CN114072542A - 自主析氢反应阈值检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方法和设备，所述方法和设备用于自主地分析诸如矫形植入物的金属植入物的表面积比和合金组合物比，使得能够选择用于生物膜破坏的最佳电压，并且至少部分地基于对析氢反应阈值的自主检测来使处理更容易。

Description

自主析氢反应阈值检测方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请按照35U.S.C.§119的相关部分的规定要求2019年6月3日提交的USSN 62/856,282的优先权，该文献全文并入本文。

技术领域

本申请整体涉及用于金属植入物的处理系统的领域，并且更具体地涉及用于控制阴极电压控制电刺激(CVCES)处理系统的施加电压的设备和相关方法。

背景技术

金属植入物是用于患有多种不同伤痛或医疗问题的患者的矫形装置或设备。具体地，金属植入物可用于需要替换关节的任何个体。例如，金属植入物可用于替换患者的髋部或膝盖。金属植入物的一个潜在问题是它们容易让细菌在表面上生长。这可能增加患者感染的风险，这可能需要潜在去除植入物。为了降低感染的风险，电极可提供电刺激以破坏细菌的生长。

在科学文献中已经示出，将阴极电流施加到金属样品在该表面产生化学反应，这些化学反应可破坏和杀死存在于金属上的细菌生物膜。要发生电化学过程，在电解质溶液内必须存在阳极和阴极。阳极为发生氧化反应的金属表面，并且阴极为发生还原反应的另一个金属表面。还原反应本质上是当感兴趣的材料获得电子并由此降低分子的氧化态时。阳极和阴极各自位于其中的电解质通过促进被离子载体(诸如钠离子或钾离子)传递的电子流来提供电连接。电子经由稳压器通过电通路从阳极驱动到阴极。

稳压器是用于将电流从反电极驱动到工作电极以便使工作电极上的电压与稳定参考电极相比保持处于恒定值的刺激装置或仪器。就阴极电压控制电刺激(或CVCES)而言，阳极代表反电极，阴极代表工作电极。使用稳压器，用户可简单地通过调节所施加电压的参数来指示工作电极上实际正在发生哪个电化学过程及其发生的速率。

在临床环境中，CVCES技术已显示为以可能的微创性方式对抗金属植入物上的细菌生物膜感染的一种方式。在这种环境中，通过使用金属植入物(工作电极)作为阴极并使用反电极作为阳极，患者的身体充当电化学电池。

为此，金属矫形植入物通常由各种合金的组合制成，这些合金展示出彼此不同的电化学特性。一般来说，在矫形植入物中使用的几乎所有合金在位于内部身体条件下时在合金的表面上被动地形成氧化物层。这种氧化物层为金属提供金属的高生物相容性特性。当用电势处理将阴极电压施加到这些氧化物层时，不同合金的氧化物层将主要在它们相应电流汲取方面相比于彼此表现得不同。另外，矫形植入物相对于每种合金具有不同的暴露表面积比。因此，并且当材料组合物未知时，在盲选或随机选择的电压下的单个CVCES处理将最终引起非常不可预测的电化学响应，该电化学响应对于生物膜破坏可能不是最佳的。

因此，在本领域中需要一种处理技术，该处理技术可自主地分析电化学指示标识以识别外科金属植入物的合金组合物比，以便选择用于生物膜破坏的最佳刺激电压，从而使人为错误的机会最小化，并且使处理最终对于医师或护士更容易实施。

发明内容

因此，并且为了解决这种普遍需求，已经基于对析氢反应的自主检测(并且更具体地析氢阈值)来设想了一种技术。更具体地，对析氢反应阈值的检测解决了通过自主地读取动电势阴极极化扫描或曲线以选择用于处理的目的的最佳电压来解决设定最佳电压刺激的问题。每个外科金属植入物自然地将展示其自身的独特极化曲线，这取决于其暴露的合金在(如将针对CVCES处理形成的)电化学环境中的比率。本申请中描述的技术可通过自主检测基于极化曲线的形状的一个或多个共同指示标识以便计算最佳电压来应用于任何金属植入物。

动电势极化扫描是通常用于电化学以研究阳极界面和阴极界面处的基本行为的基于稳压器的技术。此技术可沿阳极方向或沿阴极方向应用。在CVCES处理系统中，实施阴极极化扫描，该阴极极化扫描基本上在金属植入物上诱导中性或接近零的电压，并且在设定时间间隔内沿负方向递增地增大电压。测量对应于每个电压的电流。当对钝化金属合金起作用时，电流值的所得曲线图将始终形成相同的基本形状。可通过理解促进电子传输的电化学反应来进一步解释这种形状。在极化曲线中存在特定指示标识，该指示标识代表氢开始从水还原反应析出的阈值。由于金属细菌电荷排斥和由还原的水分子提供的局部pH增加的协同作用，生物膜破坏在相对于此阈值更阴极的电流水平处最大化。然而，如果电压阴极地或沿远低于此阈值的负方向增大，则这可能导致电流水平和pH增加，这可能引起周围组织坏死。存在科学证据，该科学证据表明，对于相对于析氢阈值阴极的生物膜破坏，什么水平的电流密度是最佳的。然而，申请人已经通过检测该阈值(可查明，该阈值是确定的)认识到为了维持安全性和有效性还要将刺激电压增大多少。还存在科学证据：在已满足上述阈值时，通过金属表面的一定量的累积电荷转移(以库仑为单位测量)可在对周围组织在组织学上无害的任何电流密度处有效地消除生物膜。

根据一个方面，提供了一种提供阴极电压控制电刺激的方法，该方法包括以下步骤：提供要处理的金属对象，该要处理的金属对象用作工作电极；对该要处理的金属对象施加极化扫描；使用处理器通过该极化扫描自主地检测析氢反应阈值以确定要施加到该要处理的对象的阴极电压；以及将所确定阴极电压施加到该要处理的金属对象。

根据另一个方面，提供了一种用于控制用于处理金属对象的阴极刺激电压的装置，该装置包括：处理器，该处理器被配置用于连接到稳压器；工作电极、反电极和参考电极，该工作电极、该反电极和该参考电极耦接到该稳压器，其中该工作电极是该要处理的金属对象；其中该处理器被编程用于：对该要处理的金属对象施加极化扫描并且生成极化数据；使用该处理器通过所生成极化数据自主地检测析氢反应阈值以用于确定要施加到该要处理的金属对象以去除生物膜的阴极电压；以及将所确定阴极电压施加到该要处理的金属对象。

本文公开的方法包括基于时间的计算，其中该电压变化，并且该电流在设定时间块之后测量。当经由所得极化扫描识别出析氢阈值时，合适编程的装置可继续进行两种(2)模式中的任一种，以便选择适当的处理电压。根据一种模式，用户可输入要处理的对象(植入物)的表面积(如果可用的话)，并且基于该表面积，可计算电流密度。根据该模式并且当电流密度处于或高于规定目标时，所施加电压用于处理的其余部分。另选地并且在第二模式中，可将装置设定为在电荷转移方面运行处理，该电荷转移不需要了解用于输入的特定表面积。当基于极化扫描的各方面检测到植入物的合金类型时，该装置可选择相对于扫描的析氢阈值为阴极的推荐电压，该推荐电压将施加到植入物以完成处理。根据此后一模式，施加推荐电压直到已达到特定电荷转移为止。

附图说明

图1示意性地描绘了已配置有合适编程的自主析氢反应阈值检测装置的CVCES植入物处理系统；

图2是描绘电势(伏)对电流密度的对数的典型阴极极化扫描；

图3示出了第一电化学水还原反应公式和第二电化学氧还原反应，在该第一电化学水还原反应公式中，2摩尔电子与2摩尔水组合，从而将水分离成氢气和氢氧化物分子；

图4是各种金属材料的叠加阴极极化扫描的图形表示，该图形表示包括每种金属材料的水还原反应的相对位置；

图5是用于在基于电流密度的示例性自主析氢反应阈值检测方法中使用的电压选择过程的流程图；和

图6是根据本发明的另一个方面的用于选择CVCES处理电压的过程的流程图。

具体实施方式

以下描述涉及用于获得用于CVCES植入物处理系统的最佳电压刺激点的设备和相关方法的实施方案。贯穿本公开，使用许多术语以便提供关于附图的合适参照系。除了在如此具体指明的情况下，包括“第一”、“第二”、“第三”等的这些术语不应被解释为过度缩小本发明。

参考图1，示出了根据示例性实施方案配置的CVCES处理系统10。正如指出的那样，并且要发生电化学过程，在电解质溶液内必须存在阳极和阴极。阳极为发生氧化反应的金属表面，并且阴极为发生还原反应的另一个金属表面。还原反应本质上是当感兴趣的材料获得电子并由此降低分子的氧化态时。该阳极和该阴极各自位于其中的电解质通过促进被离子载体(诸如钠离子或钾离子)传递的电子流来提供电连接。在所描绘的处理系统10中，电子经由稳压器30通过上述电通路从阳极驱动到阴极。

稳压器30或能够产生电势的类似装置电耦接到由附图标号20示意性地标记的金属植入物。金属植入物20可以是例如膝盖、髋部、肩部或其它矫形替换物，或者可还包括其它外科植入的装置，诸如例如牙科植入物。植入物20形成本文所描述的CVCES处理系统10的工作电极32。反电极34定位在工作电极(植入物20)附近并且与参考电极36一起耦接到稳压器34，该参考电极由Ag/AgCl或其它合适的生物相容性且导电的材料制成，每一者通过适当电路彼此联结并且联结到稳压器30。与CVCES处理相关的另外的细节在美国专利号9,616,142中有所描述，该专利的全部内容以引用的方式并入。

稳压器30是用于将电流从反电极34驱动到工作电极32以便使工作电极32上的电压与稳定参考电极36相比保持处于恒定值的仪器。在阴极电压控制电刺激处理系统(诸如系统10)的情况下，阳极表示反电极34，并且阴极代表工作电极32，正如指出的那样，该工作电极通常是金属植入物20本身。

将我们的关注点转移到通常用作人体中的植入物20的金属生物材料，几乎每种金属生物材料在处于内部身体温度和pH时在热力学上有利于钝化状态。在几乎所有情况下，这种钝化状态由与金属化学结合以在金属顶部上形成薄氧化物层的氧气组成，该薄氧化物层赋予金属耐腐蚀性。这种氧化物层为金属材料提供生物相容性特性，使得这些材料能够被视为“生物材料”。在矫形植入物中使用的最常见金属生物材料的一些示例包括钛合金、不锈钢和钴铬合金。

如美国专利号9,616,142所描述，CVCES处理系统的目标是将阴极电压施加到外科金属植入物的氧化物层以在该金属的表面上引起特定电化学反应，该电化学反应将通过法拉第电荷转移过程、非法拉第电荷转移过程和pH升高来破坏细菌和生物膜。已经研究出，更大的负电压降低了对电子转移的界面阻力并且增加了氧化物层中的电容，这促进金属表面上的大负电荷积聚，该大负电荷积聚然后可排斥并破坏细菌和生物膜。此外，使局部pH升高的OH-分子和在植入物表面上形成的氢气的组合协同干扰细菌的代谢。然而，过负的电压可将这些电化学响应加速至可能伤害周围组织并引起轻度坏死的水平。由于每种金属生物材料对阴极刺激的响应不同，因此诸如在美国专利号9,616,142中描述的已知处理系统需要另一程度的智能或处理，以便安全地且有效地破坏复杂或由复合合金制成的植入物上的细菌生物膜。

由于金属生物材料的不同天然特性(包括标准还原电势、开放电路电势和巴特勒-福尔默(Bulter-Volmer)动力学)，因此在给定阴极电势下，材料与材料之间可能不存在相同的电化学响应。例如并且在给定电压下，钛合金样品可汲取低电流并且仍可进行氧还原反应。相反，在相同的阴极电压下，钴铬合金将汲取更高的电流并且促进氢气形成。更复杂的是，当植入物由具有不同表面积比的两种或更多种金属表面材料构成时，确切电化学过程变得更加不可预测。每个金属植入物的表面光洁度也成为因素，因为与具有低砂磨光洁度的(粗糙且未抛光的)金属相比，具有较高砂磨光洁度的(抛光度更高的)表面由于它们的较低表面积而引起较慢的电化学反应。到目前为止，科学证据显示了在-1.8伏的电压下阴极电压控制电刺激对市售纯钛样品的功效，因为电化学反应是众所周知的，并且电流密度已精确地测量。然而，在几乎所有情况下，-1.8伏的刺激点并非对所有金属都将安全且一致地起作用。已经发现，一般来讲，钛植入物应当通常在-1.8伏至-2.0伏的情况下进行刺激以实现最佳破坏，其中其它合金(如钴铬和不锈钢)通常在-1.5伏至-1.7伏范围(相对于参考电极(通常是Ag/AG-Cl))内为最佳。如所提及的，相对于这些范围更阴极的水平的刺激可能导致对组织更高程度的损坏，并且可完全溶解来自金属表面的生物相容性氧化物层。

重新参照图1并且使用稳压器30，用户可简单地通过调节所施加电压的参数来指示工作电极32上实际正在发生哪个电化学过程及其发生的速率。然而，如果用户不知道特定反应在什么电压阈值处停止或开始，则变得非常难以引起精确的反应和反应速率。

动电势极化扫描是通常用于电化学以研究阳极界面和阴极界面处的基本行为的技术，并且是大多数现代稳压器的主要工具标准。极化扫描可沿阳极方向或沿阴极方向施加。金属植入物的典型阴极电压控制电刺激集中于施加负电压，因此本文所描述的装置和相关联的方法利用阴极极化扫描。

在图2中示出了典型金属的阴极极化扫描28，该图以图形方式描绘了电势(电压)对电流密度，电流密度用对数示出。在所描绘的阴极动电势扫描28中，来自稳压器的施加电势从点1沿负方向变化到点2。开放电路电势(OCP)位于点A处。OCP代表一种电势，在该电势下，在工作电极表面24上发生的阳极和阴极反应的总和为零。根据电解质溶液90(图1)中的pH和溶解氧浓度，区域B代表氧还原反应(图3)占电子转移的范围。由于此后一反应受到氧气可在溶液中扩散的快速程度的限制，因此存在对此反应的速率的上限，称为限制电流密度，该限制电流密度由图2所描绘的扫描中的附图标号60指示。

所施加电势的进一步的阴极增加导致反应速率由于对溶解氧供应的限制而没有变化，因此导致图2的扫描28的区域C所示的基本上竖直的范围。最终，所施加电势变得足够负以使水还原反应有效进行，如图2中的点D处所示。当电势变得越来越负时，并且由于电解质中的水的充分可用性，由此反应汲取的电流将继续增大，如图2的区域E所示。这种另外的反应也称为析氢反应(在整个描述中也称为或称作“水还原反应”)，并且通过终止于点2处的线区域E在图2的扫描上指定。此后一反应是由于通常在阴极表面(工作电极(植入物20，图1)的表面)上形成的氢气副产物引起的。

图3分别代表上述氧还原和水还原反应式。这些反应中的每一者产生OH-分子的副产物，其随后增加工作电极32周围的局部pH。

图4示出了三个(3)不同的生物材料的示例性极化扫描304、308、312以及它们如何相对于电压轴沿着电流轴不同地偏移。如图所示，曲线304是不锈钢的曲线304，曲线308是钴铬的曲线，并且曲线312是钛的曲线。每个扫描304、308和312的所得水还原点分别在316、318和322处描绘。应注意，不同扫描304、308、312中的每一者包括在典型扫描28(图2)中示出的相同代表性行为。

在图1所示的处理系统10中并且根据该实施方案，提供了一种单独的装置50，该装置通过有线或无线(例如，蓝牙、RF、IR)连接与稳压器30以机械的方式和电的方式耦接。该装置50由处理器52限定，该处理器用软件54编程，以用于实施方法，并且被配置用于基于对来自如本文所述的耦接植入物20的极化扫描的各种控制参数的检测来经由稳压器30控制电压的施加以及电流和电压的测量。

典型的稳压器30(诸如图1中配置的那些)不具有知道植入物的表面积是什么的智能或技术，并且因此它们提示用户手动输入表面积。本文所描述的装置联结到稳压器34并且包括处理器，该处理器被合适地编程用于执行本文所描述的方法。显而易见的是，稳压器本身可被重新配置并且进一步配备有用于实施本文所描述的方法的软件/固件。

本发明限定和克服多个挑战。例如，一个挑战是如何确定需要已知的金属对象或植入物的表面积，以便将电流转换成期望电流密度。由于金属生物材料的电化学行为的性质，在一些电压范围内，电流汲取随着电压线性增大而呈指数地增大。此外，电流汲取随着暴露表面积线性增加而线性增大。因此，在大多数情况下，方法或算法不能在其计算中使用原始电流值，因为该值将根据植入物的大小缩放。如果电流被转换成电流密度(其针对所有植入物大小归一化)，则该方法可容易地针对特定电流密度。出于此原因，就电流密度而言浏览了与用于生物膜破坏的最佳电压相关的许多科学发现。

目前描述的装置和方法就需要来自用户的表面积输入而言以与稳压器相同的方式操作；然而，为了克服此挑战，本发明根据植入物表面积是否已知允许两种(2)不同操作模式。当考虑到仅暴露于身体组织的植入物表面被视为活性时，表面积变得更加复杂。可假设植入物的所有表面积(例如不包括植入物的位于紧密聚乙烯揿钮连接下方或骨水泥下方的表面积)可被计数为暴露表面积。用户可将可从包含制造商报告的表面积的金属植入物的数据库获得的信息输入到装置中。如果该信息不可用，则可基于以下结论而合适地利用另选操作模式对装置进行编程：因为电流随着植入物的表面积线性增加而线性增大，所以只要该过程基于与氢阈值偏移的指定电压而不是量化的电流来选择沿着极化曲线的点，则不需要将电流归一化。下文更详细地描述的此后一种模式结合了基于累积库伦的系统而不是基于时间的系统。

限定和克服的另一个挑战是，不仅需要考虑总暴露表面积，而且也需要考虑可能存在于同一植入物中的单个金属的表面积。例如，外科金属植入物可包括半钛和半钴铬。然而并且出于本发明方法的目的，可得出结论：极化扫描应自然解决此挑战。极化扫描在其过程中不使用表面积比，并且不考虑暴露哪些金属。真实的是，每个极化扫描将基于这些比率来不同地偏移。因此，根据本文所描述的发明的自主检测方法可根据扫描进行此确定并且适当地计算适当的刺激电压。

工作电极表面上的电化学反应已从氧扩散限制反应切换到水还原反应的指示标识是极化曲线28(图2)中从接近竖直到下降斜率的拐点。根据本发明的装置被编程用于检测这些拐点，并且因此计算发生析氢反应的精确点，该精确点示出为图2中的点D，并且然后从该计算点沿着反应曲线增大电压以优化电流密度。

本文描述的本发明技术能够利用不同金属生物材料的任何组合或表面积比向任何金属或金属植入物施加动电势极化扫描28、304、308、312。如本文所述，选择极化扫描上代表理想环境的点，该点确定适当的电压。如本文所述，检测装置50可根据两种(2)单独模式进行编程；即，第一电流密度模式和第二另选的累积电荷转移模式，现在更详细地描述每种模式。

参考图5，基于第一电流密度模式来描述示例性过程500，步骤502。首先并且根据该技术，按照步骤504，输入植入物的暴露表面积。出于此输入的目的，医师或用户可基于医疗记录来具有对植入物的金属的先前了解。根据本文所描述的实施方案，处理装置被编程用于金属类型的用户输入，其中装置编程还优选地被配置为验证所输入的金属类型作为双重检查。根据所选择的操作模式，装置被编程用于不同地利用金属类型检测，以便确定合适的处理电压。

在此输入之后，利用低电压刺激预处理金属植入物，步骤506。已经示出，由于独特的电化学环境，在体内已经形成的植入物氧化物层对于各种患者来说可能或多或少是稳固的。因此，当执行极化扫描时，金属的天然电化学行为可能变得不一致。这种情况可能总会使扫描数据偏差。为了避免此问题，可使用低阴极电压预处理来促进各种患者间一致的基线氧化物层。该低阴极电压预处理具体地不如析氢反应阈值阴极，以防止任何后续处理错误施加的电压以及患者感觉不到预处理电压的足够低的量值。在一个实施方案中，预处理刺激为-1.0V(相对于参考电极)持续1分钟持续时间。然而，预处理电压可以是持续范围是从1秒至24小时的任何时间段的范围是从开放电路电势(OCP)至-1.2V(相对于参考电极)的任何阴极电压。

前述预处理刺激是任选的，并且可能是或可能不是所有应用必需的。在已经执行该预处理步骤之后，该过程可从植入物的一致基线氧化物层开始以更高的准确性保证继续。

继续参考图5，植入物的输入金属类型限定了析氢反应开始的电压或制氢的阈值。金属类型不一定如水现在正在还原的验证重要，而在累积电荷转移模式中，金属类型指示用于处理的确切电压环境。

该方法涉及对极化扫描曲线图(或曲线)的分析，该曲线图将由制成植入物的每种材料产生。通过沿负方向斜升电压并在限定范围内测量所得电流来形成极化曲线。通过在处理过程期间始终以平滑的模拟斜坡递增电压来全程优化患者安全性和舒适度，步骤510。极化扫描或曲线的有用范围为+10V至-10V(相对于参考电极)。在一个实施方案中，极化扫描将在金属的开放电路电势电压(OCP)处开始，步骤508，按照步骤510斜升该电压，并且测量电压和电流，步骤512。在根据本发明方法的优选实施方案中，主动分析所得的扫描，并且在满足特定标准时，扫描直接斜升到处理电压。在较不优选的实施方案中，扫描数据在其已经通过设定电压范围后进行计算，返回OCP，并且然后重新斜升到计算的处理电压。应选择此范围(例如，10伏至-10伏)以确保水还原反应将包含在阴极极化扫描内，如图2和4中先前所示的扫描中所示。

更具体地并且在扫描期间，装置被编程用于检测若干拐点，该拐点由斜率(电压除以电流)的明显急剧变化代表，该明显急剧变化指示金属植入物的表面处的某些化学反应中的限制或活化，步骤514。更具体地，第一拐点通常在氧还原反应内在约-800mV(相对于参考电极)处发生，在图1的典型极化扫描28中标记为B。该第一拐点在对植入物的金属的检测中并非特别有用，并且因此，按照步骤516，装置50根据该实施方案被编程用于忽略存在相对于-900mv(-0.9V)为阳极的任何拐点(斜率变化)。第二拐点是氧扩散限制点。扫描中的这种拐点代表系统中可用的氧的量无法维持任何另外的电子传输通过系统的点，并且因此电流暂时停止增大。在图2的代表性扫描28中由60以图形方式表示并且根据步骤518检测的该第二斜率变化或拐点是金属类型的第一指示标识。按照步骤510，直到检测到这个拐点，电压继续逐渐斜升。

随后，检测到第三拐点(步骤520)代表水还原反应的发起，该水还原反应由图2中所描绘的极化扫描的区段E以及图4中所描绘的扫描的点316、318和322表示。就反应而言，在该点处，电压具有足够的电势以将水还原成氢离子，并且因此允许电流再次增大。

当在电流密度模式下时并且在已经检测到水还原反应阈值(步骤520)时，装置还被编程用于使用所输入的表面积(步骤504)继续斜升所施加电压，直到电流密度等于所确定目标电流密度(按照步骤528)。根据一个实施方案，目标电流密度在0.75至1.0mA/cm²的范围内，其中已经根据经验证明前述范围是有效且安全的。如前所述，将需要不同的电压来基于包括植入物20的金属表面的一种或多种合金来满足这些标准，并且因此该目标电流密度仅是示例。

按照步骤530，在实现第二拐点和目标电流密度时，施加合适的工作电压。并且根据诸如在先前并入的美国专利号9,616,142中描述的典型的CVCES处理过程，将会将该工作电压施加到植入物以用于最佳生物膜和细菌破坏。然后将该工作电压的施加维持在植入物处达一定长度的时间，该一定长度的时间通常针对处理持续时间而设定。例如，处理持续时间可长达1秒至24小时。

进一步参考图5的流程图，并且并入到电流密度操作模式的逻辑中的是用于在稳态期间主动监测输出电压并且如果需要则调节电压以便将电流密度维持在预定或目标电流密度范围内的特征。更具体地，通过将电流除以植入物的表面积来确定电流密度，并且如果电流密度大于目标密度并且高于电流阈值，步骤534，则装置被编程用于将电压减小Y伏，步骤538。相反地，并且如果通过将电流除以植入物的表面积确定的电流密度不大于目标电流密度并且低于电流阈值，步骤540，则将所施加电压增大Y伏，步骤544。如果后一步骤指示电流密度已经维持其目标电流密度范围，则按照步骤552，电压保持不变并且仍然应用于处理。否则，将该信息连续地馈送回时间延迟，步骤548，使得可按照步骤538、544对电压输出进行主动调节，以保持所计算的电流密度尽可能接近目标电流密度，步骤548。如图所示，此窗口的大小是目标电流加上超过电流阈值的量，根据一个实施方案，该大小为200uA/cm²。然而，合适的目标电流密度范围可在1uA/cm²至1A/cm²之间延伸。这样，连续监测并主动地调节所施加电压，以便维持用于干扰和破坏生物膜和细菌的电流密度，同时防止对围绕金属植入物的组织(未示出)造成损坏。

在按需经由步骤538、544进行调节之后，并且在满足目标电流密度范围时，步骤548，然后基于斜升电压进行处理，步骤552。按照步骤556，连续测量用于处理的总时间，并且当已经达到总时间段时，步骤560，停止处理，步骤564。

参考图6，装置进一步或另选地被编程用于以累积电荷转移模式600操作。在发起此模式时(步骤602)，按照步骤604，可应用类似于先前在第一电流密度模式中描述的任选低压预处理刺激。在此任选步骤之后，将电压最初设定为开放电路电势，步骤606，并且使电压沿负方向斜升，步骤608，在规定范围(例如，-10V至10V)内测量电压和电流，步骤610，当电压正在斜升时，在该规定范围内，装置被编程用于通过计算来主动地处理数据，这些计算分析电压，以确定代表电压除以电流的所得极化扫描的斜率，步骤614。如先前所讨论的，并且在确定电压已超过阳极电压阈值(-0.9V)时，步骤616，可在所得电势曲线图上检测到基于斜率变化的拐点，步骤618、626，以及按照步骤634，根据此模式关于拐点之间的电势量进行范围确定。

此后一计算步骤用于确定植入物的金属类型。根据该模态，在极化曲线中检测到的特定斜率拐点用于关联极化扫描中特定金属合金的建模行为。此相关性通过将每个拐点的测量电压与一系列值“匹配”来实现。根据一种示例性技术，在确定匹配时存在一系列三个(3)验证步骤。根据第一验证步骤，将代表氧还原反应的第一斜率拐点处的所测量电压与特定电压范围进行比较。以举例的方式，对于钛，特定电压范围在-1.100V和-1.250V之间变化。对于钴铬或不锈钢，具体电压范围在-0.950V和-1.100之间变化。

根据该技术的第二验证步骤是将代表水(氢)还原反应的第二拐点的范围与另一个特定电压范围匹配。对于钛，电压范围在-1.300V和-1.600V之间，而对于钴铬或不锈钢，电压范围在-1.050V和-1.250V之间。最后，并且根据第三验证步骤，比较第一拐点和第二拐点之间的跨度以匹配范围。该跨度是第一斜率拐点和第二斜率拐点之间的所测量电压的差异。对于钛，特定范围在0.130V和0.300V之间变化。对于钴铬或不锈钢，范围在0.030V和0.180V之间变化。只有所有三种上述验证都匹配时，才将确定成功的金属类型缺陷。如果未找到匹配，则检测到的金属类型将向用户报告未知并提示警报。因此，装置/处理系统优选地被配置为防止继续另外的处理。

在关于植入物是钛或钛合金(步骤636)还是钴铬/不锈钢(步骤644)进行验证时，装置被编程用于将所施加的电压增至对应的电压，该对应的电压对于该金属被预定义为对于生物膜和细菌破坏是最佳的，步骤640、648。与基于时间的应用相反，然后维持此所施加的电压直到实现一定量的电荷转移，步骤658。更具体地，并且根据一个型式，装置被编程用于根据以下关系式主动地计算(即计数)以库仑为单位的电荷转移：1C＝1A*1s，从而通过测量每秒的电流来进行库仑计算，并且然后对在处理持续时间内的电荷转移进行求和。根据植入物的总体大小，用于生物膜破坏的电荷转移的量可多达1库仑至10,000库仑。当已达到规定的电荷转移量(库仑)时，步骤658，停止处理，步骤664。

上述方法的另选形式将是将极化扫描施加到植入物，使用户手动分析极化曲线或扫描28本身，并且然后基于手动分析来选择电压。此另选形式不是优选的。首先，手动分析将引入解释错误，在该解释错误中，在检查一个或多个毫伏的扫描时的一个错误可驱使产生显著的电流密度差异。第二，可轻易地将印刷错误引入到分析中。第三，除了形成时间延迟之外，这种技术还将需要技术提供商将用户教育和训练到更高的程度，以使得用户能够基于手动分析来进行任何电压选择相关决策。

本发明通过使用户输入达到最小水平来解决这个问题。自主析氢阈值检测和电压选择使人为判读和错误最小化(如果没有完全消除的话)，从而提供原本可能无法获得的准确性。它还减少了用户必须学习的教育和培训的量，并且就效率和时间而言精简了整体处理过程。

另一个另选形式将是，针对每种类型的金属施加一致的或“一体适用的”的-1.8伏的电压，因为已经证明了该电压对作为矫形植入物的常见金属组分的钛起作用。根据要刺激以用于处理的已知植入物的不同金属，此技术可能导致三种(3)不同的可能情形。唯一期望的结果将在这种情况中：被刺激的植入物仅由钛制成并且具有正确的表面积以将-1.8伏与最佳电流密度关联。这种情形将导致有效的生物膜破坏。其它两种情形将由刺激其它类型的金属引起，该其它类型的金属在任何给定电压处自然地汲取比钛的电流更高或更低的电流。此刺激将导致电流密度太高，并且因此对周围组织具有危险性，或导致电流密度太低而无法有效地破坏生物膜。本发明通过利用极化扫描自主地分析植入物的金属表面以找到针对任何金属或金属组合的最佳电压来解决此复杂问题。

图1至图6的零件列表

1 开始点扫描

2 结束点扫描

10 CVCES植入物处理系统

20 金属植入物

28 极化扫描

30 稳压器

32 工作电极

34 反电极

36 参考电极

50 装置

52 处理器

54 软件

60 拐点

90 电解质溶液

300 复合极化扫描

304 曲线

308 曲线

312 曲线

316 点

318 点

322 点

500 过程

502 步骤

504 步骤

506 步骤

508 步骤

510 步骤

512 步骤

514 步骤

516 步骤

518 步骤

526 步骤

528 步骤

530 步骤

534 步骤

538 步骤

540 步骤

544 步骤

548 步骤

552 步骤

556 步骤

560 步骤

564 步骤

600 过程

602 步骤

604 步骤

606 步骤

608 步骤

610 步骤

614 步骤

616 步骤

618 步骤

626 步骤

634 步骤

636 步骤

640 步骤

644 步骤

648 步骤

652 步骤

658 步骤

664 步骤

A 扫描区段

B 扫描区段

C 扫描区段

D 扫描区段

E 扫描区段

本领域技术人员将理解，本文已经详细描述了用于自主析氢反应阈值检测的设备和相关方法，用于自主析氢反应阈值检测的方法和设备不一定如此限制。因此，在不偏离用于自主析氢反应阈值检测的方法和设备的情况下，可做出其它示例、实施方案、用途、修改以及与该实施方案、示例、用途和修改的偏离，并且所有此类实施方案旨在处于所附权利要求书的范围和精神内。

Claims (23)

1.一种提供阴极电压控制电刺激的方法，所述方法包括：

提供要处理的金属对象，所述要处理的金属对象用作工作电极；

对所述要处理的金属对象施加极化扫描；

使用处理器通过所述极化扫描自主地检测析氢反应阈值以确定要施加到所述要处理的对象的阴极电压；以及，

将所确定阴极电压施加到所述要处理的金属对象。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述要处理的金属对象是植入式医疗装置。

3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还提供代表反电极的阳极，并且在所述方法中，所述金属对象代表所述工作电极。

4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还提供稳压器，使得在能够被监测的所述工作电极上发生电化学过程。

5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

在开放电路电势下发起所述极化扫描并且阴极地扫描到目标电压，使得能够通过所述极化扫描检测所述析氢反应，之后实时分析所述极化扫描。

6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：

检测所述极化扫描中指示氧还原反应的第一斜率变化，之后检测所述极化扫描中指示所述析氢反应的第二斜率变化。

7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：

测量所述极化扫描中的所述第一斜率变化和所述第二斜率变化处的电压；以及

将所测量电压与特定电压范围进行比较。

8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：

测量所述第一斜率变化和所述第二斜率变化处的所测量电压之间的跨度；以及

将所测量跨度与特定电压跨度进行比较以便推断出所述对象的金属。

9.根据权利要求8所述的方法，并且在确定所述对象的所述金属时，所述方法还包括：

在确定所述对象的所述金属时，将所述电压增大至对于生物膜去除最佳的指定处理电压；

测量相对于所述对象的电荷转移；以及

在所测量电荷转移达到预定水平之后终止所述处理。

10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

检测所述极化扫描的指示所述析氢反应的斜率变化；

在检测到所述斜率变化之后基于所测量电流和所述对象的表面积来确定电流密度；

将所确定电流密度与目标电流密度进行比较；以及

如果所确定目标电流密度等于所述目标电流密度，则施加所述电压作为处理电压。

11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括：

如果所述电流密度低于所述目标电流密度并且所测量电流高于预定电流阈值，则增大所述电压；

如果所述电流密度高于所述目标电流密度并且所测量电流低于预定电流阈值，则减小所述电压；以及

将在增大或减小所述电压之后的所述电流密度与所述目标电流密度进行比较。

12.一种用于控制用于处理金属对象的阴极刺激电压的装置，所述装置包括：

处理器，所述处理器被配置用于连接到稳压器；

工作电极、反电极和参考电极，所述工作电极、所述反电极和所述参考电极耦接到所述稳压器，其中所述工作电极是所述要处理的金属对象；

其中所述处理器被编程用于：

对所述要处理的金属对象施加极化扫描并且生成极化数据；

使用所述处理器通过所生成极化数据自主地检测析氢反应阈值以用于确定要施加到所述要处理的金属对象以去除生物膜的阴极电压；以及，

将所确定阴极电压施加到所述要处理的金属对象。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述对象是外科植入物。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置单独连接到所述稳压器。

15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述装置集成到所述稳压器中。

16.根据权利要求12所述的装置，其中，所述处理器被编程用于：在开放电路电势下发起所述极化扫描并且沿负方向扫描到目标电压，使得能够通过所述极化数据实时检测所述析氢反应。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述处理器被编程用于：检测所述极化数据中指示氧还原反应的第一斜率变化，之后检测所述极化数据中指示所述析氢反应的第二斜率变化。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述处理器还被编程用于：测量所述极化数据中的所述第一斜率变化和所述第二斜率变化处的电压，并且将所测量电压与预定电压范围进行比较。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述处理器还被编程用于：测量所述第一斜率变化和所述第二斜率变化处的所测量电压之间的跨度，并且将所测量跨度与特定电压扫描或扫描范围进行比较，使得能够确定所述对象的金属组合物。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述处理器还被编程用于：在推断出所述对象的所述金属组合物之后将所述电压阴极地增大至处理电压。

21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述处理器还被编程用于：在所述阴极增大至所述处理电压之后测量相对于所述对象的电荷转移，并且在所测量电荷转移达到预定水平之后终止所述处理。

22.根据权利要求12所述的装置，其中，所述处理器还被编程用于：

检测所述极化数据的指示所述析氢反应的斜率变化；

在检测到所述斜率变化之后基于所测量电流和所述对象的表面积来确定电流密度；

将所确定电流密度与目标电流密度进行比较；并且

如果所确定目标电流密度等于所述目标电流密度，则施加合适的处理电压。

23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述处理器还被编程用于：

如果所述电流密度低于所述目标电流密度并且所测量电流大于预定电流阈值，则阴极地增大所述电压；

如果所述电流密度高于所述目标电流密度并且所测量电流小于预定电流阈值，则减小所述电压；并且

将在增大或减小所述电压之后的所述电流密度与所述目标电流密度进行比较。

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