CN113438918A - 用于评估骨折长骨的愈合状态的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种评估肢体中骨折长骨的愈合状态的方法，该方法包括以下步骤：对肢体施加已知力；使用附接在肢体的任一侧上的振动传感器来产生输出信号，该输出信号响应于来自振动传感器的输出信号的已知力而生成；根据输出信号，生成以下各项的频域波形：a)振动传感器输出信号之间的相位差，b)振动传感器输出信号的相干性，和c)振动传感器输出信号的交叉谱；根据对应于交叉谱波形中的峰值的频率处的相位差波形中的相位差来识别振动传感器的同相响应和异相响应；根据相干性波形的幅度来验证相干模式；以及生成骨愈合数据，包括使用相干性波形的幅度和相位差作为加权函数，计算表示骨愈合状态的愈合指数值。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种用于评估骨折长骨的愈合状态的方法和系统。本发明适用于已经对长骨施加内固定以帮助愈合的应用，并且结合该示例性但非限制性应用来描述本发明将是方便的。
背景技术
“长骨”，即长度大于宽度的骨骼，包括股骨(人体中最长的骨骼)以及相对较小的骨，诸如手指中的那些骨骼。长骨的功能是支撑身体的重量以及促进运动。长骨大部分位于骨架中，并且包括下肢中的骨骼(胫骨、腓骨、股骨、跖骨和指骨)和上肢中的骨骼(腘骨、桡骨、尺骨、掌骨和指骨)。
内固定是骨折长骨的常见疗法，用以校正对齐、提供机械稳定性、允许承重并且在骨骼愈合时尽早使用肢体。与石膏和夹板所允许的相比，内固定允许患者更早回到正常功能，并且减少骨的不连接和连接不正的事件。图1示出为长骨14提供内固定的安装的板10和相关联的螺钉(诸如标记为12的螺钉)的示例。类似地，图2示出了髓内杆的示例，髓内杆也称为髓内钉(IM钉)，包括被强迫进入骨的髓腔中的金属杆16和相关联的螺钉18。
治疗的重要部分是精确地确定固定骨折长骨的愈合进程和连接性。由于正常愈合的合成代谢阶段和分解代谢阶段之间的微妙平衡，骨折骨的愈合过程复杂且延迟连接、连接不正和不连接是常见的情况。在让患者回到以前的功能之前，通常通过X射线或CT扫描的图像的临床解释来评估愈合程度。众所周知，这些射线照相术具有主观性和不确定性。
愈合状态与骨折长骨的增大的刚度之间的关系已得到广泛认可。多种测量技术可用于测量内固定骨折骨的刚度，包括超声、直接静态测量和振动测量。不幸的是，这些已知技术都存在重大误差并且不适合临床使用。
因此，仍然需要提供一种用于评估内固定骨折长骨的愈合状态的方法和系统，该方法和系统改善和/或克服用于评估这种骨的愈合状态的已知方法和系统的缺点。
发明内容
考虑到这一点，本发明的一个方面提供了一种评估肢体中骨折长骨的愈合状态的方法，该方法包括以下步骤：对肢体施加已知力；使用附接在肢体的任一侧上的振动传感器来产生输出信号，所述输出信号响应于来自所述振动传感器的输出信号的已知力而生成；根据输出信号，生成振动传感器输出信号之间的相位差的频域波形、振动传感器输出信号的相干性的频域波形以及振动传感器输出信号的交叉谱的频域波形；根据对应于交叉谱波形中的峰值的频率处的相位差波形中的相位差来识别振动传感器的同相响应和异相响应；根据相干性波形的幅度来验证相干模式；以及生成骨愈合数据，包括使用相干性波形的幅度和相位差作为加权函数，计算表示骨愈合状态的愈合指数值。
在包括这些步骤的方法中，可以通过振动分析测量骨刚度来分析骨折长骨的愈合状态。上述步骤能够分离横向和扭转频率响应以从与肢体对冲击的频率响应隔离开，从而与分析其它响应模式相比能够更好地评估愈合或骨连接的状态。
在一个或多个实施例中，生成骨愈合数据的步骤进一步包括生成指示愈合状态随时间进展的愈合指数值的随时间的第一数据集。
在一个或多个实施例中，生成骨愈合数据的步骤进一步包括：生成交叉谱幅度的随时间的第二数据集；以及生成第一数据集的时间导数的第三数据集。
在一个或多个实施例中，该方法进一步包括显示骨愈合数据的视觉表示以供临床医生解释的步骤。
在一个或多个实施例中，对骨折长骨施加内固定。
振动传感器可以围绕肢体相互径向间隔130度到240度，以及甚至更优选150度到210度。
在一个或多个实施例中，向肢体施加冲击的步骤包括：使质量块(mass)围绕肢体径向行进并且撞击被固定到肢体的撞击点。
本发明的另一形态提供了一种用于评估肢体中骨折长骨的愈合状态的系统，包括：施力机构，该施力机构用于向肢体施加已知力；感测装置，该感测装置用于在肢体的任一侧上附接振动传感器，以产生响应于已知力而生成的输出信号；以及信号分析布置，该信号分析布置用于根据输出信号生成振动传感器输出信号之间的相位差的频域波形、振动传感器输出信号的相干性的频域波形以及振动传感器输出信号的交叉谱的频域波形；根据对应于交叉谱波形中的峰值的频率处的相位差波形中的相位差来识别振动传感器的同相响应和异相响应；根据相干性波形的幅度来验证相干模式；以及生成骨愈合数据，包括使用相干性波形的幅度和相位差作为加权函数，计算表示骨愈合状态的愈合指数值。
在一个或多个实施例中，信号分析布置被进一步配置为使得生成骨愈合数据进一步包括生成指示愈合状态随时间进展的愈合指数值的随时间的第一数据集。
在一个或多个实施例中，信号分析布置被进一步配置为使得生成骨愈合数据进一步包括生成交叉谱幅度的随时间的第二数据集；以及生成第一数据集的时间导数的第三数据集。
在一个或多个实施例中，该系统进一步包括显示器，该显示器用于呈现骨愈合数据的视觉表示以供临床医生解释。
本发明的另一方面提供了一种用于上述系统的施力机构，包括：质量块；固定在肢体上的撞击点；以及使质量块围绕肢体径向行进并且撞击该撞击点的装置。
本发明的又一方面提供一种用于上述系统的集成的施力机构和感测装置，包括布置，该布置用于安装到肢体并且集成(i)壳体中的施力机构以及(ii)用于将振动传感器安装在肢体的任一侧上的结构。
现在将参考附图更详细地描述本发明。应当理解，附图的特殊性并不取代本发明的前述描述的一般性。
附图说明
图1是已用第一板和螺钉固定布置内固定的长骨的两个视图的绘示；
图2是已用髓内钉固定布置内固定的长骨的两个视图的绘示。
图3是肢体的示意图，该肢体周围附接有将施力机构和振动感测装置集成的布置，该施力机构和振动感测装置形成用于评估肢体中内固定骨折长骨的愈合状态的系统的一个实施例的一部分；
图4是形成图3所绘示的集成布置的一部分的振动感测装置的示意图；
图5是形成图4所示振动感测装置的一部分的振动传感器对输入扭转负载的响应的图解表示；
图65和图7分别是形成图3所示的集成布置的一部分的施力机构的端视图和等距视图；
图8是用于评估肢体中内固定骨折长骨的愈合状态的系统的一个实施例，其中在图3所示的集成布置中提供信号/数据处理和信息显示能力；
图9是用于评估肢体中内固定骨折长骨的愈合状态的系统的另一个实施例，其中数据/信号处理和信息显示器与图3所示的集成布置分开提供；
图10是从形成振动感测机构的一部分的振动传感器的响应中导出的频域波形的图解表示，所述频域波形表示振动传感器输出之间的相位差、振动传感器输出的相干性和振动传感器输出的交叉谱；以及
图11是根据图10中绘示的频域波形计算的随时间发展的交叉谱和随时间发展的愈合指数的两个示例的图解表示。
具体实施方式
现在参考图3，大体示出了布置20，该布置20安装到腿22并且集成以下各项：(i)壳体24中的施力机构和(ii)用于将两个或更多个加速度计或其它振动传感器安装到腿22的任一侧上的结构26。带子28用于将集成布置20紧固和定位到腿22。优选地，布置20应围绕长骨的硬点定位和紧固，以确保将刺激(excitation)施加到长骨。在图2所示的示例性实施例中，围绕股骨的上髁(硬点)紧固布置20。
应当理解，图3中绘示的布置仅仅是一种方便的方式，其中，可以将施力机构和感测装置安装到肢体上，该施力机构用于向腿22或其它肢体施加冲击或其它已知力，该感测装置用于在肢体的任一侧上附接振动传感器以产生响应于已知力而生成的输出信号。在其它实施例中，施力机构和感测装置可以单独形成和/或单独附接到肢体。
图4示意性地绘示了结构26的部分30，其围绕腿22固定以使加速度计32和34能够保持在适当位置。加速度计或其它振动传感器优选地是单向的并且被定向为测量腿22的Y轴方向上的加速度，即，平行于腿22内的长骨的纵向轴线。加速度计被定位成使得当将扭转负载施加到腿上时，如图5中的输入波形40所示，具有扭转分量的负载被施加到腿上，响应于输入负载或输入负载分量，加速度计32和34起到生成输出信号的作用，所述信号分别标记为42和44。
图6和图7中绘示了用于向腿22施加扭转负载的一种示例性布置。这些图中所示的施力机构50可以被容纳在图2所示的壳体24内。施力机构50包括：板52和54；以及用于将板52和54分开的间隔构件56和58。具有不同重量的两个质量块60和62通过柔性且坚硬的绳索64连接并且悬挂在两个无摩擦轴承66和68上。
图6和图7示出了“静止”状态下的施力机构。为了向肢体施加扭转负载，当质量块60内的槽70的一端冲击销72时，质量块60被向下拉直到达到运动极限。在这种布置中，质量块62大于质量块60，因此释放质量块60时，质量块62由于两个质量块60和62之间的质量差而下降。两个质量块将行进直到质量块60在槽70的另一端撞击销72，并且类似地使质量块62在其行程的极限处撞击销74。质量块对销72和74的冲击将使施力机构50和腿22中的长骨承受扭转负载。冲击将引起动态负载，该动态负载将激发长骨的相应扭转模式而不是依靠重力，本发明的其它实施例可以依靠螺线管或其它电磁手段来使质量块撞击销并且向肢体递送扭转负载。
在本发明的实施例中，施力机构没有安装在壳体24内，而是单独地附接到腿22上，张力调整装置，诸如图6和图7中所示的螺母和螺栓的布置，可以用来将两个板52和54夹紧到腿22。
虽然优选向肢体施加扭转负载，即围绕肢体的纵向轴线施加的力，但在本发明的其它实施例中，施力机构可以沿不同方向施加负载/力。本发明的其它实施例可以完全省略施力机构，并且使用其它手段向腿施加负载/力，诸如传统的医生锤。
现在参考图8，由加速度计32和34中的每一个生成的输出信号然后被提供给分别标记为90和92的模数转换器以使能下游信号处理。在图8所示的实施例中，数据/信号处理由安装到图3中的集成布置20或形成该集成布置20的一部分的处理单元94执行。如常规情况，处理单元94包括：主存储器96，其用于存储程序指令；以及处理器98，其用于执行各种数据处理和需要执行的其它操作。还提供显示器接口100以使得能够在装置上显示器102处向用户提供骨22的愈合状态的反馈和指示。
在图9中绘示的本发明的另一个实施例中，由模数转换器32和34产生的输出信号的数据/信号处理远离或独立于集成布置20进行，该集成布置包围腿22或其它肢体。在这样的实施例中，由模数转换器90和92提供的来自加速度计32和34的数字化信号由通信路径104提供给计算系统108的通信接口106。计算系统108包括通信基础设施110，使得能够在处理器112、主存储器114和显示器接口116之间发生通信，从而能够经由显示器118实现用户反馈。主存储器114存储程序指令以使得处理器112执行设计和编程的功能。
此外，可以提供辅助存储器120，包括数据存储装置，诸如硬盘驱动器122、用于存储可移除存储单元126的可移除存储驱动器124和用于与第二可移除存储单元130交互的接口128。图8所示的布置的显示器的处理能力和尺寸必然会限制提供给用户或医疗从业者的反馈信息，图9所示类型的装置外布置将提供更大的处理能力以及向用户或医疗从业者提供更丰富的图形以及其它诊断信息的能力。
在加速度计30和32检测到对施加到腿22的冲击的平移响应时，加速度计30和32同相响应，或在加速度计30和32检测到扭转响应时，加速度计30和32异相响应。分析由模数转换器90至92生成的数字化信号以将扭转模式和/或弯曲模式与加速度计的记录频率响应隔离。与分析其它响应模式相比，单独分析扭转频率响应可以产生愈合或骨连接状态的更好评估。
在扭转模式和/或弯曲模式被隔离之后，它们可以被映射到提供腿22内骨愈合状态的指示的愈合指数。现在参考图10，分别示出了振动传感器输出信号之间的相位差140的频域波形、振动传感器输出信号的相干性142的频域波形以及振动传感器输出信号的交叉谱144的频域波形。
振动传感器的同相响应和异相响应由数据/信号处理单元94或计算系统108根据对应于交叉谱波形中的峰值的频率处的相位差波形中的相位差来识别。然后根据相干性波形的幅度来验证相干模式。最后，使用相干性波形的幅度和相位差作为唤醒函数，计算代表骨愈合状态的愈合指数值并且向用户显示。
图10还示出了测量因变量随时间(即不同愈合阶段)的变化。波形140至144的确切形式是使用实验装置生成的，其中复合股骨用来自Striker Corporation的模型T2IM钉固定。在这种布置中，股骨头用虎钳牢固地固定在沉重的混凝土块上。股骨被与股骨头几何形状匹配的一组3D打印虎钳夹牢牢抓住。已被定向用于测量Y轴方向上的加速度的两个单向加速度计(B&K 4507型)被附接到测试样品上。使用锯条对复合股骨进行中轴截骨，并通过远端进入点插入髓内逆行股骨钉，并在远端和近端插入十字螺栓。将胶带放置在断裂区域上以形成填充有环氧树脂粘合剂的模具。此时，在股骨中加入模型粘土以有助于观察愈合过程，然后以为30分钟(8小时，为了达到完全强度)固化时间制备两部分环氧树脂，然后所述两部分环氧树脂将填充到截骨区域。所用模型粘土的质量为1kg。表1列出了复合股骨、固定装置和模型粘土的最终质量。
表1利用IM钉固定的测试样品的质量[AQ：3]
在两部分环氧树脂混合时化学反应开始。这意味着环氧树脂将在准备测试样品时固化，其中准备测试样品包括安装模型粘土。时间t＝0s将指示记录的第一组实验结果。随着环氧树脂在股骨截骨区域的固化和“愈合”，每隔一定间隔进行后续实验。为了跨越整个固化过程，在混合环氧树脂后进行了长达180分钟的实验。
尽管测试设备具有抗混叠功能，但测量以每秒22,000个样本(带宽为10kHz)的采样率且以1.56Hz的频率分辨率进行过采样。每个光谱在10个样品上取平均值。预期的有用带宽为600Hz。所采用的过采样将消除混叠的可能性。这个数量的样本提供了良好的信噪比，并且在平均7个样本后观察到光谱稳定。每种愈合状态的测量大约需要30秒，与粘合剂的固化时间相比，这并不重要。
用于表征固定股骨的动态响应的因变量包括交叉谱的幅度和相位以及根据两个传感器布置计算的相干性函数。这些量被绘制为函数时间，该函数时间然后用于表示自变量，“模拟愈合时间”。加速度计S1和S2之间的交叉频谱以及来自两个加速度计的相干性函数在前100分钟以2分钟间隔确定并且之后以5分钟间隔确定。相干性函数支持测量信号(S1和S2)的统计显著性。
已尝试控制其它影响因素，诸如填充在复合股骨截骨区的环氧树脂体积和样品制备时间。样品制备时间包括混合两部分环氧树脂、填充截骨区域和用模型粘土包裹股骨的持续时间。由于这些因素造成的变化可能会影响结果，并且构成了如下陈述的有效性和准确性的很好的实验测试：固定股骨的动态响应是评估骨折区域愈合状态的有用且可靠方法。尽管如此，结果将表明可以从测量的因变量评估愈合状态。
应当理解，该实验装置模拟腿部骨折和内固定的股骨，并且通过模拟和加速愈合过程证实本发明的功能性。然而，应当理解，当将本发明应用于真实肢体时，在愈合发生时，波形的确切性质及其随着时间的变化或演变将有所不同，并且也将作为待评估的特定长骨的函数而有所不同。
加速度计32和34之间的相干性函数确定这些加速度计之间的因果关系并且识别相干模式频率。模型质量的影响在频率低于100Hz时不明显。该频率带宽内的响应与构造体的全局响应相关联。然而，由模型粘土施加的质量负载的影响在较高频率下很明显。分别在285Hz和305Hz附近观察到具有显著相干性的带有和不带有“质量负载”的构造体的第一异相模式。分别在大约250Hz和370Hz处测量到具有显著相干性的带有和不带有“质量负载”的“同相”模式。此外，包含模型粘土抑制了交叉谱的幅度。这归因于模型粘土的阻尼效应，模型粘土起到模拟骨折骨周围的组织的作用。
如上所述，图10示出了作为时间的函数的测量因变量的变化(即，模拟愈合的不同阶段)。主要观察结果如下：
(a)在16Hz、109Hz和240Hz处观察到同相模式。
·16Hz处的第一同相模式的相干性从实验开始就接近统一，并且没有观察到作为愈合状态的函数而变化。与此模式相关的动态刚度对愈合状态不敏感。
·观察到与第二同相模式峰值相关联的频率随着愈合时间而增大。这归因于固定股骨的固化(即，模拟愈合)导致的刚度增大。
·在245Hz附近出现的第三同相模式清楚地证明了使用动态刚度的变化来解释固定股骨骨折愈合状态的可行性。最初，该频率下的相干性函数的幅度较低，并且随着实验的结束(即，随着模拟愈合的进展)，所述幅度增大到接近统一。
(b)观察到异相(OOP)模式的表现如下：
·61Hz处的第一OOP模式在整个实验过程中具有接近统一的相干性值，并且与构造体的全局模式相关联。作为愈合的函数的与此模式相关联的动态刚度的增大并不显著。
·观察到第二OOP模式最初在143Hz处发展，然后在实验结束时迁移到190Hz。这种模式的发展通过测量的相干性函数的相应幅度得到证实。这一观察结果与骨折区域模拟愈合进展相关联的增大的刚度一致。
·在210Hz附近观察到第三OOP模式。这种模式的定义作为时间的函数(即愈合)而改进。在频率上趋于统一的相干性函数的增大的幅度与骨折区域的愈合进展一致。
然后可以使用相干性波形的幅度和相位差作为唤醒函数，根据例如如在等式1中所定义的归一化愈合指数来计算表示骨的愈合状态的愈合指数值。等式1是根据结构的动态响应估计愈合状态的函数的一个示例。等式1中定义的愈合指数随着愈合的进展单调增大且渐近。
选择0和600Hz之间的频率带宽以包括对愈合敏感的模式。积分之后，指数归一化为时间零处的交叉谱(等式(1))。图11(a)和(b)示出了将等式(1)应用到上述两组实验结果。尽管存在质量负载，但该图表明与骨折固定股骨相比，愈合的股骨将返回愈合指数的显著值。愈合指数曲线示出了随时间增大的愈合的进展和渐近。
如由等式(2)计算的归一化愈合指数的时间导数(HIt)，以及相对于股骨愈合的交叉谱的演变在图11(a)和(b)中的曲线图150和152中呈现。在该强度图中呈现了在实验期间测量的交叉谱的幅度。区域A、B和C示出了用于愈合评估的愈合指数曲线的行为。通过同时考虑交叉谱的幅度、愈合指数曲线和愈合指数的变化率来最佳地实施愈合评估。
在区域A中，愈合的开始将引起愈合指数的增大，这伴随着交叉谱的变化，暗示整个构造体的刚度增大。刚度的增大在交叉谱曲线中很明显。沿着图1(a)和(b)中交叉光谱图上的峰值绘制了一条曲线，以显示随着愈合的进展刚度增大。区域B与使最终渐近(区域C)的愈合速率减速相关联。愈合指数的渐近行为与由于骨折区域愈合的后期阶段而产生的更高模式的形成相关联。
虽然已经结合有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，根据前述描述，许多替代方案、修改和变型是可能的。本发明旨在包括所有可能落入所公开的本发明的精神和范围内的替代方案、修改和变型。
Claims (17)
1.一种评估肢体中的骨折长骨的愈合状态的方法，所述方法包括以下步骤：
对所述肢体施加已知力；
使用附接在所述肢体的任一侧上的振动传感器来产生输出信号，所述输出信号响应于来自所述振动传感器的输出信号的已知力而被生成；
根据所述输出信号，生成以下各项的频域波形：
a)振动传感器输出信号之间的相位差，
b)所述振动传感器输出信号的相干性，以及
c)所述振动传感器输出信号的交叉谱；
根据对应于所述交叉谱波形中的峰值的频率处的相位差波形中的相位差来识别所述振动传感器的同相响应和异相响应；
根据所述相干性波形的幅度来验证相干模式；以及
生成骨愈合数据，包括：
使用所述相干性波形的幅度和所述相位差作为加权函数，计算表示所述骨愈合状态的愈合指数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生成骨愈合数据的步骤进一步包括：
生成指示所述愈合状态随时间进展的愈合指数值的随时间的第一数据集。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述生成骨愈合数据的步骤进一步包括：
生成所述交叉谱幅度的随时间的第二数据集；以及
生成所述第一数据集的时间导数的第三数据集。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：
显示所述骨愈合数据的视觉表示以供临床医生解释。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，对所述骨折长骨施加内固定。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述振动传感器围绕所述肢体相互径向间隔130度至240度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述振动传感器围绕肢体相互径向间隔150度至210度。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，向肢体施加已知力的步骤包括：使质量块围绕肢体径向行进并且撞击被固定到所述肢体的撞击点。
9.一种用于评估肢体中的骨折长骨的愈合状态的系统，包括：
施力机构，所述施力机构用于向所述肢体施加已知力；
感测装置，所述感测装置用于在所述肢体的任一侧上附接振动传感器，以产生响应于所述已知力而生成的输出信号；以及
信号分析布置，所述信号分析布置被配置为根据所述输出信号生成以下各项的频域波形，
a)振动传感器输出信号之间的相位差，
b)所述振动传感器输出信号的相干性，以及
c)所述振动传感器输出信号的交叉谱；
根据对应于所述交叉谱波形中的峰值的频率处的所述相位差波形中的相位差来识别所述振动传感器的同相响应和异相响应；
根据所述相干性波形的幅度来验证相干模式；以及
生成骨愈合数据，包括：
使用所述相干性波形的幅度和所述相位差作为加权函数，计算表示所述骨愈合状态的愈合指数值。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述信号分析布置被进一步配置为使得生成骨愈合数据进一步包括：
生成指示所述愈合状态随时间进展的愈合指数值的随时间的第一数据集。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述信号分析布置被进一步配置为使得生成骨愈合数据进一步包括：
生成所述交叉谱的幅度的随时间的第二数据集；以及
生成所述第一数据集的时间导数的第三数据集。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的系统，其中，内固定被施加到所述骨折长骨上。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的系统，进一步包括：
显示器，所述显示器用于呈现所述骨愈合数据的视觉表示以供临床医生解释。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的系统，其中，所述振动传感器围绕所述肢体相互径向间隔130度至240度。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述振动传感器围绕所述肢体相互径向间隔150度至210度。
16.一种用于根据权利要求9至15中的任一项所述的系统的施力机构，包括：
质量块；
撞击点，所述撞击点被固定到所述肢体；以及
装置，所述装置使所述质量块围绕肢体径向行进并且撞击所述撞击点。
17.一种用于根据权利要求9至16中的任一项所述的系统的集成的施力机构和感测装置，所述集成的施力机构和感测装置包括：
布置，所述布置用于安装到肢体上并且集成(i)在壳体中的所述施力机构以及(ii)用于将振动传感器安装在肢体的任一侧上的结构。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8421446D0 (en) * | 1983-08-26 | 1984-09-26 | Mintowt Czyz W | Assessing structure mechanical integrity of osseous systems |
| US20180303408A1 (en) * | 2017-04-19 | 2018-10-25 | Worcester Polytechnic Institute | Systems and Methods for Early Detection of Fracture Healing |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5836891A (en) | 1997-05-20 | 1998-11-17 | Dimarogonas; Andrew D. | Method and apparatus for determining the density and structural integrity of biological tissues, medical implants and structural parts |
| RU19361U1 (ru) * | 2001-02-08 | 2001-08-27 | Ивановская государственная медицинская академия | Устройство для моделирования вибрационных резонансных характеристик при исследовании чрескостного остеосинтеза большеберцовой кости в эксперименте |
| GR1005458B (el) | 2005-08-24 | 2007-03-05 | Δημητριος Φωτιαδης | Μεθοδος και συστημα για την ευοδωση και παρακολουθηση της επουλωτικης διαδικασιας των οστων |
| FI124387B (en) * | 2011-11-01 | 2014-08-15 | Oscare Medical Oy | Bone method and arrangement utilizing electromagnetic waves |
| WO2017117328A1 (en) * | 2015-12-29 | 2017-07-06 | Robert Coleman | System and methods for dynamic bone structure interaction |
| EP3562429A4 (en) * | 2016-12-30 | 2020-08-26 | Perimetrics, LLC | SYSTEM AND METHOD OF DETERMINATION OF STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF AN OBJECT |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8421446D0 (en) * | 1983-08-26 | 1984-09-26 | Mintowt Czyz W | Assessing structure mechanical integrity of osseous systems |
| GB2156983A (en) * | 1983-08-26 | 1985-10-16 | Mintowt Czyz Witek | Method and apparatus for assessing the structure and mechanical integrity of osseous systems |
| US20180303408A1 (en) * | 2017-04-19 | 2018-10-25 | Worcester Polytechnic Institute | Systems and Methods for Early Detection of Fracture Healing |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| W. K. CHIU等: "Healing assessment of an internally fixated femur using vibration analysis", PROCEEDINGS OF THE APWSHM, pages 1 - 9 * |
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