CN110022759A - 探针 - Google Patents

Abstract

一种评估骨硬度的方法，包括以下步骤：将伸长探针放入待评估的骨中的预先钻出的孔中；激励所述伸长探针进行物理振荡；以及监测所述探针的共振频率。分析所述共振频率以确定所述骨的质量、密度和/或硬度。

Description

探针

技术领域

本发明涉及一种——特别是关于颌和牙齿植入物——测量骨质量、密度和/或硬度的方法。

背景技术

通常，牙齿植入物是金属螺钉的形式，作为一种锚固齿冠、牙桥或假牙的手段，该金属螺钉被插入到颌骨中。这样的植入物通常是带螺纹的，通常由钛、氧化锆或它们的合金制成，并且被插入到在所述植入物插入之前在骨中准备好的洞(hole)中。所述植入物有各种尺寸，通常直径为3-10mm、长度为5-20mm。

插入时植入物的固定和稳定性是其成功的关键，因为骨在植入物表面上生长，如果稳定性低、固定性差或者如果在康复过程期间骨中的植入物发生移动的话，该过程会受到干扰。

现存在一种通过测量可附着构件的共振频率来测量骨中的植入物的稳定性的技术(Meredith和Cawley)。这旨在在放置时测量植入物的稳定性从而将其与参考测量结果进行比较，并且还旨在在放置后在康复过程期间测量稳定性的变化。然而，该过程仅提供关于在骨中在原位的植入物的信息。

主观上根据质量(1-4 4＝差)和数量(A-E E＝差)对骨质量进行分类(Lekholm和Zarb)。显然，可以在手术前通过X射线照片和在手术时通过视觉检查进行某种数量确定。但是，在任何时候获得关于质量的定量信息是很难的。

骨是一种具有各向异性行为且有时具有正交各向异性行为的复杂的不均一组织材料。在特性上，它有两大类：皮质骨和骨小梁，如图1中所示。皮质骨通常是骨的外层，并且它是致密的且血管相对较少。该层的厚度是变化的，并且通常在上下颚中可以在1mm和10mm之间。骨小梁，即骨的内部部分，柔软得多，并且通常包含骨髓隙和血液供应。它占据了皮质内部的内部空间。在面部骨中所述骨小梁可能根本不存在或者可能最高达20mm。

这两种骨的量、数量和相对比例将决定插入的植入物——特别是牙齿植入物——的稳定性。皮质骨的硬度及其弹性模量通常是骨小梁的十倍。因此，明显皮质骨对植入物的稳定性至关重要。将植入物放置在骨内部也是重要的，因为如果植入物在出口点处使骨穿孔，则存在受伤的风险，由此面临着破坏解剖结构(包括神经、血管和窦)的风险。

目前，在放置植入物之前没有令人满意的方法来测量和预测骨质量。X射线照片的检查给出骨数量和质量的定性指示，并且可以根据射线照片在用于测定肿瘤的类型的豪斯费尔德量表(Hounsfield Scale)上定量地测量骨密度。然而，这个单一值不可能被解释为潜在的植入物稳定性的度量。

已经使用的取得有限成功的一种方法是测量在插入植入物期间使用的插入扭矩或螺纹切削力。这通常通过测量用于放置植入物的机动机头(hand-piece)所汲取的反EMF或电流来进行。数据通常以图表形式呈现。该方法具有许多显著的缺点；例如，该测量仅在插入植入物时进行，因此没有可用的信息来帮助选择植入物的类型、几何形状或尺寸。附加的潜在问题是存在许多影响插入扭矩测量的相互关联的因素，这些因素可以包括：植入物的尺寸和形状；相对于准备好的孔的宽度的植入物的宽度；可能会阻止植入物的前进的几何特征，如凸缘；以及源于切削的骨碎屑所产生的摩擦和其他因素。这些全都相互关联，使得在这种方法下不可能真实地测量骨质量。

发明内容

因此，本发明涉及一种评估骨的硬度的方法，包括以下步骤：

将伸长探针放入待评估的骨中的预先钻好的孔(aperture)中；

激励所述伸长探针进行物理振荡；和

监测所述探针的共振频率；

其中，分析所述共振频率以确定所述骨的质量、密度和/或硬度。

在本发明中，使用钻头在骨中钻出孔或洞，并且在插入任何植入物之前将探针插入洞中。这允许医生在放置植入物之前了解骨的硬度和质量。因此，在可以精确地确定骨的特性的情况下，然后可以从市场上可获得的成千上万种类型中选择最合适的植入物设计、几何形状和尺寸，以增加稳定性和对加载的抗性。这允许更可预测地和可靠地插入和保持植入物。

本发明采用以机电方式振动的诊断探针。因此，当探针被插入骨中预先钻出的洞中时，振动被周围的骨机械地阻尼，并且这可以作为振幅的减小或者构件的共振频率的偏移来被测量。可以控制外部变量，由此针对将成为植入部位的孔给出骨质量和硬度的真实定量测量结果。

在本发明中，探针表现为悬臂梁。这种悬臂梁的共振频率是其模量、长度和横截面积的函数。因此，探针的共振频率将由其插入洞中的深度和插入部分的硬度来确定。

优选地，该方法包括进一步步骤：一旦进行了所述分析，就从骨中移除探针。一旦对骨进行了分析，就将探针从骨中的孔中移除，以允许插入所需的植入物。该探针旨在用作测量探针，并且它不形成旨在无论是永久地还是暂时地被插入体内的任何植入物组件的一部分，也不附接到旨在无论是永久地还是暂时地被插入体内的任何植入物组件。虽然设想在某些情况下探针可以用作植入物，但优选的是移除探针以允许使用更合适的植入物。

在一种布置中，在被分析之前，来自探针的所得的输出信号被放大和/或滤波。有利地，该分析由中央处理单元进行，并且其中所述中央处理单元还包括非易失性存储器，并且在一种布置中，在所述非易失性存储器上提供查找表和/或校准数据，并且在分析所述共振频率期间由所述中央处理单元访问其上的信息。通过容易地提供校准信息和/或查找表，可以容易地解释和处理信息以提供有意义的结果。

一旦进行了对骨的分析，就可以产生计算出的质量、密度和/或硬度的图形显示。这使得操作者能够更清楚地理解骨结构的特性。

在一个优选的布置中，探针沿其长度设有标记，以指示其植入孔中的深度。通过具有探针被插入的深度的指示，可以在植入物插入孔中之前精确地测量植入物的长度。这允许在植入物需要被插入之前正确地确定植入物的尺寸。探针可以可重复地被插入到导孔中到任意深度，直到导钻所钻出的深度。

可能有利的是，探针设置有螺纹或螺旋外部轮廓，并且可能进一步有利的是，探针的尺寸和轮廓与用于形成孔的钻头的尺寸和轮廓相匹配。探针应被设计成在其与待测量的环绕骨之间具有恒定的硬度。这可以通过使导钻的直径和轮廓与探针的直径和轮廓相匹配来实现。附加地或者替代地，探针沿其长度可以是光滑的，或者具有螺旋或螺纹轮廓，使得能够通过推动、旋转或两者的组合来插入。

本发明扩展到实施本发明的装置及用于其的探针。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施方案，其中：

图2示出了供用于本发明的方法的探针；

图3是示出用于本发明的装置的示意图的图；以及

图4是示出共振频率与骨质量之间的关系的图。

具体实施方式

图2示出了探针10，其包括伸长部分12和顶部14。该顶部设有用于激励探针10的激励装置，该激励装置包括：

a)直接电磁连接，其包括绕顶部16缠绕或结合到该顶部的线圈16，其中线圈引起激励并且还测量探针的响应。

b)直接压电连接18，其包括压电晶体，所述压电晶体附接到，并且可以被结合到，探针10以用作发射器和接收器。

c)间接电磁连接20，其包括在顶部14c处的磁体或含铁材料22，由此允许探针的部分或全部被极接近探针10的远程线圈24激励和测量，以产生感应效应。

探针10具有两个端部：第一被动端部，其没有附接件；和第二端部14，其设有以机电方式激励探针10并测量所得到的共振频率的连接装置16、18和20。

该设备包括探针10和直接或间接地连接到其上的激励装置。提供中央处理单元30，其向激励装置发送交流信号。该信号的振幅、波形和特性将与激励装置中使用的特定换能器的适当要求相匹配。该信号由中央处理单元30数字地合成，并通过数模转换器32。

来自探针10的所得的输出信号被滤波放大器34放大、滤波和调节，然后由中央处理单元30分析。中央处理单元30从查询表获得信息以比较测得的数据和校准数据36，以生成定量值或图形显示，该定量值或图形显示由输出38提供用于由操作者解释。

在植入部位准备期间，通常使用多个直径和/或长度增加的钻头。这用于多个目的，包括在准备期间改变潜在的对准，通过小阶段的切割减少热量产生，以及针对植入物的尺寸和形状塑造钻孔。因此，使用小的通常为2mm直径的钻头在骨中准备导孔是很常见的，然而，根据需要，钻头可以在1mm至10mm的范围内。一旦形成洞，可以将探针至少部分地插入到洞中。

探针的特性，例如其形状和长度，将取决于要求。因此，虽然探针的横截面优选地是圆形的，但它可以是椭圆形、正方形或不规则的，并且它可以具有几何特征。探针的直径可以在1mm至10mm的范围内变化，但是优选的直径是大约2mm。

重要的是，探针被设计成在其与其测量的骨之间具有恒定的硬度，以便实现可靠的测量。通过使导钻的直径和轮廓与探针的直径和轮廓相匹配来解决这一点，以便使得在任何骨质量测量中能够消除界面硬度。

通过模拟骨的机械性质的均匀、各向同性材料的样品中的测试孔，可以容易地校准探针。该数据使得探针能够被校准以给出作为共振频率的函数的骨质量和数量的值。该技术也可以应用于来自探针的阻尼测量。

探针可包括金属，通常为铝或钛，和/或其他材料。理想地，探针包括旨在抵抗外科手术环境中的和灭菌期间的腐蚀的材料。

对于附接到探针的换能器，存在各种排列和取向，并且这些可用于收集与取向有关的进一步数据。

应当理解，被激励的悬臂梁可以表现出与其振动模式有关的多个共振频率。探针可以测量这些模式中的任何一个或所有，只要其存在。

本发明可用于测量骨密度或质量可能降低的疾病中的骨质量，所述疾病例如骨质疏松症、骨软化症或维生素缺乏症。另外，它不仅可以用于牙齿情形中，而且可以关于整形外科事宜被使用，在整形外科事宜中了解骨质量和硬度是有利的。

Claims (11)

1.一种评估骨的质量、密度和/或硬度的方法，包括以下步骤：

将伸长探针放入待评估的骨中的预先钻出的孔中；

激励所述伸长探针进行物理振荡；和

监测所述探针的共振频率；

其中分析所述共振频率以确定所述骨的质量、密度和/或硬度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括以下进一步步骤：一旦进行了所述分析，就从所述骨中移除所述探针。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所得的输出共振频率在被分析之前被放大和/或滤波。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，由中央处理单元进行所述分析，并且其中，所述中央处理单元还包括非易失性存储器。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述非易失性存储器上提供查找表和/或校准数据，并且在分析所述共振频率期间由所述中央处理单元访问其上的信息。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，产生计算出的质量、密度和/或硬度的图形显示。

7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述探针沿其长度设有标记，以指示其插入所述孔中的深度。

8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述探针设置有螺纹或螺旋外部轮廓。

9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述探针的尺寸和轮廓与用于形成所述孔的钻头的尺寸和轮廓相匹配。

10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，用于激励所述伸长探针的激励装置被结合到所述探针。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述激励装置包括直接作用于所述探针的线圈。