CN109998659A - 具有嵌入式电子器件的纤维加强的复合物整形外科装置 - Google Patents

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Abstract

在一个总体方面，一种整形外科固定装置包括内芯和由多层、纤维加强的复合物形成的杆。感测元件嵌入于多层、纤维加强的复合物内。

Description

具有嵌入式电子器件的纤维加强的复合物整形外科装置
本申请是于2014年3月17日进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国国家申请号为No. 201280045142.9，国际申请号为PCT/US2012/046659，国际申请日为2012年7月13日，发明名称为“具有嵌入式电子器件的纤维加强的复合物整形外科装置”)的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求保护在2011年7月15日提交的、且名称为“FIBER-REINFORCED COMPOSITEORTHOPAEDIC DEVICE HAVING EMBEDDED ELECTRONICS”的美国临时申请序列号61/508,397的优先权和全部权益，该申请的全部内容以引用的方式并入到本文中。
技术领域
本公开涉及整形外科装置。
背景技术
多层复合材料用于整形外科固定装置中。热塑性和热固性纤维加强的复合材料用来加强、修复或甚至替换金属结构。当用于整形外科装置中时，复合物结构应独立于其使用范围（例如，在骨骼或其它组织周围）被监视，特别是对于承载结构而言，以避免由于结构开裂、分层或纤维与基质分离而造成的灾难性失效。高强度复合材料常常被制造为带或薄片形式，原本被称作预浸渍材料或“预浸体”，并且因此通常需要嵌入于该结构内的传感器或“智能条带”，这取决于必须被监视的结构层。在空心的整形外科植入物的情况下，这些传感器通常被放置成离中性轴线尽可能远，以确保对于所施加的力和力矩的充分敏感性。
在诸如植入物的结构中的嵌入式传感器通常由于传感器和无线电子器件的尺寸而减小了复合材料的机械性质。在预浸带围绕心轴缠绕之后在预浸带中机械加工出容槽(pocket)也导致了不连续纤维端部的数量增加，从而导致局部应力上升和增加的不良生物反应的风险。在复合物结构中使用光纤传感器来在制造期间实时监视复合材料固化，并且监视复合物结构的使用中的结构的健康也需要昂贵的信号处理和询问技术，并且由于其较大的大小，使得它们不能在不对其物理性质造成有害影响的情况下嵌入于复合物结构中。此外，光纤传感器在经受机械载荷和环境变化，诸如使得界面易于分离的温度和湿气时倾向于在层压件中引起局部应力，并且它们表现出较差的处置特征，即，它们不太可能在与复合物加工相关联的高温和高压下幸存。
此外，因为需要应变测量元件与主结构永久机械联接以便无损地有效地传输由于滑动或粘合失效造成的应变，使用薄膜测定方法的尝试由于在溅射过程中所需的高温而对聚合物结构造成热损坏。
可通过以类似于加强玻璃或碳纤维的方式将应变计单元集成到预浸条带内而实现到主基板的结合。将光纤传感器直接集成到主复合物部件内，即集成到复合物带内为另一选项，但这些装置需要昂贵的信号处理和询问技术。此外，它们为精细结构，使得它们不太适合于整形外科应用。
发明内容
传感器可嵌入于加强复合物结构内以使得能监视施加在结构上的生物机械力以及监视在使用中结构的效果。如在下文中进一步描述地，（多个）低成本的嵌入式传感器可用于例如长丝缠绕的复合物整形外科结构中用来测量静态和循环应变。（多个）传感器可嵌入于碳纤维加强的聚醚醚铜（PEEK）复合物部件内，使得（多个）传感器充当“智能结构”。即，（多个）传感器允许监视例如在骨折愈合期间施加在（多个）传感器上的生物机械力，使得（多个）传感器可用于该结构的实时健康监视。例如（多个）传感器可指示发展到植入物上的预定位置的裂纹或缺陷的存在。
（多个）传感器可呈嵌入于长丝缠绕的复合物结构内的无线传感器的形式，其被设计为用于测量静态和循环应变两者以实现无线地监视该结构的完整性和效果。在某些实施方式中，（多个）传感器或（多个）感测元件预先包装于薄复合物带中，薄复合物带能嵌入于或在表面安装于复合物结构上。使传感器嵌入于带状树脂内有助于允许应变计或其它测量装置以与控制测量相同的速率和量变形，从而提供例如在装置上的应变的准确测量。在其它实施方式中，呈线、板或粉末形式的至少一个感测元件嵌入于或表面安装于医疗复合物结构上以使之能充当智能植入物。在其它实施方式中，至少一个传感器条带通过利用“倒装(flip chip)”技术表面安装的集成电路和嵌入于预浸带中的无线遥测线圈电连接到柔性电路以确保信息可与终端使用者无线通信。在这些实施方式中，传感器或感测元件可适于在骨折愈合期间监视施加于其上的生物机械力，如果该数据可用于消除在植入物与周围骨骼之间的载荷分担环境的影响。此外，传感器或感测元件可向终端使用者提供长丝缠绕的复合物结构在抵抗结构开裂、分层或纤维分离方面的完整性，避免了由于植入物过载所造成的灾难性失效。此外，通过热和压力将传感器线结合到聚合物基质可限制或排除对于额外结合剂的需要。
在一个总体方面，整形外科固定装置包括内芯，由多层、纤维加强的复合物形成的杆和嵌入于多层、纤维加强的复合物内的感测元件。
实施方式可包括以下特征中的一个或多个特征。例如，感测元件混入到多层复合的层叠结构内。感测元件添加到多层复合物的层之间。感测元件包括铜线或生物相容级钛酸钡陶瓷粒子或PZT陶瓷中的一种。感测元件包括线，线被布置成使得在整形外科固定装置上的载荷导致线的电阻变化。感测元件包括聚酰亚胺柔性电路，其嵌入于多层复合物内或者安置于在复合物中限定的入口中。柔性电路也可由其它材料诸如透明导电聚酯膜、在聚酯上的丝网印刷银电路或其它适用材料制成。感测元件包括形成于复合物内的两个单独电路。固定装置包括成组纵向延伸的线，其沿着固定装置的杆长度延伸，其中每根线止于穿过复合物限定的入口处，在每组线中的每根线各包括可通过入口接近的电触点，使得一个或多个测量装置可连接到电触点。杆限定纵向轴线并且感测元件被定向为感测沿着纵向轴线出现的载荷。感测元件包括响应于整形外科固定装置的载荷而改变的共振频率。电路包括成对导电线圈。导电线圈可操作以无线地传送射频信号。导电线圈可操作以生成指示整形外科固定装置上的载荷的射频信号，而无需电源嵌入于整形外壳固定装置中。一个或多个导电层位于杆的复合物层之间。杆包括沿着杆的长度延伸的两个或更多个同心导电层。感测元件为应变计。整形外科固定装置包括联接到电池的一个或多个导电线圈，一个或多个导电线圈被配置成从能源无线地接收能量并且使用所接收的能量向电池充电。整形外科固定装置包括联接到感测元件的一个或多个导电线圈，一个或多个导电线圈被配置成从能源无线接收能量并且使用接收能量向感测元件供电。
一个或多个实施方式的细节在附图和下文的描述中陈述。通过描述和附图以及权利要求，实施方式的其它特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
图1为多层、纤维加强的复合整形外科固定装置的透视图。
图2为图1的固定装置的截面图。
图3为替代固定装置的截面图。
图4A示出了传感器带形式的传感器。
图4B为图4A的传感器带的截面端视图。
图5为在固定装置的多个层内嵌入的传感器的示意图。
图6为替代传感器线圈布置的截面端视图。
图7为图6的传感器线圈布置的替代实施方式。
图8为用于将传感器线圈嵌入于图1的复合物结构内的实施方式的示意图。
图9为用于将传感器线圈嵌入于图1的复合物结构内的替代实施方式的示意图。
图10为用于将传感器线圈嵌入于图1的复合物结构内的另一替代实施方式的示意图。
图11为用于将传感器线圈嵌入于图1的复合物结构内的另一替代实施方式的示意图。
图12为固定装置的示意端视图。
图13为用于图1的固定装置的柔性电路的透视图。
图14为固定装置的前部透视图。
图15为用于图1的固定装置的遥测线圈的透视图。
图16为用于图1的固定装置的电子通信系统的示意图。
图17为用于将传感器线圈嵌入于图1的复合物结构内的替代实施方式的示意图。
具体实施方式
为了能监视在诸如图1的固定装置10等结构上的生物机械力以及监视该结构在使用中的效果，各种感测元件可与固定装置10的多个层12一起形成或嵌入于固定装置10的多个层12之间。
多层、纤维加强的复合物整形外科固定装置在2011年4月15日提交的共同待决的美国申请序列号No. 13/124,555中描述，该申请以其全文引用的方式并入到本文中。参考图1和图2，这样的固定装置10例如由生物相容性复合材料，诸如PEEK和加强纤维诸如碳纤维复合物的多个层12形成。复合材料可为连续的纤维加强材料，诸如薄片、带或丝束，其中碳纤维通常与薄片、带或丝束的长度维度平行对准。
如在下文中进一步描述地，多个层12可围绕牺牲性心轴包绕。在形成植入物后，移除牺牲性心轴，从而导致植入物10具有空心几何形状。但替代地，植入物10可包括实心、空心的内芯或永久地保留在植入物中的其它内部部分。
参考图3，整形外科固定装置10'具有内部主体14或内芯和例如呈杆形式的外部主体15。在某些实施方式中，内部主体14至少部分地在几何上由套管16限定。
内部主体14和外部主体15可由生物相容性金属或非金属材料诸如聚合物形成。例如，合适的金属可为钛、钛合金、钢、钴-铬合金、钽、镁、形状记忆合金，诸如镍钛诺。举例而言，合适聚合物可为PEEK或聚芳醚酮(PAEK)，也被称作聚酮，聚-α-羟基酸、聚己内酯、聚二氧环己酮、聚酯、聚乙醇酸、聚乙二醇、聚丙酯（polylactides）、聚乳酸、聚-D,L-乳酸、聚-L,L-乳酸、聚原酯、多磷酸盐、聚磷酸酯、聚膦酸酯、多糖、聚已酸内酯、聚丙烯富马酸酯、聚酪氨酸碳酸酯、聚氨酯、淀粉、三亚甲基碳酸酯、一丁酸甘油酯、共聚物、形状记忆聚合物。
在所描绘的示例中，内部主体14为由金属制成的中空芯并且外部主体15由碳纤维加强的PEEK制成，其具有多个层12。一个或多个传感器附连到内部主体14或围绕内部主体14包绕，如在下文中进一步描述地，并且然后在固定装置10'的外部上覆盖有保护性材料19（例如，注射模制材料）。如在下文中进一步描述地，多个层12可包括传感器带的一个或多个层和/或安置于层12之间的一个或多个感测元件。也如在下文中进一步描述地，一个或多个线圈17可用作嵌入于层12之间的传感器。在某些实施方式中，覆盖外部主体15的材料19为包覆模制的注射模制级聚合物（诸如LT1或LT3 PEEK-Optima产品，由Invibio Inc.供应)或短纤维复合物(诸如LT1CA30，也由Invibio Inc.供应)。
在某些实施方式中，内部主体14由生物相容性聚合物制成并且外部主体15可为金属。作为替代，内部主体14和外部主体15可由复合材料诸如碳纤维、加强PEEK形成。外部主体15被描绘为圆形，但可具有其它形状，诸如梯形、正方形、三角形、八边形、C形和U形。
在某些实施方式中，在内部主体14和/或外部主体15中的复合物基质可为PAEK、PEEK或另一聚酮基聚合物，诸如由Oxford Performance Materials制造的OXPEKK。在复合物芯中的纤维加强物可为碳纤维、玻璃、Kevlar、高强度钢、纤维拉伸的聚酯，例如聚(乙醇酸)或聚(乳)酸。
可通过选择内部主体14的材料、内部主体14的直径和内部主体14的形状来调整固定装置10'的弹性模量和/或惯性矩以得到固定装置10'的所希望的刚度。
内部主体14可包括填充材料，例如磷酸钙或硫酸钙，其在植入后再吸收到身体内，提供血液通过固定装置10'流动的途径。填充材料的再吸收也用来在植入后减小固定装置10'的刚度。这是重要的，因为骨骼应适应这种减小的刚度并且因此防止或显著地减轻应力防护。
参考图4A和图4B，传感器带或条带20可在制造固定装置10期间形成于牺牲性心轴30上。传感器带20由与基质树脂一起部分地固化的层压垫衬件形成并且然后形成到牺牲性心轴30上以限定传感器带20的总形状。传感器带20包括在带20的层压垫衬材料上形成为网格状图案25的一根或多根线22。线22具有较小的横向尺寸并且选自可与树脂材料（例如环氧化物、尼龙、PEEK）相容的材料。
例如，典型应变计线材料可包括下列的组合：钽、银、金、康铜(铜-镍合金)、Nichrome V(镍-铬合金)以及铂合金(通常为钨)、Isoelastic(镍-铁合金)或Karma-型合金线(镍-铬合金)、箔或半导体材料。在本实施方式中，线22由铜-镍合金或镍-铬合金制成。此外，银线可向PEEK装置提供特定抗菌性质。此外，每个应变计线材料具有其相关联的特征性灵敏度因数（gauge factor）、电阻、灵敏度因数的温度系数、电阻率的热系数和稳定性。
在某些情形下，应变计应被选择为耐受PEEK复合物的处理温度。某些标准的测量计（例如，Vishay EA和CEA系列)可在较短的时间耐受高达200°C，例如在固化粘合剂时，并且额定175℃操作。其通常包括康铜箔和聚酰亚胺垫衬或包封，并且大约56微米厚。但其它应变计，诸如Vishay的WK测量计（例如，具有高耐久引线的完全封装的k合金测量计）可耐受高达400℃，使得它们更适合于将它们直接嵌入于预浸带内。某些高温应变计为大约71微米厚并且比标准应变计更脆，从而减小了在最终丝束中碳纤维PEEK部件的体积。
在某些实施方式中，额定耐受超过60℃的Teflon(聚四氟乙烯)线用作引线。例如，可使用额定315℃的34AWG线(134-AWQ)。在某些实施方式中，使用纤维玻璃线（其中的某些可高达480℃稳定地起作用）。
在某些实施方式中，可使用高温焊料来连接电气部件。例如，某些高温焊料在296℃与301℃之间熔化。在某些实施方式中，可使用银焊料，其可例如允许在高达660℃与780℃之间稳定接合，允许额外的高温加工灵活性。
成组端子27允许与一个或多个电通信装置通信以便测量和/或记录例如在使用中置于线22上的应变或应力量。带有集成的应变计线22的带20可用于带缠绕结构元件或者可嵌入于该结构的不同纤维层之间，诸如图1的固定装置10的多个层12，如图5中所描绘的那样。如图5中所示，至少两个传感器条带20、40可插入于固定装置10的多个纤维层12之间。因此，传感器20、40嵌入于多个层12的聚合基质相内。
参考图6，在另一实施方式中，感测元件50包括单根铜线，其围绕牺牲性心轴30在周向布置并且离中性轴线A一定距离D。铜线可包括单元件铜线或者可包括单个编织或单束铜线。铜线50可被包漆(enameled)并且为大约0.025mm厚，其比常规的热固性带丝束（0.2mm）更薄。用于形成感测元件50的替代材料包括镍、金或铂。在使用期间，固定装置10的载荷可导致铜线50的张力变化。例如，如果通过外部载荷，线50的长度增加并且其截面积减小，可由数据接收器152（图16）检测到与线的电阻的应变敏感性成比例的电阻变化并且由记录装置诸如计算机156（图16）记录。
参考图7，在另一实施方式中，感测元件60包括形成有磁性弹性材料（例如镍-铁合金）的电沉积薄层64（例如，10-20微米）的铜线62，其响应于交流磁场而振动。磁性弹性材料的薄层64表现出具有随着施加的应力而变化的特征的磁场66。例如，为了操作感测元件60，大约100mA或更大的交流电流通过磁化线62。电流具有特性(signature)输出频率，在线62经受应力时，其改变。可由数据接收器152（图16）检测这种变化并且由记录装置例如计算装置156（图16）记录。
上文中所讨论的感测元件中的任一个可安装于沿着固定装置10或诸如中空圆柱体的测试结构的任何位置，测试结构具有约4.5mm的内径和约10mm的外径，被设计成在特定条件下测试感测元件。位置的示例可包括高应力的弱点或区域，诸如在装置的近端或远端中的螺钉或紧固件孔或者装置的直径或厚度变化的区域。来自感测元件的信号可用来监视和/或诊断骨折愈合或者向操作者警示初期部件失效。此外，来自感测元件的信号可由手持场发射器接收以便辅助医师定位在固定装置10或测试结构上的各个界标(landmark)。可借助于有限元分析（FEA）模拟、CT或MRI扫描来实现传感器的精确定位。例如，不完全的纤维对准可严重地影响其相关联的传感器和/或促动性能。例如，嵌入式传感器可具有相对于纤维方向的优选方位/轴线。如果在纤维结构内存在显著变化，这可响应于所施加的载荷而影响传感器的敏感性。
参考图8至图11，提供了用于将感测元件嵌入于例如固定装置10的复合物结构内的各种选项。如在图8和图9中所示，铜线70和生物相容级钛酸钡陶瓷粒子或PZT陶瓷80分别使用热和压力的组合或替代地使用在层之间的粘合剂而嵌入于生物相容性PEEK的多个层12内。PEEK为高熔点材料，其具有大约340℃的熔点并且因此应在360℃至400℃被加工以实现合并陶瓷粉末和挤制或模制复合掺混物。陶瓷粉末在大气压下被加热到约400℃，并且保持在这个温度持续足以释放结合水的时间。如果粉末较薄地铺展，则水分释放将会更高效，并且约30分钟至60分钟的保持时间是合适的。将陶瓷粉末（在0.01至约20.0 wt%）在周围压力下在343℃与400℃之间的熔融状态添加到PEEK聚合物。这种热处理也将移除水分，这将最小化在材料中的任何空隙的大小和数量，这维持最终产品的机械性质。生物相容级钛酸钡陶瓷粒子或PZT陶瓷粒子表现出高的压电和机电耦合系数，例如，小于约0.53的机电耦合常数(kss)和小于约2.24E-10pm/V的失真/充电常数(dss)。铜线70和生物相容级钛酸钡陶瓷粒子或PZT陶瓷80可混入到多个层12的层叠结构内。在此实施方式中，感测元件70、80嵌入于复合层压件内，并且因此受到相同层压件保护。
替代地，如在图10和图11所示，铜线70和生物相容级钛酸钡陶瓷粒子或PZT陶瓷80可分别使用热和压力的组合而夹置在多个层12a-12d中的两层之间。在这样的实施方式中，可形成第一组多个层，诸如多个层12a，然后添加铜线70，并且然后在铜线70上形成第二组多个层12b以将铜线夹在成组的多个层12a、12b之间。这种嵌入传感器的方法可与现有的商业级CFR PEEK带相容，并且帮助确保维持最终装置的优化的层叠结构和机械性能。
参考图12，固定装置10可形成有多个感测元件，这些感测元件形成在装置10的主体内集成的一个或多个感测电路100、110。同样，当预浸带优选地围绕心轴缠绕时可形成固定装置10，诸如髓内钉。在此过程中，一个或多个导电带也可被缠绕以便沿着装置10的长度并且在固定装置10的多个复合物层12之间或内部形成导电材料的一个或多个层或电路100、110。这提供向装置10添加电子部件的方便方式。例如，作为需要延伸装置的长度的线的替代，各个层或电路100、110可用来支承电子部件。例如，在装置10的一端，电源（未图示）可与装置10集成、耦合或接触。电源被附连成使得供应电压耦合到层或电路100、110中的至少一个并且接地耦合到这些层的其它层或电路100、110。因此，部件可添加于装置10上的任何位置处。在制造过程中，如果部件需要被添加到装置10上，则也可形成容槽或孔来放置该部件。每当定位部件时，可在与导电层100、110相交的深度处形成单独的腔体。部件的一个引线可连接到导电层100、110中的一个处，并且其它引线连接到这些导电层100、110中的其它导电层。与使用线来向部件供电或传输电能相比，这样的配置提供更简单的制造过程。例如，常常难以在装置中定位用来连接各个部件的线。
多个感测电路或层100、110可连接到一个或多个装置，诸如加速计、应变计等以将测量传送到接收装置（未图示）来允许使用者测量并且做出关于感测元件或固定装置10的性能的判断。如在上文中所讨论的那样，感测元件和相关联的电路100、110可形成于沿着固定装置10、认为对于功能关键的任何点或者使用者希望监视该结构的性能特征的区域中。
参考图13，示出了呈柔性电路形式的替代感测元件，并且具体而言聚酰亚胺柔性电路120。柔性电路120可在例如固定装置10的带缠绕操作期间嵌入于复合物层12内，如在图13所示。在此实施方式中，柔性电路120与复合物层12一起固化。柔性电路120可包括一个或多个元件125，诸如应变计或加速计，以便向接收装置提供信号来允许使用者或装备监视固定装置10或者其上安装了感测元件的结构的性能。
参考图14，替代地，柔性电路120可位于入口，例如在装置（诸如固定装置130）的壁中形成的入口132处。在继固定装置130的带缠绕操作，移除了牺牲性心轴之后，形成入口132。如图14所示，柔性电路可连接到穿过固定装置130的多个层12在纵向延伸的多根线134。而这些线可连接到一个或多个接收装置用来测量、记录或分析从柔性电路120所接收的数据。作为将柔性电路120定位于入口132内的补充或替代，入口可具备成组电触点或衬垫136以可选地将额外测量装置，诸如应变计、加速计等连接到一个或多个接收装置。
图14还示出了嵌入于固定装置内的RFID芯片138。作为示例，RFID芯片138可在形成固定装置时插入于层12之间。在另一实施方式中，可通过机械加工或热成型而形成容槽，并且RFID芯片138被放置于容槽中。RFID芯片138也可附连到本文中所描述的感测电路或柔性电路中的一个或多个上。
除了本文中所描述的各种感测元件之外，固定装置10或测试结构也可包括一个或多个线圈，其适于无线地向位于固定装置10或测试结构上的一个或多个感测元件充能和/或从位于固定装置10或测试结构上的一个或多个感测元件读取数据。参考图15，示出了在围绕牺牲性心轴142缠绕的过程中的示例性遥测线圈140。遥测线圈140包括缠绕到诸如固定装置10的聚合物复合物植入物上、在植入物端部的漆包铜线圈。将线圈定位于植入物端部通常避免了与下面的碳纤维层12的不希望的电磁干扰问题。例如，将遥测线圈140尽可能靠近装置的外表面放置，帮助减小由于碳纤维的导电效果而引发的任何损失。此外，铜线可浸渍于聚合物基质中并且然后缠绕到心轴上，使之更易于缠绕，帮助使线与下面的碳纤维层绝缘，并且保护它避免水分进入。线圈缠绕程序可以添加于包覆模制步骤中，包覆模制步骤用来保护碳纤维和所添加的涂料(pigmentation)以用于产品区分。
参考图16，示出了可结合本文所描述的感测元件和组件中任一个采用的示例性硬件系统150的示意图。硬件系统150包括联接于柔性印刷电路板154与计算装置156之间的数据接收器152，柔性印刷电路板154可包括应变计、加速计或其它测量电路中的一个或多个。信号处理器158联接到柔性印刷电路板154并且向柔性印刷电路板154发送信号，柔性印刷电路板154然后可使用这样的信号来生成一个或多个数据信号，数据信号由数据接收器152接收并且被传送到计算装置156。计算装置156可包括一个或多个处理器或子单元，用于分析从柔性印刷电路板154接收的数据并且将该数据经由例如联接到计算装置的图形用户接口或者联接到计算装置的打印机或存储装置来将该数据传送给使用者。
参考图17，在某些实施方式中，共振或调谐电路200用作感测元件。共振电路可代替需要相关联的电子器件，诸如电路板、表面安装部件和遥测线圈的传感器使用。共振电路200可包括成对导电线圈202，例如由电介质材料204分开的成对扁平缠绕铜线线圈。线圈202一起充当共振电路200（例如，感应/电容或L-C共振电路）中的感应器L1和电容器C1。在图17中示出了共振电路200的电路图201。在某些实施方式中，线圈202由具有在30与40AWG之间的直径的铜线形成。例如，可使用具有36AWG（0.127mm）的直径的铜线。以漆涂布的铜线可用于线圈202中。线圈202的外径可例如在约4mm与约10mm之间。
在某些实施方式中，共振电路200并不需要额外的可植入电子器件来提供功率或对传感器信号执行处理。因此，共振电路200可占据比包括其它相关联的电子部件的其它传感器电路更小的体积。使用成对导电线圈202的单个共振电路200可提供单信道无线遥测系统。如果复合物装置的载荷主要在一个方向上（例如，沿着单个轴线）发生，则单信道系统通常足以用来监视复合物装置。
共振电路200可由外部射频场激励。射频场向共振电路200提供功率，使得共振电路200可操作，而无需电源嵌入于固定装置10中。响应于外部场，共振电路200以特征性共振频率共振并且以共振频率发射射频信号。可利用放置于患者肢体周围的外部天线来检测共振频率，并且示波器或其它测量装置可用来监视共振频率变化。
可通过以下关系，根据共振电路200的感应系数L和电容C来表达共振电路200的共振频率F：
在共振电路200中，感应系数L大致为常数。但是，在线圈202之间的间距变化改变电容C，而这改变共振频率F。包括共振电路200的复合物固定装置10（例如，在轴向压缩固定装置10）的外部载荷改变在共振电路200中的线圈202之间的间距。可通过改变置于线圈202之间的材料的电介质性质来修改共振电路200对于所施加的载荷的敏感性。
在某些实施方式中，多个共振电路200位于复合物固定装置10的结构内。不同的共振装置200可布置为不同的取向以提供对于不同类型的施加载荷的敏感性。例如，可包括共振电路200以沿着例如多达六个自由度检测在固定装置10上施加的力。固定装置10可包括一个或多个共振电路200以便于沿着六个自由度中的一个或多个来测量力。在某些实施方式中，每个共振电路200检测在不同方向上的力。这三个正交方向X、Y、Z可相对于固定装置10限定，其中Z轴线沿着固定装置10的纵向轴线延伸。沿着每个轴线X、Y、Z的力（例如，分别为力Fx、Fy、Fz)可由不同的共振电路200检测到。围绕每个轴线X、Y、Z的旋转力（例如，分别为力Mx、My、Mz)也可由不同的共振电路200检测。因此，使用六个共振电路200来检测在六个自由度上的力（例如，Fx、Fy、FZ、Mx、My、Mz）。因此，固定装置10可便于监视弯曲力矩(Mx,My)、轴向力(Fz)、剪切力(Fx,Fy)和/或扭转力(Mz)。
单独的外部天线线圈可用来区分从每个共振电路200接收的信号。在某些实施方式中，每个遥测通道被多路复用并且被单独地处理使得确定对应于每个共振电路200的频率偏移。
一般而言，传感器和在整形外科植入物10、10'中的其它电子器件可通过与外部电源感应耦合而被供电。在某些实施方式中，一个或多个功率传输线圈包括于整形外科植入物10、10'内，例如嵌入于复合材料的层12之间。功率传输线圈从附近的电磁场发生器无线地接收能量。在某些实施方式中，共振电路200的线圈202充当功率传输线圈以接收用于其它电子部件的功率。整形外科植入物10、10'使用所接收的能量给传感器、遥测部件、记录装置、处理器和/或其它电子器件供电。所接收的能量也可用来向位于整形外科植入物10、10'中的电池充电。
其它实施方式也在本公开的范围内。例如，只要线圈的位置避免或限制电磁干扰问题，遥测线圈140（图15）可位于并非植入物端部的位置。信号处理器158（图16）可联接到计算装置156，使得计算装置156可向信号处理器158发送适当控制信号或从信号处理器158接收信号或数据。此外，尽管心轴被描述为“牺牲性”心轴，在某些实施方式中，心轴可为整形外科装置的永久部分或者可在插入装置之前或之后从装置移除。此外，尽管本文中所描述的实施方式是在髓内钉植入物的情形下，但是所公开的实施方式也可用于其它整形外科装置中，诸如骨板、髋部植入物和其它装置，例如用于膝部、肩部或髋部置换技术或手术程序中。因此，其它实施方式在本公开和所附权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种整形外科固定装置，包括：
内芯；
杆，其由多层、纤维加强的复合物形成；以及
感测元件，其嵌入于所述多层、纤维加强的复合物内。
2.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述感测元件混入到所述多层复合物的层叠结构内。
3.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述感测元件添加于所述多层复合物的层之间。
4.根据权利要求2或3所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述感测元件包括铜线或生物相容级钛酸钡陶瓷或PZT陶瓷中的一种。
5.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述感测元件包括线，所述线布置成使得在所述整形外科固定装置上的载荷导致所述线的电阻中的变化。
6.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述感测元件包括聚酰亚胺柔性电路，其嵌入于所述多层复合物中或者安置于在所述多层复合物中限定的入口。
7.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述感测元件包括形成于所述多层复合物内的两个单独电路。
8.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，还包括：成组线，其沿着所述整形外科固定装置的杆的长度在纵向延伸，使得每根线止于穿过所述多层复合物的一部分限定的入口处，在每组线中的每根线包括可通过所述入口接近的电触点，使得所述一个或多个测量装置可连接到所述电触点。
9.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述杆限定纵向轴线，并且所述感测元件被定向为感测沿着所述纵向轴线出现的载荷。
10.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述感测元件包括电路，其具有响应于所述整形外科固定装置的载荷而改变的共振频率。
11.根据权利要求10所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述电路包括成对导电线圈。
12.根据权利要求11所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述导电线圈可操作以无线地传输射频信号。
13.根据权利要求11所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述导电线圈可操作以生成指示所述整形外科固定装置上的载荷的射频信号，而无需电源嵌入于所述整形外壳固定装置中。
14.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，一个或多个导电层位于所述杆的复合物层之间。
15.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述杆包括沿着所述杆的长度延伸的两个或更多个同心导电层。
16.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，所述感测元件为应变计。
17.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，还包括：联接到电池的一个或多个导电线圈，所述一个或多个导电线圈配置成从能源无线接收能量并且配置成使用所述接收的能量向所述电池充电。
18.根据权利要求1所述的整形外科固定装置，其特征在于，还包括：联接到所述感测元件的一个或多个导电线圈，所述一个或多个导电线圈配置成从能源无线接收能量并且配置成使用所述接收的能量向所述感测元件供电。
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