ES2353497T3

ES2353497T3 - Sensor extensométrico.

Info

Publication number: ES2353497T3
Application number: ES03763396T
Authority: ES
Inventors: Kevin M. Walsh; William P. Hnat; John F. Naber
Original assignee: ORTHODATA Inc
Current assignee: ORTHODATA Inc
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: JP2005532123A; WO2004005872A3; JP4657713B2; DE60334459D1; EP1535039A4; CA2491956C; KR20050026957A; WO2004005872A2; AU2003253846A1; EP1535039A2; AU2003253846A8; KR101088538B1; EP1535039B1; US20040011137A1; CA2491956A1

Abstract

Un sistema (10) para medir y monitorizar a distancia la tensión en una barra de un implante ortopédico (92), que comprende: - un sensor (20) para medir la tensión en dicha barra (92), que produce una señal eléctrica representativa; - un circuito de telemetría (40) acoplado eléctricamente con dicho sensor (20) para codificar y transmitir la señal representativa de la tensión; - y un módulo lector (60) situado en una ubicación alejada de dicho sensor (20) y dicho circuito de telemetría (40) para recibir la señal representativa de la tensión; y - un alojamiento anular (80) que comprende un material biocompatible; caracterizado porque - el sensor (20) y el circuito de telemetría (40) están encapsulados en el alojamiento (80), en el que el sensor (20) está colocado de manera que quede en contacto con una superficie interna del alojamiento (80), y si el alojamiento (80) se sitúa alrededor de la circunferencia de la barra (92), no queda directamente en contacto con la superficie de la barra (92), y porque el alojamiento (80) comprende dos mitades que encajan entre sí y que se pueden colocar alrededor de la circunferencia de la barra de implante (92), de tal manera que la barra (92) experimente una tensión, al igual que el alojamiento (80), con lo cual se comunica tensión al sensor (20).

Description

Campo de la invención

La presente invención se refiere, en líneas generales, a un sistema para detectar y monitorizar a distancia la tensión producida en un elemento. Más concretamente, la presente invención se refiere a un implante biomédico que incorpora un sensor de tensión y un circuito de telemetría, y un módulo remoto de lectura para medir y monitorizar la tensión en, por ejemplo, un dispositivo ortopédico ubicado en el interior de un sujeto humano o animal, de manera que los datos de tensión obtenidos se puedan analizar para determinar la evolución de la curación de una lesión o monitorizar la eficacia a largo plazo de un dispositivo implantado.

Antecedentes de la invención

Muchas técnicas quirúrgicas modernas para reparar estructuras esqueléticas dañadas utilizan dispositivos ortopédicos implantados, fijados a la estructura esquelética para servir de apoyo y aportar rigidez a la misma hasta que el proceso normal de curación esté lo suficientemente avanzado como para que la estructura sea capaz de realizar su función correspondiente. Por ejemplo, la cirugía de fusión de columna suele requerir la implantación de un implante de fusión de columna de acero inoxidable o titanio biocompatible compuesto por una pluralidad de barras fijadas a la columna dañada en puntos próximos a la zona afectada, normalmente mediante tornillos pediculares. El implante está diseñado para estabilizar y sostener la columna hasta que se produzca la fusión.

En la actualidad existen varias técnicas a disposición de los médicos para monitorizar el proceso de curación o fusión en un implante ortopédico. Entre las herramientas de diagnóstico habituales se incluyen la radiografía, la tomografía computerizada (TAC) y por resonancia magnética nuclear (RMN), y, por supuesto, la cirugía exploratoria. Tanto la radiografía, como la TAC y la RMN son bastante limitadas en cuanto a su capacidad y precisión en la monitorización de la evolución de la fusión debido a las dificultades que surgen a la hora de interpretar los resultados de las imágenes, incluso para médicos con una dilatada experiencia. La cirugía exploratoria resulta, desde luego, bastante fiable para visualizar la evolución de la fusión pero es muy poco aconsejable debido a los diversos riesgos que conlleva un proceso quirúrgico adicional. Aunque existen algunos procedimientos para medir la evolución de la fusión en un paciente, no existen procedimientos conocidos que posean la capacidad de monitorizar la tensión experimentada por un dispositivo ortopédico u otro elemento (y, con ello, la evolución de la fusión que está teniendo lugar) bajo condiciones de carga tanto estática como dinámica.

Con una cuidadosa monitorización y cuantificación de la evolución de la fusión de columna, los pacientes pueden volver antes a sus actividades normales sin que exista el riesgo de que el proceso de fusión se vea comprometido. Con ello se obtiene una reducción en el número de visitas al médico, una disminución en los costes médicos y una reducción en las horas laborales perdidas, y el correspondiente ahorro en costes. El tiempo medio para que se produzca la fusión de columna es de entre 6 y 12 meses. Un sistema de monitorización en tiempo real para la fusión de columna eliminará la necesidad de procedimientos más costosos como la toma de imágenes por TAC y RMN y proporciona al cirujano una información valiosa durante el proceso de tratamiento. La supresión de un único TAC de seguimiento podría ahorrar más de 1.000 $ por paciente. Además, los fallos de la fusión se pueden diagnosticar más rápidamente y con mayor precisión, lo cual permite al cirujano ortopédico tomar medidas correctivas inmediatamente cuando el proceso de fusión no avance a buen ritmo.

En el documento WO 01/37726, se describe un dispositivo de implante médico que incluye una estructura implantable en el cuerpo de un animal vivo para ayudarle a desempeñar una función dentro del cuerpo. Por lo tanto, un elemento transductor montado en un soporte para detectar un parámetro relacionado con la estructura está conectado a un circuito de comunicaciones para producir una señal de salida basada en el parámetro detectado y que sirve para comunicar la señal de salida, de forma no invasiva, a un receptor situado fuera del cuerpo.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona un sensor miniaturizado para medir la tensión, tal como se define en la reivindicación 1. El sensor y el circuito de telemetría se pueden alimentar a través del lector mediante una conexión inductiva, de manera que no sea necesario colocar in vivo una fuente de alimentación en aplicaciones de implantes. Además, se usa un alojamiento biocompatible para encapsular los componentes del sensor y de telemetría y para proporcionar un procedimiento conveniente para montar el sistema en dispositivos de implante ortopédico, así como para proporcionar cierta medida de la amplificación de la tensión.

Los dispositivos ortopédicos comerciales tales como las barras de fijación de la columna pueden estar equipados con el sistema de monitorización propuesto y se pueden usar para medir la tensión producida en el dispositivo, con lo cual se proporciona al cirujano un procedimiento fiable y con una buena relación entre coste y eficacia para determinar el éxito del implante ortopédico in vivo. El sistema de monitorización también se puede usar como sistema de aviso de fallos del implante ya que las tensiones experimentadas por la barra disminuirán necesariamente a medida que avance el proceso curativo. Unos niveles de tensión en la barra que no disminuyan con el tiempo, que aumenten, o cambien abrupta-mente podrían apuntar a un fallo del implante. El sistema de monitorización también se podría usar con tornillos ortopédicos, clavos, placas e implantes articulares.

La presente invención proporciona al médico la capacidad de monitorizar el proceso

de fusión de columna mediante la medición cuantitativa de las tensiones producidas en la barra de fijación. La transferencia de carga in vivo desde la barra de fusión de columna hacia la columna se monitoriza en tiempo real usando un sensor de tensión miniaturizado colocado indirectamente sobre la superficie de la barra. Estos datos se transmiten después al exterior del cuerpo usando el circuito de telemetría interno y el lector externo, y son evaluados por el médico de forma instantánea. En una cirugía de fusión realizada con éxito, al fusionarse la columna, la carga a la está sometida la columna se transfiere desde la barra hasta la columna, reduciendo de este modo la tensión monitorizada que se produce en la superficie de la barra de implante. La transferencia de carga en una fusión de columna ordinaria debería ser gradual y cualquier desviación indicaría que no se está produciendo la fusión o bien un posible fallo de una barra o tornillo pedicular usado para fijar la barra a la columna.

Por lo tanto, un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un sistema para medir y monitorizar la tensión en un elemento.

Otro objeto de la invención consiste en un sistema que monitoriza a distancia la tensión en un elemento sometido a carga.

Otro objeto de la invención consiste en un sistema para medir in vivo la tensión en un dispositivo ortopédico.

Otro objeto de la invención consiste en un sistema para medir in vivo la tensión en un dispositivo ortopédico, en tiempo real.

Otro objeto de la invención consiste en un sistema de sensor y telemetría biocompatible e implantable para medir in vivo la tensión.

Se pondrán de manifiesto otros usos, ventajas y características de la presente invención tras la lectura de la descripción detallada de las formas de realización preferidas junto con los dibujos que la acompañan.

Breve descripción de los dibujos

La fig. 1: es un diagrama de bloques del sistema de medición de tensión de acuerdo

con la presente invención.

La fig. 2: es un diagrama de bloques de un sensor capacitivo de acuerdo con la presen

te invención.

La fig. 3: es un diagrama de bloques del sistema de medición de tensión de acuerdo

con la presente invención.

La fig. 4: es una vista isométrica del alojamiento de un sensor de acuerdo con la pre

sente invención.

La fig. 5: es una vista isométrica del alojamiento de un sensor de acuerdo con la pre

sente invención.

La fig. 6: es un diagrama de un implante ortopédico de fusión de columna equipado con

la presente invención.

La fig. 7 es un diagrama de bloques del sistema de la presente invención.

Descripción detallada de las formas de realización preferidas

En referencia a la figura 1 y de acuerdo con una forma de realización de la presente invención, un sistema 10 para medir y monitorizar a distancia la tensión a la que está sometido un elemento 1 incluye un sensor 20 capaz de medir la tensión estática y dinámica producida en el elemento 1, un circuito de telemetría 40 que transmite los datos del sensor 20, y un módulo de lectura 60 situado en una ubicación remota para recibir los datos del sensor transmitidos. El sensor 20 puede ser un extensímetro miniaturizado, un sensor MEMS (sistema microeléctromecánico), un sensor de ondas acústicas superficiales (SAW), o un sensor de tipo capacitivo adaptado para medir la tensión producida en un elemento, o cualquier otro sensor de tensión capaz de medir tanto la tensión estática como la dinámica en un elemento 1 sometido a carga. Cada uno de los sensores 20 mencionados anteriormente tiene un consumo de energía eléctrica relativamente pequeño y, por lo tanto, resultan ventajosos para su uso en el presente sistema 20, cuando es necesaria una aplicación in vivo.

Haciendo referencia a la fig. 2, en la presente invención se puede emplear un sensor en voladizo de tipo capacitivo 20, en el que un brazo capacitivo en voladizo 22 que actúa como primera placa paralela se apoya en un pivote 24 fijado a una cubierta 26 que permite montar el sensor en el elemento sometido a tensión 1, o, como otra posibilidad, en un alojamiento en el que esté encapsulado el sensor 20, además de actuar como segunda placa paralela del sensor

20. A medida que el elemento 1 se flexiona, la distancia entre el brazo 22 y la cubierta 26 varía, y con ella, varía la capacidad del sensor.

Haciendo referencia de nuevo a la fig. 1, se proporciona un circuito de telemetría pasivo 40 (que no requiere baterías) que incluye un inductor LR y un condensador CR que forman un circuito tanque simple. El módulo de lectura 60 utiliza una bobina de antena 62 que transmite a una frecuencia predeterminada, por ejemplo a 125 KHz, como es habitual en los circuitos de los dispositivos de identificación de radiofrecuencia (RFID). La energía transmitida desde la antena 62 se conecta inductivamente con el circuito de telemetría 40, haciendo así que resuene a una frecuencia concreta dependiendo de los valores de inductancia y capacidad.

A medida que la capacidad del sensor de tensión CL varía con la tensión medida en el elemento 1, la frecuencia resonante del circuito de telemetría 40 cambia en función de la tensión. El lector 60 detecta entonces la señal de la frecuencia resonante correspondiente producida por el circuito de telemetría 40 que indica la tensión a la que está sometido el elemento 1.

En una forma de realización de la invención, se incluye un circuito de alimentación simple 44 para proporcionar energía en C.C. rectificada, procedente de la energía transmitida desde la antena del lector 62 al circuito de telemetría 40, para utilizarla para alimentar circuitos adicionales como los de procesamiento de señales (que no se muestran) para la señal del sensor 20.

En referencia a la fig. 3, se muestra un circuito de telemetría 40 alternativo, en el que se

usa una fuente de alimentación miniaturizada 46, por ejemplo una batería de litio, para alimen

tar activamente el circuito de telemetría 40. Se usa un reloj de tiempo real 48 como conmutador para activar y desactivar todo el circuito 40 a intervalos predeterminados a fin de conservar la energía de la batería 46. En esta forma de realización de la invención, se usa un circuito integrado (C.I.) transceptor 50 para admitir la señal de entrada del sensor 20 y transmitir la señal de entrada al lector remoto 60. Esta forma de realización de la presente invención permite usar un extensímetro convencional como sensor 20, ya que hay suficiente energía en C.C. disponible en la batería 46, así como un microcontrolador en la placa para procesar y almacenar los datos procedentes del sensor 20. Los datos del sensor 20 se transmiten después mediante una comunicación por radiofrecuencia a través de una antena 52. Esta forma de realización de la presente invención también permite usar diversos paquetes de circuitos integrados comerciales como transceptores 50 para su uso en el almacenamiento y transmisión de los datos del sensor

20.

Las figs. 4 y 5 ilustran dos alojamientos 80 que se pueden usar para encapsular el sensor 20 y el circuito de telemetría, y resultan ventajosos para su uso en aplicaciones inter vivo. Estos alojamientos 80 resultan adecuados para usarlos cuando se usa el sensor 20 para medir la tensión en una barra o un dispositivo similar, por ejemplo, como el componente de un implante ortopédico. A modo de ejemplo de uso ortopédico, la fig. 6 muestra un implante de fusión de columna 90 que comprende una pluralidad de barras 92 fijadas mediante una pluralidad de tornillos pediculares 94 tanto por encima como por debajo de un par de vértebras que se estén fusionando. Este implante ortopédico 90 se usa para estabilizar y sostener las vértebras fusionadas quirúrgicamente hasta que el proceso de curación fusione las vértebras lo suficiente como para soportar la carga que debe sostener la columna. Con el tiempo, a medida que las vértebras fusionadas se van curando, se produce una transferencia in vivo desde el implante 90 hacia la columna. De este modo, mediante la monitorización de la tensión producida en las barras del implante 92 a lo largo del tiempo, un médico puede determinar la evolución de la fusión de columna.

Los alojamientos 80 están hechos con cualquier material biocompatible, tal como polietileno o un polímero no reactivo similar, para permitir la implantación en un organismo vivo del sensor 20 y el circuito de telemetría 40 encapsulados en los mismos. En las imágenes 6 y 7 es donde mejor se observa que los alojamientos sustancialmente anulares 80 se pueden colocar alrededor de la circunferencia de una barra de implante 92, de manera que el sensor 20 quede dispuesto en la superficie de la barra, lo que constituye un ejemplo que no pertenece a la invención. Además, los alojamientos 80 comprenden dos mitades que encajan entre sí para facilitar la colocación del circuito de telemetría 40 y el sensor 20 en el interior del alojamiento, y permitir que el conjunto entero se pueda instalar fácilmente sobre una barra de implante. Esta característica de la invención permite fijar un sensor 20 y el circuito de telemetría 40 correspondiente a la barra o barras de implante 92 previamente a la cirugía, con lo que se reduce la duración de la operación. Aunque las formas de realización concretas de los alojamientos que se muestran en las figs. 4 y 5 están adaptadas para su uso con barras cilíndricas, un experto en la materia observará que se pueden utilizar implantes con diversas formas mediante la modificación de la superficie interior del alojamiento 80.

De acuerdo con la invención, el sensor 20 está colocado de manera que no quede situado directamente en contacto con la superficie de la barra de implante 90, sino que, en lugar de ello, esté en contacto con una superficie interna del alojamiento 80. Al tensarse la barra 90, el alojamiento 80 también se tensa, con lo cual se comunica tensión al sensor 20, e incluso se amplifica la tensión en la barra 90 en cierta medida.

En otra forma de realización preferida de la invención, se puede emplear un lector alimentado con una batería compacta 100 y una tarjeta de memoria correspondiente 102, como unidad de bolsillo o cinturón similar a un buscapersonas convencional, que se puede colocar en un cinturón u otra ubicación próxima a un dispositivo ortopédico implantado y equipado con la invención. El lector compacto 100 proporciona suficiente energía al sensor 20 y al circuito de telemetría 40 para recibir los datos del sensor 20 a intervalos predeterminados a lo largo del día tras los cuales se almacenan en la memoria 102. La tarjeta de memoria rápida (flash) 102 se puede extraer del lector periódicamente, y los datos almacenados en ella se pueden descargar a un ordenador convencional (que no se muestra), para que un médico haga uso de ellos. Esta característica de la invención permite que el médico monitorice casi en tiempo real la evolución del proceso de fusión, u otros datos de tensión que indiquen la evolución de la cirugía ortopédica de implantación. Además, ya que la tarjeta de memoria flash 102 se puede usar inmediatamente para transmitir los datos de tensión almacenados a un ordenador personal convencional, el médico puede tener acceso a los datos casi en tiempo real, en caso de que se presente una emergencia o una situación que inquiete a un paciente en periodo de recuperación.

Además, se puede emplear un módulo de control de un microordenador convencional 110 en comunicación con el lector 60 para almacenar y procesar los datos del sensor 20 y se puede usar para construir representaciones gráficas de los datos de tensión, o transmitir los datos a otros.

Claims

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

-7

Un sistema (10) para medir y monitorizar a distancia la tensión en una barra de un implante ortopédico (92), que comprende:

-un sensor (20) para medir la tensión en dicha barra (92), que produce una señal eléctrica representativa; -un circuito de telemetría (40) acoplado eléctricamente con dicho sensor (20) para codificar y transmitir la señal representativa de la tensión; -y un módulo lector (60) situado en una ubicación alejada de dicho sensor (20) y dicho circuito de telemetría (40) para recibir la señal representativa de la tensión; y -un alojamiento anular (80) que comprende un material biocompatible;

caracterizado porque

-el sensor (20) y el circuito de telemetría (40) están encapsulados en el alojamiento (80), en el que el sensor (20) está colocado de manera que quede en contacto con una superficie interna del alojamiento (80), y si el alojamiento (80) se sitúa alrededor de la circunferencia de la barra (92), no queda directamente en contacto con la superficie de la barra (92), y porque el alojamiento (80) comprende dos mitades que encajan entre sí y que se pueden colocar alrededor de la circunferencia de la barra de implante (92), de tal manera que la barra (92) experimente una tensión, al igual que el alojamiento (80), con lo cual se comunica tensión al sensor (20).

El sistema (10) de la reivindicación 1, en el que dicho sensor (20) para medir la tensión es un sensor capacitivo.

El sistema (10) de la reivindicación 1, en el que dicho sensor (20) para medir la tensión es un sensor capacitivo de tipo voladizo.

El sistema (10) de la reivindicación 1, en el que dicho sensor (20) para medir la tensión es un sensor de ondas acústicas de superficie.

El sistema (10) de la reivindicación 1, en el que dicho sensor (20) para medir la tensión es un extensímetro miniaturizado.

El sistema (10) de la reivindicación 1, en el que dicho módulo de lectura (60) comprende además una tarjeta de memoria correspondiente (102) para almacenar datos del sensor.

El sistema (10) de la reivindicación 6, en el que dicho módulo de lectura (60) está alimentado por baterías.

8. El sistema (10) de la reivindicación 6, en el que la energía de dicho módulo de lectura

(60) se puede transmitir a dicho circuito de telemetría (40); y el sistema (10) comprende además un módulo de control (110) en comunicación con dicho módulo de lectura (60) para almacenar y procesar la señal representativa de la tensión.