。LED3708和光電二極管陣列3710被容納在假體部件3100之內(nèi)并且可以聯(lián)接到電子電路3110上或成為該電子電路的一部分。如先前所提及的，可透過(guò)區(qū)域3702可以是光可透過(guò)的玻璃。LED3708可以直接將白光傳送到光電二極管上。該光電二極管可以是光電二極管陣列3710的一部分或是單獨(dú)裝置。該光電二極管可以用于校準(zhǔn)LED3708并且用于檢測(cè)由該裝置輸出的光或強(qiáng)度上的變化。LED3708還照亮滑液的樣品。如所示，由LED3708發(fā)射的光是穿過(guò)可透過(guò)區(qū)域3702被傳送到鄰近假體部件3100的滑液中。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)地具有紅色、綠色、以及藍(lán)色濾光器的三個(gè)光電二極管檢測(cè)穿過(guò)滑液被傳送的光。每個(gè)光電二極管測(cè)量紅色、綠色、以及藍(lán)色的相對(duì)貢獻(xiàn)。貢獻(xiàn)可以與對(duì)應(yīng)于由校準(zhǔn)光電二極管進(jìn)行的測(cè)量的校準(zhǔn)值按比例進(jìn)行比較。該校準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)于白光的紅色、綠色、以及藍(lán)色分量的總和。超過(guò)一個(gè)可透過(guò)區(qū)域可以用于發(fā)送和接收光。此外，一個(gè)或多個(gè)障礙物或可透過(guò)區(qū)域可以用于將光引導(dǎo)到滑液中，并且防止來(lái)自LED3708的直射光輻射到光電二極管陣列3710上。
[0244]用于測(cè)量的等式可以如下:
[0245]a)r =紅色，g =綠色，b =藍(lán)色，c =校準(zhǔn)
[0246]b)顏色=[r, g, b] / (r+g+b)
[0247]c)池度=(r+g+b)/3c
[0248]可以將由光電二極管陣列3710測(cè)得的顏色與已知的感染顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。類似地，可 以將由光電二極管陣列3710得到的濁度測(cè)量值與已知的濁度顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。顏色和濁度測(cè)量值兩者均可以由假體部件3100取得。結(jié)合使用這兩種測(cè)量值可以提供允許進(jìn)一步精調(diào)假體的數(shù)據(jù)，從而提供更好的評(píng)估和治療方法。此外，取得周期性測(cè)量值并比較顏色和濁度測(cè)量值可以得到變化率。該變化率可以用于確定感染是增長(zhǎng)還是下降。比較隨時(shí)間推移的測(cè)量值可以用于確定感染治療是否成功。將傳感器放置在假體部件中在預(yù)防感染方面具有實(shí)質(zhì)益處。統(tǒng)計(jì)學(xué)上大多數(shù)感染在關(guān)節(jié)植入之后不久或在外科手術(shù)之后的頭幾個(gè)月內(nèi)發(fā)生。感染不太可能在外科手術(shù)傷口已經(jīng)愈合和關(guān)節(jié)已經(jīng)復(fù)原之后發(fā)生。由于外科手術(shù)引起以及在復(fù)原過(guò)程中的疼痛也可能掩蓋感染癥狀。如果感染發(fā)生，則該感染將作為鄰近關(guān)節(jié)的局部感染開(kāi)始。第一益處是，假體部件3100可以在關(guān)節(jié)局部的感染擴(kuò)散到整個(gè)身體之前識(shí)別該感染。第二益處是，對(duì)感染的治療可以在關(guān)節(jié)區(qū)域局部進(jìn)行。第三益處是，假體部件3100還可以包括可被釋放到關(guān)節(jié)鄰近的抗生素。第四益處是，假體部件3100可以與遠(yuǎn)程系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信。該遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以向患者提供通知去看醫(yī)生。該遠(yuǎn)程系統(tǒng)還可以向醫(yī)生提供數(shù)據(jù)以供分析和治療。
[0249]披露了使用假體部件3100的長(zhǎng)期關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)的方法。該方法可以通過(guò)多于或少于所示的步驟來(lái)實(shí)踐，并且不限于所示的步驟順序。該方法不限于示例性脛骨假體部件實(shí)例，但可以用于髖、肩、踝、肘、脊柱、手、腳以及骨。在第一步驟中，將電子電路和一個(gè)或多個(gè)傳感器容納在假體部件中。在第二步驟中，鄰近該假體部件周期性地測(cè)量滑液的特性。該特性可以用于確定感染或其他問(wèn)題的存在。所測(cè)量特性的實(shí)例是溫度、pH、顏色、濁度、粘度、葡萄糖水平、以及蛋白質(zhì)。在第三步驟中，比較測(cè)量值。在一個(gè)實(shí)施例中，將測(cè)量值彼此進(jìn)行比較以便確定是否已發(fā)生變化。此外，隨著時(shí)間推移獲得的多個(gè)測(cè)量值可以指示趨勢(shì)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以將所測(cè)量的特性與和正被識(shí)別的感染或其他問(wèn)題有關(guān)的已知的或預(yù)先確定的值進(jìn)行比較。
[0250]在第四步驟中，測(cè)量滑液的顏色。在第五步驟中，將滑液的顏色與已知的顏色范圍進(jìn)行比較。在第六步驟中，可以確定是否存在感染。在一個(gè)實(shí)施例中，該比較得到與已知的滑液顏色類似的顏色。例如，清澈的滑液是正常的。清澈的黃色滑液可以指示炎癥性和其他問(wèn)題。模糊的黃色滑液可以指示細(xì)菌或其他問(wèn)題的存在。具有紅色色調(diào)的滑液可以指示敗血癥和滑液中的血。
[0251]在第七步驟中，測(cè)量紅色、綠色、以及藍(lán)色的相對(duì)貢獻(xiàn)。在第八步驟中，將每種顏色的貢獻(xiàn)與這些相對(duì)貢獻(xiàn)的總和按比例進(jìn)行比較?；旱念伾梢酝ㄟ^(guò)評(píng)估紅色、綠色、以及藍(lán)色的貢獻(xiàn)來(lái)確定。在第九步驟中，確定顏色的變化率。該顏色的變化率可以用于確定感染的狀態(tài)。例如，一旦檢測(cè)到感染，則變化率對(duì)應(yīng)于感染的減小或增長(zhǎng)。該顏色的變化率還可以用于確定治療的有效性。在治療后，變化率應(yīng)指示感染的減小。
[0252]披露了使用假 體部件3100的長(zhǎng)期關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)的方法。該方法可以通過(guò)多于或少于所示的步驟來(lái)實(shí)踐，并且不限于所示的步驟順序。該方法不限于示例性脛骨假體部件實(shí)例，但可以用于髖、肩、踝、肘、脊柱、手、腳以及骨。在第一步驟中，將電子電路和一個(gè)或多個(gè)傳感器容納在假體部件中。在第二步驟中，鄰近該假體部件周期性地測(cè)量滑液的濁度。濁度可以用于確定感染或其他問(wèn)題的存在。其他所測(cè)量特性的實(shí)例是溫度、pH、顏色、濁度、粘度、葡萄糖水平、以及蛋白質(zhì)。在第三步驟中，將濁度測(cè)量值與已知的濁度測(cè)量值或預(yù)先確定的濁度范圍進(jìn)行比較。在一個(gè)實(shí)施例中，比較這些周期性測(cè)量確定是否已發(fā)生變化。此外，隨著時(shí)間推移所取得的多個(gè)濁度測(cè)量值可以指示趨勢(shì)。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以將所測(cè)量的特性與和正被解決的感染或其他問(wèn)題有關(guān)的已知的或預(yù)先確定的濁度值進(jìn)行比較。在第四步驟中，可以確定是否存在感染。濁度是物質(zhì)的混濁或模糊度的度量。例如，健康滑液是清澈的。相反，被感染滑液由于細(xì)菌的存在是模糊的或混濁的。此外，感染的嚴(yán)重程度可能與滑液中微粒的數(shù)量有關(guān)。微粒的數(shù)量越高，感染就可能越惡劣。
[0253]在第五步驟中，將濁度與先前的濁度測(cè)量值進(jìn)行比較。在第六步驟中，確定濁度的變化率?？傮w上，如果濁度增大，那么感染或問(wèn)題正在惡化，因?yàn)榻】祷菏乔宄旱??？商娲?，如果已?jīng)提供治療并且濁度隨著時(shí)間推移減少，那么患者健康正在改善。在第七步驟中，將數(shù)據(jù)無(wú)線傳送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，該遠(yuǎn)程系統(tǒng)由于有限的傳送范圍而臨近假體部件。該遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以包括處理器和圖形處理器。在第八步驟中，通過(guò)假體部件的可透過(guò)區(qū)域接收光。光被傳送到鄰近假體部件的滑液中。光照亮由光電二極管陣列檢測(cè)到的滑液。光電二極管陣列的每個(gè)二極管可以具有濾波器，該濾波器用于過(guò)濾穿過(guò)假體部件的可透過(guò)區(qū)域的入射光。
[0254]圖38示出根據(jù)示例性實(shí)施例的假體部件3100和遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802。遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802可以是設(shè)備、工具、計(jì)算機(jī)、記事本、移動(dòng)電話、智能手機(jī)、或醫(yī)療裝置。從假體部件3100傳送的數(shù)據(jù)是由遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802接收。類似地，遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802可以將信息傳送給支持操作和傳感器測(cè)量的假體部件3100。遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802可以包括邏輯電路、微處理器、微控制器、或數(shù)字信號(hào)處理器。在該實(shí)例中，遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802是具有顯示器的膝上型計(jì)算機(jī)。遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802可以包括用于分析來(lái)自假體部件3100的定量測(cè)量數(shù)據(jù)并顯示信息以用于評(píng)估的軟件。遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802包括用于聯(lián)接到假體部件3100的電子電路3110上的傳送電路、接收電路、或兩者。類似地，電子電路3110包括傳送電路、接收電路、或兩者。在該實(shí)例中，電子電路包括具有傳送和接收電路的ASIC。在一個(gè)實(shí)施例中，傳送和接收電路穿過(guò)可透過(guò)區(qū)域3702進(jìn)行傳送?？商娲兀渌赏高^(guò)區(qū)域可以被添加到假體部件3100上以用于支持天線布局。此外，假體部件3100可以由聚合物(如PEEK)制成，該聚合物允許傳送和接收信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802的傳送是短程的。傳送范圍典型地小于10米。在安裝好的假體部件中，使得RF傳送穿過(guò)組織。該短的傳送距離減少了未經(jīng)授權(quán)的數(shù)據(jù)接收。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)傳送為了安全而被加密。數(shù)據(jù)可以由遠(yuǎn)程系統(tǒng)3802加密。[0255]在該實(shí)例中，殼體3122包括電子電路3110和窗口 3702。窗口 3702可以是信號(hào)(如聲信號(hào)、超聲波信號(hào)、射頻信號(hào)、紅外線信號(hào)、以及光信號(hào))可透過(guò)的。窗口 3702可以包含玻璃，該玻璃被結(jié)合到假體部件的鋼、鈦、鈷、合金、或金屬上?？商娲兀Y(jié)構(gòu)3102的一部分或全部可以包含塑料或聚合物(如PEEK)，該塑料或聚合物是光譜中的一些可透過(guò)的。窗口 3702未被假體關(guān)節(jié)的其他部件阻塞并且暴露于關(guān)節(jié)區(qū)域周圍和鄰近的多個(gè)區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，窗口 3702可以用于監(jiān)測(cè)鄰近假體關(guān)節(jié)的區(qū)域。類似地，傳感器可以被緊固到結(jié)構(gòu)3102或3104上并且暴露于該區(qū)域。窗口 3702可以用于測(cè)量與滑液的健康有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。在該實(shí)例中，光學(xué)傳感器用于測(cè)量顏色和濁度。電子電路3110聯(lián)接到這些傳感器中的每一個(gè)上。在一個(gè)實(shí)施例中，通道被分配給每個(gè)傳感器。這些通道可以串聯(lián)地或并聯(lián)地操作。電子電路3110中的邏輯電路控制何時(shí)取得測(cè)量值。測(cè)量數(shù)據(jù)可以被存儲(chǔ)在電子電路3110上的存儲(chǔ)器中，直到被傳送。測(cè)量數(shù)據(jù)可以被轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。定量參數(shù)測(cè)量值可以單獨(dú)地或結(jié)合使用來(lái)確定健康組織。
[0256]披露了使用假體部件3100的長(zhǎng)期關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)方法。該方法可以通過(guò)多于或少于所示的步驟來(lái)實(shí)踐，并且不限于所示的步驟順序。該方法不限于示例性脛骨假體部件實(shí)例，但可以用于髖、肩、踝、肘、脊柱、手、腳以及骨。在第一步驟中，將電子電路和一個(gè)或多個(gè)傳感器容納在假體部件中。在第二步驟中，監(jiān)測(cè)鄰近假體部件的滑液。在第三步驟中，測(cè)量該滑液的特性。正被測(cè)量的特性的實(shí)例是溫度、pH、顏色、濁度、粘度、葡萄糖水平、以及蛋白質(zhì)。在第四步驟中，將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)可以從該假體部件無(wú)線地傳送到該遠(yuǎn)程系統(tǒng)。該遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以包括數(shù)字邏輯、處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、圖形處理器、通信電路、或模擬電路。在一個(gè)實(shí)施例中，由于信號(hào)的功率限制以及信號(hào)在其中行進(jìn)的介質(zhì)，傳送可能是小于10米。例如，傳送必須穿過(guò)在假體部件與外部環(huán)境之間的多層組織來(lái)發(fā)送。
[0257]在第四步驟中，可以對(duì)由假體部件發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)可以由遠(yuǎn)程系統(tǒng)來(lái)分析。數(shù)據(jù)還可以被發(fā)送到其他設(shè)備、裝置、計(jì)算機(jī)、或數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)可以與其他信息或數(shù)據(jù)結(jié)合以創(chuàng)建與關(guān)節(jié)或假體系統(tǒng)的研究有關(guān)的臨床數(shù)據(jù)庫(kù)。在第五步驟中，生成報(bào)告。該報(bào)告是基于由假體部件中的這些傳感器提供的定量數(shù)據(jù)。在第六步驟中，將該報(bào)告發(fā)送給至少一個(gè)實(shí)體?？傮w上，該報(bào)告使用由假體部件中的這些傳感器生成的定量數(shù)據(jù)。在該實(shí)例中，傳感器數(shù)據(jù)可以是對(duì)鄰近關(guān)節(jié)的滑液的分析。該報(bào)告可能導(dǎo)致采取動(dòng)作。例如，檢測(cè)到感染或狀況(如關(guān)節(jié)炎)可導(dǎo)致治療。這些傳感器可以用于監(jiān)測(cè)治療的進(jìn)展。在第七步驟中，可以測(cè)量滑液的溫度。在第八步驟中，可以測(cè)量滑液的pH。在第九步驟中，可以測(cè)量滑液的顏色或濁度。該報(bào)告可能如同對(duì)患者的傳感器數(shù)據(jù)的狀態(tài)更新，或者如同所有所測(cè)量參數(shù)、趨勢(shì)、以及發(fā)送給衛(wèi)生保健提供者(如醫(yī)生、外科醫(yī)生、或醫(yī)院)的數(shù)據(jù)的分析的詳細(xì)列表那樣簡(jiǎn)單。實(shí)體可以被廣泛地解釋為有權(quán)使用信息的任何東西或任何人。該報(bào)告可以被加密以維持信息的隱私性。類似地，傳感器還可以包括負(fù)載和負(fù)載位置數(shù)據(jù)。此傳感器數(shù)據(jù)可以用于解決有關(guān)關(guān)節(jié)以及患者如何適應(yīng)假體的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。
[0258]圖39是根據(jù)示例性實(shí)施例的電子電路3110和結(jié)構(gòu)3104的圖示。結(jié)構(gòu)3104是在此所披露的假體部件3100的部件。結(jié)構(gòu)3104可以包括用于容納電子電路3110的空腔3902。電子電路3110被豎直地放置到空腔3902中?？涨?902延伸到結(jié)構(gòu)3104的桿部3124中?？傮w上，電子電路可以被容納在結(jié)構(gòu)3102、3104、或兩者之內(nèi)。
[0259]圖40是根據(jù)示例性實(shí)施例的電子電路3110和結(jié)構(gòu)3104的圖示。結(jié)構(gòu)3104可以包括用于容納電子電路3110的空腔4002。電子電路3110被水平地放置到空腔4002中。空腔4002居中地位于互連件3106之間、在假體部件3100的輕負(fù)載區(qū)域中。傳感器(如溫度傳感器、PH傳感器、光學(xué)傳感器、葡萄糖傳感器、以及其他傳感器)可以被安裝在殼體3122中并聯(lián)接到電子電路3110上。空腔4002位于殼體3122之下并且提供用以收納用于鄰近假體部件3100進(jìn)行測(cè)量的多個(gè)傳感器的空間?；ミB件3106上覆于支撐表面3126和3128之上。每個(gè)互連件3106包括傳感器陣列并且對(duì)應(yīng)于膝的室。傳感器位于互連件3106的負(fù)載墊3108之下用于測(cè)量力、壓力或負(fù)載。電子電路3110可以包括用于提供關(guān)節(jié)的定位信息的加速度計(jì)。
[0260]圖41描繪了呈系統(tǒng)4100形式的機(jī)器的示例性圖形表示，在該系統(tǒng)內(nèi)，指令集在被執(zhí)行時(shí)可以使該機(jī)器進(jìn)行以上所討論的任何一種或多種方法。在一些實(shí)施例中，該機(jī)器作為獨(dú)立裝置進(jìn)行操作。在一些實(shí)施例中，該機(jī)器可以(例如，使用網(wǎng)絡(luò))被連接到其他機(jī)器上。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(diǎn)對(duì)點(diǎn)(或分布式)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的對(duì)等機(jī)進(jìn)行操作。
[0261]該機(jī)器可以包括服務(wù)器計(jì)算機(jī)、客戶端用戶計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)、平板PC、膝上型計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、邏輯電路、傳感器系統(tǒng)、ASIC、集成電路、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(dòng)作的指令集(順序地或以其他方式)的任何機(jī)器。應(yīng)當(dāng)理解的是，本披露的裝置廣義上包括提供語(yǔ)音、視頻或數(shù)據(jù)通信的任何電子裝置。另外，雖然圖解了單個(gè)機(jī)器，但術(shù)語(yǔ)“機(jī)器”還應(yīng)當(dāng)理解為包括單獨(dú)地或聯(lián)合地執(zhí)行指令集(或多個(gè)指令集)以進(jìn)行在此所討論的任何一種或多種方法的的機(jī)器的任何集合。
[0262]系統(tǒng)4100可以包括經(jīng)由總線4108而與彼此通信的處理器4102(例如，中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU )或兩者)、主存儲(chǔ)器4104以及靜態(tài)存儲(chǔ)器4106。系統(tǒng)4100可以進(jìn)一步包括視頻顯示單元4110(例如，液晶顯示器(LCD)、扁平面板、固態(tài)顯示器、或陰極射線管(CRT))。系統(tǒng)4100可以包括輸入裝置4112(例如，鍵盤)、光標(biāo)控制裝置4114(例如，鼠標(biāo))、磁盤驅(qū)動(dòng)單元4116、信號(hào)發(fā)生裝置4118 (例如，揚(yáng)聲器或遙控裝置)以及網(wǎng)絡(luò)接口裝置4120。
[0263]磁盤驅(qū)動(dòng)單元4116可以是其他類型的存儲(chǔ)器(如閃存存儲(chǔ)器)并且可以包括機(jī)器可讀介質(zhì)4122，在該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上存儲(chǔ)有具體實(shí)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(shuō)明的那些方法)的一個(gè)或多個(gè)指令集(例如，軟件4124)。指令4124還可以在其由系統(tǒng)4100執(zhí)行期間，完全地或至少部分地駐留在主存儲(chǔ)器4104、靜態(tài)存儲(chǔ)器4106內(nèi)、和/或處理器4102內(nèi)。主存儲(chǔ)器4104和處理器4102還可以構(gòu)成機(jī)器可讀介質(zhì)。
[0264]可以類似地構(gòu)建專用硬件實(shí)施，包括但不限于:專用集成電路、可編程邏輯陣列以及其他硬件裝置，以便實(shí)施在此所描述的方法?？梢园ú煌瑢?shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一些實(shí)施例在兩個(gè)或更多個(gè)特定互連的硬件模塊或裝置中實(shí)施功能，這些模塊或裝置帶有在模塊之間和通過(guò)模塊傳送的相關(guān)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，或作為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(shí)現(xiàn)。
[0265]根據(jù)本披露的不同實(shí)施例，在此所描述的方法旨在用于作為在計(jì)算機(jī)處理器上運(yùn)行的軟件程序進(jìn)行操作。此外，還可以構(gòu)建可包括但不限于分布式處理或部件/對(duì)象分布式處理、并行處理、或虛擬機(jī)器處理的軟件實(shí)現(xiàn)，以實(shí)施在此所描述的方法。
[0266]本披露設(shè)想機(jī)器可讀介質(zhì)，該機(jī)器可讀介質(zhì)包括指令4124、或接收并執(zhí)行來(lái)自被傳播信號(hào)的指令4124，這樣使得連接到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境4126的裝置可以發(fā)送或接收語(yǔ)音、視頻或數(shù)據(jù)，并且使用這些指令4124通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)4126進(jìn)行通信。這些指令4124可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口裝置4120在網(wǎng)絡(luò)4126上進(jìn)一步被傳送或接收。 [0267]雖然在示例性實(shí)施例中示出了機(jī)器可讀介質(zhì)4122是單一介質(zhì)，但術(shù)語(yǔ)“機(jī)器可讀介質(zhì)”應(yīng)被理解為包括存儲(chǔ)該一個(gè)或多個(gè)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(kù)，和/或相關(guān)聯(lián)高速緩沖存儲(chǔ)器和服務(wù)器)。術(shù)語(yǔ)“機(jī)器可讀介質(zhì)”還應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包括能夠存儲(chǔ)、編碼或攜帶指令集的任何介質(zhì)，該指令集用于由該機(jī)器執(zhí)行并且引起該機(jī)器執(zhí)行本披露的任何一種或多種方法。
[0268]術(shù)語(yǔ)“機(jī)器可讀介質(zhì)”因此應(yīng)被理解為包括但不限于:固態(tài)存儲(chǔ)器，如存儲(chǔ)卡或容納一個(gè)或多個(gè)只讀(非易失性)存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器或其他可重寫(易失性)存儲(chǔ)器的其他包裝；磁光介質(zhì)或光介質(zhì)如磁盤或磁帶；以及載波信號(hào)，如具體實(shí)施傳送介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)指令的信號(hào)；和/或電子郵件的數(shù)字文件附件或其他自我包含信息文檔或文檔集被認(rèn)為是等效于有形存儲(chǔ)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)域公認(rèn)的等效物和后繼介質(zhì)，其中存儲(chǔ)在此的軟件實(shí)現(xiàn)。
[0269]雖然本說(shuō)明書(shū)描述了參考具體標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的實(shí)施例中實(shí)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。因特網(wǎng)和其他分組交換網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拿總€(gè)標(biāo)準(zhǔn)(例如，TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP)代表現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)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。
[0270]圖42是根據(jù)示例性實(shí)施例的用于測(cè)量和報(bào)告的通信網(wǎng)絡(luò)4200的圖示。簡(jiǎn)單地說(shuō)，通信網(wǎng)絡(luò)4200將廣泛數(shù)據(jù)連接性擴(kuò)展至其他裝置或服務(wù)。如所示的，測(cè)量和報(bào)告系統(tǒng)4255可以通信地聯(lián)接至通信網(wǎng)絡(luò)4200和任何相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)或服務(wù)。[0271]作為一個(gè)實(shí)例，測(cè)量系統(tǒng)4255可以與遠(yuǎn)程服務(wù)或提供商共享其所感興趣的參數(shù)(例如，角度、負(fù)載、平衡、距離、對(duì)準(zhǔn)、位移、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、以及加速度)，例如以便分析或報(bào)告外科手術(shù)狀態(tài)或結(jié)果?？梢耘c(例如)服務(wù)提供商共享此數(shù)據(jù)以便監(jiān)測(cè)進(jìn)展或與計(jì)劃管理員共享此數(shù)據(jù)以用于外科手術(shù)監(jiān)測(cè)目的或療效研究。通信網(wǎng)絡(luò)4200可以進(jìn)一步連結(jié)至電子醫(yī)療記錄(EMR)系統(tǒng)以便實(shí)施健康信息技術(shù)實(shí)踐。在其他實(shí)施例中，通信網(wǎng)絡(luò)4200可以通信地聯(lián)接至HIS醫(yī)院信息系統(tǒng)、HIT醫(yī)院信息技術(shù)和HM醫(yī)院信息管理、EHR電子健康記錄、CPOE計(jì)算機(jī)醫(yī)囑錄入以及CDSS計(jì)算機(jī)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、高效地、并且持續(xù)地交換數(shù)據(jù)以及使用所交換的數(shù)據(jù)的能力。
[0272]通信網(wǎng)絡(luò)4200可以通過(guò)局域網(wǎng)(LAN)4201、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)4205、蜂窩網(wǎng)絡(luò)4214、和/或其他射頻(RF)系統(tǒng)來(lái)提供有線或無(wú)線連接性(參見(jiàn)圖4) OLAN4201和WLAN4205可以通過(guò)例如中心局而通信地聯(lián)接至因特網(wǎng)4220。該中心局可以容納用于分配電信服務(wù)的公共網(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)，如如有線(cable)服務(wù)、HDTV服務(wù)、DSL服務(wù)、VoIP(因特網(wǎng)協(xié)議電話)服務(wù)、IPTV(因特網(wǎng)協(xié)議電視)服務(wù)、因特網(wǎng)服務(wù)等等。
[0273]通信網(wǎng)絡(luò)4200可以利用常用計(jì)算和通信技術(shù)來(lái)支持電路交換和/或分組交換通信。因特網(wǎng)4220和其他分組交換網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拿總€(gè)標(biāo)準(zhǔn)(例如，TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP、RTP> MMS, SMS)代表現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例。這類標(biāo)準(zhǔn)周期性地被具有基本上相同功能的更快或更高效的等效物取代。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。
[0274]蜂窩網(wǎng)絡(luò)4214可以通過(guò)許多接入技術(shù)來(lái)支持語(yǔ)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(wú)線電(SDR)以及其他已知技術(shù)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)4214可以在頻率復(fù)用方案下聯(lián)接至基站接收器4210以用于與移動(dòng)裝置4202進(jìn)行通信。
[0275]基站接收器4210進(jìn)而可以通過(guò)分組交換鏈路將移動(dòng)裝置4202連接至因特網(wǎng)4220。因特網(wǎng)4220可以支持用于將來(lái)自測(cè)量系統(tǒng)4255的數(shù)據(jù)分配至移動(dòng)裝置4202的應(yīng)用服務(wù)和服務(wù)層。移動(dòng)裝置4202還可以使用無(wú)線通信通道通過(guò)因特網(wǎng)4220連接至其他通信裝置上。
[0276]移動(dòng)裝置4202還可以通過(guò)WLAN4205連接至因特網(wǎng)4220。無(wú)線本地接入網(wǎng)絡(luò)(WLAN)在局部地理區(qū)域內(nèi)提供無(wú)線接入。WLAN典型地是由接入點(diǎn)(AP)4204(也被稱為基站)的群集組成。測(cè)量系統(tǒng)4255可以與基站區(qū)域內(nèi)的其他WLAN站(如膝上型電腦4203)進(jìn)行通信。在典型的WLAN實(shí)現(xiàn)中，物理層使用多種技術(shù)，如802.1lb或802.1lg WLAN技術(shù)。物理層可以使用紅外線、2.4GHz頻段上的跳頻擴(kuò)頻、2.4GHz頻段上的直接序列擴(kuò)頻或(例如)5.8GHz ISM頻段或更高ISM頻段(例如，24GHz等)上的其他接入技術(shù)。
[0277]通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)4200，測(cè)量系統(tǒng)4255可以與網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程服務(wù)器4230并且與其他移動(dòng)裝置建立連接以用于交換數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程服務(wù)器4230可以訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)4240，該數(shù)據(jù)庫(kù)被本地或遠(yuǎn)程地存儲(chǔ)并且可以包括專用數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程服務(wù)器4230還可以直接地、或通過(guò)因特網(wǎng)4220來(lái)托管應(yīng)用服務(wù)。
[0278]應(yīng)指出，非常少的數(shù)據(jù)存在于所植入的矯形裝置上。通過(guò)分析已經(jīng)用于人受試者中或模擬使用的矯形裝置以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得大部分?jǐn)?shù)據(jù)。對(duì)磨損情況、材料問(wèn)題以及失效機(jī)理進(jìn)行研究。雖然可以通過(guò)這種類型的研究取得信息，但從測(cè)量角度看，它確實(shí)產(chǎn)生關(guān)于初始安裝、手術(shù)后使用、以及長(zhǎng)期使用的實(shí)質(zhì)性數(shù)據(jù)。就像每個(gè)人都是不同的，每個(gè)裝置安裝也是不同的，在初始負(fù)載、平衡以及對(duì)準(zhǔn)上有所變動(dòng)。已經(jīng)測(cè)量數(shù)據(jù)并且使用該數(shù)據(jù)來(lái)安裝矯形裝置將大大增大植入物程序的一致性，從而減少返工并且最大化裝置的壽命。在至少一個(gè)示例性實(shí)施例中，所測(cè)量的數(shù)據(jù)可以被收集至數(shù)據(jù)庫(kù)，在該數(shù)據(jù)庫(kù)中，該數(shù)據(jù)可以被存儲(chǔ)和分析。例如，一旦收集了所測(cè)量的數(shù)據(jù)的相關(guān)樣本，該相關(guān)樣本就可以用于定義最優(yōu)初始測(cè)量設(shè)置、幾何形狀以及對(duì)準(zhǔn)以用于最大化植入的矯形裝置的壽命和可用性。
[0279] 本發(fā)明適用于廣泛范圍的醫(yī)療和非醫(yī)療應(yīng)用，這些應(yīng)用包括但不限于:頻率補(bǔ)償；對(duì)物理系統(tǒng)的控制、或報(bào)警；或者監(jiān)測(cè)或測(cè)量所感興趣的物理參數(shù)。高度緊湊感測(cè)模塊或裝置中可達(dá)到的準(zhǔn)確度和重復(fù)性的水平可以適用于監(jiān)測(cè)或測(cè)量整個(gè)人體內(nèi)的生理參數(shù)的許多醫(yī)療應(yīng)用，這些生理參數(shù)包括但不限于:在血管系統(tǒng)、淋巴系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、肌肉、骨和關(guān)節(jié)、其他軟組織區(qū)域、以及間質(zhì)液體中的應(yīng)用下，骨密度、移動(dòng)、粘度、以及各種流體的壓力、局部溫度等。
[0280]雖然已經(jīng)參考具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明做出許多改變。這些實(shí)施例中的每一個(gè)及其明顯變體被認(rèn)為落在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.用于測(cè)量參數(shù)的醫(yī)療傳感器，該醫(yī)療傳感器包括: 聚酰亞胺層； 上覆于該聚酰亞胺層之上的第一導(dǎo)電區(qū)域；以及 位于該聚酰亞胺層之下的第二導(dǎo)電區(qū)域； 其中該醫(yī)療傳感器被配置為使得該參數(shù)的變化引起該聚酰亞胺層的變化。
2.如權(quán)利要求1所述的醫(yī)療傳感器，其中該醫(yī)療傳感器被配置為接收力、壓力或負(fù)載中的至少一個(gè)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的醫(yī)療傳感器，其中該聚酰亞胺被配置成是由施加到該醫(yī)療傳感器上的該力、壓力或負(fù)載中的該至少一個(gè)來(lái)壓縮。
4.如權(quán)利要求1所述的醫(yī)療傳感器，該醫(yī)療傳感器進(jìn)一步包括: 上覆于該第一導(dǎo)電區(qū)域之上的第一介電層； 上覆于該第一介電層 之上的第一屏蔽區(qū)域； 位于該第二導(dǎo)電區(qū)域之下的第二介電層；以及 位于該第二介電層之下的第二屏蔽區(qū)域。
5.如權(quán)利要求4所述的醫(yī)療傳感器，其中該第一介電層和該第二介電層中的至少一個(gè)包含聚酰亞胺，并且其中該聚酰亞胺層以及該第一介電層和該第二介電層中的至少一個(gè)被配置成是由施加到該醫(yī)療傳感器上的力、壓力或負(fù)載中的至少一個(gè)來(lái)壓縮。
6.如權(quán)利要求4或5所述的醫(yī)療傳感器，其中該第一導(dǎo)電區(qū)域和該第二導(dǎo)電區(qū)域被聯(lián)接在一起。
7.如權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療傳感器，其中該第一屏蔽區(qū)域和該第二屏蔽區(qū)域被聯(lián)接在一起。
8.如權(quán)利要求2、3或5中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療傳感器，其中該傳感器的電容隨施加到該醫(yī)療傳感器上的該力、壓力或負(fù)載中的該至少一個(gè)發(fā)生變化。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療傳感器，其中該醫(yī)療傳感器被配置成是聯(lián)接到假體部件、工具、設(shè)備、或裝置上的。
10.如權(quán)利要求2、3、5或8中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療傳感器，其中該醫(yī)療傳感器被配置為測(cè)量該力、壓力或負(fù)載中的該至少一個(gè)，并且該力、壓力或負(fù)載中的該至少一個(gè)是由肌肉骨骼系統(tǒng)來(lái)施加。
11.如權(quán)利要求2、3、5、8或10中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療傳感器，其中該參數(shù)包括該力、壓力或負(fù)載中的該至少一個(gè)。
12.用于測(cè)量參數(shù)的可壓縮醫(yī)療傳感器，該可壓縮醫(yī)療傳感器包括至少兩個(gè)串聯(lián)機(jī)械聯(lián)接的電容器，其中該至少兩個(gè)電容器中的至少一個(gè)包含基本上彈性可壓縮的介電材料。
13.如權(quán)利要求12所述的可壓縮醫(yī)療傳感器，其中該可壓縮醫(yī)療傳感器被聯(lián)接到假體部件上。
14.如權(quán)利要求12或13所述的可壓縮醫(yī)療傳感器，其中該可壓縮醫(yī)療傳感器被聯(lián)接到肌肉-骨骼系統(tǒng)上。
15.如權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的可壓縮醫(yī)療傳感器，其中該至少兩個(gè)電容器中的該至少一個(gè)包含聚酰亞胺，該基本上彈性可壓縮的介電材料包含該聚酰亞胺。
16.如權(quán)利要求12至15中任一項(xiàng)所述的可壓縮醫(yī)療傳感器，其中該至少兩個(gè)電容器中的該至少一個(gè)包含聚合物、聚酯、芳族聚酰胺、硅、玻璃或復(fù)合材料中的至少一種，該基本上彈性可壓縮的介電材料包含該聚合物、聚酯、芳族聚酰胺、硅、玻璃或復(fù)合材料中的該至少一種。
17.如權(quán)利要求12至16中任一項(xiàng)所述的可壓縮醫(yī)療傳感器，該可壓縮醫(yī)療傳感器進(jìn)一步包括第三電容器，其中該第三電容器和該至少兩個(gè)電容器是串聯(lián)機(jī)械聯(lián)接的。
18.如權(quán)利要求12至14或17中任一項(xiàng)所述的可壓縮醫(yī)療傳感器，其中該可壓縮醫(yī)療傳感器包括: 第一介電層； 上覆于該第一介電層之上的第一導(dǎo)電區(qū)域； 位于該第一介電層之下的第二導(dǎo)電區(qū)域； 上覆于該第一導(dǎo)電區(qū)域之上的第二介電層； 上覆于該第二介電層之上的第一屏蔽區(qū)域； 位于該第二導(dǎo)電區(qū)域之下的第三介電層；以及 位于該第三介電層之下的第二屏蔽區(qū)域； 其中該基本上彈性可壓縮的介電材料包括該第一介電層、該第二介電層、或該第三介電層中的至少一個(gè)。
19.如權(quán)利要求12至18中任一項(xiàng)所述的可壓縮醫(yī)療傳感器，其中該參數(shù)包括施加到該可壓縮醫(yī)療傳感器上的力、壓力或負(fù)載中的至少一個(gè)。
20.感測(cè)方法，包括: 壓縮超過(guò)一個(gè)串聯(lián)聯(lián)接的電容器；并且 測(cè)量該超過(guò)一個(gè)電容器中的至少兩個(gè)電容器，該至少兩個(gè)電容器是并聯(lián)聯(lián)接的。
21.如權(quán)利要求19所述的感測(cè)方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 生成具有測(cè)量周期的重復(fù)信號(hào)，該測(cè)量周期對(duì)應(yīng)于該超過(guò)一個(gè)并聯(lián)聯(lián)接的電容器中的該至少兩個(gè)電容器的該電容； 測(cè)量該重復(fù)信號(hào)的經(jīng)過(guò)時(shí)間，該信號(hào)被重復(fù)預(yù)先確定的次數(shù)；并且 使該經(jīng)過(guò)時(shí)間與該超過(guò)一個(gè)并聯(lián)聯(lián)接的電容器中的該至少兩個(gè)電容器的該電容相關(guān)。
22.用于測(cè)量該肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)的假體部件，該假體部件包括: 具有至少一個(gè)支撐表面的第一結(jié)構(gòu)； 具有被配置為聯(lián)接到骨上的特征的第二結(jié)構(gòu)，該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)被配置成是聯(lián)接在一起的，并且該假體部件在其中包括至少一個(gè)空腔；以及 聯(lián)接到該支撐表面上的至少一個(gè)傳感器，其中該至少一個(gè)空腔和該至少一個(gè)傳感器是與外部環(huán)境氣密地隔絕。
23.如權(quán)利要求22所述的假體部件，其中該第一結(jié)構(gòu)或該第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包含鋼、鈦或鈷中的至少一種。
24.如權(quán)利要求22或23所述的假體部件，其中該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)是通過(guò)焊接來(lái)密封。
25.如權(quán)利要求22至24中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該第一結(jié)構(gòu)或該第二結(jié)構(gòu)的至少部分包含PEEK塑料。
26.如權(quán)利要求22至25中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中電子電路被容納在該假體部件的該至少一個(gè)空腔中，并且其中該至少一個(gè)傳感器被配置成是聯(lián)接到該電子電路上的。
27.如權(quán)利要求22至26中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該至少一個(gè)傳感器被配置為測(cè)量施加到該至少一個(gè)支撐表面上的力、壓力或負(fù)載中的至少一個(gè)。
28.如權(quán)利要求22至26中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該假體部件包括多個(gè)傳感器，并且該多個(gè)傳感器被配置為測(cè)量施加到該至少一個(gè)支撐表面上的力、壓力或負(fù)載中的至少一個(gè)的位置。
29.如權(quán)利要求22至28中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該第一結(jié)構(gòu)的該至少一個(gè)支撐表面是順應(yīng)性的。
30.如權(quán)利要求22至29中任一項(xiàng)所述的假體部件，該假體部件進(jìn)一步包括具有承載表面和關(guān)節(jié)表面的第二假體部件，其中該承載表面被配置成是聯(lián)接到該至少一個(gè)支撐表面上的。
31.包括以下項(xiàng)的脛骨假體部件: 具有至少一個(gè)支撐表面的第一結(jié)構(gòu)； 具有被配置為聯(lián)接到骨上的特征的第二結(jié)構(gòu)，該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)被配置成是聯(lián)接在一起的；以及 聯(lián)接到該至少一個(gè)支撐表面上的至少一個(gè)傳感器，其中該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)容納該至少一個(gè)傳感器，并且其中該至少一個(gè)傳感器是與外部環(huán)境氣密地隔絕。
32.如權(quán)利要求31所述的脛骨假體部件，其中該至少一個(gè)支撐表面包括第一支撐表面和第二支撐表面。
33.如權(quán)利要求32所述的脛骨假體部件，該脛骨假體部件進(jìn)一步包括位于該第一結(jié)構(gòu)的該第一支撐表面與該第二支撐表面之間的殼體。
34.如權(quán)利要求31至33中任一項(xiàng)所述的脛骨假體部件，其中空腔位于被配置為聯(lián)接到骨上的該特征附近。
35.如權(quán)利要求31至34中任一項(xiàng)所述的脛骨假體部件，其中該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)包含鋼。
36.如權(quán)利要求31至35中任一項(xiàng)所述的脛骨假體部件，其中電子電路被容納在該脛骨假體部件中，并且其中該電子電路被配置成是聯(lián)接到該至少一個(gè)傳感器上的。
37.如權(quán)利要求36所述的脛骨假體部件，其中該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)被焊接在一起，以便容納該電子電路和該至少一個(gè)傳感器并且使該電子電路和該至少一個(gè)傳感器與該外部環(huán)境隔尚。
38.如權(quán)利要求31至37中任一項(xiàng)所述的脛骨假體部件，其中該第一結(jié)構(gòu)或該第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包含PEEK塑料。
39.如權(quán)利要求31至38中任一項(xiàng)所述的脛骨假體部件，其中該脛骨假體部件包括可透過(guò)區(qū)域。
40.組裝帶傳感器的假體部件的方法，該方法包括: 將至少一個(gè)傳感器和電子電路放置在該帶傳感器的假體部件中； 將該帶傳感器的假體部件的具有支撐表面的第一結(jié)構(gòu)聯(lián)接到該帶傳感器的假體部件的被配置為聯(lián)接到骨上的第二結(jié)構(gòu)上；并且 將該第一結(jié)構(gòu)氣密地密封到該第二結(jié)構(gòu)上，以使得該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)構(gòu)成殼體，借此該至少一個(gè)傳感器和該電子電路與外部環(huán)境隔離。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中將該帶傳感器的假體部件的該第一結(jié)構(gòu)聯(lián)接到該帶傳感器的假體部件的該第二結(jié)構(gòu)上并將該第一結(jié)構(gòu)氣密地密封到該第二結(jié)構(gòu)上包括:將該第一結(jié)構(gòu)焊接到該第二結(jié)構(gòu)上以形成氣密密封。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，其中將該帶傳感器的假體部件的該第一結(jié)構(gòu)聯(lián)接到該帶傳感器的假體部件的該第二結(jié)構(gòu)上并將該第一結(jié)構(gòu)氣密地密封到該第二結(jié)構(gòu)上包括:將該第一結(jié)構(gòu)粘附到該第二結(jié)構(gòu)上以形成氣密密封。
43.如權(quán)利要求40至42中任一項(xiàng)所述的方法，其中將該第一結(jié)構(gòu)氣密地密封到該第二結(jié)構(gòu)上包括: 將ο形環(huán)安置于該第一結(jié)構(gòu)與該第二結(jié)構(gòu)之間。
44.包括用于測(cè)量參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)的醫(yī)療裝置，該醫(yī)療裝置包括: 電容器； 聯(lián)接到該電容器上的信號(hào)發(fā)生器，其中該信號(hào)發(fā)生器被配置為輸出對(duì)應(yīng)于該電容器的電容的信號(hào)； 聯(lián)接到該信號(hào)發(fā)生器上的數(shù)字計(jì)數(shù)器；以及 聯(lián)接到該信號(hào)發(fā)生器上的數(shù)字計(jì)時(shí)器。
45.如權(quán)利要求44所述的醫(yī)療裝置，其中該參數(shù)的變化引起該電容器的該電容的相應(yīng)變化。
46.如權(quán)利要求43或44所述的醫(yī)療裝置，其中該電容器被配置為接收力、壓力或負(fù)載中的至少一個(gè)。
47.如權(quán)利要求44至46中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療裝置，其中該醫(yī)療裝置是聯(lián)接到肌肉-骨骼系統(tǒng)上的。
48.如權(quán)利要求44至47中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療裝置，其中該信號(hào)發(fā)生器被配置為輸出具有對(duì)應(yīng)于該電容器的該電容的測(cè)量周期的波形。
49.如權(quán)利要求44至48中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療裝置，其中該信號(hào)發(fā)生器被配置用于振蕩。
50.如權(quán)利要求44至49中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療裝置，其中該數(shù)字計(jì)數(shù)器被配置為在測(cè)量序列過(guò)程中對(duì)測(cè)量周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。
51.如權(quán)利要求50所述的醫(yī)療裝置，其中該測(cè)量序列在該數(shù)字計(jì)數(shù)器對(duì)預(yù)先確定計(jì)數(shù)的這些測(cè)量周期進(jìn)行計(jì)數(shù)之后結(jié)束，該數(shù)字計(jì)時(shí)器被配置為測(cè)量該測(cè)量序列的經(jīng)過(guò)時(shí)間。
52.如權(quán)利要求51所述的醫(yī)療裝置，該醫(yī)療裝置進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)寄存器，該數(shù)據(jù)寄存器是聯(lián)接到該數(shù)字計(jì)時(shí)器上的，以便存儲(chǔ)根據(jù)該預(yù)先確定計(jì)數(shù)的這些測(cè)量周期計(jì)算出的數(shù)字以及所測(cè)量的該測(cè)量序列的該經(jīng)過(guò)時(shí)間。
53.如權(quán)利要求51或52所述的醫(yī)療裝置，其中該參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度是通過(guò)增大這些測(cè)量周期的該預(yù)先確定計(jì)數(shù)來(lái)提高的。
54.如權(quán)利要求50至53中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療裝置，其中該電容器的該電容在該測(cè)量序列過(guò)程中是基本上恒定的。
55.測(cè)量力、壓力或負(fù)載的方法，該方法包括: 將該力、壓力或負(fù)載施加到電容器上；并且 生成重復(fù)信號(hào)，其中該重復(fù)信號(hào)的每個(gè)信號(hào)具有對(duì)應(yīng)于該電容器的電容的測(cè)量周期。
56.如權(quán)利要求55所述的方法,該方法進(jìn)一步包括: 重復(fù)該重復(fù)信號(hào)預(yù)先確定的次數(shù)；并且 測(cè)量對(duì)應(yīng)于該重復(fù)信號(hào)被重復(fù)的該預(yù)先確定的次數(shù)的經(jīng)過(guò)時(shí)間。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，該方法進(jìn)一步包括以下步驟: 在測(cè)量該力、壓力或負(fù)載時(shí)維持該力、壓力或負(fù)載基本上恒定；并且 使該經(jīng)過(guò)時(shí)間和該重復(fù)信號(hào)被重復(fù)的該預(yù)先確定的次數(shù)與該力、壓力或負(fù)載的測(cè)量值相關(guān)。
58.如權(quán)利要求56或57所述的方法，該方法進(jìn)一步包括增大該重復(fù)信號(hào)被重復(fù)的該預(yù)先確定的次數(shù)，以便提高測(cè)量準(zhǔn)確度。
59.用于測(cè)量參數(shù)的醫(yī)療傳感器系統(tǒng)，該醫(yī)療傳感器系統(tǒng)包括: 具有至少一個(gè)電容器形成于其中的互連件；以及 經(jīng)由該互連件聯(lián)接到該電容器上的信號(hào)發(fā)生器。
60.如權(quán)利要求 59所述的醫(yī)療傳感器系統(tǒng)，該醫(yī)療傳感器系統(tǒng)進(jìn)一步包括: 聯(lián)接到該信號(hào)發(fā)生器上的數(shù)字計(jì)數(shù)器；以及 聯(lián)接到該信號(hào)發(fā)生器上的數(shù)字計(jì)時(shí)器，其中該信號(hào)發(fā)生器被配置為輸出對(duì)應(yīng)于該至少一個(gè)電容器的電容的重復(fù)波形。
61.如權(quán)利要求59所述的醫(yī)療傳感器系統(tǒng)，該醫(yī)療傳感器系統(tǒng)進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)寄存器，其中該數(shù)字計(jì)數(shù)器被配置為對(duì)預(yù)先確定數(shù)量的測(cè)量周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中該數(shù)字計(jì)時(shí)器被配置為測(cè)量該預(yù)先確定數(shù)量的測(cè)量周期的經(jīng)過(guò)時(shí)間，并且其中該數(shù)據(jù)寄存器被配置為存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于該參數(shù)的數(shù)字。
62.如權(quán)利要求59至61中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療傳感器系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)電容器包括至少兩個(gè)串聯(lián)機(jī)械聯(lián)接的電容器。
63.如權(quán)利要求59至62中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療傳感器系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)電容器包括至少兩個(gè)并聯(lián)電聯(lián)接的電容器。
64.用于該肌肉-骨骼系統(tǒng)的力、壓力或負(fù)載測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)包括: 假體部件；以及 聯(lián)接到該假體部件上的電容器，其中該電容器被配置為當(dāng)力、壓力或負(fù)載中的至少一個(gè)由該肌肉-骨骼系統(tǒng)施加到該測(cè)量系統(tǒng)上時(shí)彈性地壓縮。
65.如權(quán)利要求64所述的測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包括: 脛骨假體部件； 插入物假體部件；以及 股骨假體部件，其中該脛骨假體部件、該插入物假體部件、或該股骨假體部件中的至少一個(gè)包括該電容器。
66.如權(quán)利要求64或65所述的測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包括聯(lián)接到該電容器上的電子電路，該電子電路被配置為生成對(duì)應(yīng)于該電容器的電容的重復(fù)信號(hào)。
67.如權(quán)利要求64至66中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng),其中該電容器形成于互連件中。
68.如權(quán)利要求65所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該互連件被配置成是聯(lián)接到該電子電路上的。
69.如權(quán)利要求64至68中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該電容器包括電介質(zhì)，并且該電介質(zhì)包括聚合物、聚酰亞胺、聚酯、芳族聚酰胺、硅、玻璃、或復(fù)合材料中的一種。
70.如權(quán)利要求64至69中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包括接地屏蔽件。
71.膝插入物的測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)包括: 關(guān)節(jié)表面； 承載表面；以及 聯(lián)接在該關(guān)節(jié)表面與該承載表面之間的至少一個(gè)電容器，該至少一個(gè)電容器被配置為接收力、壓力或負(fù)載。
72.如權(quán)利要求71所述的測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包括聯(lián)接到該至少一個(gè)電容器上的電子電路，該電子電路被配置為生成對(duì)應(yīng)于該至少一個(gè)電容器的電容的重復(fù)信號(hào)，并且該至少一個(gè)電容器是彈性可壓縮的。
73.如權(quán)利要求72所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該電子電路被容納在該膝插入物中。
74.如權(quán)利要求72或73所述的測(cè)量表面，其中該測(cè)量系統(tǒng)包括互連件，并且該互連件包括該至少一個(gè)電容器。
75.如權(quán)利要求74所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該互連件將該至少一個(gè)電容器聯(lián)接到該電子電路上。
76.如權(quán)利要求71至75中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包括接地屏蔽件。
77.如權(quán)利要求76所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該接地屏蔽件包括該至少一個(gè)電容器的導(dǎo)電區(qū)域。
78.如權(quán)利要求71至77中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)電容器包括至少兩個(gè)串聯(lián)機(jī)械聯(lián)接的電容器。
79.如權(quán)利要求71至78中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)電容器包括至少兩個(gè)并聯(lián)電聯(lián)接的電容器。
80.如權(quán)利要求71至79中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)電容器包括電介質(zhì)，并且該電介質(zhì)包括聚合物、聚酰亞胺、聚酯、芳族聚酰胺、硅、玻璃、或復(fù)合材料中的一種。
81.被配置為測(cè)量力、壓力或負(fù)載的醫(yī)療裝置、工具或設(shè)備，該醫(yī)療裝置、工具或設(shè)備包括: 電容器；以及 聯(lián)接到該電容器上的電子電路，該電子電路被配置為生成對(duì)應(yīng)于該電容器的電容的重復(fù)信號(hào)，該電容器是彈性可壓縮的，并且該裝置、工具或設(shè)備被配置為將該力、壓力或負(fù)載聯(lián)接到該電容器上。
82.如權(quán)利要求81所述的醫(yī)療裝置、工具或設(shè)備，其中該電容器形成于互連件中。
83.如權(quán)利要求81或82所述的醫(yī)療裝置、工具或設(shè)備，其中該電容器包括接地屏蔽件。
84.集成醫(yī)療傳感器，該集成醫(yī)療傳感器包括彈性可壓縮電容器，該電容器包括電容器屏蔽件，該電容器屏蔽件被配置為減少與該電容器的導(dǎo)電區(qū)域的電容耦合。
85.如權(quán)利要求84所述的集成醫(yī)療傳感器，該集成醫(yī)療傳感器進(jìn)一步包括聯(lián)接到該電容器的該導(dǎo)電區(qū)域上的互連件。
86.如權(quán)利要求84或85所述的集成醫(yī)療傳感器，該集成醫(yī)療傳感器進(jìn)一步包括被配置為減少與該互連件的電容耦合的互連件屏蔽件。
87.如權(quán)利要求84至86中任一項(xiàng)所述的集成醫(yī)療傳感器，其中該電容器被配置為測(cè)量力、壓力或負(fù)載中的至少一個(gè)。
88.如權(quán)利要求87所述的集成醫(yī)療傳感器，其中該電容器包括電介質(zhì)，并且該電介質(zhì)被配置成是由該力、壓力或負(fù)載中的至少一個(gè)來(lái)壓縮。
89.如權(quán)利要求84至88中任一項(xiàng)所述的集成醫(yī)療傳感器，其中該電容器屏蔽件和該互連件屏蔽件被配置成是聯(lián)接到接地件上的。
90.如權(quán)利要求84至89中任一項(xiàng)所述的集成醫(yī)療傳感器，其中該電容器是柔性的。
91.如權(quán)利要求84至90中任一項(xiàng)所述的集成醫(yī)療傳感器，其中該電容器被配置為符合非平面表面。
92.具有非平面表面的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，該醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件包括被聯(lián)接至該非平面表面上并且符合該非平面表面的電容器。
93.如權(quán)利要求92所述的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，其中該電容器是彈性可壓縮的。
94.如權(quán)利要求92或93所述的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，該醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件進(jìn)一步包括聯(lián)接到電子電路上的互連件，該互連件包括該電容器。
95.如權(quán)利要求94所述的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，該醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件進(jìn)一步包括被配置為減少與該互連件的電容耦合的互連件屏蔽件。
96.如權(quán)利要求92至95中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，該醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件進(jìn)一步包括被配置為減少與該電容器的導(dǎo)電區(qū)域的電容耦合的電容器屏蔽件。
97.如權(quán)利要求92至95中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，其中該電容器包括: 第一介電層； 上覆于該第一介電層之上的第一導(dǎo)電區(qū)域；以及 位于該第一介電層之下的第二導(dǎo)電區(qū)域，該第一導(dǎo)電區(qū)域和該第二導(dǎo)電區(qū)域是聯(lián)接在一起的。
98.如權(quán)利要求97所述的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，該醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件進(jìn)一步包括: 上覆于該第一導(dǎo)電區(qū)域之上的第二介電層；以及 上覆于該第二介電層之上的第三導(dǎo)電區(qū)域。
99.如權(quán)利要求98所述的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，其中該第三導(dǎo)電區(qū)域包括被配置為減少與該電容器的該第一導(dǎo)電區(qū)域和該第二導(dǎo)電區(qū)域的電容耦合的第一電容器屏蔽件。
100.如權(quán)利要求97至99中任一項(xiàng)所述的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，該醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件進(jìn)一步包括: 位于該第二導(dǎo)電區(qū)域之下的第三介電層；以及 位于該第三介電層之下的第四導(dǎo)電區(qū)域。
101.如權(quán)利要求100所述的醫(yī)療裝置、工具、設(shè)備或部件，其中該第四導(dǎo)電區(qū)域包括被配置為減少與該電容器的該第一導(dǎo)電區(qū)域和該第二導(dǎo)電區(qū)域的電容耦合的第二電容器屏蔽件，該第三導(dǎo)電區(qū)域和該第四導(dǎo)電區(qū)域是聯(lián)接在一起的。
102.感測(cè)力、壓力或負(fù)載的方法,該方法包括: 通過(guò)該力、壓力或負(fù)載壓縮電容器；并且 屏蔽該電容器的至少一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域以減少電容耦合。
103.如權(quán)利要求102所述的方法，該方法進(jìn)一步包括:屏蔽將該電容器聯(lián)接到電子電路上的互連件以減少電容耦合。
104.如權(quán)利要求102或103所述的方法，其中該電容器是被配置為感測(cè)該力、壓力或負(fù)載的傳感器的部分，并且該方法進(jìn)一步包括用該傳感器測(cè)量該力、壓力或負(fù)載。
105.如權(quán)利要求104所述的方法，其中該傳感器是假體的部分，并且壓縮該電容器包括用該力、壓力或負(fù)載壓縮該假體。
106.被配置為測(cè)量由肌肉-骨骼系統(tǒng)施加的力、壓力或負(fù)載的假體部件，該假體包括支撐表面和位于該支撐表面之下的多個(gè)傳感器，該支撐表面是順應(yīng)性的并且該多個(gè)傳感器是氣密地密封在該假體部件內(nèi)與外部環(huán)境隔絕。
107.如權(quán)利要求106所述的假體部件，其中該假體部件包括第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)，其中該第一結(jié)構(gòu)包括該支撐表面，其中該第二結(jié)構(gòu)包括聯(lián)接到骨上的特征，并且其中假體部件包括容納電子電路的至少一個(gè)空腔。
108.如權(quán)利要求107所述的假體部件，其中該多個(gè)傳感器被配置為當(dāng)該力、壓力或負(fù)載被施加到該第一結(jié)構(gòu)的該支撐表面上時(shí)，測(cè)量該力、壓力或負(fù)載，并且測(cè)量該力、壓力或負(fù)載被施加到該第一結(jié)構(gòu)的該支撐表面上的位置。
109.如權(quán)利要求106至108中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該多個(gè)傳感器包括應(yīng)變儀、微機(jī)電系統(tǒng)裝置、機(jī)械傳感器、聚合物傳感器、超聲波波導(dǎo)或電容器中的至少一種。
110.如權(quán)利要求107或108所述的假體部件，該假體部件進(jìn)一步包括被配置為聯(lián)接該第一結(jié)構(gòu)的該支撐表面的插入物，并且其中該插入物包括至少一個(gè)關(guān)節(jié)表面。
111.如權(quán)利要求107至110中任一項(xiàng)所述的假體部件，該假體部件進(jìn)一步包括互連件，該互連件包括該多個(gè)傳感器，該互連件將該多個(gè)傳感器聯(lián)接到該電子電路上。
112.如權(quán)利要求107至111中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該導(dǎo)電墊聯(lián)接在該電容器與該第一結(jié)構(gòu)的該支撐表面之間。
113.如權(quán)利要求106至112中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該多個(gè)傳感器是彈性可壓縮的電容器。
114.如權(quán)利要求106至113中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該多個(gè)傳感器包括電介質(zhì)。
115.如權(quán)利要求114所述的假體部件，其中該電介質(zhì)包含聚酰亞胺。
116.如權(quán)利要求106至115中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中每個(gè)電容器包括防止寄生耦合的屏蔽件。
117.用于肌肉-骨骼系統(tǒng)的假體部件，該假體包括: 具有至少一個(gè)順應(yīng)性表面的第一結(jié)構(gòu)； 聯(lián)接到該至少一個(gè)順應(yīng)性表面上的至少一個(gè)傳感器；以及 具有支撐表面的第二結(jié)構(gòu)，其中該支撐表面是剛性的，該至少一個(gè)傳感器聯(lián)接到該第二結(jié)構(gòu)的該支撐表面上，并且該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)封閉并氣密地密封該至少一個(gè)傳感器。
118.如權(quán)利要求117所述的假體部件，該假體部件進(jìn)一步包括位于該至少一個(gè)傳感器與該第一結(jié)構(gòu)的該至少一個(gè)順應(yīng)性表面之間的負(fù)載墊。
119.如權(quán)利要求117或118所述的假體部件，其中該假體部件進(jìn)一步包括用于容納電子電路的至少一個(gè)空腔。
120.如權(quán)利要求117至119中任一項(xiàng) 所述的假體部件，其中該至少一個(gè)傳感器包括電容器。
121.如權(quán)利要求117至120中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)被焊接在一起以便氣密地密封該至少一個(gè)傳感器。
122.如權(quán)利要求117至121中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該至少一個(gè)傳感器包括在預(yù)先確定的位置處聯(lián)接到該至少一個(gè)順應(yīng)性表面上的多個(gè)傳感器。
123.被配置為測(cè)量力、壓力或負(fù)載的脛骨假體部件，該脛骨假體部件包括位于該脛骨假體部件的支撐表面之下的多個(gè)傳感器，該支撐表面是順應(yīng)性的并且該多個(gè)傳感器是氣密地密封在該假體部件內(nèi)與外部環(huán)境隔絕。
124.如權(quán)利要求123所述的脛骨假體部件，其中該脛骨假體部件包括: 具有第一支撐表面和第二支撐表面的第一結(jié)構(gòu)，其中該多個(gè)傳感器包括聯(lián)接到該第一支撐表面上的第一多個(gè)傳感器和聯(lián)接到該第二支撐表面上的第二多個(gè)傳感器；以及 被配置為聯(lián)接到骨上的第二結(jié)構(gòu)，該第一結(jié)構(gòu)和該第二結(jié)構(gòu)被配置為聯(lián)接在一起以形成氣密地密封的殼體，并且其中該電子電路、該第一多個(gè)傳感器、以及該第二多個(gè)傳感器中的至少一個(gè)是位于該殼體中。
125.如權(quán)利要求123或124所述的脛骨假體部件，其中該脛骨假體部件被配置為測(cè)量所施加的力、壓力或負(fù)載被聯(lián)接到該第一支撐表面或該第二支撐表面上的位置，并且其中該第一支撐表面和該第二支撐表面是順應(yīng)性的。
126.如權(quán)利要求124或125所述的脛骨假體部件，其中該第一結(jié)構(gòu)或該第二結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)電材料，并且其中該導(dǎo)電材料被聯(lián)接到接地件上以便屏蔽該第一多個(gè)傳感器和該第二多個(gè)傳感器以免寄生耦合。
127.如權(quán)利要求124至126中任一項(xiàng)所述的脛骨假體部件，其中該第一多個(gè)傳感器和該第二多個(gè)傳感器包括防止寄生耦合的屏蔽件。
128.用于測(cè)量肌肉-骨骼系統(tǒng)的參數(shù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 包含導(dǎo)電材料的假體部件，該假體部件具有被配置為聯(lián)接到骨上的至少一個(gè)特征； 電子電路；以及 被配置為測(cè)量該肌肉-骨骼系統(tǒng)的該參數(shù)的至少一個(gè)傳感器，該電子電路被聯(lián)接到該至少一個(gè)傳感器上，該假體部件容納該電子電路和該至少一個(gè)傳感器，并且該假體部件的該導(dǎo)電材料被聯(lián)接到接地件上以便屏蔽該電子電路和該至少一個(gè)傳感器。
129.如權(quán)利要求128所述的系統(tǒng)，其中該假體部件的該導(dǎo)電材料是通過(guò)該至少一個(gè)傳感器聯(lián)接到接地件上。
130.如權(quán)利要求128或129所述的系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)傳感器包括應(yīng)變儀、壓阻傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)裝置、機(jī)械傳感器、聚合物傳感器、超聲波波導(dǎo)或電容器中的至少一種。
131.如權(quán)利要求128至130中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括聯(lián)接到該至少一個(gè)傳感器上的負(fù)載墊，該負(fù)載墊被聯(lián)接到接地件上。
132.如權(quán)利要求131所述的系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)傳感器是可壓縮電容器。
133.如權(quán)利要求132所述的系統(tǒng)，其中該可壓縮電容器包括被聯(lián)接到接地件上的導(dǎo)電區(qū)域或板。
134.如權(quán)利要求133所述的系統(tǒng)，其中該導(dǎo)電區(qū)域或板被配置為屏蔽該可壓縮電容器。
135.如權(quán)利要求133所述的系統(tǒng)，其中該導(dǎo)電區(qū)域或板被聯(lián)接到該負(fù)載墊上。
136.如權(quán)利要求132至135中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括互連件，并且該互連件包括該可壓縮電容器并且將該電容器聯(lián)接到該電子電路上。
137.用于肌肉-骨骼系統(tǒng)的假體部件，該假體部件包括容納在該假體部件中的至少一個(gè)傳感器，該假體部件包含導(dǎo)電材料，并且該導(dǎo)電材料是接地的以便屏蔽該傳感器以免寄生耦合。
138.如權(quán)利要求137所述的假體部件，其中該假體部件包含鋼。
139.如權(quán)利要求137或138所述的假體部件，其中該至少一個(gè)傳感器是負(fù)載傳感器，該假體部件包括支撐表面，并且該至少一個(gè)傳感器被聯(lián)接到該假體部件的該支撐表面上。
140.如權(quán)利要求137至139中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該至少一個(gè)傳感器包括應(yīng)變儀、微機(jī)電系統(tǒng)裝置、壓阻傳感器、機(jī)械傳感器、聚合物傳感器、超聲波傳感器或電容器中的至少一種。
141.如權(quán)利要求137至140中任一項(xiàng)所述的假體部件，其中該至少一個(gè)傳感器包括屏蔽件，并且其中該屏蔽件和該假體部件的該導(dǎo)電材料是聯(lián)接在一起的。
142.如權(quán)利要求141所述的假體部件，其中導(dǎo)電墊將該至少一個(gè)傳感器的該屏蔽件和該假體部件的該導(dǎo)電材料聯(lián)接在一起。
143.脛骨假體部件，該脛骨假體部件包括容納在該脛骨假體部件中的至少一個(gè)傳感器，該脛骨假體部件包括導(dǎo)電材料，并且該導(dǎo)電材料是接地的以便屏蔽該至少一個(gè)傳感器。
144.如權(quán)利要求143所述的脛骨假體部件，該脛骨假體部件進(jìn)一步包括該脛骨假體部件中的電子電路，該電子電路被聯(lián)接到該至少一個(gè)傳感器上。
145.如權(quán)利要求143或144所述的脛骨假體部件，其中該脛骨假體部件包括支撐表面，該至少一個(gè)傳感器聯(lián)接到該支撐表面上，并且該至少一個(gè)傳感器測(cè)量力、壓力或負(fù)載。
146.如權(quán)利要求143至146中任一項(xiàng)所述的脛骨假體部件，其中該至少一個(gè)傳感器是電容器。
147.如權(quán)利要求146所述的脛骨假體部件，其中該電容器包括聯(lián)接到接地件上的屏蔽件。
【文檔編號(hào)】A61F2/02GK103957789SQ201280057671
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)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.斯坦, A.U.蔡斯 申請(qǐng)人:奧索傳感器公司