CN107811695A - 用于处理骨的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于处理骨的系统，包括：植入物，其尺寸和形状设计成附接到骨，并且包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器定位在所述植入物的第一部分上，在操作位置所述第一部分在所述骨的弱化部分上延伸，所述第一传感器构造成测量所述第一部分上的第一应变，所述第二传感器定位在所述植入物的第二部分上，在操作位置所述第二部分在骨的未弱化部分上延伸，所述第二传感器构造成测量所述第二部分上的第二应变；处理装置，其计算所述第一应变与所述第二应变的比率以将负载对所述骨的作用归一化且跟踪所述骨的愈合。

Description

用于处理骨的系统

本申请是申请号为201380006325.4、国际申请日为2013年1月22日的发明名称为“用于归一化植入物应变读数以评估骨愈合的装置及方法”的发明专利申请的分案申请。

优先权声明

本申请要求在2012年1月23日提交的名称为“Device and Method for NormalizingImplant Strain Readings to Assess Bone Healing”的美国临时申请13/355,970的优先权，其公开的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于处理骨的系统。

背景技术

可以在整形外科植入物上安置应变仪以跟踪骨愈合进展。在初始植入时，植入物预计会承受更高级别的应变，该应变在愈合期间随着骨开始与植入物分担更多的负载而减小。然而当前，需要利用施加给骨的已知负载来评估植入物的应变值以评估骨的愈合。

发明内容

本发明涉及一种用于处理骨的装置及方法，包括骨板，所述骨板包括经由连接部分彼此连接的第一部分和第二部分，所述连接部分的刚度小于所述第一部分和第二部分各自的刚度；以及安装在第一部分上用于测量第一部分上的应变的第一传感器和安装在第二部分上用于测量第二部分上的应变的第二传感器。

附图说明

图1示出了根据本发明的第一示例性实施例的系统的透视图。

图2示出了根据本发明的第二示例性实施例的系统的透视图。

图3示出了根据本发明的第三示例性实施例的系统的透视图。

图4示出了图3的系统的骨固定元件的侧视图。

图5示出了根据本发明的第四示例性实施例的系统的透视图。

图6示出了根据本发明的第五示例性实施例的系统的顶部平面图。

图7示出了根据本发明的另选实施例的系统的顶部平面图。

具体实施方式

参照以下描述和附图可以进一步理解本发明，其中类似的参考标号指代相同的元件。本发明的示例性实施例涉及一种用于跟踪骨愈合进展的系统和方法。具体地，示例性实施例描述了在沿着植入物和/或骨的多个位置计算应变率的系统和方法。该系统的一种示例性实施例可包括在植入物的表面上的第一传感器，该植入物能够被定位在接近骨的弱化部分的位置。植入物在该位置的应变会受弱化的骨的强度或硬度以及患者对该骨施加的负载的影响。可将第二传感器置于植入物上的某位置，在该位置中，由第二传感器测量到的应变只受施加在该骨上的负载的影响，使得所测得的应变基本上不受骨愈合进展的改变。因此，不管骨上的负载如何，由第一传感器和第二传感器测量到的应变之间的比率提供了与骨愈合对应的信息。本领域的技术人员将理解，虽然示例性实施例具体描述了跟踪腿骨的愈合进展，但是本发明可用于跟踪任何承受负载的骨的愈合进展。本领域的技术人员还将理解，虽然示例性实施例具体示出并且描述了两个传感器，但是本发明可以沿着骨的不同区域包括另外的传感器，以确定与不同区域的骨愈合进展对应的比率。此外，虽然示例性实施例示出了骨板，但是本发明可与任何其它固定元件诸如螺钉、髓内装置、外固定器、脊椎固定植入物和假肢等一起使用。

如图1中所示，根据本发明的第一示例性实施例的系统100包括植入物102(例如，骨板)以及第一传感器104和第二传感器106。植入物102被构造为固定在骨108的目标部分上，从而例如固定断裂110或者支撑骨108的弱化部分。第一传感器104和第二传感器106沿着植入物102的表面114安装，使得第一传感器104和第二传感器106可与骨108机械联接。虽然当将植入物102以期望位置固定到骨108时表面114被示为背向骨108，但是本领域的技术人员将理解，传感器104，106可沿着植入物102的任何表面安装。例如，也可以将传感器104,106安装在植入物102的面向骨108的表面上或者安装在植入物102一侧的表面上。将第一传感器104和第二传感器106分别定位在植入物102上，使得当植入物处于骨108上的期望位置时，第一传感器104位于断裂110的部位上方而第二传感器106与断裂110分开而位于骨108的健康(即，坚固的)部分112上方，以在沿着植入物102的这些位置处测量植入物102上的应变水平和/或负载。应将第二传感器106隔离在锁定在骨108的健康部分112中的两个螺钉之间以测量骨108上的负载。

该实施例中的传感器104, 106可以是无源供能的MEMS传感器，如本领域的技术人员将理解的，该MEMS传感器用于测量应变并包括用于与数据收集装置无线连接的接口。在另一个实施例中，传感器104, 106可以是连接到印刷电路板(PCB)的通电的芯片。这允许在没有物理接入传感器104, 106的情况下测量植入物102上的应变并且发送给数据收集装置以作进一步处理。本领域的技术人员将理解，由传感器104, 106所检测到的应变测量并不要求表示实际应变值，而是可包括基于它们基底的不断变化的应变而改变的任何信号。例如，MEMS传感器104, 106可以是RF装置，该RF装置当受到应变时变形，导致由传感器104,106的电容变化而引起的频移，使得频移与应变变化对应。如本领域的技术人员将理解的，可采用外部装置将信号以无线方式提供给传感器104, 106。随后可测量返回的信号的变化以确定传感器所受到的应变的水平。随后可由医师或其它专业人士确定第一传感器104所测量到的应变与第二传感器106所测量到的应变的比率以跟踪愈合进展。作为另外一种选择，该比率可通过处理装置来确定，该处理装置还可(例如，在内部存储器中或在外部存储装置中)存储应变测量和所确定的比率，使得可审视该比率的变化从而更加完整地了解其随时间推移的愈合进展。

本领域的技术人员将理解，当骨108初始折断或断裂时，在断裂110位置的植入物102上的应变将基于在愈合过程中骨108的不断变化的机械性能以及施加在骨108上的负载(例如，患者施加在腿上的重量)而变化，而在健康部分112中测量到的应变只根据施加在骨108上的负载而变化。因而，获取这两个传感器104, 106所测量到的应变的比率可以将负载对传感器104, 106的作用归一化，从而提供与骨108在断裂部位110处的硬度对应的数据。在愈合过程中来自第一传感器104的测量与来自第二传感器106的测量的比率会具有随着时间推移而呈减小模式的趋势，而在没有愈合时随着时间推移不会显示出可识别的趋势。

如图2中所示，根据本发明的第二示例性实施例的系统200基本上类似于系统100，该系统200包括植入物202和至少两个传感器204, 206。然而，并不是将这两个传感器204,206都定位在植入物202上，而是将第一传感器204在与骨208的断裂对应的位置定位于植入物202的表面214上，而第二传感器206直接置于骨208的坚固部分212上，在植入物202的边界之外。因此，第一传感器204测量植入物202上的与断裂210对应的位置处的应变，而第二传感器206测量骨208的坚固部分212上的应变。类似于系统100，确定和跟踪由第一传感器204和第二传感器206所测量的应变之间的比率以研究骨208中的愈合进展。如以上所述，来自第一传感器204的应变测量与来自第二传感器206的应变测量的比率具有随着骨208愈合呈现减小模式的趋势，而在没有愈合时随着时间推移不会显示出可识别的趋势。

如图3-4中所示，根据本发明的第三示例性实施例的系统300基本上类似于系统200，该系统300包括植入物302和至少两个传感器304, 306。类似于第一传感器204，第一传感器304在与骨308的断裂310的位置对应的位置处设置在植入物302的表面314上（当将植入物302安装在骨308上的期望位置时），以测量在断裂310的位置处的植入物302上的应变，而第二传感器306被直接置于骨308的坚固部分312上。然而，第二传感器306经由例如骨固定元件316(例如，螺钉)被置于坚固部分312内，而不是置于骨308的外表面上。

第二传感器306可邻近骨固定元件316的近端318连接，使得当骨固定元件316插入到骨的坚固部分312中时，第二传感器306接触骨308的皮质壁。可将第二传感器306印模或安装在骨固定元件316的一部分的周围，以测量与骨308上的应变正相关的骨308的变形。随后，可以确定来自第一传感器304的测量与来自第二传感器306的测量的比率，从而以与如上所述相同的方式跟踪愈合进展。

如图5中所示，根据本发明的第四示例性实施例的系统400基本上类似于系统100，该系统400包括植入物402以及分别安装在该植入物402上的第一传感器404和第二传感器406。与第一传感器104类似，第一传感器404位于植入物402上的某个位置，当植入物402位于期望位置时，第一传感器404的该位置与断裂410的位置对应，使得第一传感器404测量在与断裂410部位对应的位置处植入物402上的应变。第二传感器406定位在植入物402的部分420上，该部分420比植入物402的安装有第一传感器404的部分具有更大的柔性。例如，通过与植入物402的剩余部分相比而减小所述部分420的宽度(即，在垂直于植入物402的纵向轴线的方向上植入物402在其面向骨的表面上的延伸程度)和/或厚度(即，在面向骨的表面与其背对骨的表面之间的距离)，可使得所述部分420比植入物402的其它部分更加柔软。在优选的实施例中，柔性部分420邻近植入物402的末端422，使得第二传感器406与断裂410分开足够大的距离，该距离足以确保骨408的下方部分412是坚固的。

植入物402的柔性部分420上的第二传感器406经由例如插入在该第二传感器406的两侧上的孔424中的锁定螺钉而固定到骨408的坚固部分412。第二传感器406测量植入物402的与骨408的坚固部分412对应的部分上的应变，使得来自第二传感器406的测量可用于将来自第一传感器的测量归一化。类似于将传感器直接置于骨中或骨上，如结合系统200和系统300所描述，与将第二传感器406置于植入物402的更坚硬部分上所产生的结果相比，将第二传感器406设置在植入物402的在两个锁定螺钉之间的更柔性部分420上将允许对在骨408的下方坚固部分412上的应变进行更准确的测量。在愈合过程中来自第一传感器404的测量与来自第二传感器406的测量的比率应具有的模式指示骨408随着时间推移而增加的硬度，而没有愈合时则随着时间推移不会显示出可识别的趋势。

如图6中所示，根据本发明的另一示例性实施例的系统500可基本上类似于系统100，该系统500包括骨板502以及分别包括第一传感器504和第二传感器506。第一传感器504和第二传感器506沿骨板502的表面514安装，使得第一传感器504和第二传感器506可经由骨板502与骨机械联接。将第一传感器504和第二传感器506定位在骨板502上，使得当骨板502位于沿骨的期望位置时，第一传感器504位于该骨的断裂的部位上方而第二传感器506与上述与系统100有关的断裂（优选地为骨的健康（即坚固的）部分上方）分开。第一传感器504和第二传感器506测量骨板502的这些位置处的骨板502上的应变水平，由第一传感器504和第二传感器506测得的应变的比率显示骨随时间推移的愈合进展。

与系统100不同，骨板502包括第一部分522和第二部分524，该第一部分和第二部分经由连接部分520彼此连接，其中第一传感器504安装到第一部分522并且第二传感器506安装到连接部分520的与第一部分522相对的一侧上的第二部分524。因此，当第一部分522被定位成使得第一传感器504覆盖断裂部位而第二部分524被定位成使得第二传感器在骨的健康部分上延伸时，连接部分520在第一传感器504和第二传感器506之间延伸。连接部分520被设计成减少第一传感器522和第二传感器524之间传输的应变。具体地，连接部分520比第一部分和第二部分刚度低，以减少施加到第二传感器524的扭转应变。例如，可相对于第一部分522和第二部分524的宽度来减少连接部分520的宽度，以使连接部分520比第一部分522和第二部分524更具柔性。这就减少了在基本上垂直于骨板502的纵向轴线的方向上在表面514上的骨板502的刚度，更基本地机械地将第二传感器506与断裂部位相关的应变分开（即，减少在断裂部位上施加的并传输到第二传感器506的扭转应变），使得第二传感器506更准确地测量仅与骨的健康部分相关的应变水平。本领域的技术人员将理解，位于断裂部位上方的第一传感器504检测弯曲应变，该弯曲应变比其检测到的任何扭转应变都显著更大，使得这些扭转应变对第一传感器504测得的总应变具有非实质性影响。

在另一示例中，连接部分520可形成为易断裂联接件，其被设计成当在其上施加的扭力超过预定阈值水平时会断裂。因此，在该易断裂联接件断裂之前，第二传感器506受制于阈值水平限制的扭转应变，在该易断裂联接件断裂之后，骨板502的第一部分522和第二部分524完全分开并彼此隔离，从而排除了对断裂部位上方产生的任何扭转应变的第二传感器506的影响。本领域的技术人员将理解，连接部分520断裂时的阈值水平优选地被设定成使得当易断裂联接件未断裂时，从第一部分522传输到第二传感器506的扭转应变的最大水平与健康骨中预计会观察到的应变水平相比是不显著的。在另一个可另选的实施例中，如图7中所示，系统500’包括两个独立的骨板522’和524’，而第一传感器504’和第二传感器506’分别安装在所述两个骨板上。第一骨板522'和第二骨板524'未彼此连接，从而允许第一板522'附接在断裂部位上方而第二板524'从中分离并附接在骨的健康部分上，以完全消除从断裂部位到第二传感器506'的扭转传输。

本领域的技术人员将理解，可以采用其它机构来用于将植入物的一部分上的应变测量归一化，当在目标位置中安装在骨上时，该部分对应于该骨的断裂位置或其它弱化部分)。例如，可为患者提供负载传感器，按压该负载传感器或以受伤的肢体站立，使得负载测量可与植入物上的传感器的应变测量同时获得。作为另外一种选择，可向患者提供传感器(例如，设置在鞋底中)，以在受伤骨是股骨或胫骨的情况下测量受伤的腿上的负载。

对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的实质或范围的前提下可对本发明的结构和方法作出各种修改和变型。因此，旨在使本发明涵盖落入所附权利要求书或其等效内容范围内的本发明的各种修改和变型。

Claims (15)

1.一种用于处理骨的系统，包括：

植入物，其尺寸和形状设计成附接到骨，并且包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器定位在所述植入物的第一部分上，在操作位置所述第一部分在所述骨的弱化部分上延伸，所述第一传感器构造成测量所述第一部分上的第一应变，所述第二传感器定位在所述植入物的第二部分上，在操作位置所述第二部分在骨的未弱化部分上延伸，所述第二传感器构造成测量所述第二部分上的第二应变；以及

处理装置，其计算所述第一应变与所述第二应变的比率以将负载对所述骨的作用归一化且跟踪所述骨的愈合。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二传感器被隔离在所述植入物的两个固定元件接收孔之间。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述植入物是板，所述板构造成联接到骨且覆盖断裂部位，所述断裂部位包括骨的弱化部分。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述植入物包括刚性部分和较低刚性部分，所述刚性部分具有第一弯曲硬度，所述较低刚性部分具有第二弯曲硬度，所述第二弯曲硬度小于所述刚性部分的第一弯曲硬度。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述植入物的第二部分包括所述植入物的所述较低刚性部分。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器中的一者是应变传感器，其测量所述植入物安装到的骨上的应变。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器是MEMS传感器和连接到印刷电路板的有源芯片中的一者。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理装置包括外部数据采集单元，所述外部数据采集单元以无线方式接收测得的第一应变和第二应变。

9.如权利要求2所述的系统，还包括：

第一锁定螺钉和第二锁定螺钉，当所述植入物在操作位置联接到所述骨时，所述第一锁定螺钉和第二锁定螺钉插入穿过所述第二传感器的相对两侧上的所述两个骨固定元件接收孔。

10.一种用于处理骨的系统，包括：

植入物，其构造成附接到骨，所述植入物包括位于所述植入物的第一部分上的第一传感器，在操作位置所述第一部分构造成在所述骨的弱化部分上延伸，以测量所述第一部分上的第一应变；

第二传感器，其定位在骨的未弱化部分上方以测量所述第二部分上的第二应变；以及

处理装置，其计算所述第一应变与所述第二应变的比率以将负载对所述骨的作用归一化。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第二传感器定位在所述植入物的第二部分上，在操作位置所述第二部分在骨的未弱化部分上延伸。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第二传感器安装到骨固定元件，在操作位置所述骨固定元件被插入到骨的未弱化部分中，所述第二传感器定位在所述骨固定元件上，以使得当所述骨固定元件被插入到所述骨中时所述第二传感器接触皮质壁。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第二传感器围绕所述骨固定元件的近侧部分的周边延伸。

14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述植入物是板，所述板构造成联接到骨且覆盖断裂部位。

15.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器是MEMS传感器和连接到印刷电路板的有源芯片中的一者。