CN117770859A - 监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记和方法，其特征在于，它包括设置在植入物上的不透X线的标记主体，标注主题外包裹有透X线的可植入材料外层；在手术过程中在植入物上设置附属标记，在术后通过X线设备，监测附属标记的空间位置，通过图像放大校正、配准操作，重建出附属标记在空间的相对位置关系。本发明操作方便，为康复治疗及诊断提供可靠依据。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，更具体的是涉及一种监测骨科手术后骨骼植入物生物力学环境的附属标记和方法。
背景技术
当前骨科内植入物应用普遍，骨科常用内植入物包含创伤植入物、脊柱置换植入物、骨关节植入物、齿科种植体、骨活性生物植入物等。骨科植入物在骨折手术中常用于恢复骨与关节等机体功能。然而，尽管骨科植入物发展迅猛，但仍有一些不足之处及问题值得解决。其中最主要的问题是，骨科术后内植入物、骨骼生物力学状态难以进行直观的了解，这给术后指导患者康复功能锻炼带来的困扰，当前骨科术后患者康复功能锻炼往往是医师依据影像学检查结果，凭借经验推测骨折愈合情况给予相应指导，但缺乏骨折愈合阶段的生物力学量化依据，康复指导建议并不精准，以长骨骨折术后为例，医师往往通过经验在术后1个月3个月建议患者患肢承重15或30Kg，但由于个体差异，此种康复建议可能并不符合患者骨折愈合实际情况或骨骼-植入物生物力学实际情况，可能带来骨折愈合延迟或康复锻炼不充分，影响临床疗效，增加医疗成本。在人工关节置换领域，由于难以量化了解骨骼-植入物生物力学环境，则存在假体松动与假体周围感染或炎症鉴别困难的问题。所以，有必要提出一种监测骨骼植入物生物力学环境的方法，为康复治疗及诊断提供可靠依据。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种操作简单方便，可为康复治疗及诊断提供可靠量化依据的监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记。
本发明的另一目的是一种提供一种监测骨骼植入物生物力学环境的方法。
本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记，其特征在于，它包括标记主体与标记装配辅助结构。
标记主体为医用金属材料或者医用发光材料。
标记装配辅助结构用于连接或固定标记主体于骨科植入物主体或骨科植入物周边组织，标记装配辅助结构通过一体化设计、包裹、镶嵌、过盈装配、穿过方式中的一种或几种与标记主体相连，通过一体化设计、螺纹、过盈装配、锁定、缝合方式中的一种或几种实现与植入物或组织连接；标记装配辅助结构为置入透X线的可植入材料、用于包裹医用发光材料的植入材料、可植入金属材料、医用缝线材料中的一种。
作为上述方案的进一步举例说明，所述标记主体设计成球形，因金属材料不透X线，在X线影像上呈现圆点；所述标记主体材料为近红外发光材料，标记装配辅助结构为医用植入聚乙烯或聚乙二醇等包裹材料。
进一步地，标记装配辅助结构为医用缝合线或使用与植入物材质相同的金属丝、线；将金属小球置入骨骼表面或周围软组织中，缝线可缝合至植入物，便于与植入物一起去除。
进一步地，标记装配辅助结构为短小骨针，固定于骨骼；骨针材质与植入物相同。
一种监测骨骼植入物生物力学环境的方法，其特征在于，它是通过术前一体化设计、装配在植入物上或者在手术过程中活动安装于植入物上，完成骨科手术植入人体后，在术后通过X线设备或医用发光材料配套成像装置，监测附属标记的空间位置，通过图像放大校正、配准操作，重建出附属标记在空间的相对位置关系。
进一步地，所述监测附属标记的空间位置过程是，通过术后采集骨骼-植入物承受不同（负重）载荷大小工况下的正侧/正斜等等X线图像，或者通过与医用发光材料配套成像设备完成不同载荷工况条件下的所述成像；通过测量附属标记在空间的相对位置变化，可提供骨折或植入物生物力学环境的量化数据，与建立的有限元分析模型计算结果或实验生物力学结果比较，可推测骨折端愈合程度，也可推测假体是否松动与假体周围感染或炎症鉴别，为康复治疗及诊断提供可靠依据；在应用例数达到一定程度后，测量附属标记在空间的相对位置变化及结果判定，可通过训练人工智能算法，开发相应软件自动完成。
进一步地，所述监测附属标记的空间位置过程是先采集骨骼-植入物承受不同（负重）载荷大小工况下的正侧/正斜等等X线图像或医用发光材料配套设备的成像，得到各应力状态下的附属标志位置关系。
进一步地，在所述监测附属标记的空间位置过程中简单可行的实施方式是：在下肢骨折或关节置换，可让患者站立，患侧肢体置于台秤上，患者通过台称读数控制患侧肢体负重载荷大小；在上肢则可通过让患者提起特定重量的物体；通过拍摄特定正侧/正斜等等位置X线片或发光材料成像，得到不同载荷状态的X线或发光材料图像；进一步地可以设计上肢下肢专用载荷加载设备或载荷加载影像设备，完成更准确、可控的载荷加载下的影像采集。
进一步地，所述获取的X线图像为2D平片，可分割出骨折线轮廓线，通过多个2D平片上标记的配准重建出骨折线3D结构，通过重建出无应力及应力状态下骨折线3D形态的对比，可更深入了解骨折愈合情况。
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是。
本发明采用在植入物上设计附属标记，采用活动安装或是与植入物一体的形式设置，一般可设置多个；承受不同（负重）载荷大小工况下的正侧/正斜等等X线图像或医用发光材料配套设备的成像，测量标记在空间的相对位置变化，结合有限元分析或生物力学实验结果及人工智能手段，可提供骨折或植入物生物力学环境的量化数据，可推测骨折端愈合程度，也可推测假体是否松动与假体周围感染或炎症鉴别，为康复治疗及诊断提供可靠依据；这些置入标记还可用于2D平片重建3D结构的空间配准，提高2D图像重建3D结构的准确性。尤其是站立位CT设备昂贵的情况下，通过拍摄不同投影方向的x线片，依据投影原理，通过比对置入标记放大率，消除图像放大，并通过配准后的2D影像逆向重建骨折线的3D形态结构，进而了解骨折愈合进程有重要意义；由于当前x线图像等2D成像图像分辨率往往比较高，此种方法测量标记空间位置变化的测量精度符合预期，能够满足临床精度需要。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的附属标记使用状态图。
图3为图2的A的放大图。
图4为本发明的结构示意图。
图5为本发明的结构示意图。
附图标记说明：1、标记主体 2、标记装配辅助结构 3、关节置换类植入物髋臼假体4、钛板类植入物。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向” 、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征 “之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1-图5所示，本发明是一种监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记，附属标记在结构上，包括设置在植入物4上的不透X线的标记主体1，标记主体外包裹有透X线的可植入材料外层2。一般情况下，可植入材料外层的材料使用用于制作假体内衬的聚乙烯，不透X线的材料为金属。为不影响植入物植入人体的手术过程，可使用活动安装的附属标记。标记主体一般设计成球形，在X线影像上呈现圆点。一般可安装多个，活动安装的附属标记，可设计成螺孔塞的形式安装到钛板螺孔、或在植入物假体上设计专用的装配特征，通过过盈装配、卡锁等原理安装，活动安装的结果可以完全固定的，也可以是在一定活动空间中可以微动的。
附属标记也可以是与植入物一体的的结构形式，一般与植入物材料一致。如植入物为不透X线的金属，则标记仅为一层，标记球体通过杆件结构与植入物相连。如植入物为透X线材料，标记为两层，与活动安装的标记特征一致。标记形态、层次变化等在本专利保护范围。
附属标记除所述两种形式外，为特殊需要，还包含半独立的植入标记，优选方案是带缝线的金属小球，通过将金属小球置入骨骼表面或周围软组织中达到目的，缝线可缝合至植入物，便于与植入物一起去除。或者是一端带小球的短小骨针，固定于骨骼。缝线材质与一般手术缝合线相同或使用与植入物材质相同的金属丝，骨针材质与植入物相同。
监测骨骼植入物生物力学环境的方法，通过术后无应力（如平卧位X片）正侧/正斜/正侧斜位x线及应力（部分负重）下正侧/正斜/正侧斜X线正侧/正斜/正侧图像，测量标记在空间的相对位置变化，结合有限元分析或生物力学实验结果及人工智能手段，可推测骨折或植入物生物力学环境，可推测骨折端愈合程度，也可推测假体是否松动与假体周围感染或炎症鉴别，为康复治疗及诊断提供可靠依据。这些置入标记还可用于2D平片重建3D结构的空间配准，提高2D图像重建3D结构的准确性，如通过2D的X线的骨折线图像分割，通过植入物标记的配准，可从2D图像重建骨折处3D轮廓线，供医生了解。尤其是站立位CT设备昂贵的情况下，通过拍摄站立X线片，通过应力状态下的2D影像重建并了解3D结构有重要意义。
具体初步实施方法举例如：股骨或胫骨骨折，在内固定手术中使用带标记的钛板，或安装标记在钛板近、远端或螺孔处，术后通过X线标记的空间位置，通过图像放大校正、配准等操作，可重建出标记在空间的相对位置关系。先可拍摄卧位无应力正侧/正斜/正侧斜位X线片，得到无应力状态下的标志位置关系，再让患者站立，患侧肢体置于台秤上，患者通过台称读数控制患侧肢体负重力量如30kg 、60Kg等，拍摄特定应力正侧/正斜/正侧斜位X线，得到有应力状态X线图像。通过图像放大校正、配准等操作，可重建出标记在空间的相对位置关系。由于当前X线设备的发展，X线平片分辨率非常高，这种空间位置变化精度比较高，骨骼应力下导致的标记空间位置的变化能够被准确测量。而通过建立患侧肢体有限元模型计算或通过生物力学实验得到理论值，理论值与实际值对比，可推测骨折愈合情况，可提供康复依据。早期使用有限元分析模型、生物力学实验来对比，大量病例资料积累后，可训练人工智能算法，直接给出相应的结果。标记的空间识别及数学处理，也可通过人工智能来完成。具体方法在不脱离本发明基本思想原理的基础上的变化均属于本专利保护范围。2D平片可分割出骨折线轮廓线，通过多个X线平片上标记的配准重建出骨折线3D结构。通过重建出无应力及应力状态下骨折线3D形态的对比，可更深入了解骨折愈合情况。进一步地，可以设计上肢下肢专用载荷加载设备或载荷加载影像设备，完成更准确、可控的载荷加载下的影像采集。
如图2和图3所示，髋臼假体，在髋臼杯假体3设置附属标记，在髋臼柄设置假体，通过上述方法可了解应力位下假体的形变、位移。如需了解假体是否松动，还可在体外粘连金属小球作为体外定位标记进行对比，或结合半独立的标记对比。同样可以通过2D平片可分割出假体轮廓线，通过多个x线平片上标记的配准重建出骨折线3D结构。通过重建出无应力及应力状态下假体3D形态的对比，可更深入推测假体所处生物力学环境情况。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记，其特征在于，它包括标记主体与标记装配辅助结构；
标记主体为医用金属材料或者医用发光材料；
标记装配辅助结构用于连接或固定标记主体于骨科植入物主体或骨科植入物周边组织，标记装配辅助结构通过一体化设计、包裹、镶嵌、过盈装配、穿过方式中的一种或几种与标记主体相连，通过一体化设计、螺纹、过盈装配、锁定、缝合方式中的一种或几种实现与植入物或组织连接；标记装配辅助结构为置入透X线的可植入材料、用于包裹医用发光材料的植入材料、可植入金属材料、医用缝线材料中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记，其特征在于，所述标记主体设计成球形，因金属材料不透X线，在X线影像上呈现圆点；所述标记主体材料为近红外发光材料，标记装配辅助结构为医用植入聚乙烯或聚乙二醇包裹材料。
3.根据权利要求1所述的一种监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记，其特征在于，标记装配辅助结构为医用缝合线或使用与植入物材质相同的金属丝、线；将金属小球置入骨骼表面或周围软组织中，缝线可缝合至植入物，便于与植入物一起去除。
4.根据权利要求1所述的一种监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记，其特征在于，标记装配辅助结构为短小骨针，固定于骨骼；骨针材质与植入物相同。
5.一种采用如权利要求1-4任意一项所述的监测骨骼植入物生物力学环境的附属标记的方法，其特征在于，它是通过术前一体化设计、装配在植入物上或者在手术过程中活动安装于植入物上，完成骨科手术植入人体后，在术后通过X线设备或医用发光材料配套成像装置，监测附属标记的空间位置，通过图像放大校正、配准操作，重建出附属标记在空间的相对位置关系。
6.根据权利要求5所述的监测骨骼植入物生物力学环境的方法，其特征在于，所述监测附属标记的空间位置过程是，通过术后采集骨骼-植入物承受不同载荷大小工况下的正侧/正斜等等X线图像，或者通过与医用发光材料配套成像设备完成不同载荷工况条件下的所述成像；通过测量附属标记在空间的相对位置变化，可提供骨折或植入物生物力学环境的量化数据，与建立的有限元分析模型计算结果比较，可推测骨折端愈合程度，也可推测假体是否松动与假体周围感染或炎症鉴别，为康复治疗及诊断提供可靠依据；在应用例数达到一定程度后，测量附属标记在空间的相对位置变化及结果判定，可通过训练人工智能算法，开发相应软件自动完成。
7.根据权利要求5所述的监测骨骼植入物生物力学环境的方法，其特征在于，所述监测附属标记的空间位置过程是先采集骨骼-植入物承受不同载荷大小工况下的正侧/正斜等等X线图像或医用发光材料配套设备的成像，得到各应力状态下的附属标志位置关系。
8.根据权利要求7所述的监测骨骼植入物生物力学环境的方法，其特征在于，在所述监测附属标记的空间位置过程中，是在下肢骨折或关节置换，可让患者站立，患侧肢体置于台秤上，患者通过台称读数控制患侧肢体负重载荷大小，拍摄特定正侧/正斜等等位置X线片或发光材料成像，得到不同载荷状态的X线或发光材料图像。
9.根据权利要求5所述的监测骨骼植入物生物力学环境的方法，其特征在于，所述获取的X线图像为2D平片，可分割出骨折线轮廓线，通过多个2D平片上标记的配准重建出骨折线3D结构，通过重建出无应力及应力状态下骨折线3D形态的对比，更深入了解骨折愈合情况。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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