CN103945763B - 用于椎骨负载和位置感测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

在此提供负载平衡和对准系统，以便结合整体脊柱对准来评定椎骨上的负载力。该系统包括具有电子组件和带传感器的头部的脊柱器械。该带传感器的头部可以插入椎骨之间并报告椎骨状况，如力、压力、取向以及边缘载荷。与其一起提供了GUI，以便展示当将该器械放置在椎间隙中时该脊柱器械被相对于椎体定位在何处。该系统可以基于所感测的负载和位置参数报告最佳的假体大小和放置，这些负载和位置参数包括沿着确定的插入轨迹的可任选的取向、旋转以及插入角度。

Description

用于椎骨负载和位置感测的系统和方法

领域

本发明总体涉及外科手术电子产品，并且具体来说，涉及用于在脊柱外科手术和长期植入期间评定对准和外科手术植入物参数的方法和器件。

背景

脊柱是由通过肌肉和韧带连接在一起的许多单独的称为椎骨的骨骼组成。软椎间盘使每块椎骨与下一椎骨分开并且起缓冲作用。由于椎骨是分开的，因此脊柱是柔韧的并且能够弯曲。椎骨、椎间盘、肌肉以及韧带一起组成脊柱(vertebralcolumn)或脊柱(spine)。脊柱的大小和形状有所不同，其中可能由于环境因素、健康以及衰老而发生变化。健康的脊柱具有由前到后的曲线，但偏离正常的颈椎前凸、胸椎后凸以及腰椎前凸的畸形状况可能引起疼痛、不适以及移动困难。这些状况会由于可能挫伤神经的椎间盘突出而加剧。

存在畸形脊柱弯(spinalcurve)的许多不同的原因以及从疗法到外科手术的各种治疗选项。手术的目的通常是脊柱的弯曲部分的坚实融合。融合是通过对脊柱进行手术、增添骨移植物并且允许椎骨和骨移植物慢慢愈合在一起从而形成坚实的骨块来实现的。可替代地，通常使用包括骨骼移植物的椎间融合器(spinalcage)来使椎骨分开和使椎骨融合在一起。骨移植物可以来自骨骼库或患者自身的髋骨。可以通过各种仪表化工具和技术使用金属杆和挂钩、丝线或螺钉来大致拉直脊柱。杆或有时是支架或石膏模型将脊柱保持在适当位置，直到该融合有机会愈合。

附图简要说明

该系统的不同特征在所附权利要求书中具体地阐述。结合附图，参考以下说明可以理解在此的实施例，在附图中：

图1示出根据示例实施例的脊柱对准系统；

图2示出根据示例实施例的展示脊柱对准和视图投影的用户界面；

图3示出根据示例实施例的脊柱对准系统的棒(wand)和接收器；

图4示出根据示例实施例的用于确定脊柱对准的多个带传感器的器件；

图5示出根据示例实施例的用于确定脊柱参数的带传感器布置；

图6示出根据示例实施例的用于确定脊柱状况的多个传感器的布置；

图7示出根据示例实施例的带传感器的脊柱器械；

图8示出根据示例实施例的集成式带传感器的脊柱器械；

图9示出非限制实例中的具有椎骨部件的插入器械；

图10示出根据示例实施例的定位在脊柱的椎骨之间用于参数感测的脊柱器械；

图11示出根据示例实施例的展示图10的带传感器的脊柱器械的透视图的用户界面。

图12示出根据示例实施例的定位在脊柱的椎骨之间用于椎间位置和力感测的带传感器的脊柱器械；

图13示出根据示例实施例的展示图12的带传感器的脊柱器械的用户界面的透视图。

图14示出根据示例实施例的用于椎间融合器的布置的带传感器的脊柱插入器械；

图15示出根据示例实施例的展示图14的带传感器的脊柱插入器械的用户界面的透视图；

图16是根据示例实施例的脊柱器械的多个部件的方框图；

图17是根据示例实施例的用于短程遥测的示例性通信系统的示意图；

图18示出根据示例实施例的例的用于测量和报告的通信网络；以及

图19描绘出呈计算机系统形式的机器的示例性图示，在该计算机系统内，一组指令当被执行时可以使该机器执行在此所披露的方法中的任何一种或多种。

详细说明

虽然本说明书以限定本发明的实施例的被认为是新颖的特征的权利要求书结束，但认为，通过考虑以下说明结合附图特征，本发明的方法、系统以及其他实施例将得到更好地理解，在各附图中相似的参考标号转到后续附图。

根据需要，在此披露了本发明的方法和系统的多个详细实施例。然而，应理解，所披露的这些实施例仅是示例性的，这些实施例可以不同形式来实施。因此，在此披露的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅作为权利要求的基础，并且作为教示本领域的技术人员以几乎任何适当详细的结构来不同地采用本发明的这些实施例的代表性基础。此外，在此所使用的术语和短语不意在是限制性的，而是为了提供对本说明书的实施例的可理解的描述。

概括地说，本发明的实施例针对用于椎骨负载和位置感测的系统和方法。脊柱测量系统包括接收器和多个棒，该接收器和这些棒连接到在视觉上呈现位置信息的远程显示器上。棒可以放置在椎骨上或者与之接触，以便报告脊柱对准的各个方面。该位置信息识别棒和相应脊柱椎骨的取向和位置。该系统提供了整体对准以及在外科手术期间跟踪椎骨移动的能力。该系统可以响应于手术过程中捕获到的位置信息和先前记录的与手术前脊柱状况有关的位置数据来建议和呈现手术中脊柱修正。

脊柱测量系统进一步包括负载平衡和对准系统，以便结合整体脊柱对准来评定椎骨上的负载力。该系统包括脊柱器械，该脊柱器械具有电子组件和可以关节连接在椎间隙内的带传感器的头部组件。该带传感器的头部可以插入椎骨之间并报告椎骨状况，如力、压力、取向以及边缘载荷。GUI与该带传感器的头部结合用于显示当该器械在外科手术过程中被放置在椎间隙中时脊柱器械被相对于椎体定位在何处。该系统可以基于所感测的负载和位置参数报告最佳的假体大小和放置，这些负载和位置参数包括沿着确定的插入轨迹的可任选的取向、旋转以及插入角度。

在此还为负载平衡和对准系统提供了用于插入例如椎间融合器或椎弓根螺钉的椎骨部件的插入器械。该系统可以基于先前捕获到的参数测量结果来检查和报告该器械在插入过程中是否为边缘载荷。它展示插入器械对椎骨部件的跟踪，并且基于位置的和负载感测的参数来提供视觉指导和反馈。该系统展示插入器械相对于一个或多个椎体的三维(3D)跟踪，该椎体或这些椎体的取向和位置也被3D建模。

图1示出非限制实例中的脊柱对准系统100。系统100包括可以通信地连接至远程系统105的棒103和接收器101。一般情况下，一个或多个棒与接收器101通信以确定位置信息，该位置信息包括脊柱区的取向、旋转、角度以及位置中的一种。接收器101将关于棒103的位置信息或数据117传送给远程系统105。该位置信息包括用于评定脊柱112的对准(或预定曲率)的取向和平移数据。远程系统105可以是呈现图形用户界面(GUI)107的笔记本计算机或移动工作站。GUI107包含展示脊柱112并且基于位置信息报告脊柱对准的工作流。作为一个实例，该用户界面可以相对于手术后目标对准113展示脊柱椎骨的现有对准114。

对准系统100可以通信地连接至数据库123系统，如服务器125，以便提供在外科手术之前或期间捕获的三维(3D)成像(例如，软组织)和3D模型(例如，骨骼)。这些3D成像和模型可以与位置信息结合使用，以建立相对位置和取向。服务器125可以是本地的、位于附近，或者通过因特网121远程访问。作为一个实例，服务器125提供3D脊柱和椎骨模型。可以采用一台CAT扫描仪(未示出)来产生身体的选择部分的一系列截面的x射线图像。一台计算机操作该扫描仪，并且所得到的图片表示身体的切片。服务器125从这些切片产生三维(3D)模型。服务器125还可以提供从磁共振成像(MRI)扫描仪(未示出)生成的3D模型。服务器125还可以支持荧光透视成像，以便通过使用X-射线源(未示出)和荧光屏来提供患者的内部结构相对于对准系统100的器件的实时移动图像。

脊柱对准系统100报告整体对准和器械(例如，棒103和接收器101)取向，以及跟踪隔离的椎骨移动的能力。接收器101精确地跟踪棒103在具体椎骨处的位置并且沿着脊柱112进行跟踪以确定位置信息。接收器101被示出为连接(例如，用钉固定、用螺丝拧、粘附)到骶骨上。然而，可以将它定位在沿脊柱椎骨的任何位置。可替代地，可以将它安装到脊柱112附近的立柱上。棒103和接收器101是可以经由超声感测、光学感测或电磁感测来传送它们的位置的带传感器的器件。在该实例中，棒103和接收器102利用超声换能器，并且是瞄准线器件。传感器可以安装在棒103外部上、远离棒尖端，或者在某些情况下，安装在棒尖端内。棒103可以握持在手中或者通过机械组件固定到脊柱上。在一个实施例中，用于生成所有对准测量结果的部件(例如，接收器101和棒103)驻留在手术室的无菌区109内。无菌区109也可以称为外科手术区。典型地，远程系统105在手术室的无菌区109之外。无菌区109内使用的部件可以设计用于一次使用。在该实例中，棒103、接收器102或两者都在手术中使用后被处理掉。

在于2007年3月7日提交的题为“用于三维感测的方法和器件(MethodandDeviceforThree-DimensionalSensing)”的美国专利申请11/683,410中披露了超声感测器件的一个实例，该专利的全部内容通过引用结合在此。光学感测的一个实例包括棒103上的三个或四个主动IR反射镜、以及相应的在接收器101上的用于光学跟踪的高速摄像元件，或可替代地用于检测入射光束角并且之后三角测量棒位置的高速光电二极管元件。电磁感测的一个实例包括棒上的金属球，该棒的空间位置是通过评估所生成的磁场强度在接收器103上的变化来确定的。

物理系统或身体内的许多感兴趣的物理参数可以通过评估能量波或脉冲的特性的变化来测量。作为一个实例，可以测量传播通过变化中的介质的能量波或脉冲的渡越时间或形状的变化，以便确定作用在该介质上并引起这些变化的力。该能量波或脉冲在该介质中的传播速度受到该介质的物理变化的影响。感兴趣的一个或多个物理参数可以包括，但不限于，负载、力、压力、位移、密度、粘度以及局部温度的测量结果。这些参数可以通过由定位在身体、器械、设备或其他机械系统上或其内的无线感测模块或器件测量能量脉冲或波的传播时间相对于取向、对准、方向或位置、连同沿一条轴线或多条轴线的组合的移动、旋转或加速度的变化来评估。可替代地，感兴趣的测量结果可以使用(仅举几例)薄膜传感器、机械传感器、聚合物传感器、微机电系统(mems)器件、应变计、压阻结构以及电容结构来测量。

图2示出非限制实例中的展示脊柱对准和视图投影的系统100的图形用户界面(GUI)150。这些视图投影为图1的外科手术和系统器件提供三维可视化，同时实时显示量化测量结果。每个视图投影可以单独配置，以便显示脊柱的具有叠加的脊柱对准信息的不同透视图。第一视图投影210展示矢状视图(即，从前到后)。第二视图投影230展示冠状视图(即，从侧方到侧方)。该矢状视图和冠状视图提供了足够的空间信息来用仅两个视图投影可视化脊柱对准。这些视图投影可以定制以用于不同的视角和场景图。

作为一个实例，外科医生可以握持住棒103并追踪脊柱的轮廓，例如，以便确定脊柱侧凸状况的严重度(或修正情况)。这可以在手术前当患者站立时完成，以便提供对患者的姿势和脊柱曲率的指示。外科医生握持住棒并跟随脊柱的轮廓。GUI108从棒103在追踪过程中捕获到的位置信息可视地展示脊柱轮廓。然后从一阶统计量和几何形状(例如，参见角点R、P1以及P2，其中R是参考对准，P1是接收器101的位置，并且P2是棒103所配准的点)计算出对准角度。该对准角度指示脊柱对准的偏离，并且当投影在视图平面中时显示矢状平面和冠状平面的偏差误差。然后，GUI108可以报告所需的补偿修正。例如，在当前实例中，它报告需要显示框146的+4cm的前进位移以修正线152与线154之间的角度的矢状偏差，以及显示框148的+2cm的向右位移以修正线158与线156之间的角度的冠状偏差。这为外科医生提供了用于提供外科手术对准修正的最少视觉信息。

可替代地，可以采用快速点配准方法来评定脊柱对准。这种点配准方法允许外科医生用最少的配准快速评定脊柱对准。用户握持住棒并指向和轻击椎骨以创建一条点曲线，该点曲线被转换成一条线。在第一步骤A中，将接收器101定位在固定位置处，例如，定位在手术台附近的支柱上。可替代地，可以用钉将接收器101牢牢地固定到骶骨上，如图1中所示。在第二步骤B中，外科医生用棒103尖端在一块基准骨上识别三个或更多个解剖学特征，如沿骶骨上的后髂嵴或背表面的多个点。系统100从例如相对于接收器101原点的<x，y，z>笛卡尔坐标系中的已配准的棒尖端空间位置来确定参考骨取向。然后，系统100从图像服务器125中检索取回相关3D模型脊柱部件(例如，骶骨、椎骨等)，并且根据参考骨取向以适当的缩放和取向(变形和翘曲)将它们显示在GUI108上。一旦3D模型配准完成，并且当患者保持静止时，外科医生随后在第三步骤C中配准椎骨中的一块，例如颈椎骨(C1-C7)。系统100然后具有足够的配准点来创建相对于参考骨的局部坐标系、生成曲线和线段并报告整体对准，如图2中所示。脊柱对准是基于脊柱的预定曲率或直线度来报告的，例如，从而展示线152对比所期望的(预计划的)线154。

图3示出棒103和接收器101的非限制实例，但是，并非所有示出的部件都是必需的；取决于所需功能性可以使用更少的部件。在于2010年10月8日提交的题为“提供感官反馈的导航器件(NavigationDeviceProvidingSensoryFeedback)”的美国专利申请12/900,662中披露了接收器101和棒103以及它们之间的通信操作方式；该申请的全部内容通过引用结合在此。简言之，当前尺寸允许以亚毫米空间精度(<1mm)、远至约2m的距离来进行非接触式跟踪。任一器件都可以被配置以支持各种功能(例如，手持式、安装到物体上)，并且两者都不局限于下述尺寸。

棒103是手持式器件，具有约10cm的宽度、2cm的深度以及从18cm至20cm的可伸缩长度的尺寸大小。如上所述，棒103可以例如沿着物体的轮廓或表面配准感兴趣的点(见点A、B、C)，该轮廓或表面可以在用户界面中进行展示(参见图1的GUI107)。如下面将论述，棒103和接收器101可以经由超声感测、红外感测以及电磁感测进行通信，以便确定它们与彼此的相对位置和取向。包括加速度计的其他实施例提供了进一步的位置信息。

棒103包括多个传感器201至203和棒尖端207。这些传感器可以是超声换能器、微机电元件(MEMS)传声器、电磁体、光学元件(例如，红外元件、激光元件)、金属物体或用于将物理移动转换或传递为例如电压或电流的电信号的其他换能器。它们可以是自供电以传送信号的有源元件，或其中它们具有反射性或显示出可检测磁特性的无源元件。

在一个实施例中，棒103包括各自传送超声信号穿过空气的三个超声发射器201至203、用于生成递送给三个超声发送器201至203用于生成超声信号的驱动信号的控制器(或电子电路)214、接收用户输入用于执行短程位置测量和对准确定的用户界面218(例如，按钮)、用于中继用户输入和接收定时信息来控制电子电路214的通信模块216、以及用于为棒103上的电子电路218和关联的电子器件供电的电池218。控制器214可操作地连接到超声发送器201至203上。发送器201至203响应于控制器214的指示传送感测信号。棒103可以包含比所示部件的数量更多或更少的部件；某些部件功能性可以共享为集成器件。

可以包括额外的发送器传感器，以便提供用于三维感测的超定系统。作为一个实例，每个超声换能器可以执行单独的传送和接收功能。美国专利7,725,288中披露了超声传感器的一个这样的实例，该专利的全部内容通过引用结合在此。超声传感器可以传送根据用于构造和整形波形的定制换能器的物理特征的脉冲成形波形。

棒尖端207在结构上识别多个感兴趣的点，该结构例如，三维空间中的组件、物体、器械或夹具，但不限于这些。尖端不需要传感器，因为它在三维空间中的空间位置是由安排在十字端部的三个超声发送器201至203确立的。然而，可以在尖端207上集成尖端传感器219，以便提供超声波能力(如结构边界、深度等)或基于接触的感测。在这种情况下，尖端207可以是触敏的，从而响应于物理动作(例如，使尖端触碰解剖位置或结构位置)来配准多个点。尖端可以包括用作这类用途的机械的或致动的弹簧组件。在另一种安排中，它包括用于配准触摸的电容式触摸尖端或静电组件。棒尖端207可以包括用于允许棒尖端识别解剖特征的多个可更换的、可拆开的或多头的触笔尖端，而发送器201至203保持与接收器101处于瞄准线(参见图1)。这些触笔尖端可以是成直角的、弯曲的，或者以选择的方式另外成型至指向难以触摸的位置。这允许将棒握持在手中以便经由尖端207来识别感兴趣的点，如结构、骨骼或夹具上的(解剖)特征。

用户界面218可以包括用于允许手持式操作和使用的一个或多个按钮(例如，开/关/复位按钮)以及照明元件来提供视觉反馈。在一个安排中，8-状态导航按压按钮209可以传达指示，以进一步控制或补充用户界面。可以遵照人体工程学将它定位在棒的一侧以允许单手使用。棒103可以进一步包括具有用户界面218的触觉模块。作为实例，该触觉模块可以改变(增大/减小)振动以为不正确或正确的操作发出信号。棒103包括用于发送器201至202的材料覆盖物，这些材料覆盖物是声音(例如，超声波)和光(例如，红外线)可透过的，但例如水、血液或组织等生物材料不可透过。在一种安排中，透明的塑料膜(或网格)被拉伸(stretchedtaught)；它可以在一定传送频率的共振下振动。电池218可以经由无线能量充电(例如，磁感应线圈和超级电容器)进行充电。

棒103可以包括用于连接到结构、物体或夹具上的底座附接机构205。作为一个实例，该机构可以是具有固定插入物(例如，方形的柱头)以允许暂时性脱离的磁性组件。作为另一个实例，它可以是具有锁存增量的磁性球和接头插口。作为仍另一个实例，它可以是矫形螺钉的螺旋柱或销。其他实施例可以允许滑动、平移、旋转、成角以及锁入附接和释放，并且通过现存槽口、脊部或孔的方式连接到标准夹具上。

棒103可以进一步包括放大器213和加速度计217。该放大器增强了传送或接收信号的信噪比。加速度计217识别运动中和静止时的3和6轴线倾斜。通信模块216可以包括用于向接收器101发送信号的部件(例如，同步时钟、射频‘RF’脉冲、红外线‘IR’脉冲、光学/声学脉冲)。控制器214可以包括用于控制传送和接收同步以及对传感器信号、加速度计信息和其他部件数据或状态进行排序的计数器、时钟或其他模拟或数字逻辑。电池218为对应电路逻辑和部件供电。红外发送器209以脉冲的形式发送可以与超声信号的传送(向接收器)同步的红外定时信号。

控制器214可以利用计算技术(例如具有相关存储存储器208(如闪存、ROM、RAM、SRAM、DRAM)的微处理器(uP)和/或数字信号处理器(DSP))，或用于控制该器件的上述部件的操作的其他类似技术。这些指令还可以在其由另一个处理器或计算机系统执行的过程中完全地或至少部分地驻留在其他存储器和/或处理器内。输入/输出端口允许例如通过通用串行总线(USB)的方式来进行信息或数据的便携式交换。控制器214的电子电路可以包括例如专用于核心信号处理算法的一个或多个应用专用集成电路(ASIC)芯片或现场可编程门阵列(FPGA)。控制器214可以是运行操作系统(OS)的一个或多个模块的嵌入平台。在一种安排中，存储存储器可以存储使在此所描述的任何一种或多种方法或功能具体化的一组或多组指令(例如，软件)。

接收器101包括处理器233，该处理器用于生成定时信息、响应于用户输入配准棒103的指向位置，并且从棒103相对于接收器101的三个或更多个指向位置来确定短程位置测量和对准结果。接收器具有约2em的宽度、2cm的深度以及10cm至20cm的长度的大小尺寸。它包括通信模块235，该通信模块用于将定时信息传送给棒103，棒作出响应发送第一、第二以及第三超声信号。这些超声信号可以是通过振幅调制、频率调制以及相位调制的组合生成的脉冲成形信号。三个传声器221至223各自接收传送穿过空气的第一、第二以及第三脉冲成形信号。接收器101可以被配置成线性的或更紧凑的安排，它可以包括三角形状。在于2007年3月7日提交的题为“用于三维感测的方法和器件(MethodandDeviceforThree-DimensionalSensing)”的美国专利申请11/683,410中披露了用于三维感测的器件的一个实例，该专利的全部内容通过引用结合在此。

存储器238存储超声信号，并且能够产生超声信号或已处理信号的历史记录。它还可以例如响应于用户按下按钮以配准位置而存储棒尖端位置。无线通信接口(输入/输出)239以无线方式将该三个或更多个指向位置的位置信息和短程对准传递给远程系统。该远程系统可以是如前面所描述的那样实时显示位置信息和对准信息的一台计算机、笔记本计算机或移动器件。电池为接收器101上的处理器233和相关电子器件供电。接收器101可以包含比所示部件的数量更多或更少的部件；某些部件功能性可以共享或集成在其中。

可以包括额外的超声传感器，以便提供用于三维感测的超定系统。超声传感器可以是MEMS传声器、接收器、超声发送器或其组合。作为一个实例，每个超声换能器可以执行单独的传送和接收功能。美国专利7,414,705中披露了超声传感器的一个这样的实例，该专利的全部内容通过引用结合在此。接收器101还可以包括用于通过销251连接到骨骼或夹具上的附接机构240。作为一个实例，附接机构240可以是具有固定插入物(例如，方形的柱头)以允许暂时性脱离的磁性组件。作为另一个实例，它可以是具有锁存增量的磁性球和接头插口。

接收器101可以进一步包括放大器232、通信模块235、加速度计236以及处理器233。处理器233可以托管软件程序模块，如脉冲整形器、相位检测器、信号压缩器以及其他数字信号处理器代码实用工具和包。放大器232增强了传送或接收信号的信噪比。处理器233可以包括用于控制传送和接收同步以及对传感器信号、加速度计信息和其他部件数据或状态进行排序的控制器、计数器、时钟或其他模拟或数字逻辑。加速度计236可在运动中和静止时识别轴线倾斜(例如，轴线3和6)。电池234为对应电路逻辑和部件供电。接收器包括光电二极管241以用于检测红外信号和确立超声信号的渡越时间，从而允许与棒的无线红外通信。

通信模块235可以包括用于在本地(向棒102)发送信号的部件(例如，同步时钟、射频‘RF’脉冲、红外线‘IR’脉冲、光学/声学脉冲)。它还可以包括用于与远程器件(例如，笔记本计算机、计算机等)无线通信的网络和数据部件(例如，蓝牙、ZigBee、无线网络连接(Wi-Fi)、GPSK、FSK、USB、RS232、IR等)。虽然在此构想出经由网络和数据部件的外部通信，但应注意，接收器101可以包括用户界面237以允许独立操作。作为一个实例，它可以包括3个LED灯224，以便显示三个或更多个棒尖端指向位置对准状态。用户界面237还可以包括触摸屏或具有其自身的GUI的其他界面显示器用于报告位置信息和对准。

处理器233可以利用计算技术(例如具有相关存储存储器238(如闪存、ROM、RAM、SRAM、DRAM)的微处理器(uP)和/或数字信号处理器(DSP))，或用于控制终端器件的上述部件的操作的其他类似技术。这些指令还可以在其由另一个处理器或计算机系统执行的过程中完全地或至少部分地驻留在其他存储器和/或处理器内。输入/输出端口允许例如通过通用串行总线(USB)的方式来进行信息或数据的便携式交换。控制器的电子电路可以包括例如专用于核心信号处理算法或控制逻辑的一个或多个应用专用集成电路(ASIC)芯片或现场可编程门阵列(FPGA)。该处理器可以是运行操作系统(OS)的一个或多个模块的嵌入平台。在一种安排中，存储存储器238可以存储使在此所描述的任何一种或多种方法或功能具体化的一组或多组指令(例如，软件)。

在第一安排中，接收器101经由栓接电连接(例如，电线)连接到棒103上。也就是说，棒103的通信端口在物理上连接至接收器101的通信接口用于接收定时信息。来自接收器101的定时信息通知棒103何时传送，并且包括可以用于脉冲整形的可任选的参数。接收器101上的处理器233采用这种定时信息来相对于参考时基确立超声信号发送情况下的飞行时间测量结果。

在第二安排中，接收器101通过经由无线I/O239的无线信号发送连接通信地连接至棒103。在于2010年10月8日提交的题为“提供感官反馈的导航器件(NavigationDeviceProvidingSensoryFeedback)”的美国专利申请12/900,662中披露了信号发送协议；该专利的全部内容通过引用结合在此。对于每个传送的脉冲成形信号，棒103上的红外发送器209传送红外定时信号。它以脉冲的形式发送与超声信号向接收器的传送同步的红外定时信号。接收器101可以包括光电二极管241以用于确定何时接收到该红外定时信号。在这种情况下，棒103的通信端口通过该红外发送器和该光电二极管无线连接至接收器101的通信接口，用于在微秒精度(～1mm分辨率)内中继该定时信息。接收器101上的处理器233采用这种红外定时信息来相对于参考渡越时间确定第一、第二以及第三飞行时间测量结果。

图4示出非限制实例中的用于评估脊柱对准300的多个带传感器的棒。如图所示，多个带传感器的棒301至304可以用于跟踪单独椎骨移动和/或相对于其他追踪的椎骨进行对准。每个棒可以具有不同大小和传感器配置。棒可以是具有4cm与12cm之间的跨度以及小于或等于1cm的宽度的轻量部件。一般情况下，棒301至304具有用手容易握持或可以由肌肉-骨骼系统附接和支撑的形状因子。例如，第一棒301可以具有比另一个棒303更宽且更长的传感器跨度。这可以增强棒301至304与接收器308之间的通信。每个棒可以具有例如存储为该棒独有的特性低频磁场波长的单独ID，以从其他棒中识别它。系统100可以经由无源磁场识别出这些棒，并且经由一个或多个超声元件、光元件、电磁元件或(无源/有源)传感器来确定位置。

与图4的图示结合，在此构想出工作流方法。在第一工作流步骤311中，将接收器308定位在手术区附近并且在预期要使用这些棒的位置。如前面所提到，接收器308被放置在支柱上或者固定到骶骨(或其他骨区)上以跟踪棒的取向和位置。可以将棒握持在手中并且使用它来配准骶骨上的解剖特征，例如，用棒尖端指向并轻击骨特征。这种点配准捕获多个解剖点，然后使用这些解剖点来检索取回具有适当的取向和尺寸的3D脊柱模型。在步骤312中，可以使用棒来配准一块椎骨上的多个点，以便评定这块椎骨的位置。在第一安排中，可以直接将棒固定到椎骨上而没有任何棒尖端点配准。这提供了用于评定插入点处的空间位置但不一定包括取向(三维信息)的一个点。

在第二安排中，首先使用棒配准椎骨表面上的多个点，并且然后再插入其中。这种配准捕获多个解剖椎骨点，然后使用这些解剖椎骨点来检索取回具有适当的取向和尺寸的3D椎骨模型。这允许系统100在棒插入其中时以适当的缩放和位置来跟踪椎骨。在配准和将接收器定位在骶骨上以及将各棒定位在椎骨上的过程中，系统100提供实时的器械跟踪视图，如在步骤313中所示。也就是说，它产生展示脊柱、带传感器的棒301至304以及接收器308的3D模型的虚拟环境。

图5示出非限制实例中的用于确定脊柱状况的带传感器布置。如前面所指出，棒尖端还可以包括传感器，如生物识别(biometric)换能器。当被用于配准感兴趣的点时，棒尖端还可以捕捉与该插入位点直接相关的生物识别数据。棒尖端还可以脱离生物识别换能器并把它留下定位在接触部位处。图5和图6的图示示出棒尖端传感器的放置，这在一些构造中将其尖端传感器部署在原位以用于长期植入。系统100还可以实现以振动模式传输的能量波，这些能量波可以模仿骨骼上的负载并且使得骨矿物质含量和密度提高。这些传感器还可以通过或穿过植入物发送能量波，以便因此帮助骨折的愈合。

因此，在此提供了用于检测生物识别参数的方法，这些生物识别参数是带传感器布置(包括位置和取向)的函数。该方法包括在椎骨关节的移动部件上提供生物识别换能器、在该椎关节或脊柱运动过程中从该生物识别换能器传送能量波(例如，超声波、光波、电磁波)到与该椎关节的该移动部件不同的手术区域中、在该椎关节运动过程中量化地评定该能量波的行为；并且基于所评定的行为和椎关节运动，确定当前状态或该手术区域的选自下组的至少一个参数，该组由以下各项组成：压力、张力、剪力、负载、扭矩、骨密度以及承重。可替代地，可以使用合并一个或多个传感器的可插入的头部组件来测量感兴趣的生物识别参数。在该实例中，生物识别换能器可以检测和传送关于椎骨的运动和负载的信息。作为一个实例，这些传感器可以通过例如当椎关节在移动过程中发生挠曲时评估所评定的行为的频率或周期性来检测矫形关节的异常运动。

如图5中所示的一个实例，可以将单个传感器352植入在椎关节的骨骼或假体部件(例如，椎骨)上，以便评定椎关节在移动过程中的行为，如与压力、张力、剪力、骨密度以及承重有关的关节力学的质量或功能性。在这个实施例中，传感器352是在骨骼(椎骨)上的固定位置处，并且在运动过程中与椎骨358一起相对于手术区域360移动。如图所示，手术区域360包括椎骨354、椎间盘356以及椎骨358。由于椎骨主要移动该单个传感器，所以手术区域360相对于传感器来说是相对静止的。这种安排中的该单个传感器暴露于手术区域中的感兴趣的参数(例如，压力、张力、剪力、骨密度以及承重)由于运动而造成的各种变化。作为一个实例，传感器由于在运动过程中施加在关节中不同位置处的动作而贯穿关节移动范围而被压缩。在运动过程中，传感器352评定手术区域中的能量波；还对相邻区域进行评定，因为椎骨的移动(以及相应地传感器焦点)由于运动而相对于手术区域发生变化。还确定传感器352相对于该另一椎骨的位置(当被附接到棒上时通过棒)，并且将其用于关于取向、定位以及位置来对感测到的参数的变化进行编目。

将传感器352放置在移动部件(例如，椎骨、假体植入物)上以及向与椎关节的该运动部件不同、其位置和取向已知的手术区域中传送能量波的一个优点在于：它有效地改变使传感器352的分辨率和焦点连同该传感器上的力发生改变的传感器352与该手术区域之间的距离。位置信息还指示与感测到的参数的改变有关的移动周期性。作为一个实例，以传送和接收切换方式操作的传感器352可以取得该手术区域的不同深度处的测量结果而不产生操作变化。由于关节运动而造成的距离变化，传感器352可以取得不同的测量结果而无需传感器调整，否则可能需要改变所传送的能量波的频率、振幅或相位例如以便匹配阻抗。

作为一个实例，生物识别传感器352可以是超声波器件。与仅测量骨骼矿物质含量的其他骨密度测量方法相比，量化超声可以测量额外的骨骼性质，如机械完整性。超声波穿过骨的传播受骨量、骨结构以及负载的方向性的影响。量化超声波测量结果作为评定骨骼的强度和刚度的量度是基于对所接收到的超声波信号的处理。声速和超声波传播通过骨骼和软组织。假体松动或沉陷、以及股骨/胫骨/或臼假体或假体的骨折与骨质流失相关。因此，对假体周围骨骼矿物质含量的渐进量化变化作出准确评定可以有助于治疗外科医生确定何时干预以便保持骨存量从而进行关节翻修术。这一信息有助于用于骨质疏松骨骼的植入物的建立，并且有助于对骨质疏松的医学处理和不同植入物涂层的影响的评估。

图6示出非限制实例中的用于确定脊柱状况的多个带传感器布置。如前面所指出，棒尖端还可以包括传感器，如生物识别换能器。当被用于配准感兴趣的点时，棒尖端还可以捕捉与该插入位点直接相关的生物识别数据。棒尖端还可以脱离生物识别换能器并把它留下定位在接触部位处。

因此，在此提供种用于检测生物识别参数的方法，该方法包括：在不同于椎关节的移动部件的该手术区域中提供第二生物识别换能器，并且基于第一生物识别换能器与该第二生物识别换能器在椎关节运动过程中的相对间隔来量化地评定能量波的行为。该手术区域的当前状态或至少一个参数是从所评定的行为和椎关节运动确定的。该参数是应变、振动、运动学以及稳定性中的一种。第一生物识别换能器或第二生物识别传感器可以包括收发器，用于将与该至少一个生物识别参数有关的数据传送至外部源以进行评定。

如图6中所示，可以将传感器352植入在椎关节的骨骼或假体部件(如椎骨)上，并且可以将传感器366定位在手术区域中的不同位置处，用于评定椎关节在移动过程中的行为。在这个实施例中，传感器352是在骨骼(椎骨)上的固定位置处，并且在关节运动过程中与椎骨一起相对于传感器366在手术区域中移动。传感器366可以在不同的骨骼上。虽然这两个传感器都可以移动，但实际上可以认为传感器352是相对于传感器366移动并且如所指示发生相对位移。传感器352和366允许关于(但不限于)骨密度、流体粘度、温度、应变、压力、角畸形、振动、负载、扭矩、距离、倾斜度、形状、弹性、运动以及其他来对宿主骨骼和组织进行评估。

所示的双传感器安排可以评估骨骼完整性。例如，在椎关节中，连接到第一和第二椎骨上的传感器352和366评定骨密度。由根据本发明的传感器352、传感器366或两者发送的外部和内部的能量波可以在骨折和脊柱融合的治疗过程中使用。利用所部署的两个传感器，这些传感器之间的距离可以在所关注区域以及可能生成的功率场处确定。这些能量场可以是标准能量源，如超声波、射频和/或电磁场。例如，能量波随时间的偏转将允许对正在评估的所需参数的变化的检测。作为实例，布置在股骨的远端上的第一传感器可以在椎骨移动过程中从嵌入在胫骨的近端上的第二传感器来评定骨密度。

两个或更多个传感器的一个优点是它们由于运动而相对于彼此移动得间隔更近和更远，这些动作改进了对能量波的评定，例如，由于传感器的频率特性和所研究的手术区域的阻抗特征。再次，传感器352和366的相对间隔可以允许取得不同的测量结果而无需传感器调整，否则可能需要改变所传送的能量波的频率、振幅或相位例如以便匹配阻抗。在当前实例中，骨骼的测量是基于对接收到的超声波信号的处理。声速和超声波速度两者均基于超声波传播通过骨骼和软组织有多迅速而提供测量结果。这些测量特性允许创建快速三维几何形状，该信息可以由系统100结合位置信息、取向信息以及定位信息进行处理。因为这些传感器横跨关节间隙，所以它们可以检测植入物功能的变化。植入物功能的实例(仅举几例)包括轴承磨损、沉陷、骨结合、正常和异常运动、热量、粘度变化、颗粒物、运动学。

图7示出非限制实例中的带传感器的脊柱器械400。呈现了侧视图和俯视图。脊柱器械400包括手柄409、轴430以及带传感器的头部407。手柄409连接在轴430的近端处，并且带传感器的头部407连接到轴430的远端上。在一个实施例中，手柄409、轴430以及带传感器的头部407形成刚性结构，该刚性结构在被用来撑开或测量脊柱区时不会发生挠曲。脊柱器械400包括可操作地连接到带传感器的头部407中的一个或多个传感器上的电子组件401。这些传感器连接到带传感器的头部407的移动部件404/405上的表面403/406上。电子组件401朝轴407的近端定位或者位于手柄409中。如图所示，电子组件401连接到轴409上。电子组件401包括电子电路，该电子电路包括逻辑电路、加速度计以及通信电路。在一个实施例中，带传感器的头部407的表面403和406可以具有凸起的形状。表面403和406的凸起形状支持将带传感器的头部407放置在脊柱区内并且更确切地说，放置在椎骨的轮廓之间。在一个实施例中，带传感器的头部407是高度可调节的，这是借助顶部件404和底部件405通过根据手柄409转动运动411而均匀地张开和闭合的插口402的方式进行的。插口402连接到带传感器的头部407的部件404和405的内表面上。轴430包括一个或多个纵长通道。例如，例如柔性电线互连件之类的互连件可以连接穿过轴430的一个纵长通道，这样使得电子组件401可操作地连接到带传感器的头部407中的一个或多个传感器上。类似地，螺纹杆可以连接穿过轴430的第二通道以用于将手柄409连接到插口404上，由此允许经由手柄409的旋转来调节带传感器的头部407的高度。

脊柱器械400还可以通过多个嵌入加速度计的方式来确定取向。带传感器的头部407支持多种功能，这些功能包括确定手术区域(例如，椎间隙)的参数的能力，该参数包括压力、张力、剪力、负载、扭矩、骨密度和/或承重。在一个实施例中，带传感器的头部407中可以包括不止一个负载传感器。这不止一个负载传感器可以连接至表面403和406的预定位置。具有不止一个负载传感器允许带传感器的头部407测量施加到表面403和406上的负载的负载量值和位置。带传感器的头部407可以用于在安装椎骨部件之前测量、调整以及测试脊柱关节。如下面将看到，对准系统100评估椎间负载感测过程中脊柱器械400的最佳插入角度和位置，并且在使用插入器械时复制这些条件。

在本发明中，这些参数可以用集成的无线带传感器的头部407或包括以下各项的器件来测量：i)支撑多个传感器和接触表面的封装结构，以及ii)电子组装件，该电子组装件集成了电源、多个感测元件、一个或多个超声波谐振器或一个或多个换能器以及一个或多个超声波波导、一个或多个偏置弹簧或其他形式的弹性构件、加速度计、天线以及用于处理测量数据以及控制所有的能量转换、传输和检测以及无线通信操作的电子电路。带传感器的头部407或器械400可以定位在范围广泛的物理系统上或在其内，或者与其相接合，或者附接或贴合到其上或在其内，以用于实时感测和通信感兴趣的参数，这些物理系统包括但不限于器械、电器、车辆、设备或其他物理系统连同动物和人体。

使用脊柱器械400的实例是在椎间融合器的安装过程中。该椎间融合器用于代替椎间盘使椎骨隔开。椎间融合器典型地是中空的，并且可以形成为具有用于固定的螺纹。往往在椎骨之间安装两个或更多个融合器，以便提供充分的支撑和负载在运动范围上的分布。在一个实施例中，椎间融合器由钛制成以实现轻质和强度。还可以在融合器中放置骨生长材料以开始并促进骨骼生长，由此进一步长期强化椎间区域。脊柱器械400插入在椎骨之间的间隙中以测量负载和负载位置。负载位置对应于将负载施加在带传感器的头部407的表面403或406上的椎骨区域或表面。还可以测量脊柱器械400的带传感器的头部407的插入角度和位置。外科医生使用负载量值和负载位置测量结果来确定椎骨之间的植入物位置和该植入物位置的椎间融合器的最佳大小。该最佳大小将是当被脊柱加载时落入预定负载范围内的融合器高度。典型地，用于撑开感兴趣的椎骨并测量由感兴趣的椎骨施加的力的带传感器的头部407的高度等于在后续步骤中植入的融合器高度。在从椎骨中取出带传感器的头部407后，可以将椎间融合器植入同一区中。所植入椎间融合器上的负载约等于由脊柱器械400测得并施加到带传感器的头部407上的测量结果。在一个实施例中，插入试验的角度和位置的测量结果是由脊柱器械400或连接至其上的远程系统记录的。角度和位置测量结果随后用来指导将椎间融合器以脊柱器械400在测量过程中的相同路径插入脊柱的同一区中。

图8示出非限制实例中的集成式带传感器的脊柱器械410。具体来说，电子组件401在集成器械410的内部。它包括外部无线能量源414，该外部无线能量源可以放置在充电单元附近以启动无线充电操作。无线能量源414可以包括电源、调制电路以及数据输入端。该电源可以是电池、充电器件、电容器、电源连接，或用于生成可以向脊柱器械410输送功率的无线功率信号的其他能量源。外部无线能量源414可以(但不限于)以电磁感应或其他电磁或超声波发射的形式传送能量。在至少一个示例性实施例中，无线能量源包括线圈，当将该线圈紧靠该感应线圈放置时，用来电磁连接到感测器件中的感应线圈上并且可以使该感应线圈激活(例如，通电)。

该电子组件401将所测得的参数数据经由数据通信电路发送给接收器，用于允许椎骨部件上各点的参数的水平和分布的可视化。数据输入还可以是接口或端口，以便从另一数据源(如从计算机)经由有线或无线连接(例如，USB、IEEE802.16等)接收输入信息。调制电路可以将输入信息调制成由电源生成的功率信号。带传感器的头部407具有典型地由低摩擦聚合物材料制成的耐磨表面。理想地，带传感器的头部407在被插入椎骨之间时具有类似于天然脊柱的适当的负载、对准以及平衡。

图9示出非限制实例中的具有多个椎骨部件的插入器械420。如在此所描述的电子组件401类似地支持插入器械420的取向和位置数据的生成。通过对准系统100的方式，用户可以复制插入角度、位置以及轨迹(路径)，从而实现椎骨部件的正确的或预先计划的放置。可替代地，电子组件401中的加速度计可以提供位置和轨迹信息。插入器械420包括手柄432、颈434以及尖端451。附接/释放机构455连接到颈434的近端上以用于控制尖端451。附接/释放机构455允许外科医生固持或释放连接到尖端451上的椎骨部件。在该实例中，手柄432在颈434的近端附近以角度延伸。手柄432的定位允许外科医生在脊柱区中准确地引导尖端451，同时允许接近附接/释放机构455。

在第一实例中，该椎骨部件是椎间融合器475。椎间融合器475是可以在外科手术过程中插入脊柱的椎骨之间的小的中空的圆柱形器件，通常由钛制成，具有多个多孔壁。一般情况下，在椎间融合器475插入之前，撑开过程使椎骨分开预定距离。作为改善患者舒适度的解决方案，椎间融合器475可以提高稳定性、减小椎体压缩，并且减少神经压迫。椎间融合器475可以包括表面螺纹以允许融合器是自攻的并且提供进一步稳定性。椎间融合器475可以是多孔的，以便包括支持骨骼在椎体之间生长并穿过融合器475的骨骼移植材料。可以在椎骨之间放置不止一个椎间融合器以缓解不适。椎间融合器475的正确放置和定位对于成功的长期植入和患者结果是重要的。

在第二实例中，该椎骨部件是椎弓根螺钉478。椎弓根螺钉478是设计用于植入到椎弓根中的具体类型的骨骼螺钉。每块椎骨存在连接到其他结构(例如，椎板、椎弓)上的两个椎弓根。多轴椎弓根螺钉可以由钛制成，以便抵抗腐蚀并且增大部件强度。椎弓根螺钉长度的范围从30mm到60mm。直径的范围从5.0mm到8.5mm。这些尺寸用作尺寸实例，并不限于这些尺寸。椎弓根螺钉478可以用于器械手术中，用于将杆和板固定到脊柱上以矫正畸形和/或治疗创伤。它可以用于固定脊柱的一部分以通过使骨骼结构保持在一起来协助融合。通过电子组件401(其可以集成在内部或外部)，插入器械420可以确定螺钉放置的深度和角度并引导其中的螺钉。在该实例中，一个或多个加速度计用于在插入过程中提供尖端451的取向、旋转、角度或位置信息。

在一个安排中，螺钉478嵌入有多个传感器。这些传感器可以传送能量、以及获得密度读数并监测密度随时间的变化。作为一个实例，系统100可以因此监测和报告骨折部位的愈合情况。这些传感器可以检测该骨折部位处的运动连同螺钉与骨骼之间的运动的变化。这类信息有助于监测愈合情况，并且给予医护人员监测如所指示的椎骨承重的能力。这些传感器还可以被外部激活来向骨折本身发送能量波以帮助愈合。

图10示出非限制实例中的定位在脊柱的椎骨之间用于感测椎骨参数的脊柱器械400的透视图。一般来说，当带传感器的头部407插入到脊柱区中时，压缩力会施加到表面403和406上。在一个实施例中，带传感器的头部407包括两个或更多个负载传感器，这些传感器识别表面403、表面406或两者之上的负载的与两个表面之间的椎间力相关的量值矢量。在所示实例中，脊柱器械400被定位在椎骨(L5)与骶骨(S)之间，这样使得压缩力施加到表面403和406上。用于插入器械400的方法是从后部(背侧)通过微小剖腹术插入，因为内窥镜方法可能难以可视化或提供良好的暴露。另一种方法是从前部(前侧)插入，这允许外科医生穿过腹部到达脊柱来工作。通过这种方式，位于背部中的脊柱肌肉不被破坏或切开；从而避免了肌肉无力和疤痕形成。脊柱器械400可以用于前部或后部脊柱方法中的任一种。

脊柱器械400的带传感器的部件的多个方面在于2010年6月29日提交的题为“用于矫形负载感测插入器件的系统和方法(SystemandMethodforOrthopedicLoadSensingInsertDevice)”的美国专利申请12/825,638，以及于2010年6月29日提交的题为“用于感测肌肉-骨骼系统参数的无线感测模块(WirelessSensingModuleforSensingaParameteroftheMuscular-SkeletalSystem)”的美国专利申请12/825,724中进行了披露，这些申请的全部内容通过引用结合在此。简言之，带传感器的头部407可以测量椎骨的相应位置处的力(Fx、Fy以及Fz)和力矩(例如，Tx、Ty以及Tz)以及边缘载荷。电子电路401(未示出)控制带传感器的头部407中的传感器的操作和测量。电子电路401进一步包括用于短程数据传送的通信电路。然后，它可以将所测得的数据传送给远程系统，以便提供实时可视化来协助外科医生识别实现最佳关节平衡所需的任何调整。

下面披露了在肌肉-系统中安装部件的方法。该方法的步骤可以任何顺序来执行。使用了将融合器放置在椎骨之间的实例来示范该方法，但该方法适用于其他肌肉-骨骼区，如膝、髋、踝、脊柱、肩、手、臂以及脚。在第一步骤中，将具有预定宽度的带传感器的头部放置在肌肉-骨骼系统的区中。在该实例中，插入区是在脊柱的椎骨之间。可以使用锤来轻敲手柄的一端，以便提供足够的力来将带传感器的头部插入椎骨之间。插入过程还可以撑开椎骨，由此增大间距。在第二步骤中，测量施加到带传感器的头部上的负载的位置。因此，可获得带传感器的头部的表面上的负载的负载量值和位置。一旦带传感器的头部被插入，肌肉-骨骼系统所施加的负载定位在带传感器的头部的表面上的方式可以有助于确定部件的稳定性。可以预测这样的情形：在施加到带传感器的头部上的不规则负载的情况下，所施加的力会将部件推挤远离插入位置。一般情况下，带传感器的头部用于基于量化数据识别用于插入部件的合适位置。在第三步骤中，来自带传感器的头部的负载和负载位置数据被实时显示在远程系统上。类似地，在第四步骤中，取向、旋转、角度或位置中的至少一个被实时显示在该远程系统上。在定位带传感器的头部过程中所做的改变被反映在远程系统显示器上的数据中。在第五步骤中，识别了具有适当的负载和位置的椎骨之间的位置，并且相应的量化测量数据被存储在存储器中。

在第六步骤中，将带传感器的头部移除。在第七步骤中，将部件插入肌肉-骨骼系统中。作为实例，所存储的量化测量数据被用于支持部件在肌肉-骨骼系统中的定位。在该实例中，插入器械可以用于将部件引导到肌肉-骨骼系统中。插入器械是有源器件，当正在插入部件时，该有源器件提供部件的取向、旋转、角度或位置。先前测得的带传感器的头部的插入的方向和位置可以用于指导插入器械。在一个实施例中，远程系统显示器可以帮助显示插入器械和部件与先前插入的带传感器的头部的关系对准。插入器械结合该系统可以提供视觉的、声音的、触觉的或其他反馈，以便进一步帮助引导部件的放置。一般情况下，正在插入的部件具有与带传感器的头部大致相同的高度。理想地，部件以与先前插入的带传感器的头部相同的位置和定位插入，这样使得部件上的负载和负载位置类似于量化测量结果。在第八步骤中，将部件与先前插入的带传感器的头部相同地定位并且释放部件。然后可以将插入器械从肌肉-骨骼系统中移除。在第九步骤中，至少对带传感器的头部进行处理。

因此，带传感器的头部被用于识别用于部件插入的适合的位置。该插入由包括位置和定位的量化测量提供支持。此外，在已经完成手术之后，可以得知部件上的近似负载和负载位置。一般情况下，知道肌肉-骨骼系统所施加的负载和在部件的表面上的位置可以有助于确定部件长期的稳定性。施加在部件上的不规则负载可能导致所施加的力将部件推挤远离插入位置。

图11示出非限制实例中的展示图10的带传感器的脊柱器械的透视图的图形用户界面(GUI)500。用户界面500是以远程系统105和对准系统100(参见图1)的方式呈现。GUI500包括窗口510和相关窗口520。窗口520关于正在评估的椎骨522展示了脊柱器械400和传感器头部407。在这个实例中，示出了椎骨的透视(顶视)图。它指示轴角523和旋转分量524，该轴角和该旋转分量揭示脊柱器械400例如当它朝前移动到切口中时的接近角和旋转。在手术过程中，窗口520和相应的GUI信息被呈现并实时更新。它允许外科医生使脊柱器械400的使用和感测到的参数可视化。窗口510展示了带传感器的头部407的感测表面(403或406)。十字线512叠加在传感器头图像上，以便识别力的最大点和位置。它还可以延长以显示椎骨边缘载荷。窗口513报告跨传感器头表面的负载力，例如，20lb。在手术过程中，这一信息被呈现并实时更新。

如前所述，系统100可以通过参数感测(例如，脊柱负载、边缘载荷、压缩等)的方式在手术中使用以帮助假体/器械/硬件的移植。这些部件如接收器101、多个棒103以及脊柱器械400在被使用时保持在手术区内。远程系统105典型地是在手术区之外。所有测量都是由这些部件在外科手术区内进行的。在一个实施例中，在手术完成之后，接收器101、多个棒103以及脊柱器械中的至少一个被处理掉。一般情况下，它们被设计成为一次使用供电，并且不能被重新灭菌。

在脊柱中，系统100评估对骨组织和软组织成分的影响，连同软组织(例如，软骨、肌腱、韧带)在外科手术(包括矫正性脊柱外科手术)过程中的变化。然后，在手术过程中(以及在手术后)使用传感器来评估和可视化随时间的变化和动态变化。当存储外科手术参数读数时，传感器可以在手术中激活。手术后紧接着，传感器被激活，并且得知基线。

传感器系统100允许关于(但不限于)骨密度、流体粘度、温度、应变、压力、角畸形、振动、负载、扭矩、距离、倾斜度、形状、弹性以及运动对脊柱和结缔组织进行评估。由于传感器跨越椎间隙，所以这些传感器可以在它们插入之前预测椎骨部件功能的变化。如前所述，系统100被用于将脊柱器械400放置在椎间隙中，在那里脊柱器械400被展示为相对于椎体522进行定位。一旦它被放置在椎骨中心中并被视觉确认，系统100就报告器械上的任何边缘载荷，该边缘载荷又被用来确定适当的椎骨器件的大小和插入方案(例如，接近角、旋转、深度、路径轨迹)。植入物部件功能的实例(仅举几例)包括轴承磨损、沉陷、骨结合、正常和异常运动、热量、粘度变化、颗粒物、运动学。

图12示出非限制实例中的定位在脊柱的椎骨之间用于椎间位置和力感测的带传感器的脊柱器械400。如图所示，脊柱器械400的带传感器的头部407被放置在椎骨L4和椎骨L5之间。脊柱器械400撑开L4和L5椎骨成带传感器的头部407的高度，并且提供关于负载量值和负载位置的量化数据。在一个实施例中，脊柱器械400与定位在其每一侧附近的第一棒510和第二棒520进行通信。在每个棒上设有长轴514以允许定位在脊柱的椎骨内并且还与其他棒以及脊柱器械400的电子组件401并排。棒510跟踪椎骨L4的取向和位置，而棒520跟踪椎骨L5的取向和位置。这允许系统100跟踪脊柱器械400相对于相邻椎骨的移动的取向和移动。类似于脊柱器械400，每个棒都是带传感器的。棒510和棒520对应地包括传感器512和传感器513。传感器512和513可以传送和接收位置信息。电子组件401与棒510和520一起双重地用于解决脊柱器械400在手术过程中的取向和位置。在于2010年4月20日提交的题为“用于位置测量的系统(MethodandSystemforPositionalMeasurement)”的美国专利申请12/764,072中披露了超声位置感测的一个实例，该专利的全部内容通过引用结合在此。

图13示出非限制实例中的展示图12的带传感器的脊柱器械的用户界面600的透视图。用户界面600是以远程系统105和对准系统100(参见图1)的方式呈现。GUI600包括第一窗口610和相关第二窗口620。第二窗口620关于正在评估的椎骨部件622展示了脊柱器械和带传感器的头部407。在这个实例中，展示了脊柱的矢状(侧)视图。它指示轴角623和旋转分量624，该轴角和旋转分量揭示脊柱器械和带传感器的头部407的接近角和旋转。在手术过程中，第二窗口620和相应的GUI信息被呈现并实时更新。它允许外科医生使脊柱器械400的带传感器的头部407和感测到的负载力参数可视化。第一窗口610展示了该传感器头部的感测表面(参见图7)。十字线612叠加在带传感器的头部407的图像上，以便识别力的最大点和位置。还可以调整该图像的宽度和长度以显示椎骨边缘载荷。另一个GUI窗口613报告带传感器的头部407表面上的负载力。在手术过程中，GUI600被呈现并实时更新。

图14示出根据非限制实例中的用于椎间融合器475的放置的带传感器的脊柱插入器械420的透视图。插入器械420提供了用于将椎骨部件475(例如，椎间融合器、椎弓根螺钉、传感器)植入在图示中的L4与L5椎骨之间的外科手术装置。颈434的远端处的机械组件尖端451允许通过附接/释放机构455的方式来附接和释放椎骨部件。如图所示，椎骨部件475可以通过背部中的中线切口例如经由后路椎体间融合术(PLIF)放置在脊柱的背部中。类似地，插入器械420可以在前路椎体间融合术(ALIF)手术中使用。

在此所设想的一种方法中，融合器在插入之前的位置是例如通过关于图12和图13中所示的脊柱器械400的棒510和520所描述的3D成像或者通过超声导航来最佳地限定的。如上所述，负载传感器407(参见图12)定位在椎骨之间以评定负载力，其中限定了最佳插入路径和轨迹。负载力和器械插入路径被记录。其后如图14中所示，插入器械420根据所记录的路径并且基于负载力来插入最终的椎间融合器475。在插入过程中，如图15中所示的GUI将脊柱器械420导航至所记录的插入点。脊柱插入器械420可以配备有用作最终椎间融合器的占位物(placeholder)的一个或多个负载传感器。在将椎间融合器放置在椎骨之间、将椎间融合器从插入器械420中释放、以及移除插入器械420之后，椎间融合器475周围被占据的开放空间然后经由相邻椎骨上的杆和椎弓根螺钉而闭合。这将周围的椎骨压缩到椎间融合器上，并且为椎骨融合提供了稳定性。在这一手术过程中，图15的GUI700报告脊柱解剖的变化，例如，由于杆的调整和椎弓根螺钉的收紧造成的脊柱前凸和后凸。值得注意的是，GUI700还提供视觉反馈，该视觉反馈指示对杆和螺钉进行器械调整的量和方向以实现所计划的脊柱对准。

图15示出非限制实例中的展示图14的带传感器的脊柱插入器械420的透视图的用户界面700。用户界面700是以远程系统105和对准系统100(参见图1)的方式呈现。GUI700包括第一窗口710和相关第二窗口720。第二窗口720关于正在评估的L4和L5椎骨展示了脊柱器械420和椎骨部件475。在这个实例中，展示了脊柱的矢状(侧)视图。它指示轴角723和旋转分量724，该轴角和旋转分量揭示插入器械420和椎骨部件475的接近角和旋转。在手术过程中，第二窗口720和相应的GUI信息被呈现并实时更新。这允许外科医生根据先前所感测的负载力参数使插入器械420的椎骨部件475可视化。

第一窗口710展示了目标(所希望的)带传感器的头部取向722和当前的器械头部取向767。目标取向722展示了先前当使用脊柱器械400评估负载参数时所确定的接近角、旋转以及轨迹路径。当前器械头部取向767展示了对当前用来插入最终融合器475的插入器械420的跟踪。GUI700基于当前的器械头部取向767呈现目标取向模型722，以便提供先前所确定的手术计划的可视化。

回想一下，图10、图11、图12以及图13示出了脊柱器械400基于所确定的感测参数(例如，负载、力、边缘)评定最佳手术参数(例如，角度、旋转、路径)。一旦确定了这些手术参数，系统100现在就通过GUI700的方式指导外科医生操作插入器械420来插入椎部件475(例如，椎间融合器、椎弓根螺钉)。在一个安排中，系统100提供触觉反馈，以便在插入过程中指导插入器械420。例如，它在当前接近角713偏离目标接近角时发生振动、或者当取向767未与目标轨迹路径722对准时提供视觉提示(红色/绿色指示)。可替代地，系统100可以提供声音反馈，以便补充所提供的视觉信息。GUI700基于先前的插装通过视觉和触觉反馈有效地再现了带传感器的插入器械420的定位和目标路径。

在手术过程中，可以使用来自对准和负载平衡系统100的带传感器的器件(例如，101、103、400、420、475)的数据，通过外科手术技术和调整在预定的量化测量范围内对负载、平衡以及位置进行调整。试验插入物和最终插入物(例如，椎间融合器、椎弓根螺钉、传感器等)两者均可以包括感测模块，以便将所测得的数据提供给远程系统用于显示。最终插入物还可以用于长期监测椎骨关节。该数据可以由患者和卫生保健提供者使用，以便确保椎骨关节或融合后椎骨在康复期间以及在患者回到活跃的正常生活方式时功能正常。相反，当所测得的参数超出规定范围时，可以通知患者或卫生保健提供者。这提供了脊柱问题的早期发现，从而可以在给患者最小压力的情况下解决脊柱问题。来自最终插入物的数据可以使用来自嵌入感测模块的数据来实时显示在屏幕上。在一个实施例中，使用手持式器件来接收来自最终插入物的数据。可以握持该手持式器件接近脊柱，从而允许获得强信号，用于数据的接收。

下面披露了撑开脊柱区的方法。该方法的步骤可以任何顺序来执行。可以参考图10、图11、图12、图13以及图14。使用了将例如椎间融合器的假体部件放置在椎骨之间的实例来示范该方法，但该方法适用于其他肌肉-骨骼区，如膝、髋、踝、脊柱、肩、手、臂以及脚。一般情况下，量化测量数据需要在脊柱区进行收集。在此所披露的脊柱器械、对准器件以及插入器械可以用于生成量化数据数据库。当下，由于缺少有效的工具和测量器件，因此存在量化测量数据的缺乏。可以将由假体部件安装过程中的工具生成的测量数据与其他短期和长期数据相关联，以便确定负载、负载位置以及假体部件对准的影响，因为它与患者健康有关。在此所披露的系统可以在假体部件安装过程中生成数据，并且适于提供植入物和脊柱区的长期周期性测量。因此，撑开方法的结果是生成足以支持减少恢复时间、最少化失败、提高性能、可靠性并且延长器件寿命预期的安装程序的数据。

在第一步骤中，插入脊柱器械以撑开脊柱区。该脊柱器械包括用于在手术过程中实时生成量化测量数据的多个传感器。在第二步骤中，对脊柱区所施加到脊柱器械上的负载进行测量。脊柱器械具有第一高度，这样使得脊柱区被撑开至该第一高度。该系统通过视觉的、听觉的或触觉的手段指示测量数据。在一个实施例中，该系统披露了来自脊柱器械的负载测量结果在预定负载范围之外。该系统用以评定脊柱区的该预定负载范围可以通过临床研究确定。例如，预定负载范围可以通过将负载测量数据与外科手术的结果相关联来支持器件安装。一般情况下，预定负载范围之外的测量结果可能在统计学上增加器件失败的机会。在第三步骤中，将脊柱区撑开至第二高度。在第四步骤中，在该第二高度下，对脊柱区所施加到脊柱器械上的负载进行测量。该系统指示来自脊柱器械的负载测量结果是在预定负载范围之内。使所测得的负载在预定负载范围内减少了由于假体部件上的过大负载导致的失败。一般情况下，该过程可以在不同撑开高度下按照需要重复多次，直到脊柱器械测量结果指示所测得的负载处于预定负载范围内。

在第五步骤中，对脊柱器械的取向、旋转、角度或位置中的至少一个进行测量。在一个实施例中，测量结果可以对应于脊柱器械插入脊柱区中的部分。例如，位置数据可以与脊柱器械的带传感器的头部有关。数据可以用于以脊柱器械所测得的类似定位并且以相同轨迹来放置假体部件。在第六步骤中，可以在远程系统上对脊柱区所施加到脊柱器械上的负载进行监测。在该实例中，远程系统包括允许在手术过程中实时查看数据的显示器。在第七步骤中，可以对脊柱器械的高度进行调整。如所披露的，脊柱器械可以包括剪刀型机构以便减小或增大撑开表面的高度。在一个实施例中，旋转脊柱器械的手柄以改变撑开高度。可以作出这种调整，同时在远程系统上实时监测负载数据。一般情况下，对高度进行调整，直到所测得的负载处于预定负载范围内。在第八步骤中，增大或减小高度，这样使得调整后的高度对应于假体部件的高度。在一个实施例中，可以将具有相同撑开高度的假体部件放置在脊柱区中负载测量的位置中。当与轨迹对准并且放置在与脊柱器械相同的位置中时，假体部件被类似地装载到负载测量值处。

在第九步骤中，脊柱器械测量所施加负载的位置。脊柱器械可以具有连接至脊柱区的表面。在该实例中，不止一个传感器被连接到脊柱器械的表面上以便支持负载位置测量。负载位置提供了关于当假体部件被放置在脊柱区中时，力、压力或负载将如何施加到假体部件上的量化测量数据。例如，不正确的负载位置可以造成这样的情况，其中假体部件在该位置中将是不稳定的并且最终从脊柱区中压出从而造成灾难性的失败。在一个实施例中，可以使用来自脊柱器械的负载位置的数据来评定假体部件放置的位置。量化数据可以包括对应于脊柱器械的测量表面的预定范围或区域以用于评定负载位置。在第十步骤中，当脊柱区所施加到脊柱器械上的负载的位置在预定位置范围之外时，将脊柱器械移动到脊柱区中的不同位置处。可以通过负载量值和负载位置的量化数据对新位置进行评定，作为用于假体部件的部位。

在第十一步骤中，当所测得的量化数据落在预定负载范围内和预定位置范围内时，为假体部件识别脊柱区中的适当位置。如前面所提到的，基于临床证据，将假体部件放置在被测得处于预定负载范围和预定位置范围内的脊柱区区域中产生积极结果并且降低失败率。在第十二步骤中，将假体部件放置在脊柱器械所测得的位置中。放置在该位置中的假体部件将具有由脊柱区施加的类似于脊柱器械所测得的负载量值和负载位置。假体部件被插入到具有类似于脊柱器械的轨迹的脊柱区中。在该实例中，脊柱器械在测量过程中的轨迹和位置被记录。在第十三步骤中，可以通过将假体部件的轨迹与脊柱器械的轨迹进行比较来进一步支持假体部件的插入过程。在一个实施例中，可以向外科医生提供视觉、触觉或听觉反馈以便帮助假体部件与该位置的对准。在第十四步骤中，在远程系统上查看假体部件和脊柱器械的轨迹。该远程系统可以关于脊柱器械当在脊柱区中识别该位置时的位置和轨迹来展示假体部件的实际或模拟位置和轨迹。在一个实施例中，外科医生可以用固持假体部件的器件或插入器械、通过远程系统上显示的脊柱器械位置数据的可视化或叠加来模拟该轨迹。如在此所披露的，脊柱器械可以具有能够改变撑开表面的高度的例如剪式插口的机构。用于升高和降低该剪式插口的杆连接到脊柱器械的手柄上。在第十五步骤中，可以旋转脊柱器械的手柄以改变撑开高度。在第十六步骤中，当脊柱区所施加到脊柱器械上的负载在预定负载范围内时，提供视觉、音频或触觉信号。类似地，在第十七步骤中，当脊柱区所施加到脊柱器械上的负载在预定位置范围内时，提供视觉、音频或触觉信号。

图16是根据示例实施例的脊柱器械400的多个部件的方框图。应注意，脊柱器械400可以包括比所示部件的数量更多或更少的部件。脊柱器械400是可以测量肌肉-骨骼系统的参数的自含式工具。在该实例中，当被插入脊柱区中时，脊柱器械400测量负载和负载位置。脊柱器械400的有源部件包括一个或多个传感器1602、负载板1606、电源1608、电子电路1610、收发器1612、以及加速度计1614。在非限制实例中，脊柱区向传感器1602施加所施加的压缩力并且该压缩力由脊柱器械400进行测量。

传感器1602可以定位、接合、附接或固定到脊柱器械400的表面403和406上。一般情况下，当插入到脊柱区中时，脊柱区会向表面403和406施加压缩力。表面403和406连接到传感器1602上，这样使得压缩力被施加到每个传感器上。在一个实施例中，可以测量施加到表面403和406上的负载的位置。在该实例中，带传感器的头部中使用三个负载传感器来识别所施加的负载的位置。每个负载传感器连接到负载板1606上的预定位置上。负载板1606连接到表面403上以便将施加到脊柱器械400的带传感器的头部的压缩力分布到每个传感器上。负载板1606可以是刚性的并且当将力、压力或负载分布到传感器1606上时不发生挠曲。每个传感器所测得的力或负载量值可以反向关联至表面403上所施加的负载的位置。

在该椎间测量实例中，具有表面403和406的带传感器的头部可以定位在脊柱的椎骨之间。带传感器的头部的表面403连接到第一椎骨表面上，并且类似地，表面406连接到第二椎骨表面上。加速度计1614或外部对准系统可以用于测量当带传感器的头部被引导到脊柱区中时，带传感器的头部的位置和取向。传感器1602连接到电子电路1610上。电子电路1610包括逻辑电路、输入/输出电路、时钟电路、D/A和A/D电路。在一个实施例中，电子电路1610包括减小形状因子、降低功率并且提高性能的应用专用集成电路。一般情况下，电子电路1610控制测量过程、接收测量信号、将测量信号转换成数字格式、支持显示在界面上，并且启动测量数据的数据传输。电子电路1610测量传感器1602的物理变化以确定感兴趣的参数，例如作用在表面403和406上的力的水平、分布以及方向。插入物感测器件400可以由内部电源1608供电。因此，测量肌肉-骨骼系统的参数所需的所有部件驻留在脊柱器械400中。

作为一个实例，传感器1602可以包括在第一换能器与第二换能器之间的弹性的或可压缩的传播结构。这些换能器可以是超声波(或超声)谐振器，并且该弹性的或可压缩的传播结构可以是超声波波导。电子电路1610电连接到换能器上以便将可压缩的传播结构的长度(或压缩或延展)变化转化成感兴趣的参数，如力。该系统测量可压缩的传播结构(例如，波导)的长度响应于所施加的力的变化并将该变化转换成多个电信号，这些电信号可以经由收发器1612传送以传达所施加的力的水平和方向。例如，可压缩传播结构具有所施加的力对比波导长度的已知的且可重复的特征。可以使用已知特征将使用超声波信号的波导长度的精确测量转换成力。

传感器1602不限于力、压力或负载感测的波导测量结果。在仍另一些其他安排中，传感器1602可以包括压阻传感器、可压缩聚合物传感器、电容传感器、光学传感器、微机电系统、应变仪、化学传感器、温度传感器、pH传感器、以及机械传感器，用于测量肌肉-骨骼系统的多种参数。在可替代实施例中，可以使用压阻薄膜传感器来感测负载。压阻薄膜具有低轮廓，由此减小实施植入所需的形状因子。压阻薄膜的电阻随所施加的压力发生变化。可以向压阻薄膜施加电压或电流来监测电阻的变化。可以连接电子电路1610以施加该电压或电流。类似地，可以连接电子电路1610以测量对应于压阻薄膜的电阻的电压和电流。压阻薄膜与所施加的力、压力或负载的关系是已知的。电子电路1610可以将所测得的电压或电流转换成施加到带传感器的头部上的力、压力或负载。此外，电子电路1610可以将测量结果转换成数字格式以用于显示或传输以便实时使用或存储。电子电路1610可以包括允许串行和并行数据传输，由此测量和数据传送可以同时发生的转换器、输入端、输出端以及输入/输出端。在一个实施例中，电子电路1610中包括ASIC，该ASIC合并数字控制逻辑以管理控制功能和由用户引导的脊柱器械400的测量过程。

加速度计1614可以测量加速度和静态重力引力。加速度计1614可以是检测作为矢量的加速度的量值和方向的单轴和多轴加速度计结构。加速度计1614还可以用于感测取向、振动、冲击以及震动。电子电路1610结合加速度计1614以及传感器1602可以相对于脊柱器械400的取向来测量感兴趣的参数(例如负载分布、力、压力、位移、移动、旋转、扭矩、位置以及加速度)。在这种安排中，可以计算出所测得的参数相对于所选择的参考系的空间分布并呈现以用于实时显示。

收发器1612包括发送器1622和天线1620，以便允许无线操作和遥测功能。在各个实施例中，天线1620可以通过设计配置为集成的环形天线。该集成环形天线被配置在印刷电路板上的各个层和位置处，该印刷电路板具有其他安装到其上的电部件。例如，电子电路1610、电源1608、收发器1612以及加速度计1614可以安装在位于脊柱器械400上或脊柱器械400中的电路板上。一旦启动收发器1612，就可以实时广播感兴趣的参数。遥测数据可以用各种接收器、或者用定制接收器来接收和解码。无线操作可以消除由以下造成的物理干扰的可能性或强加的限制引起的测量结果的失真或其对测量结果的限制：将感测模块与电源或者与相关的数据收集、存储、显示设备以及数据处理设备相连接的布线和线缆。

收发器1612从电源1608接收电力，并且可以通过例如合并在电子电路1610或应用专用集成电路内的高效率电源管理方案的方式以低功率在各个无线电频率下操作。作为一个实例，收发器1612可以按所选择的发射模式中的选定频率通过天线1620的方式传送数据。所选定的频率可以包括，但不限于，国际电信联盟区域1、2以及3中所识别的ISM频带。选择的发射模式可以是，但不限于，高斯频移键控(GFSK)、幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)、最小频移键控(MSK)、频率调制(FM)、振幅调制(AM)，或其他版本的频率或振幅调制(例如，二进制、相干、正交、等)。

天线1620可以与感测模块的部件集成以提供无线电频率传送。天线1620和电子电路1610被安装并连接，以使用电线踪迹在印刷电路板上形成电路。天线1620可以进一步包括匹配网络，用于高效的信号传输。天线和电子器件的这种集成水平使得能够减小无线设备的大小和成本。潜在应用可以包括但不限于，其中通常使用紧凑天线的任何类型的短程手持式、可佩戴式或其他便携式通信设备。这包括一次性模块或器件，连同可重复使用的模块或器件和用于长期使用的模块或器件。

电源1608向脊柱器械400的电子部件提供电力。在一个实施例中，电源1608可以通过有线能量传输、短距离无线能量传输或它们的组合进行充电。用于向电源1608提供无线能量的外部电源可以包括但不限于，电池或多个电池、交流电电源、射频接收器、电磁感应线圈、一个或多个光电电池、一个或多个热电偶、或一个或多个超声波换能器。通过电源1608的方式，脊柱器械400可以一次充电进行操作直到内部能量被耗尽。它可以周期性地再充电，从而能够连续操作。电源1608可以进一步利用电源管理技术，用于向脊柱器械400的部件高效地供应和提供能量，从而利于测量和无线操作。电源管理电路可以合并在ASIC上以管理ASIC功率消耗连同系统的其他部件。

电源1608使在测量操作过程中为感测模块供电所需的额外能量辐射源最少。在一个实施例中，如图所示，能量存储1608可以包括电容式能量存储器件1624和感应线圈1626。外部充电源可以通过一个或多个电磁感应线圈1626通过感应充电的方式无线地连接到电容式能量存储器件1624上。充电操作可以由被设计成或具有电子电路1610的电源管理系统控制。例如，在电子电路1610的操作过程中，功率可以通过高效的升压和降压电压转换电路从电容式能量存储器件1624进行传输。这使电路块的操作功率保持在支持所要求的性能水平的最小电压水平下。可替代地，电源1608可以包括容纳在脊柱器械400内的一个或多个电池。这些电池可以为脊柱器械400的一次使用供电，由此该器件在其已经在一次外科手术中使用后被处理掉。

在一种配置中，外部电源可以进一步用于在再充电操作过程中向收发器1612传送下行链路数据。例如，可以将下行链路控制数据调制到无线能量源信号上，并且之后通过电子电路1610的方式从感应线圈1626进行解调。代替配置收发器1612用于上行链路和下行链路操作两者，这可以用作用于接收下行链路数据的更高效的方式。作为一个实例，下行链路数据可以包括脊柱器械400在进行测量(如外部位置信息)时或者用于重新校准目的所使用的已更新的控制参数。它还可用于下载序号或其他识别数据。

电子电路1610管理并且控制感测模块的部件的各种操作，如感测、电源管理、遥测以及加速度感测。它可以包括模拟电路、数字电路、集成电路、分立部件或其任何组合。在一种安排中，它可以在多个集成电路和多个分立部件之间进行分配以最小化功率消耗而不破坏性能。在数字电路与模拟电路之间分配功能增强了设计灵活性并且有助于最小化功率消耗而不损失功能性或性能。因此，电子电路1610可以包括一个或多个集成电路或ASIC，例如，专用于核心信号处理算法。

在另一种安排中，电子电路1610可以包括具有相关联的存储存储器和逻辑的控制器，如可编程处理器、数字信号处理器(DSP)、微控制器或微处理器。控制器可以利用与存储存储器(如Flash、ROM、RAM、SRAM、DRAM)相关的计算技术、或用于控制感测模块的上述部件的操作的其他类似技术。在一种安排中，存储存储器可以存储使在此所描述的任何一种或多种方法或功能具体化的一组或多组指令(例如，软件)。这些指令还可以在其由另一个处理器或计算机系统执行的过程中完全地或至少部分地驻留在其他存储器和/或处理器内。

电子组装件还支持可测试性和校准特征，这些可测试性和校准特征确保完成的无线感测模块或器件的质量、准确性以及可靠性。可以使用临时双向连接来确保这些电子器件的高水平的电可观测性和可控制性。该测试互连还提供感测子系统的高水平的电可观察性，这些感测子系统包括换能器、波导以及机械弹簧或弹性组件。载体或固定物在制造加工过程中模仿完成的无线感测模块或器件的最终外壳，因此使得能够捕获完成的无线感测模块或器件的校准的参数的准确校准数据。这些校准参数被存储在集成至电子组装件中的板上存储器内。

包括传感器1602和电子电路1610的电子组件的应用可以包括但不限于，一次性模块或器件连同可重复使用的模块或器件和用于长期使用的模块或器件。除了非医疗应用之外，广泛范围的潜在医疗应用的实例可以包括但不限于，可植入器件，可植入器件内的模块，手术中植入物或手术中植入物内的模块或试验插入物，插入或摄入器件内的模块，可佩戴器件内的模块，手持式器件内的模块，器械、器具、设备或所有这些的附件内的模块，或植入物、试验插入物、插入或摄入器件、可佩戴器件、手持式器件、器械、器具、设备或这些器件、器械、器具或设备的附件内的一次性用品。

图17是用于根据示例性实施例的用于短程遥测的示例性通信系统1700的示意图。如图所示，通信系统1700包括在脊柱器械中的医疗器件通信部件1710和在基于处理器的远程系统中的接收系统通信。在一个实施例中，这些接收远程系统通信是在外科手术小组在手术期间可以查看的一台计算机或笔记本计算机中或者连接到其上。远程系统可以在手术室的无菌区的外部，但在实时访问所测得的量化数据的观察范围内。医疗器件通信部件1710可操作地连接至(包括但不限于)天线1712、匹配网络1714、遥测收发器1716、CRC电路1718、数据打包器1722、数据输入端1724、电源1726以及应用专用集成电路(ASIC)1720。医疗器件通信部件1710可以包括比所示部件的数目更多或更少的部件，并且不限于所示的这些部件或这些部件的顺序。

接收站通信部件1750包括天线1752、匹配网络1754、遥测接收器1756、CRC电路1758、数据打包器1760以及可任选地USB接口1762。值得注意的是，其他接口系统可以直接连接至数据打包器1760以用于处理和呈现传感器数据。

参照图16，电子电路1610可操作地连接到脊柱器械400的一个或多个传感器602上。在一个实施例中，一个或多个传感器602所生成的数据可以包括来自微机电系统结构、压阻式传感器、应变仪、机械传感器、脉冲式传感器、连续波传感器或可以转化为肌肉-骨骼系统的正在测量的参数的其他传感器类型的电压、电流、频率或计数。返回参照图17，数据打包器1722将传感器数据组装成分组；这包括由ASIC1720接收或处理的传感器信息。ASIC1720可以包括用于高效地执行医疗器件通信部件1710的核心信号处理功能的专用模块。ASIC1720还提供了减小该工具的形状因子的益处。

CRC电路1718对分组数据应用错误码检测。循环冗余校验是基于计算任何长度的数据流或分组的校验和的算法。这些校验和可以用于检测传送过程中数据的干扰或意外更改。循环冗余校验尤其善于检测由电噪声引起的错误，并且因此使得能够在具有高水平的电磁活动环境中良好地防止对已损坏数据的不正确处理。然后，遥测发送器1716经由天线1712通过匹配网络1714来传送经CRC编码的数据分组。匹配网络1714和1754提供了用于实现最佳通信功率效率的阻抗匹配。

接收系统通信部件1750接收由脊柱器械通信部件1710发送的传送信息。在一个实施例中，遥测发送器1716与专用遥测接收器1756结合操作，该专用遥测接收器被约束以接收指定发射模式中的指定频率上的数据流广播。遥测接收器1756通过接收站天线1752来检测所指定频率下的传入传送信息。天线1752可以是定向天线，该定向天线可以被指向部件1710的定向天线。使用至少一个定向天线可以通过进一步限制是辐射方向图的数据来减少数据损坏，同时增加数据安全性。匹配网络1754连接到天线1752上以便提供阻抗匹配，该阻抗匹配将来自天线1752的信号高效地传输至遥测接收器1756。遥测接收器1756可以减小一个或多个步骤中的载波频率并且剥离部件1710所发送的信息或数据。遥测接收器1756连接到CRC电路1758上。CRC电路1758验证单独数据分组的循环冗余校验和。CRC电路1758连接到数据打包器1760上。数据打包器1760处理单独数据分组。一般来说，由CRC电路1758验证的数据被解码(例如，解包)并转发给外部数据处理器件，如用于随后处理、显示或存储或这些的某种组合的外部计算机。

遥测接收器1756被设计和构造成在非常低的功率下操作，该功率例如但不限于，从供电的USB端口1762或电池可获得的功率。在另一个实施例中，遥测接收器1756被设计成用于以最少的可控制功能使用，以便限制对所接收到的数据的无意损坏或恶意篡改的机会。遥测接收器1756可以被设计和构造为紧凑的、便宜的、并且使用标准制造工艺容易制造的，同时确保始终如一高水平的质量和可靠性。

在一种配置中，通信系统1700以仅发送操作、在数米级别的广播范围内进行操作，以便提供高安全性并且防止任何形式的未经授权的或意外的查询。传送范围可以通过所传送的信号强度、天线选择或两者的组合进行控制。在数据捕获操作过程中，高传送重复率可以与嵌入在所传送的数据分组中的循环冗余校验(CRC)位结合使用，由此使得接收系统能够丢弃已损坏数据而不实质性地影响数据的显示或数据的视觉表示的完整性，该数据包括但不限于，操作中物理系统或静态物理系统内的负载、力、压力、位移、挠曲、姿态以及位置的测量结果。

通过将操作范围限制为数米级别的距离，遥测发送器1716可以对于所选择的操作频率来说适当的一种或多种发射模式在非常低的功率下操作，而不破坏数据的传送重复率。这种操作模式还支持使用紧凑天线(如集成的环形天线)的操作。低功率和紧凑天线的组合使得能够实现(但不限于)高度紧凑的遥测发送器的构造，这些高度紧凑的遥测发送器可以用于广泛范围的非医疗应用和医疗应用。

通过在预定条件内操作遥测系统，发送器安全性以及所传输的数据的完整性得以保证。发送器的安全性不会受破坏，因为它是以仅发送模式进行操作并且不存在非法侵入医疗器件通信部件的路径。CRC算法和测量结果的重复率的使用确保了数据的完整性。未经授权的数据接收的风险通过该器件的有限广播范围得到最小化。即使未经授权的数据分组的接收应发生，也存在进一步减轻数据访问的适当防范措施。第一种措施是所传送的数据分组仅包含来自计数器的二进制位连同CRC位。第二种措施是在任何时间没有数据可用于或不需要数据来解释二进制值广播的意义。可以实施的第三种措施是在任何时间都不广播患者或器件识别数据。

遥测发送器1716还可以根据一些FCC条例进行操作。根据FCC条例的章节18.301，美国境内的ISM频带包括6.78、13.56、27.12、30.68、915、2450和5800MHz以及24.125、61.25、122.50和245GHz。在全球，其他ISM频带(包括433MHz)是由国际电信联盟在一些地理位置定义的。在18.303中限定的禁止频带的列表是“以下安全、搜索以及救援频带被禁止：490-510kHz、2170-2194kHz、8354-8374kHz、121.4-121.6MHz、156.7-156.9MHz以及242.8-243.2MHz”。章节18.305规定ISM设备操作时的场强度和发射水平不能超出所限定的ISM频带之外。总之，可以得出结论，ISM设备可以在ISM频带内连同在高于9KHz的大多数其他频带内在全世界范围内操作，只要通过设计或通过主动控制满足章节18.305中所指定的对场强度和发射水平的限制。作为替代，可商购的ISM收发器，包括可商购的集成电路ISM收发器可以被设计成当正确使用时满足这些场强度和发射水平要求。

在一种配置中，遥测发送器1716还可以在无许可的ISM频带或者在无许可的低功率设备操作中进行操作，其中ISM设备(例如，遥测发送器1716)可以在除FCC码的章节18.303中所指明的之外高于9kHz的任何频率上操作。

无线操作消除了由以下造成的物理干扰的可能性或强加的限制引起的测量结果的失真或其对测量结果的限制：将无线感测模块与电源或者与数据收集、存储、显示设备相连接的布线和线缆。用于这些感测部件和电子电路的功率维持在内部能量存储器件上的无线感测模块或器件内。这个能量存储器件是用外部电源进行充电的，这些外部电源包括但不限于，电池或多个电池、超级电容器、电容器、交流电源、射频接收器、电磁感应线圈、一个或多个光电池、一个或多个热电偶或一个或多个超声波换能器。无线感测模块可以在一次充电的情况下进行操作，直到内部能量源被耗尽，或者该能量源可以进行周期性地再充电以使得能够连续操作。嵌入的电源使在测量操作过程中为无线感测模块或器件供电所需的额外能量辐射源最少。遥测功能也集成在无线感测模块或器件内。一旦启动，遥测发送器就持续地实时广播测量数据。遥测数据可以用商用接收器或者用简单的低成本定制接收器进行接收并解码。

图18示出根据示例实施例的用于测量和报告的通信网络1800。简言之，通信网络1800扩展了脊柱对准系统100、脊柱器械400以及插入器械420以便提供与其他器件或服务的广泛的数据连接性。如图所示，脊柱对准系统100、脊柱器械400以及插入器械420可以通信地连接至通信网络1800和任何关联系统或服务上。

作为一个实例，脊柱对准系统100、脊柱器械400以及插入器械420可以与远程服务或提供商共享其感兴趣的参数(例如，负载分布、力、压力、位移、移动、旋转、扭矩以及加速度)，例如以便分析或报告外科手术状态或结果。在传感器系统被永久植入的情况下，来自传感器的数据可以例如与服务提供商共享以监测进度，或者与计划管理员共享，用于外科手术计划的目的或效力研究。通信网络1800可以进一步连结至电子医疗记录(EMR)系统以便实施健康信息技术实践。在其他实施例中，通信网络1800可以通信地连接至HIS医院信息系统、HIT医院信息技术以及HIM医院信息管理、EHR电子健康记录、CPOE计算机化的医嘱条目以及CDSS计算机化的决策支持系统。这提供了不同的信息技术系统和软件应用程序进行通信以便准确地、有效地并且一致地交换数据以及使用所交换的数据的能力。

通信网络1800可以通过局域网(LAN)1801、无线局域网(WLAN)1805、蜂窝网络1814、和/或其他射频(RF)系统来提供有线或无线连接性。LAN1801和WLAN1805可以例如通过中心局通信地连接至因特网1820。该中心局可以容纳用于分配电信服务的常见网络交换设备。电信服务可以包括传统的POTS(普通老式电话服务)和宽带服务，如电缆、HDTV、DSL、VoIP(因特网协议电话)、IPTV(因特网协议电视)、因特网服务等。

通信网络1800可以利用常见计算和通信技术来支持电路交换和/或分组交换通信。用于因特网1820和其他分组交换网络传送的各标准(例如，TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP、RTP、MMS、SMS)代表现有技术状态的实例。这类标准被具有大致相同功能的更快或更高效的等效标准周期性地取代。因此，具有相同功能的替代标准和协议被认为是等效的。

蜂窝网络1814可以通过许多接入技术来支持语音和数据服务，这些接入技术如GSM-GPRS、EDGE、CDMA、UMTS、WiMAX、2G、3G、WAP、软件定义无线电(SDR)以及其他已知技术。蜂窝网络1814可以在频率复用方案下连接至基站接收器1810，用于与移动器件1802进行通信。

基站接收器1810转而可以通过分组交换链路将移动器件1802连接至因特网1820。因特网1820可以支持用于将来自脊柱对准系统100、脊柱器械400以及插入器械420的数据分配至移动器件502的应用服务和服务层。移动器件1802还可以使用无线通信信道通过因特网1820连接至其他通信器件。

移动器件1802还可以通过WLAN1805连接至因特网1820。无线本地接入网络(WLAN)提供了在局部地理区域内的无线接入。WLAN典型地是由接入点(AP)1804(也被称为基站)的群集组成。脊柱对准系统100、脊柱器械400以及插入器械420可以与基站区域内的其他WLAN站(如笔记本计算机1803)通信。在典型的WLAN实现中，物理层使用多种技术，如802.11b或802.11gWLAN技术。物理层可以使用2.4GHz频带中的红外、跳频扩频，2.4GHz频带中的直接序列扩频，或(例如)5.8GHzISM频带或更高ISM频带(例如，24GHz等)中的其他接入技术。

通过通信网络1800，脊柱对准系统100、脊柱器械400以及插入器械420可以与网络上的远程服务器1830并且与其他移动器件建立连接，用于交换数据。远程服务器1830可以访问数据库1840，该数据库被本地或远程地存储并且可以包含应用专用数据。远程服务器1830还可以直接地、或通过因特网1820来托管应用服务。

图19描绘了呈计算机系统1900形式的机器的示例性图形表示，在该计算机系统内，一组指令当被执行时可以使该机器执行以上所论述的方法中的任何一种或多种。在一些实施例中，该机器作为独立器件操作。在一些实施例中，该机器可以(例如，使用网络)连接至其他机器。在网络化部署中，该机器可以作为服务器-客户端用户网络环境中的服务器或客户端用户机或作为点对点(或分布式)网络环境中的对等机操作。

该机器可以包括服务器计算机、客户端用户计算机、个人计算机(PC)、平板PC、笔记本计算机、台式计算机、控制系统、网络路由器、交换机或网桥、或能够执行指定将由该机器采取的动作的指令集(顺序地或以另外的方式)的任何机器。应当理解的是，本披露的器件广义上包括提供语音、视频或数据通信的任何电子器件。另外，虽然图解了单个机器，术语“机器”还应当理解为包括单独地或联合地执行指令集(或多个指令集)以执行在此所讨论的任何一种或多种方法的机器的任何集合。

计算机系统1900可以包括经由总线1908彼此通信的处理器1902(例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者)、主存储器1904以及静态存储器1906。计算机系统1900可以进一步包括视频显示单元1910(例如，液晶显示器(LCD)、平板、固态显示器或阴极射线管(CRT))。计算机系统1900可以包括输入器件1912(例如，键盘)、光标控制器件1914(例如，鼠标)、磁盘驱动单元1916、信号产生器件1918(例如，扬声器或远程控制)以及网络接口器件1920。

磁盘驱动单元1916可以包括机器可读介质1922，在该机器可读介质上存储有实施在此所描述的任何一种或多种方法或功能(包括以上所说明的那些方法)的一个或多个指令集(例如，软件1924)。这些指令1924还可以在由计算机系统1900执行其期间，完全地或至少部分地驻留在主存储器1904、静态存储器1906内、和/或处理器1902内。主存储器1904和处理器1902还可以构成机器可读介质。

可以类似地构建专用硬件实施，包括但不限于：应用专用集成电路、可编程的逻辑阵列以及其他硬件器件，以便实施在此所描述的方法。可以包括各个实施例的设备和系统的应用广泛地包括多种电子系统和计算机系统。一些实施例在两个或更多个特定互连的硬件模块或器件中实施功能，这些模块或器件带有在模块之间和通过模块通信的相关控制信号和数据信号，或作为应用专用集成电路的部分。因此，该示例性系统适用于软件、固件以及硬件实施。

根据本披露的各个实施例，在此所描述的方法旨在用于作为在处理器、数字信号处理器或逻辑电路上运行的软件程序而操作。此外，软件实施可以包括但不限于，分布式处理或部件/对象分布式处理、并行处理或虚拟机器处理，还可以被构建以实施在此所描述的方法。

本披露设想机器可读介质，该机器可读介质包含指令1924或接收并执行来自传播信号的指令1924，这样使得连接到网络环境1926的器件可以发送或接收语音、视频或数据，并且使用这些指令1924通过网络1926进行通信。这些指令1924可以通过网络接口器件1920在网络1926上进一步传送或接收。

虽然在示例性实施例中示出了机器可读介质1922是单一介质，但术语“机器可读介质”应被理解为包括存储该一个或多个指令集的单一介质或多重介质(例如，中心式或分布式数据库，和/或相关高速缓冲存储器和服务器)。术语“机器可读介质”还应当被认为包括能够存储、编码或携带指令集的任何介质，这些指令集由机器执行并且使得机器执行本披露的方法中的一种或多种。

术语“机器可读介质”因此应该被理解为包括但不限于：固态存储器，如存储卡或容纳一个或多个只读(非易失性)存储器、随机存取存储器或其他可重写(易失性)存储器的其他封装；磁光介质或光介质如磁盘或磁带；以及载波信号，如实施传送介质中的计算机指令的信号；和/或电子邮件的数字文件附件或其他自含式信息文档或文档集被认为是等效于实体存储介质的分布式介质。因此，认为本披露包括任何一种或多种机器可读介质或分布式介质，如在此所列举的并且包括本领域技术人员能够识别的等效物和后继介质，其中存储在此的软件实施。

虽然本说明书描述了参考具体标准和协议的实施例中实现的部件和功能，但本披露不局限于这类标准和协议。用于因特网的和其他分组交换网络传送的每个标准(例如，TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP)代表现有技术状态的实例。这类标准被具有大致相同功能的更快或更高效的等效标准周期性地取代。因此，具有相同功能的替代标准和协议被认为是等效物。

在此所描述的实施例的说明旨在提供对不同实施例的结构的一般理解，并且它们不旨在用作对可能利用在此所描述的结构的设备和系统的所有元件和特征的完整描述。许多其他实施例将为本领域的技术人员在回顾以上描述时变得明显。可以使用其他实施例并且从其中衍生，这样使得可以作出结构性和逻辑性替换和改变而不偏离本披露的范围。附图也仅是代表性的并且可能不是按比例绘制的。其某些部分可能被放大，而其他部分可能被最小化的。因此，应以说明意义而非以限制性意义看待本说明书和附图。

本发明主题的此类实施例可以在此单独地和/或共同地由术语“发明”提到，该术语仅出于方便起见并且不意在自行地将本申请的范围限于任何单一发明或发明构思(如果实际上披露多于一个的话)。因此，虽然已经在此说明和描述了特定实施例，但是应当理解，可以用经计算以实现相同目的的任何安排替换所示的特定实施例。本披露意在覆盖不同实施例的任何和全部改编或变化。上述实施例的组合，和未在此确切地描述的其他实施例，将为本领域的技术人员在回顾以上描述时编的明显。

一些实施例包括脊柱测量系统。该脊柱测量系统可包括：接收器；一个或多个棒；以及配置为评定椎骨之间的椎间力的负载传感器。该一个或多个棒可配置为与该接收器通信以确定位置信息。同时，该位置信息可包括所述椎骨中的至少一个椎骨的取向、旋转、角度或位置中的至少一个。另外，该接收器配置为与远程系统通信。

一些实施例包括负载平衡和定位系统。该负载平衡和定位系统包括：脊柱对准系统，其配置为使用超声信号来测量三维空间中的位置。另外，该负载平衡和定位系统可包括脊柱器械，该脊柱器械具有带传感器的头部，其配置为在该带传感器的头部位于脊柱区时测量该带传感器的头部处的负载。另外，该负载平衡和定位系统可包括远程系统，该远程系统配置为与该脊柱对准系统和该脊柱器械通信并显示来自该脊柱对准系统和该脊柱器械的量化测量结果。

一些实施例包括在肌肉-骨骼系统中安装部件的方法。该方法可包括：在该肌肉-骨骼系统中插入带传感器的头部；测量该肌肉-骨骼系统施加到该带传感器的头部上的传感器头部负载；在将该带传感器的头部插入该肌肉-骨骼系统中后测量该带传感器的头部的取向、旋转、角度或位置中的至少一个；用该取向、该旋转、该角度或该位置中的该至少一个来将该部件与该肌肉-骨骼系统对准；以及将该部件插入该肌肉-骨骼系统中，使得该肌肉-骨骼系统施加在该部件上的部件负载大约等于该带传感器的头部负载。

一些实施例包括一种撑开脊柱区的方法。该方法可包括：在该脊柱区插入脊柱器械；在脊柱器械处于该脊柱区时，撑开该脊柱区至第一高度；在该脊柱区处于该第一高度时，测量由该脊柱区施加到该脊柱器械的第一负载的第一负载测量结果，该第一负载测量结果在预定负载范围之外；在该脊柱器械处于该脊柱区时，将该脊柱区撑开至第二高度；以及在该脊柱区处于该第二高度时，测量由该脊柱区施加到该脊柱器械的第二负载的第二负载测量结果，该第二负载测量结果在该预定负载范围内。

一些实施例包括一种撑开脊柱区的方法。该方法可包括：在该脊柱区插入脊柱器械以撑开该脊柱区；在该脊柱区撑开至第一高度时，测量由该脊柱区施加到该脊柱器械的第一负载的第一负载测量结果；指示该第一负载测量结果在预定负载范围之外；以及调整该脊柱器械，使得将该脊柱区撑开至第二高度，在该第二高度，由该脊柱区施加到该脊柱器械的第二负载的第二负载测量结果落在该预定负载范围内。

一些实施例包括一种方法，该方法包括：将接收器放置在一个或多个棒附近，使得该接收器处于固定位置并且与在该一个或多个棒的瞄准线上；用该一个或多个棒的骶骨棒配准骶骨的一个或多个解剖特征；检索取回具有对应于该骶骨的一个或多个解剖特征的取向和尺寸的3D脊柱模型；以及通过超声测量来识别脊柱的至少一个椎骨的至少一个位置或定位。

Claims (19)

1.一种脊柱测量系统，包括：

接收器；

一个或多个棒；以及

负载传感器，配置为插入多个椎骨中的两个椎骨之间并在所述负载传感器插入所述两个椎骨之间时测量所述两个椎骨之间的椎间力；

其中，所述一个或多个棒配置为发出能量波；

所述接收器配置为接收由所述一个或多个棒发出的能量波，并通过测量在所述一个或多个棒与所述接收器之间通过的能量波的传播时间来确定所述多个椎骨中的至少一个椎骨的位置信息；

该位置信息包括所述多个椎骨中的所述至少一个椎骨的取向、旋转、角度或位置中的至少一个；以及

所述接收器配置为与远程系统通信。

2.如权利要求1所述的脊柱测量系统，其中，

该接收器包括一个或多个接收器传感器、处理器以及接口；

该一个或多个接收器传感器配置为接收由所述一个或多个棒发出的能量波，并将关于所述能量波的信号信息提供给该处理器；以及

该处理器配置为通过使用所述信号信息测量所述传播时间来确定所述位置信息，以及便于将该位置信息传送给所述远程系统以向用户显示。

3.如权利要求2所述的脊柱测量系统，其中，该一个或多个接收器传感器选自下组，该组包括：一个或多个接收器光学传感器、一个或多个接收器超声传感器以及一个或多个接收器磁传感器。

4.如权利要求1所述的脊柱测量系统，其中，

该一个或多个棒中的每一个棒包括一个或多个棒传感器以及控制器，该控制器可操作地连接到该一个或多个棒传感器；以及

该一个或多个棒中的每一个棒的该一个或多个棒传感器配置为响应相同棒的控制器的指示而发出所述能量波。

5.如权利要求4所述的脊柱测量系统，其中，该一个或多个棒传感器中的每一个选自下组，该组包括：一个或多个棒光学传感器、一个或多个棒超声传感器以及一个或多个棒磁传感器。

6.如权利要求1至5中任一项所述的脊柱测量系统，其中，该负载传感器连接到带传感器的头部。

7.如权利要求6所述的脊柱测量系统，进一步包括：

轴，该轴具有远端和近端；以及

手柄；

其中，

该带传感器的头部连接到该轴的远端上；以及

该手柄连接到该轴的近端。

8.如权利要求7所述的脊柱测量系统，进一步包括：

电子电路，其包括逻辑电路、加速度计以及通信电路；

其中，

向该轴的该近端容纳该电子电路，并且该电子电路可操作地连接到该负载传感器。

9.如权利要求6所述的脊柱测量系统，其中，

该带传感器的头部包括负载传感器；

该带传感器的头部配置为插入所述两个椎骨之间，以及

该负载传感器配置为在该负载传感器和该带传感器的头部插入所述两个椎骨之间时定位所施加的负载相对于该带传感器的头部的位置。

10.如权利要求6所述的脊柱测量系统，其中，该一个或多个棒中的至少一个棒连接到该带传感器的头部。

11.如权利要求1至5中任一项所述的脊柱测量系统，其中，该接收器配置为与该远程系统无线通信。

12.如权利要求2或3所述的脊柱测量系统，其中，该处理器还配置为便于将所述位置信息传送至所述远程系统，以向所述用户显示为三维模型。

13.一种负载平衡和定位系统，包括：

脊柱对准系统，其配置为使用超声信号来测量三维空间中的位置；

脊柱器械，该脊柱器械具有带传感器的头部，其配置为在该带传感器的头部位于脊柱区时测量该带传感器的头部处的负载；以及

远程系统，该远程系统配置为与该脊柱对准系统和该脊柱器械通信并显示来自该脊柱对准系统和该脊柱器械的量化测量结果。

14.如权利要求13所述的负载平衡和定位系统，其中，该脊柱对准系统和该脊柱器械位于手术室的手术区内。

15.如权利要求13所述的负载平衡和定位系统，其中，该脊柱对准系统或该脊柱器械中的至少一个在使用之后是可处理掉的。

16.如权利要求13至15中任一项所述的负载平衡和定位系统，其中，该脊柱对准系统包括：

接收器，其具有一个或多个接收器超声换能器；以及

一个或多个棒，其具有一个或多个棒超声换能器。

17.如权利要求13至15中任一项所述的负载平衡和定位系统，其中，该脊柱器械包括：

轴，其包含近端和远端，该带传感器的头部连接到该轴的远端；

该轴的近端处的手柄；以及

电子电路，其包括逻辑电路、加速度计以及通信电路；

其中，

向该轴的该近端容纳该电子电路，并且该电子电路可操作地连接到该带传感器的头部的该负载传感器。

18.一种跟踪脊柱的至少一个椎骨的至少一个位置或定位的方法，包括：

将接收器放置在一个或多个棒附近，使得该接收器处于固定位置并且与在该一个或多个棒的瞄准线上；

用该一个或多个棒的骶骨棒配准骶骨的一个或多个解剖特征；

检索取回具有对应于该骶骨的一个或多个解剖特征的取向和尺寸的3D脊柱模型；以及

通过超声测量来识别该脊柱的该至少一个椎骨的该至少一个位置或定位。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：

用该一个或多个棒的至少一个椎骨棒配准该脊柱的该至少一个椎骨的一个或多个解剖特征；以及

检索取回具有对应于该至少一个椎骨的一个或多个解剖特征的取向和尺寸的3D椎骨模型。