JP2015502766A - System and method for vertebral load and location detection - Google Patents

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Abstract

全体的な脊椎位置合わせとともに椎骨に対する荷重力を評価するための荷重平衡および位置合わせシステムが提供される。このシステムは、電子アセンブリおよびセンサ付きヘッドを有する脊椎機器を含む。センサ付きヘッドは、椎骨の間に挿入され、力、圧力、向きおよび端部荷重などの椎骨条件を報告し得る。脊椎機器が椎間腔に設置される際、脊椎機器が椎体に対してどこに位置決めされるかを示すGUIが提供される。このシステムは、任意選択の向き、回転および決定された挿入軌道に沿った挿入角度を含む、検知された荷重および場所のパラメータを考慮して、最適な装具のサイズおよび設置を報告することができる。A load balancing and alignment system is provided for assessing load forces on the vertebrae with overall spinal alignment. The system includes a spinal instrument having an electronic assembly and a sensored head. Sensored heads can be inserted between vertebrae and report vertebral conditions such as force, pressure, orientation and end loads. When the spinal instrument is installed in the intervertebral space, a GUI is provided that indicates where the spinal instrument is positioned relative to the vertebral body. The system can report optimal brace size and installation taking into account sensed load and location parameters, including optional orientation, rotation and insertion angle along the determined insertion trajectory .

Description

本発明は、概して、外科用エレクトロニクスに関し、特に、脊椎手術および長期の移植の間の位置合わせおよび外科的移植パラメータを評価するための方法およびデバイスに関する。   The present invention relates generally to surgical electronics, and more particularly to methods and devices for assessing alignment and surgical implantation parameters during spinal surgery and long-term implantation.

脊椎は、筋肉および靱帯によって結合される、椎骨と呼ばれる多くの個々の骨から構成されている。軟質の椎間板は、各椎骨を次の椎骨と隔て、緩衝となる。椎骨は分離しているため、脊椎は柔軟で曲がることができる。椎骨、椎間板、神経、筋肉、および靱帯が一緒に、脊柱または脊椎を構成する。脊椎は、大きさおよび形状が様々であり、環境要因、健康、および老化により生じ得る変化を伴う。正常な脊椎は、前から後ろに向かう湾曲を有するが、通常の頸椎前弯、胸椎後弯、および腰椎前弯の病態による変形は、疼痛、不快感、および運動障害を引き起こし得る。これらの病態は、神経を圧迫し得る椎間板ヘルニアによって悪化され得る。   The spine is made up of many individual bones called vertebrae that are joined by muscles and ligaments. A soft intervertebral disc buffers each vertebra from the next. Because the vertebrae are separated, the spine is flexible and can bend. Together, the vertebrae, intervertebral discs, nerves, muscles, and ligaments make up the spinal column or spine. The spine varies in size and shape, with changes that can occur due to environmental factors, health, and aging. The normal spine has a front-to-back curve, but deformation due to the pathology of the normal cervical lordosis, thoracic kyphosis, and lumbar lordosis can cause pain, discomfort, and movement disorders. These conditions can be exacerbated by a herniated disc that can compress the nerve.

異常な脊椎湾曲の多くの様々な原因および治療から手術までの様々な治療選択肢がある。手術の目的は、通常、脊椎の湾曲部分の固定癒合(solid fusion)である。脊椎において手術し、骨移植片を加え、椎骨および骨移植片をゆっくりと癒着させて、骨の固体塊を形成することによって、癒合が行われる。あるいは、椎骨を、間隔を空けて癒合するために骨移植片を入れる脊椎ケージが一般的に使用される。骨移植片は、骨バンクあるいは患者自身の寛骨に由来し得る。脊椎は、機器を搭載した器具および技術によって、金属製の棒およびフック、ワイヤまたはねじを用いてほぼ真っ直ぐにされ得る。棒あるいは場合により装具(brace)またはギプス(cast)が、癒合が治癒する見込みを得るまで、脊椎を所定の位置に保持する。   There are many different causes of abnormal spinal curvature and different treatment options from treatment to surgery. The purpose of the operation is usually a solid fusion of the curved portion of the spine. Healing is performed by operating on the spine, adding bone grafts, and slowly bringing the vertebrae and bone grafts together to form a solid mass of bone. Alternatively, spinal cages are generally used that contain bone grafts to fuse the vertebrae at intervals. The bone graft can come from a bone bank or the patient's own hipbone. The spine can be almost straightened using instrumental bars and hooks, wires or screws, with instrumented instruments and techniques. A rod or possibly brace or cast holds the spine in place until the fusion is expected to heal.

システムの様々な特徴が、特に、添付の特許請求の範囲によって記載される。本明細書の実施形態は、添付の図面とともに理解される、以下の説明を参照することによって理解され得る。   Various features of the system are set forth with particularity by the appended claims. The embodiments herein may be understood by reference to the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:

実施形態例に係る脊椎位置合わせシステムを示す。1 illustrates a spinal alignment system according to an example embodiment. 実施形態例に係る脊椎位置合わせおよび投影図を示すユーザインターフェースを示す。FIG. 6 illustrates a user interface showing spine registration and projection views according to an example embodiment. FIG. 実施形態例に係る脊椎位置合わせシステムのワンドおよび受信機を示す。1 illustrates a wand and receiver of a spinal alignment system according to an example embodiment. 実施形態例に係る脊椎位置合わせを決定するための複数のセンサ化(sensorized)デバイスを示す。FIG. 6 illustrates a plurality of sensorized devices for determining spinal alignment according to example embodiments. FIG. 実施形態例に係る、脊椎のパラメータを決定するためのセンサ化された設置を示す。FIG. 6 illustrates a sensorized installation for determining spinal parameters, according to an example embodiment. 実施形態例に係る、脊椎の状態を決定するための複数のセンサの設置を示す。FIG. 6 illustrates the installation of a plurality of sensors for determining the state of a spine, according to an example embodiment. 実施形態例に係るセンサ化脊椎用機器を示す。1 illustrates a sensorized spinal instrument according to an example embodiment. 実施形態例に係る集積化されたセンサ化脊椎用機器を示す。1 illustrates an integrated sensored spinal instrument according to an example embodiment. 非限定的な例の椎骨構成要素を備えた挿入機器を示す。Fig. 4 shows an insertion device with a non-limiting example vertebral component. 実施形態例に係る、パラメータ検知のために脊椎の椎骨間に位置決めされる脊椎用機器を示す。FIG. 6 illustrates a spinal instrument positioned between vertebrae of a spine for parameter sensing according to an example embodiment. 実施形態例に係る、図10のセンサ化脊椎用機器の斜視図を示すユーザインターフェースを示す。FIG. 11 illustrates a user interface showing a perspective view of the sensorized spinal instrument of FIG. 10 according to an example embodiment. 実施形態例に係る、椎間の位置および力の検知のために、脊椎の椎骨の間に位置決めされるセンサ化脊椎用機器を示す。FIG. 4 illustrates a sensorized spinal instrument positioned between vertebrae of a spine for sensing intervertebral position and force, according to an example embodiment. 実施形態例に係る、図12のセンサ化脊椎用機器を示すユーザインターフェースの斜視図を示す。FIG. 13 shows a perspective view of a user interface showing the sensorized spinal instrument of FIG. 12 according to an example embodiment. 実施形態例に係る、脊椎ケージの設置のためのセンサ化脊椎挿入機器を示す。FIG. 4 illustrates a sensorized spinal insertion device for placement of a spinal cage, according to an example embodiment. 実施形態例に係る、図14のセンサ化脊椎挿入機器を示すユーザインターフェースの斜視図を示す。FIG. 15 shows a perspective view of a user interface showing the sensorized spinal insertion device of FIG. 14 according to an example embodiment. 実施形態例に係る脊椎用機器の構成要素のブロック図である。It is a block diagram of the component of the apparatus for spines concerning the embodiment. 実施形態例に係る、近距離テレメトリ(short−range telemetry)のための例示的な通信システムの略図である。1 is a schematic diagram of an exemplary communication system for short-range telemetry, according to an example embodiment. 実施形態例に係る、測定および報告のための通信ネットワークを示す。1 illustrates a communication network for measurement and reporting according to an example embodiment. コンピュータシステムの形態の機械の例示的な概略図を示し、コンピュータシステム内では、命令集合が、実行されると、本明細書に開示される方法のうちのいずれか1つまたは複数を機械に実行させ得る。FIG. 6 illustrates an example schematic diagram of a machine in the form of a computer system in which when a set of instructions is executed, the machine executes any one or more of the methods disclosed herein. Can be.

本明細書は、新規なものとみなされる本発明の実施形態の特徴を規定する特許請求の範囲で締めくくられるが、方法、システム、および他の実施形態が、参照符号が繰り越される図面とともに以下の説明を考慮することからよりよく理解されるものと考えられる。   While the specification concludes with the claims, which define the features of the embodiments of the invention deemed to be novel, the method, system, and other embodiments are described below with reference to the drawings in which reference numerals are carried forward. This can be better understood by considering the explanation.

必要に応じて、本発明の方法およびシステムの詳細な実施形態が、本明細書に開示される。しかしながら、開示される実施形態は例示に過ぎず、様々な形態で実施され得ることを理解されたい。したがって、本明細書に開示される特定の構造的および機能的詳細は、限定的なものと解釈されるものではなく、単に、特許請求の範囲のための根拠として、および実質的にあらゆる適切に詳細な構造で本発明の実施形態を様々に用いるように当業者に教示するための、代表的な根拠として解釈されるものである。さらに、本明細書において使用される用語および語句は、限定的であることは意図されず、本明細書の実施形態の理解可能な説明を提供することが意図される。   As required, detailed embodiments of the methods and systems of the present invention are disclosed herein. However, it should be understood that the disclosed embodiments are merely exemplary and can be implemented in various forms. Accordingly, the specific structural and functional details disclosed herein are not to be construed as limiting, but merely as a basis for the claims and virtually any suitable It is to be construed as a representative basis for teaching those skilled in the art to use the embodiments of the present invention in various structures. Furthermore, the terms and phrases used herein are not intended to be limiting, but are intended to provide an understandable description of the embodiments herein.

大まかに述べると、本発明の実施形態は、椎骨の荷重および場所の検知のためのシステムおよび方法に関する。脊椎測定システムは、位置情報を視覚的に示すリモートディスプレイに結合される受信機および複数のワンドを含む。ワンドは、椎骨に設置され、またはそれに接触されて、脊椎位置合わせの様々な側面を報告することができる。位置情報は、ワンドおよび脊椎の対応する椎骨の向きおよび場所を特定する。システムは、全体的な位置合わせに加えて、外科手術中の椎骨の移動を追跡する能力を提供する。システムは、手技中に捕捉された位置情報、および手術前の脊椎の状態に関する予め記録された位置データに応じた手術中の脊椎の矯正を提供し、それを示し得る。   In general terms, embodiments of the present invention relate to systems and methods for vertebral load and location sensing. The spine measurement system includes a receiver and a plurality of wands coupled to a remote display that visually indicates position information. A wand can be placed on or in contact with the vertebra to report various aspects of spinal alignment. The location information identifies the orientation and location of the corresponding vertebrae of the wand and spine. The system provides the ability to track vertebral movement during surgery in addition to global alignment. The system may provide and indicate intraoperative vertebral correction in response to position information captured during the procedure and pre-recorded position data regarding pre-operative vertebral condition.

脊椎測定システムは、全体的な脊椎位置合わせをともに、椎骨に対する荷重力を評価するための荷重平衡および位置合わせシステムをさらに含む。システムは、椎骨腔内に連結し得る電子アセンブリおよびセンサ付きヘッドアセンブリを有する脊椎機器を含む。センサ付きヘッドは、椎骨の間に挿入され、力、圧力、向きおよび端部荷重などの椎骨条件を報告し得る。GUIが、それとともに使用されて、機器が外科手術中に椎間腔に設置される際に、脊椎機器が椎体に対してどこに位置決めされるかを示す。このシステムは、任意選択の向き、回転および決定された挿入軌道に沿った挿入角度を含む、検知された荷重および場所のパラメータを考慮して、最適な装具のサイズおよび設置を報告することができる。   The spine measurement system further includes a load balancing and alignment system for assessing load forces on the vertebrae together with overall spinal alignment. The system includes a spinal instrument having an electronic assembly that can be coupled into a vertebral cavity and a sensor-attached head assembly. Sensored heads can be inserted between vertebrae and report vertebral conditions such as force, pressure, orientation and end loads. A GUI is used with it to indicate where the spinal instrument is positioned relative to the vertebral body as the instrument is placed in the intervertebral space during surgery. The system can report optimal brace size and installation taking into account sensed load and location parameters, including optional orientation, rotation and insertion angle along the determined insertion trajectory .

脊椎ケージまたは椎弓根ねじなどの椎骨構成要素を挿入するために、荷重平衡および位置合わせシステムとともに挿入機器も本明細書において提供される。このシステムは、既に捕捉されたパラメータ測定を考慮して、機器が挿入中に端部荷重であるかどうかを検査し、報告することができる。このシステムは、椎骨構成要素による挿入機器の追跡を示し、位置および荷重検知パラメータに基づいて、視覚的誘導およびフィードバックを提供する。このシステムは、向きおよび位置が3Dでもモデル化される1つまたは複数の椎体に対する挿入機器の三次元(3D)追跡を示す。   An insertion instrument is also provided herein along with a load balancing and alignment system to insert a vertebral component, such as a spinal cage or pedicle screw. The system can check and report whether the instrument is end loading during insertion, taking into account already captured parameter measurements. The system shows insertion instrument tracking by vertebral components and provides visual guidance and feedback based on position and load sensing parameters. The system shows three-dimensional (3D) tracking of the insertion device for one or more vertebral bodies that are also modeled in orientation and position in 3D.

図1は、非限定的な例の脊椎位置合わせシステム100を示す。システム100は、リモートシステム105に通信可能に結合され得るワンド103および受信機101を含む。一般に、1つまたは複数のワンドが、受信機101と通信して、脊椎領域の向き、回転、角度、および場所のうちの1つを含む位置情報を決定する。受信機101は、ワンド103に関する位置情報またはデータ117を、リモートシステム105に送信する。位置情報は、脊椎112の位置合わせ(または所定の曲率)を評価するのに使用される向きおよび移動データを含む。リモートシステム105は、グラフィカルユーザインターフェース(Graphical User Interface)(GUI)107を示すラップトップまたはモバイルワークステーションであり得る。GUI107は、脊椎112を示し、かつ位置情報を考慮して脊椎位置合わせを報告するワークフローを含む。一例として、ユーザインターフェースは、手術後の目標の位置合わせ113に対する、脊椎の椎骨の現在の位置合わせ114を示すことができる。   FIG. 1 illustrates a non-limiting example spinal alignment system 100. System 100 includes a wand 103 and a receiver 101 that can be communicatively coupled to a remote system 105. In general, one or more wands communicate with the receiver 101 to determine position information including one of spine region orientation, rotation, angle, and location. The receiver 101 transmits position information or data 117 regarding the wand 103 to the remote system 105. The position information includes orientation and movement data used to evaluate the alignment (or predetermined curvature) of the spine 112. The remote system 105 can be a laptop or mobile workstation showing a Graphical User Interface (GUI) 107. The GUI 107 includes a workflow that shows the spine 112 and reports spine alignment considering the location information. As an example, the user interface may show the current alignment 114 of the vertebrae of the spine relative to the target alignment 113 after surgery.

位置合わせシステム100は、手術前、または手術中に捕捉される三次元(3D)画像化(例えば、軟組織)および3Dモデル(例えば、骨)を提供するために、サーバ125などのデータベース123システムに通信可能に結合され得る。3D画像化およびモデルは、相対的な場所および向きを確立するために、位置情報とともに使用され得る。サーバ125は、近くの範囲内のローカルサーバであるか、またはインターネット121上で遠隔から利用され得る。一例として、サーバ125は、3D脊椎および椎骨モデルを提供する。CATスキャナ(図示せず)が、身体の選択された部分の一連の断面X線画像を生成するのに用いられ得る。コンピュータが、スキャナを操作し、得られた画像は、身体のスライス画像である。サーバ125は、スライス画像から三次元(3D)モデルを生成する。サーバ125は、磁気共鳴画像診断(Magnetic Resonance Imaging)(MRI)スキャナ(図示せず)から生成される3Dモデルも提供することができる。サーバ125は、X線源(図示せず)および蛍光スクリーンの使用によって、位置合わせシステム100デバイスに対する、患者の内部構造のリアルタイム動画を提供するために、蛍光透視画像化も支持し得る。   The alignment system 100 may be used in a database 123 system, such as a server 125, to provide three-dimensional (3D) imaging (eg, soft tissue) and 3D models (eg, bone) that are captured before or during surgery. It can be communicatively coupled. 3D imaging and models can be used with location information to establish relative locations and orientations. Server 125 may be a local server within close proximity or may be utilized remotely over the Internet 121. As an example, the server 125 provides a 3D spine and vertebra model. A CAT scanner (not shown) can be used to generate a series of cross-sectional X-ray images of selected parts of the body. The computer operates the scanner, and the obtained image is a slice image of the body. The server 125 generates a three-dimensional (3D) model from the slice image. Server 125 may also provide a 3D model generated from a Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner (not shown). Server 125 may also support fluoroscopic imaging to provide real-time animation of the patient's internal structure to alignment system 100 device through the use of an X-ray source (not shown) and a fluorescent screen.

脊椎位置合わせシステム100は、全体的な位置合わせおよび機器(例えば、ワンド103および受信機101)の向きに加えて、分離された椎骨の移動を追跡する能力を報告する。受信機101は、位置情報を決定するために、特定の椎骨で、および脊椎112に沿って、ワンド103の場所を正確に追跡する。受信機101は、仙骨に結合されて(例えば、留められ、ねじ留めされ、固定されて)示される。しかしながら、受信機101は、脊椎の椎骨に沿ってどこにでも位置することができる。あるいは、受信機101は、脊椎112の近くの台に取り付けられ得る。ワンド103および受信機101は、それらの位置を、超音波、光学式、または電磁検知によって送信し得るセンサ化デバイスである。この例では、ワンド103および受信機102は、超音波トランスデューサを用い、見通し線(LOS)デバイスである。センサは、ワンド先端から離れて、または場合によっては、ワンド先端内で、ワンド103に外部から取り付けられ得る。ワンド103は、手の中に保持されるか、または機械的アセンブリによって脊椎に固定され得る。一実施形態において、全ての位置合わせ測定を生成するための構成要素(例えば受信機101およびワンド103)は、手術室の滅菌野109内に存在する。滅菌野109は、手術野とも呼ばれ得る。典型的に、リモートシステム105は、手術室の滅菌野109の外部にある。滅菌野109内で使用される構成要素は、単回の使用のために設計され得る。この例では、ワンド103、受信機102、またはその両方は、手術中に使用された後、廃棄される。   The spinal alignment system 100 reports the ability to track the movement of the isolated vertebrae in addition to the overall alignment and orientation of the instrument (eg, wand 103 and receiver 101). The receiver 101 accurately tracks the location of the wand 103 at a particular vertebra and along the spine 112 to determine position information. The receiver 101 is shown coupled to the sacrum (eg, fastened, screwed, and fixed). However, the receiver 101 can be located anywhere along the spine vertebra. Alternatively, the receiver 101 can be mounted on a platform near the spine 112. The wand 103 and the receiver 101 are sensorized devices that can transmit their position by ultrasonic, optical, or electromagnetic sensing. In this example, the wand 103 and the receiver 102 are ultrasonic line transducers and line of sight (LOS) devices. The sensor may be externally attached to the wand 103 away from the wand tip, or possibly within the wand tip. The wand 103 can be held in the hand or secured to the spine by a mechanical assembly. In one embodiment, the components for generating all alignment measurements (eg, receiver 101 and wand 103) reside within operating room sterilization field 109. The sterile field 109 can also be referred to as a surgical field. Typically, the remote system 105 is external to the operating room sterilization field 109. The components used in the sterile field 109 can be designed for a single use. In this example, wand 103, receiver 102, or both are discarded after being used during surgery.

超音波検知デバイスの一例が、2007年3月7日に出願された「Method and Device for Three−Dimensional Sensing」という発明の名称の米国特許出願第11/683,410号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。光学式検知の一例は、光学追跡のための受信機101における対応する高速カメラ要素、あるいは入射光ビームの角度およびその後三角形のワンド位置を検出するための高速のフォトダイオード要素とともにワンド103における3つまたは4つの能動IR反射器を含む。電磁検知の一例は、ワンドにおける金属球を含み、その空間的位置が、受信機103における生成される磁場強度の変化を評価することによって決定される。   An example of an ultrasonic sensing device is disclosed in US patent application Ser. No. 11 / 683,410, entitled “Method and Device for Three-Dimensional Sensing” filed on March 7, 2007. The entire contents of which are hereby incorporated by reference. One example of optical sensing is the three in the wand 103 with corresponding high-speed camera elements in the receiver 101 for optical tracking, or high-speed photodiode elements for detecting the angle of the incident light beam and then the triangle wand position. Or four active IR reflectors. An example of electromagnetic sensing includes a metal sphere in the wand whose spatial position is determined by evaluating the change in magnetic field strength generated at the receiver 103.

物理的システムまたは身体内の対象とする多くの物理的パラメータは、エネルギー波またはパルスの特性の変化を評価することによって測定され得る。一例として、変化する媒体を通って伝播するエネルギー波またはパルスの通過時間または形状の変化が、媒体に作用して変化を引き起こす力を決定するために測定され得る。媒体におけるエネルギー波またはパルスの伝搬速度は、媒体の物理的変化によって影響される。物理的パラメータまたは対象とするパラメータは、以下に限定はされないが、荷重、力、圧力、変位(displacement)、密度、粘度、および局部温度の測定を含み得る。これらのパラメータは、身体上または身体内に位置決めされた無線検知モジュールまたはデバイス、機器、装備、または他の機械的システムによって、向き、位置合わせ、方向、または位置ならびに軸または軸の組合せに沿った移動、回転、または加速度に対するエネルギーパルスまたはエネルギー波の伝播時間の変化を測定することによって評価され得る。あるいは、対象とする測定は、ほんの数例を挙げると、薄膜センサ、メカニカルセンサ、ポリマーセンサ、memsデバイス、歪みゲージ、ピエゾ抵抗型構造、および容量性(capacitive)構造を用いて取られ得る。   Many physical parameters of interest within a physical system or body can be measured by evaluating changes in the characteristics of energy waves or pulses. As an example, the transit time or shape change of an energy wave or pulse propagating through a changing medium can be measured to determine the force acting on the medium to cause the change. The propagation speed of energy waves or pulses in the medium is affected by physical changes in the medium. Physical parameters or parameters of interest may include, but are not limited to, measurements of load, force, pressure, displacement, density, viscosity, and local temperature. These parameters are along the orientation, alignment, orientation, or position and axis or combination of axes by a wireless sensing module or device, equipment, equipment, or other mechanical system positioned on or within the body. It can be evaluated by measuring changes in the propagation time of energy pulses or energy waves with respect to movement, rotation, or acceleration. Alternatively, the measurements of interest can be taken using thin film sensors, mechanical sensors, polymer sensors, mems devices, strain gauges, piezoresistive structures, and capacitive structures, to name just a few.

図2は、非限定的な例の脊椎位置合わせおよび投影図を示すシステム100のグラフィカルユーザインターフェース(GUI)150を示す。投影図は、定量的測定をリアルタイムで表示しながら、外科手術および図1のシステムデバイスに三次元視覚化を提供する。各投影図は、重ねられた脊椎位置合わせ情報とともに脊椎の異なる斜視図を示すように別々に構成され得る。第1の投影図210は、矢状面図(すなわち、前から後ろへ)を示す。第2の投影図230は、冠状面図(すなわち、側面間)を示す。矢状面図および冠状面図は、2つのみの投影図を用いて脊椎位置合わせを視覚化するのに十分な空間的情報を提供する。投影図は、異なる視野角およびシーングラフのためにカスタマイズされ得る。   FIG. 2 shows a graphical user interface (GUI) 150 of the system 100 showing a non-limiting example spine registration and projection view. Projections provide three-dimensional visualization to the surgical procedure and the system device of FIG. 1 while displaying quantitative measurements in real time. Each projection may be configured separately to show different perspective views of the spine with superimposed spine alignment information. The first projection 210 shows a sagittal view (ie, from front to back). The second projection 230 shows a coronal view (ie, between the sides). Sagittal and coronal views provide sufficient spatial information to visualize spinal alignment using only two projections. Projections can be customized for different viewing angles and scene graphs.

一例として、外科医は、ワンド103を保持し、例えば、脊柱側弯の症状の重症度(または補正)を決定するために、脊椎の輪郭を追跡することができる。これは、患者の姿勢および脊椎の曲率を表示するために患者を立たせたまま手術の前に行われ得る。外科医は、ワンドを保持し、脊椎の輪郭を追跡する。GUI108は、追跡中にワンド103から捕捉された位置情報から脊椎の輪郭を視覚的に示す。次に、位置合わせ角度が、一次統計および幾何学形状(例えば、角度点R、P1およびP2を参照、ここで、Rが、基準の位置合わせであり、P1が、受信機101の場所であり、P2が、ワンド103によって位置合わせされるポイントである)から計算される。位置合わせ角度は、脊椎位置合わせのずれを示し、観測面に投影されると、矢状面および冠状面における誤差を示す。次に、GUI108は、必要な補完的補正(compensatory correction)を報告し得る。この例では、例えば、GUI108は、線152と線154との間の角度の矢状面のずれを補正するためにディスプレイボックス146における+4cm前側の必要な変位、および線158と線156との間の角度の冠状面のずれを補正するためにディスプレイボックス148における+2cm右側の必要な変位を報告する。これは、外科的な位置合わせ補正を提供するのに最小限の視覚的情報を外科医に提供する。   As an example, the surgeon can hold the wand 103 and track the spine contour, for example, to determine the severity (or correction) of scoliosis symptoms. This can be done prior to surgery while the patient is standing to display the patient's posture and spinal curvature. The surgeon holds the wand and tracks the contour of the spine. The GUI 108 visually indicates the contour of the spine from the position information captured from the wand 103 during tracking. Next, the alignment angle is the primary statistics and geometry (see, for example, angle points R, P1, and P2, where R is the reference alignment and P1 is the location of the receiver 101 , P2 is the point aligned by the wand 103). The alignment angle indicates the misalignment of the spine alignment and, when projected onto the observation surface, indicates errors in the sagittal plane and the coronal plane. The GUI 108 may then report the necessary complementary correction. In this example, for example, the GUI 108 may require a +4 cm forward displacement in the display box 146 to correct the sagittal deviation of the angle between the line 152 and the line 154, and between the line 158 and the line 156. Report the required displacement to the right of +2 cm in the display box 148 to correct for the coronal deviation of the angle. This provides the surgeon with minimal visual information to provide surgical alignment correction.

あるいは、高速のポイント位置合わせ(point−registration)方法が、脊椎位置合わせを評価するのに用いられ得る。ポイント位置合わせ方法により、外科医は、最小限の位置合わせで脊椎位置合わせを迅速に評価することができる。ユーザは、ワンドを保持し、椎骨にカーソルを合わせてクリックして、ポイント曲線を生成し、これが線に変換される。第1の工程Aでは、受信機101は、固定の場所、例えば、手術台の近くの台に位置決めされる。あるいは、受信機101は、図1に示されるように仙骨に堅く留められ得る。第2の工程Bでは、外科医は、ワンド103の先端を用いて、仙骨における後腸骨稜または背面に沿ったポイントなどの、基準骨における3つ以上の解剖学的特徴を特定する。システム100は、例えば、受信機101原点に対する<x,y,z>デカルト座標系における、位置合わせされたワンド先端の空間的位置から基準骨の向きを決定する。次に、システム100は、イメージサーバ125から関連する3Dモデル脊椎の構成要素(例えば、仙骨、椎骨など)を取り出し、基準骨の向きにしたがって適切な縮尺および向き(モーフィングおよびワーピング)でそれらをGUI108に表示する。3Dモデル位置合わせが完了したら、患者を静止させたまま、次に、外科医は、第3の工程Cにおいて、椎骨、例えば頸椎(C1−C7)の1つを位置合わせする。次に。システム100は、図2に示されるように、基準骨に対する局所座標系を生成し、曲線および線分を生成し、全体的な位置合わせを報告するために、十分な位置合わせされたポイントを有する。脊椎位置合わせは、例えば、所望の(術前計画)線154に対する線152を示して、脊椎の所定の曲率または真直度を考慮して報告される。   Alternatively, fast point-registration methods can be used to assess spinal alignment. The point alignment method allows the surgeon to quickly evaluate spinal alignment with minimal alignment. The user holds the wand, places the cursor on the vertebra and clicks to generate a point curve that is converted to a line. In the first step A, the receiver 101 is positioned at a fixed location, for example, a table near the operating table. Alternatively, the receiver 101 can be fastened to the sacrum as shown in FIG. In the second step B, the surgeon uses the tip of the wand 103 to identify three or more anatomical features in the reference bone, such as a point along the posterior iliac crest or dorsal surface in the sacrum. The system 100 determines the orientation of the reference bone from the spatial position of the aligned wand tip, for example, in the <x, y, z> Cartesian coordinate system with respect to the receiver 101 origin. The system 100 then retrieves the relevant 3D model spine components (eg, sacrum, vertebrae, etc.) from the image server 125 and places them in the GUI 108 with the appropriate scale and orientation (morphing and warping) according to the orientation of the reference bone. To display. Once the 3D model registration is complete, the surgeon then aligns one of the vertebrae, eg, the cervical vertebrae (C1-C7), in a third step C, with the patient stationary. next. The system 100 has sufficient aligned points to generate a local coordinate system for the reference bone, generate curves and line segments, and report the overall alignment, as shown in FIG. . Spine alignment is reported taking into account a predetermined curvature or straightness of the spine, for example, showing a line 152 relative to the desired (preoperative planning) line 154.

図3は、ワンド103および受信機101の非限定的な例を示すが、図示される全ての構成要素が必要なわけではなく、必要な機能に応じてより少ない構成要素が使用され得る。受信機101およびワンド103およびその間の操作の通信モードが、10/8/2010に出願された「Navigation Device Providing Sensory Feedback」という発明の名称の米国特許出願第12/900,662号明細書に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に援用される。簡潔に述べると、この寸法は、最大で約2mの距離までサブミリメートルの空間精度(<1mm)での非接触型の追跡を可能にする。いずれかのデバイスが、様々な機能を支持するように構成され得(例えば、物体に取り付けられる手持ち式)、いずれも後述される寸法に限定されない。   FIG. 3 shows a non-limiting example of a wand 103 and receiver 101, but not all illustrated components are required, and fewer components may be used depending on the functions required. The communication mode of the receiver 101 and the wand 103 and the operation between them is disclosed in US patent application Ser. No. 12 / 900,662 entitled “Navigation Device Providing Sensory Feedback” filed on 10/8/2010. The entire contents of which are hereby incorporated by reference. Briefly, this dimension allows non-contact tracking with submillimeter spatial accuracy (<1 mm) up to a distance of about 2 m. Any device can be configured to support a variety of functions (eg, hand-held attached to an object), none of which are limited to the dimensions described below.

ワンド103は、約10cmの幅、2cmの深さ、および18cm〜20cmの可変の長さのサイズ寸法を有する手持ち式デバイスである。上に示されるように、ワンド103は、例えば、ユーザインターフェース(図1のGUI107を参照)に示され得る、物体または表面の輪郭に沿って、対象のポイント(ポイントA、B、Cを参照)を位置合わせすることができる。既に記載されるように、ワンド103および受信機101は、互いに対するそれらの相対的な場所および向きを決定するために、超音波、赤外線および電磁検知によって通信し得る。加速度計を組み込む他の実施形態が、さらなる位置情報を提供する。   The wand 103 is a handheld device having a size dimension of about 10 cm wide, 2 cm deep, and variable length between 18 cm and 20 cm. As indicated above, the wand 103 can be pointed to a point of interest (see points A, B, C) along an object or surface contour, which can be shown, for example, in a user interface (see GUI 107 in FIG. 1). Can be aligned. As already described, the wand 103 and the receiver 101 can communicate by ultrasonic, infrared and electromagnetic sensing to determine their relative location and orientation relative to each other. Other embodiments incorporating accelerometers provide additional position information.

ワンド103は、センサ201〜203およびワンド先端207を含む。センサは、超音波トランスデューサ、マイクロエレクトロメカニカル素子(Micro Electro Mechanical Element)(MEMS)マイクロホン、電磁石、光学素子(例えば、赤外線、レーザ)、金属製の物体または物理的移動を電圧または電流などの電気信号に変換または伝達するための他のトランスデューサであり得る。それらは、信号を送信するために自己出力型である点で能動素子であってもよく、あるいは反射型であるかまたは検出可能な磁気特性を示す点で受動素子であってもよい。   Wand 103 includes sensors 201-203 and wand tip 207. Sensors are ultrasonic transducers, micro electro mechanical elements (MEMS) microphones, electromagnets, optical elements (eg, infrared, laser), metal objects or physical movements of electrical signals such as voltage or current. Other transducers for converting or transmitting to They may be active elements in that they are self-powered to transmit signals, or may be passive elements in that they are reflective or exhibit detectable magnetic properties.

一実施形態において、ワンド103は、空中で超音波信号をそれぞれ送信する3つの超音波送信機201〜203、超音波信号を生成するために3つの超音波送信機201〜203に駆動信号を生成するためのコントローラ(または電子回路)214、近距離の位置測定および位置合わせ決定を行うためのユーザ入力を受信するユーザインターフェース218(例えば、ボタン)、ユーザ入力を中継し、タイミング情報を受信して、電子回路214を制御するための通信モジュール216、および電子回路218およびワンド103における関連する電子機器に電力を供給するための電池218を含む。コントローラ214は、超音波送信機201〜203に動作可能に結合される。送信機201〜203は、コントローラ214による指示に応答して感覚信号を送信する。ワンド103は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含んでいてもよく、いくつかの構成要素の機能が集積デバイスとして共有され得る。   In one embodiment, the wand 103 generates drive signals to three ultrasonic transmitters 201 to 203 that transmit ultrasonic signals in the air, and three ultrasonic transmitters 201 to 203 to generate ultrasonic signals. A controller (or electronic circuit) 214, a user interface 218 (eg, a button) that receives user input to perform near-field position measurement and alignment determination, relays user input, and receives timing information A communication module 216 for controlling the electronic circuit 214, and a battery 218 for supplying power to the electronic circuit 218 and related electronics in the wand 103. Controller 214 is operably coupled to ultrasonic transmitters 201-203. The transmitters 201 to 203 transmit sensory signals in response to instructions from the controller 214. The wand 103 may include more or fewer components than shown, and the functionality of several components may be shared as an integrated device.

さらなる送信機センサが、三次元検知のための過剰決定(over−determined)システムを提供するように含まれ得る。一例として、各超音波トランスデューサは、別個の送信および受信機能を行うことができる。超音波センサの1つのこのような例が、米国特許第7,725,288号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。超音波センサは、波形を構成し、整形するためのカスタマイズされたトランスデューサの物理的特性にしたがって、パルス整形波形を送信することができる。   Additional transmitter sensors can be included to provide an over-determined system for three-dimensional detection. As an example, each ultrasonic transducer can perform separate transmit and receive functions. One such example of an ultrasonic sensor is disclosed in US Pat. No. 7,725,288, the entire contents of which are hereby incorporated by reference. The ultrasonic sensor can transmit a pulse shaped waveform according to the physical characteristics of the customized transducer for composing and shaping the waveform.

ワンド先端207は、三次元空間における構造、例えば、アセンブリ、物体、機器またはジグの対象のポイントを特定するが、これらに限定されない。先端は、三次元空間におけるその空間的位置が、交差して(at cross ends)配置される3つの超音波送信機201〜203によって確立されるため、センサを必要としない。しかしながら、先端センサ219が、超音波機能(例えば、構造境界、深さなど)または接触に基づく検知を提供するように先端207に統合され得る。このような場合、先端207は、物理的行為、例えば、解剖学的または構造的位置への先端の接触に応答して、ポイントを位置合わせするようにタッチセンサ式であり得る。先端は、このような目的のための機械ばねまたは作動ばねアセンブリを含み得る。別の構成において、先端は、位置合わせする接触のための容量性タッチ先端または静電アセンブリを含む。ワンド先端207は、送信機201〜203を受信機101(図1を参照)との見通し線内に保ちながら、ワンド先端が解剖学的特徴を特定するのを可能にする交換可能な、着脱可能なまたはマルチヘッド型の(multi−headed)スタイラス先端を含み得る。これらのスタイラス先端は、直角であっても、曲線状であっても、または複数のタッチ位置を指し示すのが難しいようにピックの形態の他の形状であってもよい。これにより、先端207によって、構造、骨またはジグにおける(解剖学的)特徴などの対象のポイントを特定するために、ワンドを手の中に保持することができる。   The wand tip 207 identifies a structure in three-dimensional space, such as, but not limited to, an assembly, an object, a device, or a target point of a jig. The tip does not require a sensor because its spatial position in three-dimensional space is established by three ultrasonic transmitters 201-203 that are placed at cross ends. However, tip sensor 219 can be integrated into tip 207 to provide sensing based on ultrasound functionality (eg, structural boundaries, depth, etc.) or contact. In such cases, the tip 207 may be touch-sensitive to align the point in response to a physical action, eg, contact of the tip to an anatomical or structural location. The tip may include a mechanical spring or actuating spring assembly for such purposes. In another configuration, the tip includes a capacitive touch tip or electrostatic assembly for aligning contact. The wand tip 207 is replaceable and detachable that allows the wand tip to identify anatomical features while keeping the transmitters 201-203 within line of sight with the receiver 101 (see FIG. 1) A multi-headed stylus tip may be included. These stylus tips may be right-angled, curvilinear, or other shapes in the form of picks so that it is difficult to point to multiple touch locations. This allows the tip 207 to hold the wand in the hand to identify points of interest such as (anatomical) features in the structure, bone or jig.

ユーザインターフェース218は、手動操作および使用(例えば、オン/オフ/リセットボタン)を可能にするための1つまたは複数のボタンおよび視覚フィードバックを提供するための照明要素を含み得る。一構成において、8つの状態の(8−state)ナビゲーション押しボタン209が、ユーザインターフェースをさらに制御または補完するための指示を通信することができる。ナビゲーション押しボタン209は、片手での使用を可能にするためにワンドの側面に人間工学的に配置され得る。ワンド103は、ユーザインターフェース218とともに触覚モジュールを含み得る。例として、触覚モジュールは、不適切または適切な操作を示すために振動を変化(増加/減少)させ得る。ワンド103は、音(例えば、超音波)および光(例えば、赤外線)を透過するが、水、血液または組織などの生体物質を透過しない、送信機201〜202のための材料カバーを含む。一構成において、透明のプラスチック製の膜(またはメッシュ)が、きつく張られ、それは、送信された周波数によって共鳴下で振動し得る。電池218は、無線エネルギー充電(例えば、磁気誘導コイルおよび超キャパシタ)によって充電され得る。   User interface 218 may include one or more buttons to allow manual operation and use (eg, an on / off / reset button) and lighting elements to provide visual feedback. In one configuration, an 8-state navigation push button 209 can communicate instructions to further control or complement the user interface. A navigation push button 209 may be ergonomically placed on the side of the wand to allow for use with one hand. Wand 103 may include a haptic module along with user interface 218. As an example, the haptic module may change (increase / decrease) the vibration to indicate improper or proper operation. Wand 103 includes a material cover for transmitters 201-202 that transmits sound (e.g., ultrasound) and light (e.g., infrared) but does not transmit biological material such as water, blood, or tissue. In one configuration, a transparent plastic membrane (or mesh) is tightened, which can vibrate under resonance by the transmitted frequency. The battery 218 can be charged by wireless energy charging (eg, magnetic induction coils and supercapacitors).

ワンド103は、構造、物体またはジグに結合するためのベース結合機構205を含み得る。一例として、この機構は、一時的な脱離を可能にするために固定インサート(例えば、四角形のポストヘッド)を備えた磁気アセンブリであり得る。別の例として、この機構は、ラッチインクリメント(latched increment)を備えた磁気ボール(magnetic ball)および継手ソケット(joint socket)であり得る。さらに別の例として、この機構は、整形外科用ねじへのねじ支柱またはピンであり得る。他の実施形態は、既存のノッチ、リッジまたは孔によって、摺動、移動、回転、角度付け(angling)およびロックイン結合および解除、ならびに標準的なジグへの結合を可能にし得る。   The wand 103 may include a base coupling mechanism 205 for coupling to a structure, object or jig. As an example, the mechanism can be a magnetic assembly with a fixed insert (eg, a square posthead) to allow temporary detachment. As another example, the mechanism may be a magnetic ball with a latched increment and a joint socket. As yet another example, the mechanism can be a screw post or pin to an orthopedic screw. Other embodiments may allow sliding, moving, rotating, angling and lock-in coupling and release, and coupling to standard jigs with existing notches, ridges or holes.

ワンド103は、増幅器213および加速度計217をさらに含み得る。増幅器は、送信または受信された信号の信号対雑音比を高める。加速度計217は、移動中および固定したままで3軸および6軸傾斜を特定する。通信モジュール216は、受信機101に信号を伝達するための構成要素(例えば、同期クロック、無線周波数「RF」パルス、赤外線「IR」パルス、光/音響パルス)を含み得る。コントローラ214は、送信および受信同期の制御ならびにセンサ信号、加速度計情報、および他の構成要素のデータまたは状態の順序付け(sequencing)のためのカウンタ、クロック、または他のアナログまたはデジタル論理を含み得る。電池218は、それぞれの回路論理および構成要素に電力を供給する。赤外線送信機209は、(受信機への)超音波信号の送信と同期され得る赤外線タイミング信号をパルスする。   The wand 103 may further include an amplifier 213 and an accelerometer 217. The amplifier increases the signal to noise ratio of the transmitted or received signal. The accelerometer 217 identifies 3-axis and 6-axis tilt while moving and fixed. The communication module 216 may include components for transmitting signals to the receiver 101 (eg, synchronization clock, radio frequency “RF” pulse, infrared “IR” pulse, light / acoustic pulse). The controller 214 may include counters, clocks, or other analog or digital logic for controlling transmission and reception synchronization and for sequencing sensor signals, accelerometer information, and other component data or states. A battery 218 provides power to the respective circuit logic and components. Infrared transmitter 209 pulses an infrared timing signal that can be synchronized with the transmission of the ultrasound signal (to the receiver).

コントローラ214は、Flash、ROM、RAM、SRAM、DRAMまたはデバイスの上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置208とともに、マイクロプロセッサ(uP)および/またはデジタルシグナルプロセッサ(digital signal processor)(DSP)などの計算技術を用い得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および/またはプロセッサ内に存在し得る。入力/出力ポートは、例えば、ユニバーサルシリアルバス(Universal Serial Bus)(USB)によって、情報またはデータの可搬式の交換(portable exchange)を可能にする。コントローラ214の電子回路は、例えば、コア信号処理アルゴリズムに特有の、1つまたは複数の特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit)(ASIC)チップまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array)(FPGA)を含み得る。コントローラ214は、オペレーティングシステム(OS)の1つまたは複数のモジュールを動作させる埋め込みプラットフォームであり得る。一構成において、記憶装置は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか1つまたは複数を用いる1つまたは複数の命令集合(例えば、ソフトウェア)を保存し得る。   The controller 214 may be a microprocessor (uP) and / or digital along with associated storage 208 such as Flash, ROM, RAM, SRAM, DRAM or other similar technology for controlling the operation of the above components of the device. Computational techniques such as a digital signal processor (DSP) may be used. The instructions may also reside in other memory and / or processors completely or at least partially during execution of instructions by another processor or computer system. The input / output port allows for portable exchange of information or data, for example, via a Universal Serial Bus (USB). The electronic circuitry of the controller 214 may be, for example, one or more Application Specific Integrated Circuit (ASIC) chips or Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) specific to the core signal processing algorithm. ). The controller 214 may be an embedded platform that operates one or more modules of an operating system (OS). In one configuration, the storage device may store one or more instruction sets (eg, software) that use any one or more of the methods or functions described herein.

受信機101は、タイミング情報を生成し、ユーザ入力に応答してワンド103の指示位置を位置合わせし、受信機101に対する、ワンド103の3つ以上の指示位置からの近距離位置測定および位置合わせを決定するためのプロセッサ233を含む。受信機は、約2cmの幅、2cmの深さ、および10cm〜20cmの長さのサイズ寸法を有する。受信機は、応答して、第1、第2および第3の超音波信号を送信するワンド103にタイミング情報を送信するための通信モジュール235を含む。超音波信号は、振幅変調、周波数変調、および位相変調の組合せから生成されるパルス波形信号であり得る。3つのマイクロホン221〜223がそれぞれ、空中で送信される第1、第2および第3のパルス波形信号を受信する。受信機101は、線状に構成され得るかまたはより小型の構成では、三角形の形状を有し得る。三次元検知のためのデバイスの一例が、2007年3月7日に出願された「Method and Device for Three−Dimensional Sensing」という発明の名称の米国特許出願第11/683,410号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。   The receiver 101 generates timing information, aligns the indicated position of the wand 103 in response to user input, and measures and aligns the short distance position from the three or more indicated positions of the wand 103 with respect to the receiver 101. A processor 233 for determining. The receiver has a size dimension of about 2 cm wide, 2 cm deep, and 10 cm to 20 cm long. The receiver includes a communication module 235 for transmitting timing information in response to the wand 103 that transmits the first, second and third ultrasound signals. The ultrasound signal may be a pulse waveform signal generated from a combination of amplitude modulation, frequency modulation, and phase modulation. Each of the three microphones 221 to 223 receives the first, second, and third pulse waveform signals transmitted in the air. The receiver 101 may be configured in a line or in a smaller configuration may have a triangular shape. An example of a device for three-dimensional detection is disclosed in US patent application Ser. No. 11 / 683,410, filed Mar. 7, 2007, entitled “Method and Device for Three-Dimensional Sensing”. The entire contents of which are hereby incorporated by reference.

メモリ238は、超音波信号を保存し、超音波信号または処理された信号の履歴を生成し得る。メモリ238は、例えば、位置を合わせるためにユーザがボタンを押すのに応答して、ワンド先端位置を保存することもできる。無線通信インターフェース(入力/出力)239が、3つ以上の指示位置の位置情報および近距離位置合わせをリモートシステムに無線で伝送する。リモートシステムは、上述したように、位置情報および位置合わせ情報をリアルタイムで表示するコンピュータ、ラップトップまたは携帯機器であり得る。電池は、プロセッサ233および受信機101における関連する電子機器に電力を供給する。受信機101は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含んでいてもよく、いくつかの構成要素の機能が、共有されるかまたは中に集積され得る。   Memory 238 may store ultrasound signals and generate a history of ultrasound signals or processed signals. The memory 238 can also store the wand tip position, for example, in response to a user pressing a button to align. A wireless communication interface (input / output) 239 wirelessly transmits position information of three or more indicated positions and short-range alignment to the remote system. The remote system can be a computer, laptop or portable device that displays location information and alignment information in real time as described above. The battery supplies power to the processor 233 and associated electronics in the receiver 101. The receiver 101 may include more or fewer components than shown, and the functionality of some components may be shared or integrated in.

さらなる超音波センサが、三次元検知のための過剰決定システムを提供するように含まれ得る。超音波センサは、MEMSマイクロホン、受信機、超音波送信機またはそれらの組合せであり得る。一例として、各超音波トランスデューサは、別個の送信および受信機能を行うことができる。超音波センサの1つのこのような例が、米国特許第7,414,705号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。受信機101は、ピン251によって、骨またはジグに結合するための結合機構240も含み得る。一例として、結合機構240は、一時的な脱離を可能にするために固定インサート(例えば、四角形のポストヘッド)を備えた磁気アセンブリであり得る。別の例として、結合機構240は、ラッチインクリメントを備えた磁気ボールおよび継手ソケットであり得る。   Additional ultrasonic sensors can be included to provide an overdetermined system for three-dimensional detection. The ultrasonic sensor can be a MEMS microphone, a receiver, an ultrasonic transmitter, or a combination thereof. As an example, each ultrasonic transducer can perform separate transmit and receive functions. One such example of an ultrasonic sensor is disclosed in US Pat. No. 7,414,705, the entire contents of which are hereby incorporated by reference. The receiver 101 may also include a coupling mechanism 240 for coupling to a bone or jig by a pin 251. As an example, the coupling mechanism 240 can be a magnetic assembly with a fixed insert (eg, a square posthead) to allow temporary detachment. As another example, the coupling mechanism 240 can be a magnetic ball and joint socket with a latch increment.

受信機101は、増幅器232、通信モジュール235、加速度計236、およびプロセッサ233をさらに含み得る。プロセッサ233は、パルス整形器(pulse shaper)、位相検出器、信号コンプレッサ、および他のデジタルシグナルプロセッサコードユーティリティおよびパッケージなどのソフトウェアプログラムモジュールをホストし得る。増幅器232は、送信または受信された信号の信号対雑音比を高める。プロセッサ233は、送信および受信同期の制御ならびにセンサ信号、加速度計情報、および他の構成要素データまたは状態の順序付けのためのコントローラ、カウンタ、クロック、および他のアナログまたはデジタル論理を含み得る。加速度計236は、移動中および固定したままで軸傾斜(例えば、3軸および6軸)を特定し得る。電池234は、それぞれの回路論理および構成要素に電力を供給する。受信機は、ワンドとの無線赤外線通信を可能にするために、赤外線信号を検出し、超音波信号の送信時間を確立するためのフォトダイオード241を含む。   The receiver 101 may further include an amplifier 232, a communication module 235, an accelerometer 236, and a processor 233. The processor 233 may host software program modules such as a pulse shaper, phase detector, signal compressor, and other digital signal processor code utilities and packages. Amplifier 232 increases the signal to noise ratio of the transmitted or received signal. The processor 233 may include controllers, counters, clocks, and other analog or digital logic for control of transmit and receive synchronization and ordering of sensor signals, accelerometer information, and other component data or states. The accelerometer 236 may identify axial tilt (eg, 3 and 6 axes) while moving and fixed. A battery 234 provides power to the respective circuit logic and components. The receiver includes a photodiode 241 for detecting the infrared signal and establishing the transmission time of the ultrasonic signal to enable wireless infrared communication with the wand.

通信モジュール235は、(ワンド102への)ローカルな信号伝達のための構成要素(例えば、同期クロック、無線周波数「RF」パルス、赤外線「IR」パルス、光/音響パルス)を含み得る。通信モジュール235は、リモートデバイス(例えば、ラップトップ、コンピュータなど)を用いた無線通信のためのネットワークおよびデータ構成要素(例えば、Bluetooth(登録商標)、ZigBee、Wi−Fi、GPSK、FSK、USB、RS232、IRなど)も含み得る。ネットワークおよびデータ構成要素を介した外部通信が、本明細書において想定されるが、受信機101が、単独の操作を可能にするためのユーザインターフェース237を含み得ることに留意されたい。一例として、受信機101は、位置の位置合わせ状態を指し示す3つ以上のワンド先端を示すための3つのLEDライト224を含み得る。ユーザインターフェース237は、位置情報および位置合わせを報告するために自身のGUIとともにタッチスクリーンまたは他のインターフェースディスプレイも含み得る。   The communication module 235 may include components for local signal transmission (to the wand 102) (eg, synchronization clock, radio frequency “RF” pulses, infrared “IR” pulses, optical / acoustic pulses). The communication module 235 is a network and data component (eg, Bluetooth®, ZigBee, Wi-Fi, GPSK, FSK, USB, etc.) for wireless communication using a remote device (eg, laptop, computer, etc.). RS232, IR, etc.). Note that external communication via the network and data components is envisaged herein, but the receiver 101 may include a user interface 237 to allow a single operation. As an example, the receiver 101 may include three LED lights 224 to indicate three or more wand tips that indicate the alignment state of the position. User interface 237 may also include a touch screen or other interface display along with its GUI to report location information and alignment.

プロセッサ233は、Flash、ROM、RAM、SRAM、DRAMまたは端末装置の上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置238とともに、マイクロプロセッサ(uP)および/またはデジタルシグナルプロセッサ(digital signal processor)(DSP)などの計算技術を用い得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および/またはプロセッサ内に存在し得る。入力/出力ポートは、例えば、ユニバーサルシリアルバス(Universal Serial Bus)(USB)によって、情報またはデータの可搬式の交換を可能にする。コントローラの電子回路は、例えば、コア信号処理アルゴリズムまたは制御論理に特有の、1つまたは複数の特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit)(ASIC)チップまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array)(FPGA)を含み得る。プロセッサは、オペレーティングシステム(OS)の1つまたは複数のモジュールを動作させる埋め込みプラットフォームであり得る。一構成において、記憶装置238は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか1つまたは複数を用いる1つまたは複数の命令集合(例えば、ソフトウェア)を保存し得る。   Processor 233 may be a microprocessor (uP) and / or associated memory device 238 such as Flash, ROM, RAM, SRAM, DRAM or other similar technology for controlling the operation of the above components of a terminal device. Computational techniques such as a digital signal processor (DSP) can be used. The instructions may also reside in other memory and / or processors completely or at least partially during execution of instructions by another processor or computer system. The input / output port allows for the portable exchange of information or data, for example, by Universal Serial Bus (USB). The controller electronics may be, for example, one or more Application Specific Integrated Circuits (ASIC) chips or Field Programmable Gate Arrays specific to core signal processing algorithms or control logic. (FPGA). The processor may be an embedded platform that runs one or more modules of an operating system (OS). In one configuration, the storage device 238 may store one or more instruction sets (eg, software) that use any one or more of the methods or functions described herein.

第1の構成において、受信機101は、ワンド103につながれた電気接続(例えば、配線)を介して配線される。すなわち、ワンド103の通信ポートは、タイミング情報を受信するための受信機101の通信インターフェースに物理的に配線される。受信機101からのタイミング情報は、送信するタイミングをワンド103に通知し、パルス整形に適用され得る任意選択のパラメータを含む。受信機101におけるプロセッサ233は、このタイミング情報を用いて、基準時間ベースに対する、超音波信号伝達の場合に飛行時間(Time of Flight)測定を確立する。   In the first configuration, the receiver 101 is wired via an electrical connection (eg, wiring) connected to the wand 103. That is, the communication port of the wand 103 is physically wired to the communication interface of the receiver 101 for receiving timing information. The timing information from the receiver 101 informs the wand 103 of the transmission timing and includes optional parameters that can be applied to pulse shaping. The processor 233 at the receiver 101 uses this timing information to establish a Time of Flight measurement in the case of ultrasonic signal transmission relative to a reference time base.

第2の構成において、受信機101は、無線I/O239を介した無線信号伝達接続を介して、ワンド103に通信可能に結合される。信号伝達プロトコルが、10/8/2010に出願された「Navigation Device Providing Sensory Feedback」という発明の名称の米国特許出願第12/900,662号明細書に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に援用される。ワンド103における赤外線送信機209が、それぞれの送信されたパルス波形信号とともに赤外線タイミング信号を送信する。赤外線送信機209は、受信機への超音波信号の送信と同期される赤外線タイミング信号をパルスする。受信機101は、赤外線タイミング信号が受信されるときを決定するためのフォトダイオード241を含み得る。この場合、ワンド103の通信ポートは、赤外線送信機およびマイクロ秒の精度(1mmまでの分解能)内でタイミング情報を中継するためのフォトダイオードによって、受信機101の通信インターフェースに無線で結合される。受信機101におけるプロセッサ233は、この赤外線タイミング情報を用いて、基準送信時間に対する第1、第2、および第3の飛行時間(Time of Flight)測定を確立する。   In the second configuration, the receiver 101 is communicatively coupled to the wand 103 via a wireless signal transmission connection via the wireless I / O 239. A signaling protocol is disclosed in US patent application Ser. No. 12 / 900,662, entitled “Navigation Device Providing Sensitivity Feedback”, filed 10/8/2010, the entire contents of which are incorporated by reference. Incorporated herein by reference. An infrared transmitter 209 in the wand 103 transmits an infrared timing signal along with each transmitted pulse waveform signal. Infrared transmitter 209 pulses an infrared timing signal that is synchronized with the transmission of the ultrasonic signal to the receiver. The receiver 101 can include a photodiode 241 for determining when an infrared timing signal is received. In this case, the communication port of the wand 103 is wirelessly coupled to the communication interface of the receiver 101 by an infrared transmitter and a photodiode for relaying timing information within microsecond accuracy (resolution up to 1 mm). The processor 233 at the receiver 101 uses this infrared timing information to establish first, second, and third time of flight measurements relative to the reference transmission time.

図4は、非限定的な例の脊椎位置合わせ300を評価するための複数のセンサ化ワンドを示す。図示されるように、複数のセンサ化ワンド301〜304は、個々の椎骨の移動および/または他の追跡される椎骨に対する位置合わせを追跡するのに用いられ得る。ワンドのそれぞれは、異なるサイズおよびセンサ構成のものであり得る。ワンドは、4cm〜12cmの寸法、および1cm以下の幅に及び得る軽量の構成要素である。一般に、ワンド301〜304は、手動で容易に保持される形状因子(form factor)を有し、または筋肉・骨格系によって結合または支持され得る。例えば、第1のワンド301は、別のワンド303より広くて長いセンサ距離を有していてもよい。これにより、ワンド301〜304と受信機308との間の通信が促進され得る。各ワンドは、例えば、ワンドに特有の特徴的な低周波磁気波長として保存される、それを他のものと識別するための個別のIDを有し得る。システム100は、受動的磁場を介してワンドを識別し、1つまたは複数の超音波、光学、電磁素子、または(受動/能動)センサによって位置を決定し得る。   FIG. 4 shows a plurality of sensored wands for evaluating a non-limiting example spine alignment 300. As shown, a plurality of sensored wands 301-304 may be used to track the movement of individual vertebrae and / or alignment with other tracked vertebrae. Each of the wands can be of a different size and sensor configuration. A wand is a lightweight component that can range in dimensions from 4 cm to 12 cm and a width of 1 cm or less. In general, the wands 301-304 have a form factor that is easily held manually or can be coupled or supported by a musculoskeletal system. For example, the first wand 301 may have a wider and longer sensor distance than another wand 303. Thereby, communication between the wands 301 to 304 and the receiver 308 can be facilitated. Each wand may have a separate ID to distinguish it from others, for example, stored as a characteristic low frequency magnetic wavelength unique to the wand. The system 100 may identify the wand via a passive magnetic field and determine the position by one or more ultrasound, optical, electromagnetic elements, or (passive / active) sensors.

図4の説明とともに、ワークフロー方法が、本明細書において想定される。第1のワークフロー工程311では、受信機308は、手術部位およびワンドが使用されることが予想される場所に近接して位置決めされる。上述したように、受信機308は、台に設置され、または仙骨(または他の骨領域)に固定されて、ワンドの向きおよび場所を追跡する。ワンドは、手の中に保持され、仙骨における解剖学的特徴を位置合わせする、例えば、ワンド先端を骨特徴に合わせてクリックするのに使用され得る。このポイント位置合わせにより、解剖学的ポイントが捕らえられ、それが次に、適切な向きおよび寸法を有する3D脊椎モデルを取り出すのに使用される。工程312では、次に、ワンドは、椎骨におけるポイントを位置合わせして、その椎骨の場所を評価するのに使用され得る。第1の構成において、ワンドは、ワンド先端ポイント位置合わせを行わずに、直接椎骨に固定され得る。これにより、必ずしも向きであるとは限らない、挿入ポイントにおける空間的位置(三次元情報)を評価するための1つのポイントが提供される。   In conjunction with the description of FIG. 4, a workflow method is assumed herein. In a first workflow step 311, the receiver 308 is positioned in proximity to the surgical site and where the wand is expected to be used. As described above, the receiver 308 is placed on a table or secured to the sacrum (or other bone region) to track the orientation and location of the wand. The wand is held in the hand and can be used to align anatomical features in the sacrum, for example, to click the wand tip to align with the bone features. This point alignment captures anatomical points, which are then used to retrieve a 3D spine model with the appropriate orientation and dimensions. In step 312, the wand can then be used to align points in the vertebra and assess the location of that vertebra. In the first configuration, the wand can be secured directly to the vertebra without wand tip point alignment. This provides a single point for evaluating the spatial position (three-dimensional information) at the insertion point, which is not necessarily orientation.

第2の構成において、ワンドは、まず、椎骨の表面におけるポイントを位置合わせするのに使用され、次にその中に挿入される。位置合わせにより、解剖学的な椎骨のポイントを捕らえ、それが次に、適切な向きおよび寸法を有する3D椎骨モデルを取り出すのに使用される。これにより、ワンドがその中に挿入されるとき、システム100は、適切な縮尺および位置で椎骨を追跡することができる。仙骨における受信機および椎骨における各ワンドの位置合わせおよび位置決めの際、システム100は、工程313に示されるように、機器追跡のリアルタイムの表示を提供する。すなわち、システム100は、脊椎の3Dモデル、センサ化ワンド301〜304および受信機308を示す仮想環境を生成する。   In the second configuration, the wand is first used to align a point on the surface of the vertebra and then inserted into it. Alignment captures anatomical vertebra points, which are then used to retrieve a 3D vertebra model with the appropriate orientation and dimensions. This allows the system 100 to track the vertebra at an appropriate scale and position as the wand is inserted therein. Upon alignment and positioning of the receiver in the sacrum and each wand in the vertebra, the system 100 provides a real-time display of instrument tracking, as shown in step 313. That is, the system 100 generates a virtual environment showing a 3D model of the spine, sensored wands 301-304, and a receiver 308.

図5は、非限定的な例の脊椎の状態を決定するためのセンサ化された設置を示す。上述したように、ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサなどのセンサも含み得る。ワンド先端は、対象のポイントを位置合わせするのに使用されるとき、挿入部位に直接関連するバイオメトリックデータも捕捉することができる。ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサを解放し、それを接触部位に位置決めされたままにすることもできる。図5および6の説明は、ワンド先端センサの設置を示し、これは、ある構成において、その先端センサを、長期の埋め込みのためにその場で配備する。システム100は、骨に対する荷重に似た振動パターンでのエネルギー波の伝達を可能にし、骨ミネラル量および骨密度を改善することもできる。センサは、インプラントを介してまたはインプラントにわたってエネルギー波を送り、それによって、骨折の治癒を助けることもできる。   FIG. 5 shows a sensorized installation for determining the state of the spine in a non-limiting example. As described above, the wand tip may also include a sensor such as a biometric transducer. When the wand tip is used to align the point of interest, it can also capture biometric data directly related to the insertion site. The wand tip can also release the biometric transducer and leave it positioned at the contact site. The description of FIGS. 5 and 6 shows the installation of a wand tip sensor, which, in one configuration, deploys the tip sensor in situ for long term implantation. The system 100 can also transmit energy waves in a vibration pattern similar to the load on the bone, and can also improve bone mineral content and bone density. The sensor can also send energy waves through or across the implant, thereby assisting in healing the fracture.

したがって、位置および向きを含むセンサ化された設置の関数であるバイオメトリックパラメータを検出するための方法が本明細書において提供される。本方法は、バイオメトリックトランスデューサを、脊椎関節の移動構成要素上に提供する工程と、脊椎関節または脊椎の移動中に、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位に、バイオメトリックトランスデューサからのエネルギー波(例えば、超音波、光学、電磁電磁)を伝達する工程と、脊椎関節の移動中に、エネルギー波の挙動を定量的に評価する工程と、評価された挙動および脊椎関節の移動に基づいて、現在の状態または圧力、張力、せん断、荷重、トルク、骨密度および荷重重量からなる群から選択される手技部位の少なくとも1つのパラメータを決定する工程とを含む。あるいは、1つまたは複数のセンサを組み込む挿入可能なヘッドアセンブリが、対象のバイオメトリックパラメータを測定するのに使用され得る。この例では、バイオメトリックトランスデューサは、椎骨の移動および荷重に関する情報を検出し、送信することができる。一例として、センサは、例えば、脊椎関節が移動中に屈曲される際、評価された挙動の頻度または周期性を評価することによって、整形外科用関節の異常な移動を検出することができる。   Accordingly, provided herein is a method for detecting a biometric parameter that is a function of sensored placement including position and orientation. The method includes providing a biometric transducer on a moving component of the spinal joint and energy waves from the biometric transducer to a different surgical site from the moving component of the spinal joint during movement of the spinal joint or spine. (E.g., ultrasound, optics, electromagnetic), quantitatively assessing energy wave behavior during spinal joint movement, and based on the evaluated behavior and spinal joint movement, Determining at least one parameter of a procedure site selected from the group consisting of current conditions or pressure, tension, shear, load, torque, bone density and load weight. Alternatively, an insertable head assembly incorporating one or more sensors can be used to measure a subject's biometric parameters. In this example, the biometric transducer can detect and transmit information regarding vertebral movement and loading. As an example, the sensor can detect abnormal movement of the orthopedic joint, for example, by evaluating the frequency or periodicity of the evaluated behavior when the spinal joint is flexed during movement.

図5に示される一例として、単一のセンサ352が、圧力、張力、せん断、骨密度および荷重重量に関連する関節機構の品質または機能などの、移動中の脊椎関節の挙動を評価するために、骨または脊椎関節の装具構成要素(例えば、椎骨)に埋め込まれ得る。この実施形態のセンサ352は、骨(椎骨)における固定された場所にあり、手技部位360に対する移動中に椎骨358とともに移動する。図示されるように、手技部位360は、椎骨354、椎間板356、および椎骨358を含む。手技部位360は、椎骨が単一のセンサを主に移動させるため、センサに対して比較的動かない。この構成の単一のセンサは、移動の結果としての手技部位における対象のパラメータ(例えば、圧力、張力、せん断、骨密度、および荷重重量)の様々な変化に曝される。一例として、センサは、移動中に関節の様々な場所に加えられる動作によって生じる様々な関節運動によって圧縮される。移動中、センサ352は、手技部位におけるエネルギー波を評価し、椎骨の移動(ひいてはセンサの焦点)が移動の結果として手技部位に対して変化するため、隣接部位も評価される。センサ352の位置も、(それにワンドが結合される場合、ワンドによって)他の椎骨に対して決定され、向き、場所および位置に関する検知されたパラメータの変化をカタログする(catalog)のに使用される。   As an example shown in FIG. 5, a single sensor 352 may be used to evaluate the behavior of a moving spinal joint, such as the quality or function of a joint mechanism related to pressure, tension, shear, bone density, and load weight. Can be implanted in a bone or spinal joint orthosis component (eg, vertebrae). The sensor 352 in this embodiment is in a fixed location in the bone (vertebra) and moves with the vertebra 358 during movement relative to the procedure site 360. As shown, the procedure site 360 includes a vertebra 354, an intervertebral disc 356, and a vertebra 358. The procedure site 360 is relatively immobile with respect to the sensor because the vertebrae primarily move a single sensor. A single sensor of this configuration is exposed to various changes in the subject parameters (eg, pressure, tension, shear, bone density, and load weight) at the procedure site as a result of movement. As an example, the sensor is compressed by various joint movements caused by movements applied to various locations of the joint during movement. During movement, the sensor 352 evaluates the energy waves at the procedure site and the adjacent sites are also evaluated because the movement of the vertebra (and thus the focus of the sensor) changes relative to the procedure site as a result of the movement. The position of the sensor 352 is also determined with respect to other vertebrae (by the wand if it is coupled to it) and used to catalog the detected parameter changes with respect to orientation, location and position. .

移動構成要素(例えば、椎骨、歯科用インプラント)にセンサ352を設置することおよびその場所および向きの知識を用いて、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位中にエネルギー波を伝達することの1つの利点は、それがセンサ352と手技部位との間の距離を効果的に変化させることであり、それにより、センサ352の分解能および焦点ならびにそれに対する力が変化される。位置情報も、検知されたパラメータの変化に対する移動の周期性を示す。一例として、切り替えられる送信および受信モードで動作するセンサ352は、操作の変化を生じずに、手技部位の異なる深さで測定を取ることができる。センサ352は、関節運動による距離の変化の結果として、例えば、インピーダンスを整合させるために、送信されたエネルギー波の周波数、振幅、または位相の変更を本来必要とし得るセンサ調整を行わずに、異なる測定を取ることができる。   One of installing a sensor 352 on a moving component (eg, vertebra, dental implant) and using the knowledge of its location and orientation to transmit energy waves into a different surgical site than the moving component of the spinal joint One advantage is that it effectively changes the distance between the sensor 352 and the procedure site, thereby changing the resolution and focus of the sensor 352 and the forces on it. The position information also indicates the periodicity of movement relative to the detected parameter change. As an example, a sensor 352 operating in a switched transmit and receive mode can take measurements at different depths of the procedure site without causing operational changes. Sensors 352 differ as a result of distance changes due to articulation, for example, without making sensor adjustments that may originally require changes in the frequency, amplitude, or phase of the transmitted energy wave to match impedance. You can take measurements.

一例として、バイオメトリックセンサ352は、超音波デバイスであり得る。定量的超音波法は、骨ミネラル量のみを測定する他の骨密度測定方法と対照的に、機械的完全性などの骨のさらなる特性を測定することができる。骨を介した超音波の伝播は、骨量、骨構造、および荷重の方向性によって影響される。骨の強度および剛性を評価する手段としての定量的超音波測定は、受信された超音波信号の処理に基づく。音および超音波の速度は、骨および軟組織を通って伝播する。装具の緩みまたは沈降、および大腿骨/脛骨/寛骨臼または装具の破砕は、骨量の減少に関連する。したがって、装具周囲の骨ミネラル量の進行する定量化できる変化の正確な評価は、治療する外科医が、修正関節形成(revision arthroplasty)のために骨量(bone stock)を保存するために介入するタイミングを決定するのを助け得る。この情報は、骨粗しょう症の骨のためのインプラントの開発に役立ち、骨粗しょう症の治療および様々なインプラントコーティングの影響の評価に役立つ。   As an example, biometric sensor 352 can be an ultrasound device. Quantitative ultrasound can measure additional properties of bone, such as mechanical integrity, in contrast to other bone density measurement methods that measure only bone mineral content. The propagation of ultrasound through bone is affected by bone mass, bone structure, and load direction. Quantitative ultrasound measurements as a means of assessing bone strength and stiffness are based on the processing of received ultrasound signals. The speed of sound and ultrasound propagates through bone and soft tissue. Looseness or settling of the brace and fracture of the femur / tibia / acetabulum or brace are associated with bone loss. Thus, an accurate assessment of the progressive quantifiable change in the amount of bone mineral around the brace is the timing at which the treating surgeon intervenes to preserve bone stock for revision arthroplasty. Can help you decide. This information is useful for the development of implants for osteoporotic bone, and for the treatment of osteoporosis and the assessment of the effects of various implant coatings.

図6は、非限定的な例の脊椎の状態を決定するための複数のセンサ化された設置を示す。上述したように、ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサなどのセンサも含み得る。ワンド先端は、対象のポイントを位置合わせするのに使用されるとき、挿入部位に直接関連するバイオメトリックデータも捕捉することができる。ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサを解放し、それを接触部位に位置決めされたままにすることもできる。   FIG. 6 illustrates multiple sensorized installations for determining the state of the spine in a non-limiting example. As described above, the wand tip may also include a sensor such as a biometric transducer. When the wand tip is used to align the point of interest, it can also capture biometric data directly related to the insertion site. The wand tip can also release the biometric transducer and leave it positioned at the contact site.

したがって、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位で第2のバイオメトリックトランスデューサを提供する工程と、脊椎関節の移動中に、第1のバイオメトリックトランスデューサおよび第2のバイオメトリックトランスデューサの相対的な分離に基づいてエネルギー波の挙動を定量的に評価する工程とを含む、バイオメトリックパラメータを検出するための方法が、本明細書において提供される。手技部位の現在の状態または少なくとも1つのパラメータが、評価された挙動および脊椎関節の移動から決定される。パラメータは、歪み、振動、運動力学、および安定性のうちの1つである。第1のバイオメトリックトランスデューサまたは第2のバイオメトリックトランスデューサは、少なくとも1つのバイオメトリックパラメータに関連するデータを、評価のための外部源に送信するための送受信機を含み得る。   Accordingly, providing a second biometric transducer at a different surgical site than the spinal joint movement component and the relative separation of the first biometric transducer and the second biometric transducer during spinal joint movement. There is provided herein a method for detecting a biometric parameter comprising quantitatively evaluating the behavior of an energy wave based on The current state of the procedure site or at least one parameter is determined from the estimated behavior and spinal joint movement. The parameter is one of strain, vibration, kinematics, and stability. The first biometric transducer or the second biometric transducer may include a transceiver for transmitting data associated with the at least one biometric parameter to an external source for evaluation.

図6に示されるように、センサ352は、骨または脊椎関節の装具構成要素(例えば、椎骨)に埋め込まれ得、センサ366は、移動中に、脊椎関節の挙動を評価するために、手技部位における異なる位置に位置決めされ得る。この実施形態のセンサ352は、骨(椎骨)における固定された場所にあり、手技部位におけるセンサ366に対して、関節運動中に椎骨とともに移動する。センサ366は、異なる骨上にあり得る。両方のセンサが移動し得るが、センサ352は、実際には、センサ366に対して移動するものとみなされ得、示されるように相対的に変位される。センサ352および366は、以下に限定はされないが、骨密度、流体粘度、温度、歪み、圧力、角状変形(angular deformity)、振動、荷重、トルク、距離、傾斜、形状、弾性、運動などに関する、ホスト骨および組織の評価を可能にする。   As shown in FIG. 6, sensor 352 may be implanted in a bone or spinal joint orthosis component (eg, vertebra), and sensor 366 may be used to assess a spinal joint behavior during movement. In different positions. The sensor 352 in this embodiment is in a fixed location in the bone (vertebra) and moves with the vertebra during articulation relative to the sensor 366 at the procedure site. Sensors 366 can be on different bones. Although both sensors can move, sensor 352 can actually be considered to move relative to sensor 366 and is displaced relative to the shown. Sensors 352 and 366 include, but are not limited to, bone density, fluid viscosity, temperature, strain, pressure, angular deformation, vibration, load, torque, distance, slope, shape, elasticity, motion, etc. Allows assessment of host bones and tissues.

図示される二重センサ構成は、骨の完全性を評価することができる。例えば、脊椎関節において、第1および第2の椎骨に結合されるセンサ352および366が、骨密度を評価する。本発明に係るセンサ352、センサ366、またはその両方によって送られる外部および内部エネルギー波が、骨折の治療および脊椎固定術の際に使用され得る。2つの配備されるセンサを用いて、センサ間の距離が、対象の領域および生成され得る電力場(power field)で決定され得る。エネルギー場は、超音波、無線周波数、および/または電磁場などの標準的なエネルギー源であり得る。経時的なエネルギー波の偏向は、例えば、評価される所望のパラメータの変化の検出を可能にするであろう。例として、大腿骨の遠位端に設置される第1のセンサは、椎骨の移動の際、脛骨の近位端に埋め込まれた第2のセンサからの骨密度を評価し得る。   The illustrated dual sensor configuration can assess bone integrity. For example, at the spinal joint, sensors 352 and 366 coupled to the first and second vertebrae assess bone density. External and internal energy waves delivered by sensor 352, sensor 366, or both according to the present invention may be used during fracture treatment and spinal fusion. With two deployed sensors, the distance between the sensors can be determined by the area of interest and the power field that can be generated. The energy field can be a standard energy source such as ultrasound, radio frequency, and / or electromagnetic field. The deflection of the energy wave over time will allow, for example, detection of changes in the desired parameter being evaluated. As an example, a first sensor placed at the distal end of the femur may assess bone density from a second sensor implanted at the proximal end of the tibia during vertebra movement.

2つ以上のセンサの1つの利点は、それらが、移動の結果として互いに対してより近くおよびより離れて移動することであり、これは、例えば、調査中のセンサの周波数特性および手技部位のインピーダンス特性により、エネルギー波の評価を向上させる動作である。また、センサ352および366の相対的な分離により、例えば、インピーダンスを整合させるために、送信されたエネルギー波の周波数、振幅、または位相の変更を本来必要とし得るセンサ調整を行わずに、異なる測定を取ることができる。この例では、骨の測定は、受信された超音波信号の処理に基づく。音速および超音波速度は両方とも、超音波が骨および軟組織を通していかに迅速に伝播するかに基づいて測定を提供する。これらの測定の特性により、迅速な三次元幾何学形状の生成が可能になり、この情報は、位置、向きおよび場所情報とともにシステム100によって処理され得る。センサは、関節腔にわたるため、インプラント機能の変化を検出することができる。インプラント機能の例は、いくつか挙げると、軸受摩耗(bearing wear)、沈降、骨の統合(bone integration)、通常のおよび異常な動き、熱、粘度の変化、粒状物質、運動力学を含む。   One advantage of two or more sensors is that they move closer and further with respect to each other as a result of movement, for example, the frequency characteristics of the sensor under investigation and the impedance of the procedure site This is an operation that improves the evaluation of energy waves depending on the characteristics. Also, the relative separation of sensors 352 and 366 can provide different measurements without sensor adjustments that may inherently require changes in the frequency, amplitude, or phase of the transmitted energy wave, eg, to match impedance. Can take. In this example, the bone measurement is based on the processing of the received ultrasound signal. Both the speed of sound and the ultrasonic velocity provide a measurement based on how quickly the ultrasonic wave propagates through bone and soft tissue. These measurement characteristics allow for rapid three-dimensional geometry generation, and this information can be processed by the system 100 along with position, orientation and location information. Since the sensor spans the joint space, it can detect changes in implant function. Examples of implant functions include bearing wear, settling, bone integration, normal and abnormal movement, heat, viscosity changes, particulate matter, kinematics, to name a few.

図7は、非限定的な例のセンサ化脊椎用機器400を示す。側面図および平面図が示される。脊椎用機器400は、ハンドル409、シャフト430、およびセンサ付きヘッド407を含む。ハンドル409は、シャフト430の近位端に結合され、センサ付きヘッド407は、シャフト430の遠位端に結合される。一実施形態において、ハンドル409、シャフト430、およびセンサ付きヘッド407は、剛性構造を形成し、この剛性構造は、脊椎領域を伸延させるかまたはそれを測定するのに使用されるときに曲がらない。脊椎用機器400は、センサ付きヘッド407における1つまたは複数のセンサに動作可能に結合される電子アセンブリ401を含む。センサは、センサ付きヘッド407の移動構成要素404/405における表面403/406に結合される。電子アセンブリ401は、シャフト407の近位端に向かってまたはハンドル409中に配置される。図示されるように、電子アセンブリ401は、シャフト409に結合される。電子アセンブリ401は、論理回路、加速度計、および通信回路を含む電子回路を含む。一実施形態において、センサ付きヘッド407の表面403および406は、凸形状を有し得る。表面403および406の凸形状は、脊椎領域内で、より具体的には、椎骨の輪郭の間で、センサ付きヘッド407の設置を支持する。一実施形態において、センサ付きヘッド407は、ハンドル409の旋回運動411に応じて、均一に伸延したり閉じたりするジャック402を介して、上部構成要素404および底部構成要素405によって高さ調節可能である。ジャック402は、センサ付きヘッド407の構成要素404および405の内面に結合される。シャフト430は、1つまたは複数の縦方向の通路を含む。電子アセンブリ401がセンサ付きヘッド407における1つまたは複数のセンサに動作可能に結合されるように、例えば、フレキシブルワイヤインターコネクト(flexible wire interconnect)などのインターコネクトが、シャフト430の1つの縦方向の通路を通って結合し得る。同様に、ねじ棒が、ハンドル409をジャック404に結合するために、シャフト430の第2の通路を介して結合することができ、それによって、ハンドル409の回転によって、センサ付きヘッド407の高さ調節が可能になる。   FIG. 7 shows a non-limiting example sensorized spinal instrument 400. A side view and a plan view are shown. The spinal instrument 400 includes a handle 409, a shaft 430, and a sensored head 407. Handle 409 is coupled to the proximal end of shaft 430 and sensored head 407 is coupled to the distal end of shaft 430. In one embodiment, handle 409, shaft 430, and sensored head 407 form a rigid structure that does not bend when used to distract or measure the spinal region. The spinal instrument 400 includes an electronic assembly 401 that is operatively coupled to one or more sensors in the sensored head 407. The sensor is coupled to the surface 403/406 in the moving component 404/405 of the sensored head 407. The electronic assembly 401 is disposed toward the proximal end of the shaft 407 or in the handle 409. As shown, the electronic assembly 401 is coupled to the shaft 409. The electronic assembly 401 includes electronic circuits including logic circuits, accelerometers, and communication circuits. In one embodiment, the surfaces 403 and 406 of the sensored head 407 may have a convex shape. The convex shape of the surfaces 403 and 406 supports the placement of the sensored head 407 within the spinal region, and more specifically between the vertebral contours. In one embodiment, sensored head 407 is height adjustable by top component 404 and bottom component 405 via jack 402 that extends and closes uniformly in response to pivoting motion 411 of handle 409. is there. Jack 402 is coupled to the inner surface of components 404 and 405 of sensored head 407. The shaft 430 includes one or more longitudinal passages. For example, an interconnect, such as a flexible wire interconnect, passes through one longitudinal passage of the shaft 430 so that the electronic assembly 401 is operatively coupled to one or more sensors in the sensored head 407. Can be joined through. Similarly, a threaded rod can be coupled through the second passage of the shaft 430 to couple the handle 409 to the jack 404 so that rotation of the handle 409 causes the height of the sensored head 407 to be increased. Adjustment is possible.

脊椎用機器400は、埋め込まれた加速度計によって、向きを決定することもできる。センサ付きヘッド407は、圧力、張力、せん断力、荷重、トルク、骨密度、および/または荷重重量(bearing weight)を含む、手技部位(例えば、椎間腔)のパラメータを決定する能力を含む多機能を支持する。一実施形態において、2つ以上の荷重センサは、センサ付きヘッド407内に含まれ得る。2つ以上の荷重センサは、表面403および406の所定の場所に結合され得る。2つ以上の荷重センサを有することで、センサ付きヘッド407が、荷重の大きさおよび表面403および406に加えられた荷重の位置を測定することができる。センサ付きヘッド407を用いて、椎骨構成要素を設置する前に、脊椎関節を測定し、調整し、試験することができる。以下で分かるように、位置合わせシステム100は、椎間板荷重の検知の際の脊椎機器400の最適な挿入角度および位置を評価し、挿入機器を用いるときに、これらの条件を再現する。   The spinal instrument 400 can also determine orientation with an embedded accelerometer. Sensored head 407 includes multiple capabilities including the ability to determine parameters of the procedure site (eg, intervertebral space), including pressure, tension, shear force, load, torque, bone density, and / or bearing weight. Support the function. In one embodiment, two or more load sensors can be included in the sensored head 407. Two or more load sensors can be coupled in place on the surfaces 403 and 406. Having two or more load sensors allows the sensored head 407 to measure the magnitude of the load and the position of the load applied to the surfaces 403 and 406. Sensored head 407 can be used to measure, adjust, and test the spinal joint prior to installing the vertebral component. As will be seen below, the alignment system 100 evaluates the optimal insertion angle and position of the spinal instrument 400 upon detection of the intervertebral disc load and reproduces these conditions when using the insertion instrument.

本発明において、これらのパラメータは、i)センサを支持する封入構造および接触面およびii)電源、検知要素、1つまたは複数の超音波共振器または1つまたは複数の超音波トランスデューサおよび1つまたは複数の超音波導波路、1つまたは複数の付勢ばねまたは他の形態の弾性部材、加速度計、アンテナおよび測定データを処理するだけでなく、エネルギーの変換、伝播、および検出ならびに無線通信の全ての操作を制御する電子回路を統合する電子集合体(electronic assemblage)を含む統合された無線センサ付きヘッド407またはデバイスを用いて測定され得る。センサ付きヘッド407または機器400は、対象とするパラメータをリアルタイムで検知し、通信するために、機器、電気器具(appliance)、車両(vehicle)、装備、または他の物理的システムを含むがこれらに限定されない様々な物理的システムならびに動物およびヒトの身体の上またはその中に位置決めされるか、またはそれらと係合されるか、あるいはそれらにまたはそれらの中に結合または固定され得る。   In the present invention, these parameters are: i) the encapsulating structure and the contact surface supporting the sensor and ii) the power source, the sensing element, one or more ultrasonic resonators or one or more ultrasonic transducers and one or Multiple ultrasonic waveguides, one or more biasing springs or other forms of elastic members, accelerometers, antennas and processing measurement data as well as energy conversion, propagation and detection and all of wireless communication It can be measured using an integrated wireless sensored head 407 or device that includes an electronic assembly that integrates the electronic circuitry that controls the operation of the device. Sensored head 407 or device 400 includes, but is not limited to, a device, appliance, vehicle, equipment, or other physical system to detect and communicate parameters of interest in real time. Various physical systems, including but not limited to, can be positioned on or engaged with, or coupled to or secured to, the animal and human body.

脊椎用機器400を使用する例が、脊椎ケージの図中にある。脊椎ケージは、椎間板の置換の際に椎骨の間隔を空けるのに使用される。脊椎ケージは、典型的に中空であり、固定のためのねじを有して形成され得る。可動域にわたって荷重の十分な支持および分布を得るために、2つ以上のケージが椎骨の間に設置されることが多い。一実施形態において、脊椎ケージは、軽量および強度のためにチタンで作製される。骨成長を開始させ、促進するために、ケージに骨成長材料を入れることもでき、それによって、椎間領域を長期間さらに強化する。脊椎用機器400は、荷重および荷重の位置を測定するために、椎骨の間の間隙に挿入される。荷重の位置は、センサ付きヘッド407の表面403または406に荷重を加える椎骨領域または表面に対応する。脊椎用機器400のセンサ付きヘッド407の挿入の角度および位置も測定することができる。荷重の大きさおよび荷重の位置の測定は、椎骨の間の埋め込み場所および埋め込み場所に対する脊椎ケージの最適なサイズを決定するために、外科医によって使用される。最適なサイズは、脊椎によって荷重をかけられるときに所定の荷重範囲内に入るケージ高さであろう。典型的に、対象の椎骨を伸延させ、対象の椎骨によって加えられる力を測定するのに使用されるセンサ付きヘッド407の高さは、後の工程で埋め込まれるケージ高さに等しい。センサ付きヘッド407を椎骨から取り外した後、脊椎ケージは、同じ領域に埋め込まれ得る。埋め込まれた脊椎ケージに対する荷重は、脊椎用機器400によって形成され、センサヘッド407によって加えられる測定値にほぼ等しい。一実施形態において、挿入試験測定の角度および位置は、脊椎用機器400またはそれに結合されたリモートシステムによって記録される。その後、角度および位置の測定は、測定プロセス中に、脊椎用機器400と同一の経路において、脊椎の同じ領域中に脊椎ケージを導くのに使用される。   An example of using spinal instrument 400 is in the spinal cage illustration. The spinal cage is used to space vertebrae during disc replacement. The spinal cage is typically hollow and can be formed with screws for fixation. Two or more cages are often placed between the vertebrae to obtain sufficient support and distribution of the load over the range of motion. In one embodiment, the spinal cage is made of titanium for light weight and strength. Bone growth material can also be placed in the cage to initiate and promote bone growth, thereby further strengthening the intervertebral region over time. The spinal instrument 400 is inserted into the gap between the vertebrae to measure the load and the position of the load. The position of the load corresponds to the vertebral region or surface that applies the load to the surface 403 or 406 of the sensored head 407. The angle and position of insertion of sensored head 407 of spinal instrument 400 can also be measured. Measurement of the magnitude of the load and the position of the load is used by the surgeon to determine the optimal location for the implant location between the vertebrae and the spinal cage for the implant location. The optimal size would be a cage height that falls within a predetermined load range when loaded by the spine. Typically, the height of the sensored head 407 used to distract the subject's vertebra and measure the force applied by the subject's vertebra is equal to the cage height implanted in a later step. After removing the sensored head 407 from the vertebra, the spinal cage can be implanted in the same area. The load on the implanted spinal cage is approximately equal to the measurement created by the spinal instrument 400 and applied by the sensor head 407. In one embodiment, the angle and position of the insertion test measurement is recorded by the spinal instrument 400 or a remote system coupled thereto. The angle and position measurements are then used to guide the spinal cage into the same region of the spine in the same path as the spinal instrument 400 during the measurement process.

図8は、非限定的な例の集積化されたセンサ化脊椎用機器410を示す。特に、電子アセンブリ401は、集積化機器410の内部にある。電子アセンブリ401は、無線再充電操作を開始させるために、充電ユニットに近接して設置され得る外部無線エネルギー源414を含む。無線エネルギー源414は、電源、変調回路、およびデータ入力を含み得る。電源は、電池、充電デバイス、キャパシタ、電力接続、または電力を脊椎用機器410に伝達し得る無線電力信号を生成するための他のエネルギー源であり得る。外部無線エネルギー源414は、以下に限定はされないが、電磁誘導、あるいは他の電磁放射または超音波放射の形態のエネルギーを伝達することができる。少なくとも1つの例示的実施形態において、無線エネルギー源は、ごく近接して設置される場合、検知デバイスにおける誘導コイルと電磁的に結合し、作動する(例えば、電源がオンになる)コイルを含む。   FIG. 8 illustrates a non-limiting example integrated sensored spinal instrument 410. In particular, the electronic assembly 401 is inside the integrated device 410. The electronic assembly 401 includes an external wireless energy source 414 that can be placed in proximity to the charging unit to initiate a wireless recharge operation. The wireless energy source 414 may include a power source, a modulation circuit, and a data input. The power source can be a battery, charging device, capacitor, power connection, or other energy source for generating a wireless power signal that can transfer power to spinal instrument 410. The external wireless energy source 414 can transmit energy in the form of, but not limited to, electromagnetic induction, or other electromagnetic or ultrasonic radiation. In at least one exemplary embodiment, the wireless energy source includes a coil that, when placed in close proximity, electromagnetically couples and operates (eg, is powered on) with an induction coil in the sensing device.

電子アセンブリ401は、椎骨構成要素における様々なポイントで、パラメータのレベルおよび分布の視覚化を可能にするために、データ通信回路を介して、測定されたパラメータデータを受信機に送信する。データ入力はまた、有線または無線接続(例えば、USB、IEEE802.16など)を介したコンピュータなどの別のデータソースからの入力情報を受信するためのインターフェースまたはポートであり得る。変調回路は、入力情報を、電源によって生成される電力信号に変調することができる。センサ付きヘッド407は、典型的に、低摩擦ポリマー材料で作製される摩耗表面を有する。理想的に、センサ付きヘッド407は、椎骨の間に挿入されるとき、天然の脊椎と同様の、適切な荷重、位置合わせ、および平衡を有する。   The electronic assembly 401 transmits measured parameter data to the receiver via a data communication circuit to allow visualization of parameter levels and distribution at various points in the vertebral component. The data input can also be an interface or port for receiving input information from another data source such as a computer via a wired or wireless connection (eg, USB, IEEE 802.16, etc.). The modulation circuit can modulate the input information into a power signal generated by the power source. Sensored head 407 typically has a wear surface made of a low friction polymer material. Ideally, the sensored head 407, when inserted between vertebrae, has the proper load, alignment, and balance, similar to a natural spine.

図9は、非限定的な例の椎骨構成要素を備えた挿入機器420を示す。本明細書に記載される電子アセンブリ401は、同様に、挿入機器420の向きおよび位置データの生成を支持する。位置合わせシステム100によって、ユーザは、椎骨構成要素の適切なまたは予め計画された設置を実現するために、挿入角度、位置および軌道(経路)を再現することができる。あるいは、電子アセンブリ401における加速度計は、場所および軌道情報を提供することができる。挿入機器420は、ハンドル432、ネック434、および先端451を含む。着脱機構455は、先端451を制御するために、ネック434の近位端に結合する。着脱機構455により、外科医が、先端451に結合された椎骨構成要素を保持または解放することができる。この例では、ハンドル432は、ネック434の近位端に近接してある角度で延在する。ハンドル432の位置決めにより、外科医は、着脱機構455へのアクセスを可能にしながら、先端451を脊椎領域中に正確に向けることができる。   FIG. 9 shows an insertion device 420 with a non-limiting example vertebral component. The electronic assembly 401 described herein similarly supports the generation of orientation and position data for the insertion device 420. The alignment system 100 allows a user to reproduce the insertion angle, position, and trajectory (path) to achieve proper or pre-planned placement of vertebral components. Alternatively, an accelerometer in electronic assembly 401 can provide location and trajectory information. The insertion device 420 includes a handle 432, a neck 434, and a tip 451. An attachment / detachment mechanism 455 couples to the proximal end of the neck 434 to control the tip 451. The detachment mechanism 455 allows the surgeon to hold or release the vertebral component coupled to the tip 451. In this example, the handle 432 extends at an angle proximate the proximal end of the neck 434. Positioning the handle 432 allows the surgeon to accurately point the tip 451 into the spinal region while allowing access to the detachment mechanism 455.

第1の例では、椎骨構成要素は、脊椎ケージ475である。脊椎ケージ475は、手術中に脊椎の椎骨の間に挿入され得る穿孔された壁を備えた、通常、チタンで作製される小さい中空の円筒状デバイスである。一般に、伸延プロセスにより、脊椎ケージ475の挿入前に所定の距離まで椎骨に間隔が空けられる。脊椎ケージ475は、患者の快適性を向上させるための解決策として、安定性を高め、椎骨の圧縮を減少させ、神経障害を軽減することができる。脊椎ケージ475は、ケージをセルフタッピング式(self−tapping)にして、さらなる安定性を提供する表面ねじ山(surface thread)を含み得る。脊椎ケージ475は、ケージ475を通して、椎体の間の骨成長を支持する骨移植片材料を含むために多孔質であり得る。不快感を軽減するために、2つ以上の脊椎ケージが、椎骨の間に設置され得る。脊椎ケージ475の適切な設置および位置決めは、良好な長期の移植および患者の転帰のために重要である。   In the first example, the vertebral component is a spinal cage 475. The spinal cage 475 is a small hollow cylindrical device, usually made of titanium, with a perforated wall that can be inserted between the vertebrae of the spine during surgery. Generally, the distraction process spaces the vertebrae to a predetermined distance before insertion of the spinal cage 475. The spinal cage 475 can increase stability, reduce vertebral compression, and reduce neuropathy as a solution to improve patient comfort. The spinal cage 475 can include surface threads that make the cage self-tapping and provide additional stability. The spinal cage 475 can be porous to include bone graft material that supports bone growth between the vertebral bodies through the cage 475. To alleviate discomfort, more than one spinal cage can be placed between the vertebrae. Proper placement and positioning of the spinal cage 475 is important for good long-term implantation and patient outcome.

第2の例では、椎骨構成要素は、椎弓根ねじ478である。椎弓根ねじ478は、椎弓根に埋め込むために設計された特定のタイプの骨ねじである。他の構造(例えば椎弓板、椎弓)に結合する、椎骨当たり2つの椎弓根がある。多軸の椎弓根ねじが、腐食に耐え、構成要素の強度を高めるために、チタンで作製され得る。椎弓根ねじの長さは、30mm〜60mmの範囲である。直径は、5.0mm〜8.5mmの範囲である。椎弓根ねじは、寸法の例として使用されるこれらの寸法に限定されない。椎弓根ねじ478は、変形を矯正し、および/または外傷を治療するために、棒およびプレートを脊椎に固定するために、機器を使用した手技(instrumentation procedure)に使用され得る。椎弓根ねじ478を用いて、骨構造を一緒に保持することによって癒合を助けるために脊椎の部分を固定することができる。(内部にまたは外部に統合され得る)電子アセンブリ401によって、挿入機器420は、ねじの設置のための深さおよび角度を決定し、ねじをその中に導くことができる。この例では、1つまたは複数の加速度計が、挿入プロセス中に、先端451の向き、回転、角度、または位置情報を提供するのに使用される。   In the second example, the vertebral component is a pedicle screw 478. Pedicle screw 478 is a specific type of bone screw designed for implantation in the pedicle. There are two pedicles per vertebra that connect to other structures (eg, lamina, vertebral arch). Multi-axis pedicle screws can be made of titanium to resist corrosion and increase component strength. The length of the pedicle screw ranges from 30 mm to 60 mm. The diameter is in the range of 5.0 mm to 8.5 mm. Pedicle screws are not limited to these dimensions used as example dimensions. The pedicle screw 478 can be used in an instrumentation procedure to fix rods and plates to the spine to correct deformation and / or treat trauma. Pedicle screws 478 can be used to secure portions of the spine to aid in healing by holding the bone structure together. The electronic assembly 401 (which can be integrated internally or externally) allows the insertion instrument 420 to determine the depth and angle for installation of the screw and guide the screw therein. In this example, one or more accelerometers are used to provide orientation, rotation, angle, or position information for tip 451 during the insertion process.

一構成において、ねじ478は、センサとともに埋め込まれる。センサは、エネルギーを伝達し、密度の読み取りを取得し、経時的な密度の変化を監視することができる。一例として、システム100は、したがって、骨折部位の治癒を監視し、報告することができる。センサは、骨折部位における運動ならびにねじと骨との間の運動の変化を検出することができる。このような情報は、治癒を監視する際に役立ち、医療提供者に、示される椎骨重量荷重を監視する能力を与える。センサはまた、治癒に役立つように骨折自体にエネルギー波を送るように外部から作動され得る。   In one configuration, the screw 478 is embedded with the sensor. The sensor can transmit energy, take a density reading, and monitor the change in density over time. As an example, the system 100 can therefore monitor and report the healing of the fracture site. The sensor can detect movement at the fracture site as well as changes in movement between the screw and the bone. Such information is useful in monitoring healing and gives the health care provider the ability to monitor the indicated vertebral weight load. The sensor can also be actuated externally to send an energy wave to the fracture itself to aid in healing.

図10は、非限定的な例の椎骨パラメータを検知するための、脊椎の椎骨の間に位置決めされる脊椎用機器400の斜視図を示す。一般に、センサ付きヘッド407が脊椎領域に挿入されるとき、圧縮力が、表面403および406に加えられる。一実施形態において、センサ付きヘッド407は、その間の椎間の力に関連する表面403、表面406、またはその両方に対する荷重の大きさベクトルを特定する2つ以上の荷重センサを含む。図示される例では、圧縮力が表面403および406に加えられるように、脊椎用機器400は、椎骨(L5)と仙骨(S)との間に位置決めされる。内視鏡的アプローチは、視覚化したり、または良好な曝露を提供したりするのが難しいため、機器400を挿入するための1つのアプローチは、腹壁吊り上げ法(minilaparotomy)によって後方(背面)から行われる。別のアプローチは、外科医が腹部を通して脊椎に到達するのを可能にするように前方(前面)から行われる。この方法では、背中に位置する脊椎の筋肉は、損傷も切断もされず、筋力低下および瘢痕が回避される。脊椎用機器400は、前方または後方からの脊椎アプローチのいずれかで使用され得る。   FIG. 10 shows a perspective view of a spinal instrument 400 positioned between vertebrae of the spine for sensing non-limiting example vertebral parameters. In general, a compressive force is applied to surfaces 403 and 406 when sensored head 407 is inserted into the spinal region. In one embodiment, the sensored head 407 includes two or more load sensors that identify a magnitude vector of load on the surface 403, the surface 406, or both associated with the intervertebral force therebetween. In the illustrated example, spinal instrument 400 is positioned between vertebra (L5) and sacrum (S) such that a compressive force is applied to surfaces 403 and 406. Because the endoscopic approach is difficult to visualize or provide good exposure, one approach for inserting the device 400 is performed from the back (back) by abdominal wall lifting. Is called. Another approach is taken from the front (front side) to allow the surgeon to reach the spine through the abdomen. In this way, the spinal muscles located on the back are not damaged or severed, and muscle weakness and scarring are avoided. The spinal instrument 400 can be used with either an anterior or posterior spinal approach.

脊椎機器400のセンサ化構成要素の態様が、2010年6月29日に出願された「System and Method for Orthopedic Load Sensing Insert Device」という発明の名称の米国特許出願第12/825,638号明細書、および2010年6月29に出願された「Wireless Sensing Module for Sensing a Parameter of the Muscular−Skeletal System」という発明の名称の米国特許出願第12/825,724号明細書に開示されており、これらの内容全体が、参照により本明細書に援用される。簡潔に述べると、センサ付きヘッド407は、対応する場所およびトルク(例えば、Tx、Ty、およびTz)および椎骨の端部荷重とともに力(Fx、Fy、およびFz)を測定することができる。電子回路401(図示せず)は、センサ付きヘッド407におけるセンサの操作および測定を制御する。電子回路401は、近距離データ送信用の通信回路をさらに含む。次に、電子回路401は、測定データを、リモートシステムに送信して、外科医が、最適な関節の平衡を得るのに必要な調整を特定するのを助けるために、リアルタイムの視覚化を提供することができる。   A sensory component aspect of spinal instrument 400 is described in US patent application Ser. No. 12 / 825,638, filed Jun. 29, 2010, entitled “System and Method for Orthopedic Load Sensing Insert Device”. And US patent application Ser. No. 12 / 825,724 filed Jun. 29, 2010, entitled “Wireless Sensing Module for Sensing a Parameter of the Muscular-Skeletal System”. Is incorporated herein by reference in its entirety. Briefly, the sensored head 407 can measure forces (Fx, Fy, and Fz) along with corresponding locations and torques (eg, Tx, Ty, and Tz) and vertebral end loads. An electronic circuit 401 (not shown) controls sensor operation and measurement in the sensor-equipped head 407. The electronic circuit 401 further includes a communication circuit for near field data transmission. The electronic circuit 401 then sends measurement data to the remote system to provide real-time visualization to help the surgeon identify the adjustments necessary to obtain optimal joint balance. be able to.

筋肉組織中に構成要素を設置する方法が、以下に開示される。本方法の工程は、任意の順序で実施され得る。椎骨の間のケージの設置の例を用いて、本方法を示すが、本方法は、膝、臀部、足首、脊椎、肩、手、腕、および足などの他の筋肉・骨格領域に適用可能である。第1の工程では、所定の幅のセンサ付きヘッドは、筋肉・骨格系の領域に設置される。この例では、挿入領域は、脊椎の椎骨の間である。センサ付きヘッドを椎骨の間に挿入するのに十分な力を与えるためにハンドルの端部を軽く打つのにハンマーが使用され得る。挿入プロセスにより、椎骨を伸延させ、それによって、分離距離を増加させることもできる。第2の工程では、センサ付きヘッドに加えられる荷重の位置が測定される。それによって、センサ付きヘッドの表面に対する荷重の大きさおよび荷重の位置が得られる。筋肉・骨格系によって加えられる荷重がセンサ付きヘッドの表面上でいかに位置決めされたかは、挿入された後の構成要素の安定性を判定するのに役立ち得る。センサ付きヘッドに加えられる不規則な荷重により、加えられる力が構成要素を挿入位置から押しのける状況が予測され得る。一般に、センサ付きヘッドは、定量的データに基づいて、構成要素の挿入に好適な場所を特定するのに使用される。第3の工程では、センサ付きヘッドからの荷重および荷重の位置のデータが、リモートシステムにリアルタイムで表示される。同様に、第4の工程では、向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも1つが、リモートシステムにリアルタイムで表示される。センサ付きヘッドの位置決めの際になされる変化が、リモートシステムディスプレイ上のデータに反映される。第5の工程では、適切な荷重および位置を有する椎骨の間の場所が特定され、対応する定量的測定データがメモリに保存される。   A method for placing components in muscle tissue is disclosed below. The steps of the method may be performed in any order. The method is illustrated using an example of cage placement between vertebrae, but the method can be applied to other muscle and skeletal regions such as knees, hips, ankles, spine, shoulders, hands, arms, and feet. It is. In the first step, the sensor-equipped head having a predetermined width is installed in a muscular / skeletal system region. In this example, the insertion region is between the vertebrae of the spine. A hammer can be used to tap the end of the handle to provide sufficient force to insert the sensored head between the vertebrae. The insertion process can also distract the vertebrae, thereby increasing the separation distance. In the second step, the position of the load applied to the sensor-equipped head is measured. Thereby, the magnitude of the load and the position of the load are obtained with respect to the surface of the sensor-equipped head. How the load applied by the musculoskeletal system is positioned on the surface of the sensored head can help determine the stability of the component after insertion. An irregular load applied to the sensored head can predict the situation where the applied force pushes the component away from the insertion position. In general, sensored heads are used to identify suitable locations for component insertion based on quantitative data. In the third step, the load from the sensor-equipped head and the load position data are displayed in real time on the remote system. Similarly, in the fourth step, at least one of orientation, rotation, angle, or position is displayed in real time on the remote system. Changes made during the positioning of the sensor head are reflected in the data on the remote system display. In the fifth step, a location between vertebrae with appropriate loads and positions is identified and the corresponding quantitative measurement data is stored in memory.

第6の工程では、センサ付きヘッドは取り外される。第7の工程では、構成要素は、筋肉・骨格系に挿入される。例として、保存された定量的測定データは、構成要素を筋肉・骨格系中で位置決めするのを支持するのに使用される。この例では、挿入機器は、構成要素を筋肉・骨格系中に向けるのに使用され得る。挿入機器は、構成要素が挿入される際に構成要素の向き、回転、角度、または位置を提供する能動デバイスである。センサ付きヘッドの挿入の予め測定された方向および場所は、挿入機器を導くのに使用され得る。一実施形態において、リモートシステムディスプレイは、予め挿入されたセンサ付きヘッドへの挿入機器および構成要素の相関的な位置合わせ(relational alignment)を表示するのに役立ち得る。挿入機器は、システムとともに、構成要素の設置を方向付けるのをさらに助けるように、視覚、音声、触覚または他のフィードバックを提供することができる。一般に、挿入される構成要素は、センサ付きヘッドとほぼ等しい高さを有する。理想的に、構成要素における荷重および荷重の位置が定量的測定と同様であるように、構成要素は、予め挿入されたセンサ付きヘッドに、同一の場所および位置で挿入される。第8の工程では、構成要素は、予め挿入されたセンサ付きヘッドに同一に位置決めされ、解放される。次に、挿入機器は、筋肉・骨格系から取り外され得る。第9の工程では、少なくともセンサ付きヘッドは廃棄される。   In the sixth step, the sensor-equipped head is removed. In the seventh step, the component is inserted into the muscular / skeletal system. As an example, the stored quantitative measurement data is used to support positioning the component in the musculoskeletal system. In this example, the insertion device can be used to direct the component into the musculoskeletal system. An insertion instrument is an active device that provides the orientation, rotation, angle, or position of a component as it is inserted. The pre-measured direction and location of insertion of the sensored head can be used to guide the insertion instrument. In one embodiment, the remote system display can serve to display the relative alignment of the insertion instrument and components to the pre-inserted sensored head. The insertion device, along with the system, can provide visual, audio, tactile or other feedback to further help direct the installation of the component. Generally, the inserted component has a height approximately equal to the sensored head. Ideally, the component is inserted into the pre-inserted sensor head at the same location and position so that the load and load position on the component is similar to the quantitative measurement. In the eighth step, the components are positioned and released identically to the pre-inserted sensor head. The insertion device can then be removed from the muscular / skeletal system. In the ninth step, at least the sensor-equipped head is discarded.

したがって、センサ付きヘッドは、構成要素の挿入に好適な場所を特定するのに使用される。挿入は、位置および場所を含む定量的測定によって支持される。さらに、構成要素におけるおよその荷重および荷重の位置は、手技が完了した後に分かる。一般に、筋肉・骨格系によって加えられる荷重および構成要素の表面における位置を知ることは、構成要素の長期の安定性を決定するのに役立ち得る。構成要素に加えられる荷重が不規則であると、加えられる力が構成要素を挿入位置から押しのけることになり得る。   Thus, the sensored head is used to identify a suitable location for component insertion. Insertion is supported by quantitative measurements including location and location. In addition, the approximate load and load location on the component is known after the procedure is complete. In general, knowing the load applied by the muscle-skeletal system and the position of the component on the surface can help determine the long-term stability of the component. If the load applied to the component is irregular, the applied force can push the component away from the insertion position.

図11は、非限定的な例の図10のセンサ化脊椎用機器の斜視図を示すグラフィカルユーザインターフェース(GUI)500を示す。ユーザインターフェース500は、リモートシステム105および位置合わせシステム100によって示される(図1を参照)。GUI500は、ウインドウ510および関連するウインドウ520を含む。ウインドウ520は、評価される椎骨522に関する脊椎機器400およびセンサヘッド407を示す。この例では、椎骨の斜視(平面)図が示される。この図は、例えば、脊椎機器400が切開部中へと前進する際の、脊椎機器400のアプローチ角および回転を示すシャフト角度523および回転成分524を示す。ウインドウ520および対応するGUI情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。それにより、外科医が、脊椎用機器400および検知されたパラメータの使用を視覚化することが可能になる。ウインドウ510は、センサ付きヘッド407の検知表面(403または406)を示す。照準線512が、力の最大点および場所を特定するためにセンサヘッド画像上に重ね合わされる。照準線512は、椎骨の端部荷重を示すために長くなることもある。ウインドウ513は、例えば、センサヘッド表面にわたって20ポンドの荷重力を報告する。この情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。   FIG. 11 shows a graphical user interface (GUI) 500 showing a perspective view of the sensorized spinal instrument of FIG. 10 in a non-limiting example. User interface 500 is illustrated by remote system 105 and alignment system 100 (see FIG. 1). The GUI 500 includes a window 510 and an associated window 520. Window 520 shows spinal instrument 400 and sensor head 407 with respect to vertebra 522 being evaluated. In this example, a perspective (planar) view of the vertebra is shown. This figure shows, for example, a shaft angle 523 and a rotational component 524 that indicate the approach angle and rotation of the spinal instrument 400 as it is advanced into the incision. The window 520 and corresponding GUI information is shown and updated in real time during the procedure. This allows the surgeon to visualize the use of spinal instrument 400 and sensed parameters. Window 510 shows the sensing surface (403 or 406) of sensored head 407. A line of sight 512 is overlaid on the sensor head image to identify the maximum point and location of the force. The line of sight 512 may be long to indicate the end load of the vertebra. Window 513 reports, for example, a 20 pound load force across the sensor head surface. This information is shown and updated in real time during the procedure.

上述したように、システム100は、パラメータ検知(例えば、椎骨の荷重、端部荷重、圧縮など)によって、装具(prosthesis)/機器/ハードウェアの埋め込みを助けるように手術中に使用され得る。受信機101、複数のワンド103、および脊椎用機器400などの構成要素は、使用時に、手術野内に留まる。リモートシステム105は、典型的に、手術野の外部にある。全ての測定は、これらの構成要素によって、手術野内で行われる。一実施形態において、受信機101、複数のワンド103、および脊椎用機器のうちの少なくとも1つが、手技が完了した後、廃棄される。一般に、それらは、単回の使用のために電力を供給されるように設計され、再度滅菌することができない。   As described above, the system 100 can be used during surgery to aid in the implantation of a prosthesis / device / hardware by parameter sensing (eg, vertebral load, end load, compression, etc.). Components such as the receiver 101, the plurality of wands 103, and the spinal instrument 400 remain in the surgical field during use. Remote system 105 is typically external to the surgical field. All measurements are made in the surgical field by these components. In one embodiment, at least one of the receiver 101, the plurality of wands 103, and the spinal instrument is discarded after the procedure is completed. In general, they are designed to be powered for a single use and cannot be sterilized again.

脊椎において、骨組織および軟組織要素に対する影響、ならびに脊椎矯正手術を含む手術の際の軟組織(例えば、軟骨、腱、靱帯)の変化が、システム100によって評価される。次に、センサは、経時的な変化および動的変化を評価し、視覚化するために手術中(および手術後)に使用される。センサは、外科的パラメータ読み取り値が保存されるとき、手術中に作動され得る。手術の直後に、センサは作動され、基準値が分かる。   In the spine, effects on bone tissue and soft tissue elements, and changes in soft tissue (eg, cartilage, tendon, ligament) during surgery, including spinal correction surgery, are evaluated by the system 100. The sensor is then used during surgery (and after surgery) to assess and visualize changes over time and dynamic changes. The sensor can be activated during surgery when surgical parameter readings are stored. Immediately after the operation, the sensor is activated and the reference value is known.

センサシステム100は、以下に限定はされないが、骨密度、流体粘度、温度、歪み、圧力、角状変形(angular deformity)、振動、荷重、トルク、距離、傾斜、形状、弾性、および運動に関する脊椎および結合組織の評価を可能にする。センサが椎骨腔に通されるため、センサは、椎骨構成要素の挿入の前に椎骨構成要素の機能の変化を予測することができる。上述したように、システム100は、脊椎機器400を椎間腔に設置するのに使用され、ここで、脊椎機器400は、椎体522に対して位置決めされて示される。それが設置され、椎骨の中心で視覚的に確認されると、システム100は、機器における端部荷重を報告し、それが、今度は、適切な椎骨デバイスおよび挿入計画(例えば、アプローチ角、回転、深さ、経路軌道)のサイズを決定するのに使用される。インプラント構成要素の機能の例は、いくつか挙げると、軸受摩耗(bearing wear)、沈降、骨の統合(bone integration)、通常のおよび異常な動き、熱、粘度の変化、粒状物質、運動力学を含む。   The sensor system 100 includes, but is not limited to, a spine with respect to bone density, fluid viscosity, temperature, strain, pressure, angular deformation, vibration, load, torque, distance, slope, shape, elasticity, and motion. And allow connective tissue assessment. Because the sensor is passed through the vertebral cavity, the sensor can predict changes in the function of the vertebral component prior to insertion of the vertebral component. As described above, system 100 is used to place spinal instrument 400 in an intervertebral space, where spinal instrument 400 is shown positioned relative to vertebral body 522. Once it is installed and visually confirmed at the center of the vertebra, the system 100 reports the end load on the instrument, which in turn is the appropriate vertebra device and insertion plan (eg, approach angle, rotation, etc.). , Depth, path trajectory) used to determine the size. Examples of implant component functions include bearing wear, settling, bone integration, normal and abnormal movement, heat, viscosity changes, particulate matter, kinematics, to name a few. Including.

図12は、非限定的な例の椎間の位置および力の検知のための、脊椎の椎骨の間に位置決めされるセンサ化脊椎用機器400を示す。図示されるように、脊椎用機器400のセンサ付きヘッド407は、椎骨L4とL5椎骨との間に設置される。脊椎用機器400は、センサ付きヘッド407の高さだけL4およびL5椎骨を伸延させ、荷重の大きさおよび荷重の位置についての定量的データを提供する。一実施形態において、脊椎用機器400は、その各側に隣接して位置決めされる第1のワンド510および第2のワンド520と通信する。長いシャフト514が、脊椎の椎骨内での設置を可能にするために各ワンドに設けられ、他のワンドおよび脊椎機器400の電子アセンブリ401とも適合する。ワンド510が、椎骨L4の向きおよび位置を追跡する一方、ワンド520は、椎骨L5の向きおよび位置を追跡する。これにより、システム100が、隣接する椎骨の移動に対する、脊椎機器400の向きおよび移動を追跡することができる。各ワンドは、脊椎用機器400と同様にセンサ化される。ワンド510およびワンド520はそれぞれ、センサ512およびセンサ513を含む。センサ512および513は、位置情報を送受信することができる。電子アセンブリ401は、ワンド510および520とともに、手技中に、脊椎用機器400の向きおよび位置を決定する二重の働きを果たす。超音波位置検知の一例が、2010年4月20日に出願された「Method and System for Positional Measurement」という発明の名称の米国特許出願第12/764,072号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。   FIG. 12 shows a sensorized spinal instrument 400 positioned between the vertebrae of the spine for non-limiting example intervertebral position and force sensing. As shown, sensored head 407 of spinal instrument 400 is placed between vertebra L4 and L5 vertebrae. The spinal instrument 400 distracts the L4 and L5 vertebrae by the height of the sensored head 407 and provides quantitative data about the magnitude and position of the load. In one embodiment, spinal instrument 400 communicates with first wand 510 and second wand 520 positioned adjacent to each side thereof. A long shaft 514 is provided on each wand to allow placement within the vertebrae of the spine and is compatible with other wands and the electronic assembly 401 of spinal instrument 400. Wand 510 tracks the orientation and position of vertebra L4, while wand 520 tracks the orientation and position of vertebra L5. This allows the system 100 to track the orientation and movement of the spinal instrument 400 relative to the movement of adjacent vertebrae. Each wand is sensored in the same manner as spinal instrument 400. Wand 510 and wand 520 include sensor 512 and sensor 513, respectively. Sensors 512 and 513 can transmit and receive position information. The electronic assembly 401, in conjunction with the wands 510 and 520, serves a dual function to determine the orientation and position of the spinal instrument 400 during the procedure. An example of ultrasonic position detection is disclosed in US patent application Ser. No. 12 / 764,072 entitled “Method and System for Positional Measurement” filed on April 20, 2010, The entire contents are hereby incorporated by reference.

図13は、非限定的な例の図12のセンサ化脊椎用機器を示すユーザインターフェース600の斜視図を示す。ユーザインターフェース600は、リモートシステム105および位置合わせシステム100によって示される(図1を参照)。GUI600は、第1のウインドウ610および関連する第2のウインドウ620を含む。第2のウインドウ620は、評価される椎骨構成要素622に関する脊椎用機器およびセンサ付きヘッド407を示す。この例では、脊柱の矢状面(側面)図が示される。この図は、脊椎用機器およびセンサ付きヘッド407のアプローチ角および回転を示すシャフト角度623および回転成分624を示す。第2のウインドウ620および対応するGUI情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。それにより、外科医が、脊椎用機器400のセンサ付きヘッド407および検知された荷重力パラメータを視覚化することが可能になる。第1のウインドウ610は、センサヘッドの検知表面を示す(図7を参照)。照準線612が、力の最大点および場所を特定するためにセンサ付きヘッド407の画像上に重ね合わされる。照準線612は、椎骨の端部荷重を示すために、幅および長さを調整することもできる。別のGUIウインドウ613が、センサ付きヘッド407の表面にわたる荷重力を報告する。GUI600は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。   13 shows a perspective view of a user interface 600 showing the sensorized spinal instrument of FIG. 12 in a non-limiting example. User interface 600 is shown by remote system 105 and alignment system 100 (see FIG. 1). The GUI 600 includes a first window 610 and an associated second window 620. The second window 620 shows the spinal instrument and sensored head 407 for the vertebral component 622 being evaluated. In this example, a sagittal (side) view of the spinal column is shown. This figure shows a shaft angle 623 and a rotational component 624 showing the approach angle and rotation of the spinal instrument and sensored head 407. The second window 620 and the corresponding GUI information are shown and updated in real time during the procedure. This allows the surgeon to visualize the sensored head 407 of the spinal instrument 400 and the sensed load force parameters. The first window 610 shows the sensing surface of the sensor head (see FIG. 7). A line of sight 612 is superimposed on the image of the sensored head 407 to identify the maximum point and location of the force. The line of sight 612 can also be adjusted in width and length to indicate the end load of the vertebra. Another GUI window 613 reports the load force across the surface of the sensored head 407. The GUI 600 is shown and updated in real time during the procedure.

図14は、非限定的な例の脊椎ケージ475の設置のためのセンサ化脊椎挿入機器420の斜視図を示す。挿入機器420は、椎骨構成要素475(例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ、センサ)を、図中のL4およびL5椎骨の間に埋め込むための外科的手段を提供する。ネック434の遠位端における機械的アセンブリの先端451は、着脱機構455による椎骨構成要素の着脱を可能にする。椎骨構成要素475は、図示されるように、例えば、後方経路腰椎椎体間固定術(posterior lumbar interbody fusion)(PLIF)によって、背中の正中切開を通して脊椎の背面に設置され得る。挿入機器420は、同様に、前方経路腰椎椎体間固定術(anterior lumbar interbody fusion)(ALIF)手技に使用され得る。   FIG. 14 shows a perspective view of a sensorized spinal insertion device 420 for placement of a non-limiting example spinal cage 475. The insertion instrument 420 provides a surgical means for implanting a vertebral component 475 (eg, spinal cage, pedicle screw, sensor) between the L4 and L5 vertebrae in the figure. The tip 451 of the mechanical assembly at the distal end of the neck 434 allows detachment of the vertebral component by the detachment mechanism 455. Vertebral component 475 can be placed on the back of the spine through a midline incision on the back, as shown, for example, by a posterior pathway lumbar interbody fusion (PLIF). The insertion device 420 can similarly be used in an anterior pathway lumbar interbody fusion (ALIF) procedure.

本明細書において想定される一方法において、挿入前のケージの位置は、図12および13に示される脊椎用機器400とともにワンド510および520を用いて説明されるように、例えば、3D画像化または超音波ナビゲーションによって最適に画定される。荷重センサ407(図12を参照)は、最適な挿入経路および軌道がそこで画定されるときの上記の荷重力を評価するために、椎骨の間に位置決めされる。機器挿入の荷重力および経路が記録される。その後、図14に示されるように、挿入機器420は、記録された経路にしたがっておよび荷重力に基づいて、最終的な脊椎ケージ475を挿入する。挿入中、図15に示されるGUIは、脊椎用機器420を、記録された挿入箇所にナビゲートする。脊椎用挿入機器420には、最終的な脊椎ケージへのプレースホルダ(placeholder)として働く1つまたは複数の荷重センサが装備され得る。椎骨の間への脊椎ケージ475の設置、挿入機器420からの脊椎ケージの解放、および挿入機器420の取り外しの後、脊椎ケージの周りを占める空間が、隣接する椎骨における棒および椎弓根ねじによって閉鎖される。これにより、周囲の椎骨が脊椎ケージに押し付けられ、椎骨の癒合に安定性が与えられる。この手技の間、図15のGUI700は、棒の調整および椎弓根ねじの締め付けによる、脊椎の解剖学的構造の変化、例えば、脊柱前弯症(Lordosis)および脊柱後弯症(Kyphosis)を報告する。特に、GUI700は、どの量および方向が、棒およびねじに対する機器を使用した調節によって計画された脊椎位置合わせを達成するかを示す視覚的フィードバックも提供する。   In one method envisaged herein, the position of the cage prior to insertion is, for example, 3D imaging or as described using wands 510 and 520 with spinal instrument 400 shown in FIGS. It is optimally defined by ultrasonic navigation. A load sensor 407 (see FIG. 12) is positioned between the vertebrae to evaluate the load force described above when the optimal insertion path and trajectory are defined there. The loading force and path of instrument insertion is recorded. Thereafter, as shown in FIG. 14, the insertion device 420 inserts the final spinal cage 475 according to the recorded path and based on the loading force. During insertion, the GUI shown in FIG. 15 navigates the spinal instrument 420 to the recorded insertion location. The spinal insertion device 420 may be equipped with one or more load sensors that serve as placeholders to the final spinal cage. After placement of the spinal cage 475 between the vertebrae, release of the spinal cage from the insertion device 420, and removal of the insertion device 420, the space that occupies the spinal cage is removed by the bars and pedicle screws in the adjacent vertebrae. Closed. This forces the surrounding vertebrae against the spinal cage and provides stability to vertebral fusion. During this procedure, the GUI 700 of FIG. 15 reports changes in the anatomy of the spine due to rod adjustment and pedicle screw tightening, such as Lordosis and Kyphosis. . In particular, the GUI 700 also provides visual feedback indicating which amounts and directions achieve the planned spinal alignment by adjustment using the instrument for the bars and screws.

図15は、非限定的な例の図14のセンサ化脊椎挿入機器420の斜視図を示すユーザインターフェース700を示す。ユーザインターフェース700は、リモートシステム105および位置合わせシステム100によって示される(図1を参照)。GUI700は、第1のウインドウ710および関連する第2のウインドウ720を含む。第2のウインドウ720は、評価されるL4およびL5椎骨に関する挿入機器420および椎骨構成要素475を示す。この例では、脊柱の矢状面(側面)図が示される。この図は、挿入機器420および椎骨構成要素475のアプローチ角および回転を示すシャフト角度723および回転成分724を示す。第2のウインドウ720および対応するGUI情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。これにより、外科医が、予め検知された荷重力パラメータにしたがって、挿入機器420の椎骨構成要素475を視覚化することができる。   FIG. 15 illustrates a user interface 700 showing a perspective view of the sensorized spinal insertion device 420 of FIG. 14 in a non-limiting example. User interface 700 is shown by remote system 105 and alignment system 100 (see FIG. 1). The GUI 700 includes a first window 710 and an associated second window 720. The second window 720 shows the insertion device 420 and vertebral component 475 for the L4 and L5 vertebrae to be evaluated. In this example, a sagittal (side) view of the spinal column is shown. This figure shows a shaft angle 723 and a rotation component 724 that show the approach angle and rotation of the insertion instrument 420 and vertebral component 475. The second window 720 and the corresponding GUI information are shown and updated in real time during the procedure. This allows the surgeon to visualize the vertebral component 475 of the insertion device 420 according to a pre-detected load force parameter.

第1のウインドウ710は、目標の(所望の)センサ付きヘッドの向き722および現在の機器のヘッドの向き767を示す。目標の向き722は、荷重パラメータを評価するために脊椎機器400を使用したときに予め決定されるアプローチ角、回転および軌道経路を示す。現在の機器のヘッドの向き767は、最終的なケージ475を挿入するのに現在使用される挿入機器420の追跡を示す。GUI700は、予め決定された手術計画の視覚化を提供するために、現在の機器のヘッドの向き767を考慮した目標の向きモデル722を示す。   The first window 710 shows the target (desired) sensored head orientation 722 and the current instrument head orientation 767. The target orientation 722 shows a predetermined approach angle, rotation and trajectory path when using the spinal instrument 400 to evaluate load parameters. The current instrument head orientation 767 shows the tracking of the insertion instrument 420 currently used to insert the final cage 475. The GUI 700 shows a target orientation model 722 that takes into account the current instrument head orientation 767 to provide a visualization of a predetermined surgical plan.

図10、11、12、および13は、脊椎機器400が、決定された検知パラメータ(例えば、荷重、力、縁部)を考慮して、最適な手技パラメータ(例えば、角度、回転、経路)を評価したことを示したことを想起されたい。これらの手技パラメータが決定されたら、システム100は、GUI700によって、外科医が、挿入機器420を用いて、椎骨構成要素475(例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ)を挿入するように導く。一構成において、システム100は、挿入手技中に挿入機器420を導くための触覚フィードバックを提供する。例えば、システム100は、現在のアプローチ角713が目標のアプローチ角から外れている場合、または向き767が目標の軌道経路722と一致していない場合、振動し、視覚的手掛かり(赤色/緑色の表示)を提供することができる。あるいは、音声フィードバックが、提供される視覚情報を補うためにシステム100によって提供され得る。GUI700は、以前の機器使用(instrumenting)に基づいて、視覚および触覚フィードバックによって、センサ化挿入機器420における位置および目標の経路を効果的に再現する。   10, 11, 12, and 13 show that the spinal instrument 400 determines the optimal procedure parameters (eg, angle, rotation, path), taking into account the determined sensing parameters (eg, load, force, edge). Recall that you have shown that you have evaluated. Once these procedure parameters are determined, the system 100 guides the surgeon using the GUI 700 to insert a vertebral component 475 (eg, spinal cage, pedicle screw) using the insertion instrument 420. In one configuration, the system 100 provides haptic feedback to guide the insertion device 420 during the insertion procedure. For example, if the current approach angle 713 deviates from the target approach angle, or the orientation 767 does not coincide with the target trajectory path 722, the system 100 will vibrate and display a visual cue (red / green indication). ) Can be provided. Alternatively, audio feedback can be provided by the system 100 to supplement the visual information provided. The GUI 700 effectively reproduces the position and target path in the sensored insertion instrument 420 with visual and haptic feedback based on previous instrumentation.

荷重、平衡、および位置は、位置合わせおよび荷重平衡システム100のセンサ化デバイス(例えば、101、103、400、420、475)からのデータを用いて、外科技術および調整によって、所定の定量的に測定された範囲内で、手術中に調整され得る。試験的および最終的なインサート(例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ、センサなど)のいずれも、測定データを表示のためにリモートシステムに提供するための検知モジュールを含み得る。最終的なインサートはまた、脊椎関節を長期間監視するのに使用され得る。データは、脊椎関節または癒合された椎骨が、リハビリテーション中および患者が活動的な普通の生活スタイルに戻ったときに適切に機能するのを確実にするために、患者および医療提供者によって使用され得る。逆に、患者または医療提供者は、測定されたパラメータが規格外であるときに通知され得る。これにより、患者への最小限のストレスで解決され得る脊椎の問題が早期に検出される。最終的なインサートからのデータは、埋め込まれた検知モジュールからのデータを用いて、リアルタイムで画面に表示され得る。一実施形態において、手持ち式デバイスが、最終的なインサートからデータを受信するのに使用される。手持ち式デバイスは、脊椎に近接して保持することができ、それによって、強力な信号がデータの受信のために得られる。   Load, balance, and position are determined quantitatively by surgical techniques and adjustments using data from the registration and load balancing system 100 sensorized devices (eg, 101, 103, 400, 420, 475). Within the measured range, it can be adjusted during surgery. Both the trial and final insert (eg, spinal cage, pedicle screw, sensor, etc.) may include a sensing module for providing measurement data to a remote system for display. The final insert can also be used for long term monitoring of the spinal joint. Data can be used by patients and health care providers to ensure that spinal joints or fused vertebrae function properly during rehabilitation and when the patient returns to an active normal lifestyle . Conversely, the patient or health care provider can be notified when the measured parameter is out of specification. This allows early detection of spinal problems that can be resolved with minimal stress on the patient. Data from the final insert can be displayed on the screen in real time using data from the embedded sensing module. In one embodiment, a handheld device is used to receive data from the final insert. The handheld device can be held in close proximity to the spine so that a strong signal is obtained for data reception.

脊椎領域を伸延させる方法が、以下に開示される。本方法の工程は、任意の順序で行われ得る。図10、図11、図12、図13、および図14が参照され得る。椎骨の間に脊椎ケージなどの装具構成要素を設置することの例が、本方法を示すのに使用されるが、本方法は、膝、臀部、足首、脊椎、肩、手、腕、および足などの他の筋肉・骨格領域に適用可能である。一般に、定量的測定データは、脊椎領域において収集される必要がある。本明細書に開示される脊椎用機器、位置合わせデバイス、および挿入機器は、定量的データのデータベースを生成するのに使用され得る。この時点で、能動器具および測定デバイスがないことにより、定量的測定データの不足がある。装具構成要素の設置の際に器具によって生成される測定データは、患者の健康に関連する場合、荷重、荷重の位置、および装具構成要素の位置合わせの影響を決定するために、他の短期および長期データと相関され得る。本明細書に開示されるシステムは、装具構成要素の設置中にデータを生成することができ、インプラントおよび脊椎領域の長期の定期的測定を提供するために適用可能である。したがって、伸延方法の結果は、回復時間を短縮し、失敗を最小限に抑え、性能、信頼性を向上させ、デバイスの耐用年数を延長する設置手順を支持する十分なデータを生成することである。   A method for distracting the spinal region is disclosed below. The steps of the method can be performed in any order. Reference may be made to FIGS. 10, 11, 12, 13, and 14. FIG. An example of placing a brace component, such as a spinal cage, between vertebrae is used to illustrate the method, which involves the knee, hip, ankle, spine, shoulder, hand, arm, and foot. It can be applied to other muscle / skeletal regions. In general, quantitative measurement data needs to be collected in the spinal region. The spinal instruments, alignment devices, and insertion instruments disclosed herein can be used to generate a database of quantitative data. At this point, there is a lack of quantitative measurement data due to the lack of active instruments and measurement devices. The measurement data generated by the instrument during installation of the brace component, if relevant to the patient's health, can be used to determine the impact of load, load position, and brace component alignment. Can be correlated with long-term data. The system disclosed herein can generate data during installation of the brace component and is applicable to provide long term periodic measurements of implants and spinal regions. Thus, the result of the distraction method is to generate sufficient data to support installation procedures that reduce recovery time, minimize failure, improve performance, reliability, and extend the useful life of the device. .

第1の工程では、脊椎用機器は、脊椎領域を伸延させるように挿入される。脊椎用機器は、手術中に、定量的測定データをリアルタイムで生成するためのセンサを含む。第2の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が測定される。脊椎用機器は、脊椎領域が第1の高さまで伸延されるような第1の高さを有する。システムは、視覚、音声、または触覚手段によって測定データを示す。一例において、システムは、脊椎用機器からの荷重測定が所定の荷重範囲外にあることを開示する。脊椎領域を評価するためにシステムによって使用される所定の荷重範囲は、臨床研究によって決定され得る。例えば、所定の荷重範囲は、荷重測定データを外科手術の結果と関連付けることによって、デバイスの設置を支持し得る。一般に、所定の荷重範囲外の測定が、デバイスの故障の可能性を統計的に増加させ得る。第3の工程では、脊椎領域は、第2の高さまで伸延される。第4の工程では、第2の高さにおける脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が測定される。システムは、脊椎用機器からの荷重測定が所定の荷重範囲内にあることを示す。測定された荷重を所定の荷重範囲内にすることで、装具構成要素に対する過度の荷重による故障が減少される。一般に、測定された荷重が所定の荷重範囲内にあることを脊椎用機器測定が示すまで、このプロセスは、異なる伸延高さで必要に応じて何回でも繰り返され得る。   In the first step, the spinal instrument is inserted to distract the spinal region. The spinal instrument includes sensors for generating quantitative measurement data in real time during surgery. In the second step, the load applied to the spinal instrument by the spinal region is measured. The spinal instrument has a first height such that the spinal region is distracted to a first height. The system shows the measurement data by visual, audio or tactile means. In one example, the system discloses that a load measurement from a spinal instrument is outside a predetermined load range. The predetermined load range used by the system to assess the spinal region can be determined by clinical studies. For example, the predetermined load range may support the placement of the device by associating load measurement data with surgical results. In general, measurements outside of a predetermined load range can statistically increase the likelihood of device failure. In the third step, the spinal region is distracted to a second height. In the fourth step, the load applied to the spinal instrument by the spinal region at the second height is measured. The system indicates that the load measurement from the spinal instrument is within a predetermined load range. By bringing the measured load within a predetermined load range, failure due to excessive load on the brace component is reduced. In general, this process can be repeated as many times as necessary at different distraction heights until spinal instrument measurements indicate that the measured load is within a predetermined load range.

第5の工程では、脊椎用機器の向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも1つが測定される。一実施形態において、測定は、脊椎領域に挿入される脊椎用機器の部分に対応し得る。例えば、位置データは、脊椎用機器のセンサ付きヘッドに関連し得る。データは、脊椎用機器によって測定されるのと同様の位置および同じ軌道で装具構成要素を設置するのに使用され得る。第6の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重は、リモートシステムにおいて監視され得る。この例では、リモートシステムは、手技中に、データをリアルタイムで見ることを可能にするディスプレイを含む。第7の工程では、脊椎用機器の高さが調整され得る。開示されるように、脊椎用機器は、伸延表面の高さを減少または増加させるためのはさみ型の機構(scissor type mechanism)を含み得る。一実施形態において、脊椎用機器のハンドルは、伸延高さを変化させるために回転される。リモートシステムにおいて荷重データをリアルタイムで監視しながら、調整が行われ得る。一般に、高さは、測定された荷重が所定の荷重範囲内になるまで調整される。第8の工程では、調整された高さが装具構成要素の高さに相当するように、高さは、増加または減少される。一実施形態において、同じ伸延高さを有する装具構成要素が、脊椎領域における荷重測定の場所に設置され得る。装具構成要素は、軌道に位置合わせされ、脊椎用機器と同じ場所に設置されるとき、荷重測定と同様の荷重がかけられる。   In the fifth step, at least one of the orientation, rotation, angle, or position of the spinal instrument is measured. In one embodiment, the measurement may correspond to the portion of the spinal instrument that is inserted into the spinal region. For example, the position data may relate to a sensored head of a spinal instrument. The data can be used to place the brace component in the same position and in the same trajectory as measured by the spinal instrument. In the sixth step, the load applied to the spinal instrument by the spinal region can be monitored in the remote system. In this example, the remote system includes a display that allows data to be viewed in real time during the procedure. In the seventh step, the height of the spinal instrument can be adjusted. As disclosed, the spinal instrument may include a scissor type mechanism for reducing or increasing the height of the distraction surface. In one embodiment, the spinal instrument handle is rotated to change the distraction height. Adjustments can be made while monitoring load data in real time in a remote system. In general, the height is adjusted until the measured load falls within a predetermined load range. In the eighth step, the height is increased or decreased so that the adjusted height corresponds to the height of the brace component. In one embodiment, orthotic components having the same distraction height can be placed at the location of load measurement in the spinal region. When the brace component is aligned with the track and installed in the same location as the spinal instrument, it is subjected to a load similar to the load measurement.

第9の工程では、脊椎用機器は、加えられる荷重の位置を測定する。脊椎用機器は、脊椎領域に結合される表面を有し得る。この例では、2つ以上のセンサが、荷重測定の位置を支持するために、脊椎用機器の表面に結合される。荷重の位置は、力、圧力、または荷重が、脊椎領域に設置されたときの装具構成要素にいかに加えられ得るかについての定量的測定データを提供する。例えば、荷重の位置が不適切であると、装具構成要素がその場所で不安定になり、最終的に脊椎領域から外されて、破局的故障を招く状況が生じ得る。一実施形態において、脊椎用機器からの荷重データの位置が、装具構成要素の設置のための位置を評価するのに使用され得る。定量的データは、荷重の位置を評価するために、脊椎用機器の測定表面に対応する所定の範囲または領域を含み得る。第10の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重の位置が所定の位置範囲外にあるとき、脊椎用機器は、脊椎領域における異なる場所に移動される。新たな場所が、装具構成要素のための部位として荷重の大きさおよび荷重の位置の定量的データによって評価され得る。   In the ninth step, the spinal instrument measures the position of the applied load. The spinal instrument can have a surface coupled to the spinal region. In this example, two or more sensors are coupled to the surface of the spinal instrument to support load measurement locations. The position of the load provides quantitative measurement data on how force, pressure, or load can be applied to the brace component when placed in the spinal region. For example, an improperly positioned load may cause a situation where the brace component becomes unstable at that location and eventually is removed from the spinal region, resulting in a catastrophic failure. In one embodiment, the position of the load data from the spinal instrument can be used to evaluate the position for placement of the brace component. The quantitative data can include a predetermined range or region corresponding to the measurement surface of the spinal instrument to assess the position of the load. In a tenth step, the spinal instrument is moved to a different location in the spinal region when the position of the load applied to the spinal instrument by the spinal region is outside the predetermined position range. The new location can be evaluated by quantitative data of load magnitude and load location as a site for the brace component.

第11の工程では、測定された定量的データが所定の荷重範囲および所定の位置範囲内にあるとき、装具構成要素のための脊椎領域における適切な場所が特定される。上述したように、装具構成要素を、所定の荷重範囲および所定の位置範囲内で測定される脊椎領域の領域に設置すると、プラスの結果が生じ、臨床的証拠に基づいて失敗率が低下される。第12の工程では、装具構成要素は、脊椎用機器によって測定される場所に設置される。この場所に設置される装具構成要素は、脊椎用機器によって測定されるものと同様の、脊椎領域によって加えられる荷重の大きさおよび荷重の位置を有するであろう。装具構成要素は、脊椎用機器と同様の軌道を有する脊椎領域に挿入される。この例では、測定プロセス中の脊椎用機器の軌道および位置が記録される。第13の工程では、装具構成要素の挿入プロセスは、装具構成要素の軌道を、脊椎用機器の軌道と比較することによって、さらに支持され得る。一実施形態において、外科医には、その場所への装具構成要素の位置合わせに役立つ視覚、触覚、または音声フィードバックが与えられ得る。第14の工程では、装具構成要素および脊椎用機器の軌道が、リモートシステムにおいて見られる。リモートシステムは、脊椎領域における場所を特定するとき、脊椎用機器の位置および軌道に対する装具構成要素の実際のまたはシミュレートされた位置および軌道を示し得る。一実施形態において、外科医は、視覚化によって装具構成要素を保持するデバイスまたは挿入機器による軌道を模擬し、または脊椎用機器の場所にリモートシステムに表示されるデータを重ね合わせることができる。本明細書に開示されるように、脊椎用機器は、伸延表面の高さを変化させ得るシザージャッキなどの機構を有し得る。シザージャッキを上下させるための棒が、脊椎用機器のハンドルに結合する。第15の工程では、脊椎用機器のハンドルは、伸延高さを変化させるために回転され得る。第16の工程では、視覚、音声、または触覚信号は、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が所定の荷重範囲内であるときに提供される。同様に、第17の工程では、視覚、音声、または触覚信号は、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が所定の位置範囲内であるときに提供される。   In an eleventh step, an appropriate location in the spinal region for the brace component is identified when the measured quantitative data is within a predetermined load range and a predetermined position range. As mentioned above, placing orthotic components in the area of the spinal region measured within a given load range and a given position range produces positive results and reduces failure rates based on clinical evidence . In the twelfth step, the brace component is placed at a location that is measured by the spinal instrument. Prosthetic components installed at this location will have a load magnitude and load location applied by the spinal region similar to that measured by spinal instruments. The brace component is inserted into a spinal region having a trajectory similar to a spinal instrument. In this example, the trajectory and position of the spinal instrument during the measurement process is recorded. In a thirteenth step, the brace component insertion process may be further supported by comparing the trajectory of the brace component with the trajectory of the spinal instrument. In one embodiment, the surgeon may be given visual, tactile, or audio feedback that helps align the brace component to its location. In the fourteenth step, the trajectory of the brace component and spinal instrument is seen in the remote system. When the remote system identifies a location in the spinal region, it may indicate the actual or simulated position and trajectory of the brace component relative to the position and trajectory of the spinal instrument. In one embodiment, the surgeon can simulate the trajectory by the device or insertion instrument holding the brace component by visualization, or overlay the data displayed on the remote system at the location of the spinal instrument. As disclosed herein, spinal instruments may have a mechanism such as a scissor jack that can change the height of the distraction surface. A bar for raising and lowering the scissor jack is coupled to the handle of the spinal instrument. In a fifteenth step, the spinal instrument handle may be rotated to change the distraction height. In the sixteenth step, a visual, audio or haptic signal is provided when the load applied to the spinal instrument by the spinal region is within a predetermined load range. Similarly, in the seventeenth step, a visual, audio or haptic signal is provided when the load applied to the spinal instrument by the spinal region is within a predetermined position range.

図16は、実施形態例に係る脊椎用機器400の構成要素のブロック図である。脊椎用機器400が、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含み得ることに留意されたい。脊椎用機器400は、筋肉・骨格系のパラメータを測定し得る内蔵型の器具である。この例では、脊椎用機器400は、脊椎領域に挿入されるとき、荷重および荷重の位置を測定する。脊椎用機器400の能動構成要素は、1つまたは複数のセンサ1602、荷重板1606、電源1608、電子回路1610、送受信機1612、および加速度計1614を含む。非限定的な例では、加えられる圧縮力は、脊椎領域によってセンサ1602に加えられ、脊椎用機器400によって測定される。   FIG. 16 is a block diagram of components of a spinal instrument 400 according to an example embodiment. Note that spinal instrument 400 may include more or fewer components than shown. The spinal instrument 400 is a built-in instrument that can measure muscular / skeletal parameters. In this example, spinal instrument 400 measures the load and load location when inserted into the spinal region. The active components of spinal instrument 400 include one or more sensors 1602, load plate 1606, power supply 1608, electronic circuit 1610, transceiver 1612, and accelerometer 1614. In a non-limiting example, the applied compressive force is applied to sensor 1602 by the spinal region and measured by spinal instrument 400.

センサ1602は、脊椎用機器400の表面403および406に位置決めされるか、係合されるか、取り付けられるか、または固定され得る。一般に、圧縮力は、脊椎領域中に挿入されるとき、表面403および406に脊椎領域によって加えられる。圧縮力が各センサに加えられるように、表面403および406はセンサ1602に結合する。一実施形態において、表面403および406に加えられる荷重の位置が測定され得る。この例では、3つの荷重センサが、加えられる荷重の位置を特定するためにセンサ付きヘッドに使用される。各荷重センサは、荷重板1606における所定の位置に結合される。荷重板1606は、脊椎用機器400のセンサ付きヘッドに加えられる圧縮力を各センサに分配するために、表面403に結合する。荷重板1606は、剛性であり得、力、圧力、または荷重をセンサ1606に分配するときに曲がらない。各センサによって測定される力または荷重の大きさは、表面403に加えられる荷重の場所に戻って相関され得る。   Sensor 1602 may be positioned, engaged, attached, or fixed to surfaces 403 and 406 of spinal instrument 400. In general, compressive forces are applied by the spinal region to surfaces 403 and 406 when inserted into the spinal region. Surfaces 403 and 406 couple to sensor 1602 so that a compressive force is applied to each sensor. In one embodiment, the position of the load applied to the surfaces 403 and 406 can be measured. In this example, three load sensors are used in the sensored head to identify the position of the applied load. Each load sensor is coupled to a predetermined position on the load plate 1606. The load plate 1606 couples to the surface 403 to distribute the compressive force applied to the sensored head of the spinal instrument 400 to each sensor. The load plate 1606 may be rigid and will not bend when distributing force, pressure, or load to the sensor 1606. The force or load magnitude measured by each sensor can be correlated back to the location of the load applied to the surface 403.

椎間測定の例では、表面403および406を有するセンサ付きヘッドは、脊椎の椎骨の間に位置決めされ得る。センサ付きヘッドの表面403は、第1の椎骨表面に結合し、同様に、表面406は、第2の椎骨表面に結合する。加速度計1614または外部位置合わせシステムは、センサ付きヘッドが脊椎領域中に向けられる際、センサ付きヘッドの位置および向きを測定するのに使用され得る。センサ1602は、電子回路1610に結合する。電子回路1610は、論理回路、入力/出力回路、クロック回路、D/A、およびA/D回路を含む。一実施形態において、電子回路1610は、形状因子(form factor)を減少させ、電力を低下させ、性能を向上させる特定用途向け集積回路を含む。一般に、電子回路1610は、測定プロセスを制御し、測定信号を受信し、測定信号をデジタル形式に変換し、インターフェースにディスプレイを支持し、測定データのためのデータ転送を開始させる。電子回路1610は、対象とするパラメータ、例えば、表面403および406に作用する力のレベル、分布および方向を決定するために、センサ1602の物理的変化を測定する。挿入検知デバイス400は、内部電源1608によって電力を供給され得る。したがって、筋肉・骨格系のパラメータを測定するのに必要な全ての構成要素は、脊椎用機器400に存在する。   In the example of intervertebral measurement, a sensored head having surfaces 403 and 406 may be positioned between the vertebrae of the spine. The surface 403 of the sensored head is coupled to the first vertebra surface, and similarly, the surface 406 is coupled to the second vertebra surface. An accelerometer 1614 or external alignment system can be used to measure the position and orientation of the sensored head as it is directed into the spinal region. Sensor 1602 is coupled to electronic circuit 1610. The electronic circuit 1610 includes a logic circuit, an input / output circuit, a clock circuit, a D / A, and an A / D circuit. In one embodiment, the electronic circuit 1610 includes an application specific integrated circuit that reduces form factor, reduces power, and improves performance. In general, the electronic circuit 1610 controls the measurement process, receives the measurement signal, converts the measurement signal to digital format, supports the display at the interface, and initiates data transfer for the measurement data. The electronic circuit 1610 measures physical changes in the sensor 1602 to determine parameters of interest, for example, the level, distribution and direction of forces acting on the surfaces 403 and 406. The insertion detection device 400 can be powered by an internal power source 1608. Accordingly, all the components necessary to measure muscular / skeletal parameters are present in spinal instrument 400.

一例として、センサ1602は、第1のトランスデューサと第2のトランスデューサとの間に、弾性または圧縮性伝播構造を含み得る。トランスデューサは、超音波(ultrasound)(または超音波(ultrasonic))共振器であり得、弾性または圧縮性伝播構造は、超音波導波路であり得る。電子回路1610は、圧縮性伝播構造の長さの変化(または圧縮または伸長)を、力などの対象とするパラメータに変換するために、トランスデューサに電気的に結合される。システムは、加えられる力に応答して圧縮性伝播構造(例えば、導波路)の長さの変化を測定し、この変化を電気信号に変換し、この電気信号は、送受信機1612を介して送信されて、加えられる力のレベルおよび方向が伝達され得る。例えば、圧縮性伝播構造は、導波路の長さに対する、加えられる力の既知の再現可能な特性を有する。既知の特性を用いて、超音波信号を用いた導波路の長さの正確な測定が、力に変換され得る。   As an example, sensor 1602 may include an elastic or compressible propagation structure between the first transducer and the second transducer. The transducer can be an ultrasonic (or ultrasonic) resonator and the elastic or compressible propagation structure can be an ultrasonic waveguide. The electronic circuit 1610 is electrically coupled to the transducer to convert the change in length (or compression or extension) of the compressible propagation structure into a parameter of interest such as force. The system measures the change in length of the compressible propagation structure (eg, waveguide) in response to the applied force and converts this change into an electrical signal that is transmitted via the transceiver 1612. The level and direction of the applied force can then be communicated. For example, a compressible propagation structure has a known and reproducible characteristic of the applied force with respect to the length of the waveguide. Using known properties, an accurate measurement of the length of the waveguide using ultrasound signals can be converted into a force.

センサ1602は、力、圧力、または荷重の検知の導波路測定に限定されない。さらに他の構成において、センサ1602は、筋肉・骨格系のパラメータを測定するための、ピエゾ抵抗型センサ、圧縮性ポリマーセンサ、容量センサ、光センサ、memsセンサ、歪みゲージセンサ、化学センサ、温度センサ、pHセンサ、およびメカニカルセンサを含み得る。代替的な実施形態において、ピエゾ抵抗型薄膜センサが、荷重を検知するために使用され得る。ピエゾ抵抗型フィルムは、低プロファイルを有するため、実装に必要な形状因子が減少される。ピエゾ抵抗型フィルムは、加えられた圧力によって抵抗を変化させる。電圧または電流が、抵抗の変化を監視するために、ピエゾ抵抗型フィルムに加えられ得る。電子回路1610は、電圧または電流を印加するために結合され得る。同様に、電子回路1610は、ピエゾ抵抗型フィルムの抵抗に対応する電圧および電流を測定するために結合され得る。加えられる力、圧力、または荷重に対するピエゾ抵抗型フィルムの抵抗の関係は既知である。電子回路1610は、測定された電圧または電流を、センサ付きヘッドに加えられる力、圧力、または荷重に変換することができる。さらに、電子回路1610は、リアルタイムでの使用のための表示または転送のためまたは保存するために、測定をデジタル形式に変換することができる。電子回路1610は、シリアルおよび並列データ転送を可能にする変換器、入力、出力、および入力/出力を含むことができ、それによって、データの測定および伝達が、同時に行われ得る。一実施形態において、ASICが、ユーザによって指示される脊椎用機器400の制御機能および測定プロセスを管理するためにデジタル制御論理を組み込む電子回路1610に含まれる。   Sensor 1602 is not limited to waveguide measurements of force, pressure, or load sensing. In yet another configuration, the sensor 1602 is a piezoresistive sensor, a compressible polymer sensor, a capacitive sensor, a light sensor, a mems sensor, a strain gauge sensor, a chemical sensor, and a temperature sensor for measuring muscle / skeletal parameters. , PH sensors, and mechanical sensors. In an alternative embodiment, a piezoresistive thin film sensor can be used to sense the load. Piezoresistive films have a low profile, which reduces the form factor required for mounting. A piezoresistive film changes its resistance by the applied pressure. A voltage or current can be applied to the piezoresistive film to monitor the change in resistance. Electronic circuit 1610 may be coupled to apply a voltage or current. Similarly, electronic circuit 1610 can be coupled to measure voltage and current corresponding to the resistance of the piezoresistive film. The relationship of piezoresistive film resistance to applied force, pressure, or load is known. The electronic circuit 1610 can convert the measured voltage or current into force, pressure, or load applied to the sensored head. In addition, the electronic circuit 1610 can convert the measurement to a digital format for display or transfer for real-time use or for storage. The electronic circuit 1610 can include converters, inputs, outputs, and inputs / outputs that allow serial and parallel data transfer so that measurement and transmission of data can occur simultaneously. In one embodiment, the ASIC is included in an electronic circuit 1610 that incorporates digital control logic to manage the control functions and measurement process of the spinal instrument 400 as directed by the user.

加速度計1614は、加速度および静的重力を測定することができる。加速度計1614は、ベクトル量としての加速度の大きさおよび方向を検出する一軸および多軸加速度計構造であり得る。加速度計1614はまた、向き、振動、影響および衝撃を検知するのに使用され得る。電子回路1610は、加速度計1614およびセンサ1602とともに、脊椎用機器400の向きに対する対象とするパラメータ(例えば、荷重、力、圧力、変位、移動、回転、トルク、場所、および加速度の分布)を測定することができる。このような構成において、選択された基準系に対する測定されたパラメータの空間分布が、計算され、リアルタイムでの表示のために示され得る。   The accelerometer 1614 can measure acceleration and static gravity. The accelerometer 1614 can be a uniaxial and multi-axis accelerometer structure that detects the magnitude and direction of acceleration as a vector quantity. The accelerometer 1614 can also be used to detect orientation, vibration, effects and shocks. The electronic circuit 1610, together with the accelerometer 1614 and the sensor 1602, measures parameters of interest for the orientation of the spinal instrument 400 (eg, load, force, pressure, displacement, movement, rotation, torque, location, and acceleration distribution). can do. In such a configuration, the spatial distribution of measured parameters for a selected reference system can be calculated and shown for real-time display.

送受信機1612は、無線操作およびテレメトリ機能を可能にするために送信機1622およびアンテナ1620を含む。様々な実施形態において、アンテナ1620は、集積化ループアンテナとしての設計によって構成され得る。集積化ループアンテナは、他の電気部品が取り付けられたプリント基板における様々な層および場所で構成される。例えば、電子回路1610、電源1608、送受信機1612、および加速度計1614は、脊椎用機器400上または脊椎用機器400中に位置する回路基板に取り付けられ得る。送受信機1612は、開始されてから、対象とするパラメータをリアルタイムで通信することができる。テレメトリデータは、様々な受信機を用いて、またはカスタム受信機(custom receiver)を用いて受信され、復号され得る。無線操作により、検知モジュールを、電源または関連するデータ収集、記憶、表示設備、およびデータ処理設備と結合する配線およびケーブルによる物理的干渉の可能性、またはそのような配線およびケーブルによって課される制限によって引き起こされる測定の歪み、またはそのような測定に対する制限をなくすことができる。   The transceiver 1612 includes a transmitter 1622 and an antenna 1620 to enable wireless operation and telemetry functions. In various embodiments, the antenna 1620 may be configured with a design as an integrated loop antenna. Integrated loop antennas are composed of various layers and locations on a printed circuit board to which other electrical components are attached. For example, the electronic circuit 1610, the power source 1608, the transceiver 1612, and the accelerometer 1614 can be attached to a circuit board located on or in the spinal instrument 400. The transceiver 1612 can communicate the target parameters in real time after being started. Telemetry data may be received and decoded using various receivers or using a custom receiver. The possibility of physical interference due to wiring and cables coupling the sensing module with the power supply or associated data collection, storage, display equipment, and data processing equipment by radio operation, or limitations imposed by such wiring and cables The measurement distortion caused by or the limitations on such a measurement can be eliminated.

送受信機1612は、電源1608から電力を受信し、例えば、電子回路1610または特定用途向け集積回路内に組み込まれる効率的な電力管理スキームによって、様々な無線周波数にわたって低い電力で動作することができる。一例として、送受信機1612は、アンテナ1620によって、所定の放出モードで、所定の周波数でデータを送信することができる。所定の周波数は、以下に限定はされないが、国際電気通信連合(International Telecommunication Union)のリージョン1、2および3で認識されるISMバンドを含み得る。所定の放出モードは、以下に限定はされないが、ガウス型周波数偏移変調(Gaussian Frequency Shift Keying)(GFSK)、振幅偏移変調(Amplitude Shift Keying)(ASK)、位相偏移変調(Phase Shift Keying)(PSK)、最小偏移変調(Minimum Shift Keying)(MSK)、周波数変調(Frequency Modulation)(FM)、振幅変調(Amplitude Modulation)(AM)、または他の形態の周波数または振幅変調(例えば、バイナリ、コヒーレント、直角位相など)であり得る。   The transceiver 1612 receives power from the power source 1608 and can operate at low power over various radio frequencies, for example, by an efficient power management scheme incorporated within the electronic circuit 1610 or application specific integrated circuit. As an example, the transceiver 1612 can transmit data at a predetermined frequency in a predetermined emission mode by the antenna 1620. The predetermined frequency may include, but is not limited to, the ISM bands recognized in the International Telecommunication Union Regions 1, 2, and 3. The predetermined emission mode is not limited to the following, but includes Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK), Amplitude Shift Keying (ASK), and Phase Shift Modulation (Phase Kifting). ) (PSK), Minimum Shift Keying (MSK), Frequency Modulation (FM), Amplitude Modulation (AM), or other forms of frequency or amplitude modulation (e.g., Binary, coherent, quadrature, etc.).

アンテナ1620は、無線周波数伝送を提供するために、検知モジュールの構成要素と統合され得る。アンテナ1620および電子回路1610は、取り付けられ、結合されて、プリント基板における配線トレース(wire trace)を用いて回路が形成される。アンテナ1620は、信号の効率的な伝達のための整合ネットワークをさらに含み得る。アンテナおよび電子機器のこのレベルの統合により、無線設備のサイズおよびコストの減少が可能になる。潜在的な用途としては、以下に限定はされないが、任意のタイプの近距離の可搬の、ウェアラブルな、または他の携帯用の通信設備が挙げられ、ここで、小型のアンテナが一般的に使用される。これは、使い捨てのモジュールまたはデバイスならびに再利用可能なモジュールまたはデバイスおよび長期使用のためのモジュールまたはデバイスを含む。   The antenna 1620 may be integrated with the sensing module components to provide radio frequency transmission. The antenna 1620 and the electronic circuit 1610 are attached and coupled to form a circuit using a wire trace on the printed circuit board. The antenna 1620 may further include a matching network for efficient transmission of signals. This level of integration of antenna and electronics allows for a reduction in the size and cost of the radio equipment. Potential applications include, but are not limited to, any type of short-range portable, wearable, or other portable communication equipment, where a small antenna is typically used. used. This includes disposable modules or devices as well as reusable modules or devices and modules or devices for long term use.

電源1608は、脊椎用機器400の電子部品に電力を提供する。一実施形態において、電源1608は、有線エネルギー伝達、近距離無線エネルギー伝達またはそれらの組合せによって充電され得る。無線エネルギーを電源1608に提供するための外部電源としては、以下に限定はされないが、1つまたは複数の電池、交流電流電源、無線周波数受信機、電磁誘導コイル、1つまたは複数の光電池、1つまたは複数の熱電対、または1つまたは複数の超音波トランスデューサが挙げられる。電源1608によって、脊椎用機器400は、内部エネルギーがなくなるまで1回の充電で操作され得る。脊椎用機器400は、連続操作を可能にするために定期的に再充電され得る。電源1608は、測定および無線操作を促進するために、脊椎用機器400の構成要素にエネルギーを効率的に供給および提供するための電力管理技術をさらに用い得る。電力管理回路が、ASIC電力消費ならびにシステムの他の構成要素の両方を管理するために、ASICに組み込まれ得る。   The power source 1608 provides power to the electronic components of the spinal instrument 400. In one embodiment, the power source 1608 can be charged by wired energy transfer, near field wireless energy transfer, or a combination thereof. External power sources for providing wireless energy to power source 1608 include, but are not limited to, one or more batteries, an alternating current power source, a radio frequency receiver, an electromagnetic induction coil, one or more photovoltaic cells, One or more thermocouples, or one or more ultrasonic transducers. With power supply 1608, spinal instrument 400 can be operated with a single charge until the internal energy is exhausted. The spinal instrument 400 can be periodically recharged to allow continuous operation. The power source 1608 may further employ power management techniques for efficiently supplying and providing energy to the components of the spinal instrument 400 to facilitate measurement and wireless operation. A power management circuit may be incorporated into the ASIC to manage both ASIC power consumption as well as other components of the system.

電源1608は、測定操作中に検知モジュールに電力を供給するのに必要なさらなるエネルギー放射源を最小限に抑える。一実施形態において、図示されるように、エネルギー貯蔵部1608は、容量エネルギー貯蔵デバイス1624および誘導コイル1626を含み得る。充電電力の外部の供給源は、誘導充電によって、1つまたは複数の電磁誘導コイル1626を介して容量エネルギー貯蔵デバイス1624に無線で結合され得る。充電操作は、電子回路1610へとまたは電子回路1610とともに設計される電力管理システムによって制御され得る。例えば、電子回路1610の操作中、電力が、効率的な昇圧(step−up)および降圧(step−down)電圧変換回路によって、容量エネルギー貯蔵デバイス1624から伝達され得る。これにより、所要のレベルの性能を支持するために、最小電圧レベルで回路ブロックの操作電力が節約される。あるいは、電源1608は、脊椎用機器400内に収容される1つまたは複数の電池を含み得る。電池は、使い捨ての脊椎用機器400に電力を供給することができ、そのため、デバイスは、手術で使用された後に廃棄される。   The power source 1608 minimizes the additional energy radiation sources needed to power the sensing module during the measurement operation. In one embodiment, as illustrated, the energy store 1608 may include a capacitive energy storage device 1624 and an induction coil 1626. An external source of charging power may be wirelessly coupled to capacitive energy storage device 1624 via one or more electromagnetic induction coils 1626 by inductive charging. The charging operation may be controlled by a power management system designed to or with electronic circuit 1610. For example, during operation of the electronic circuit 1610, power can be transferred from the capacitive energy storage device 1624 by efficient step-up and step-down voltage conversion circuits. This saves the operating power of the circuit block at a minimum voltage level in order to support the required level of performance. Alternatively, the power source 1608 can include one or more batteries housed within the spinal instrument 400. The battery can provide power to the disposable spinal instrument 400 so that the device is discarded after it has been used in surgery.

一形態において、外部電源は、再充電操作中に、ダウンリンクデータを送受信機1612に通信する働きをさらに果たし得る。例えば、ダウンリンク制御データは、無線エネルギー源信号に変調され、その後、電子回路1610によって誘導コイル1626から復調され得る。これは、アップリンクおよびダウンリンク操作の両方のために送受信機1612を構成する代わりに、ダウンリンクデータを受信するためのより効率的な方法として働き得る。一例として、ダウンリンクデータは、測定を行うとき、または再校正(recalibration)目的のために脊椎用機器400が使用する、外部位置情報などの更新された制御パラメータを含み得る。ダウンリンクデータはまた、シリアル番号または他の識別データをダウンロードするのに使用され得る。   In one form, the external power source may further serve to communicate downlink data to the transceiver 1612 during a recharge operation. For example, downlink control data can be modulated into a wireless energy source signal and then demodulated from induction coil 1626 by electronic circuit 1610. This can serve as a more efficient way to receive downlink data instead of configuring the transceiver 1612 for both uplink and downlink operations. As an example, the downlink data may include updated control parameters, such as external location information, that the spinal instrument 400 uses when making measurements or for recalibration purposes. Downlink data can also be used to download serial numbers or other identification data.

電子回路1610は、検知、電力管理、テレメトリ、および加速度検知などの、検知モジュールの構成要素の様々な操作を管理し、制御する。電子回路1610は、アナログ回路、デジタル回路、集積回路、個別部品、またはそれらの任意の組合せを含み得る。一構成において、電子回路1610は、集積回路および個別部品の中で区分されて、性能を損なわずに電力消費を最小限に抑え得る。デジタル回路とアナログ回路とを区分する機能は、設計の融通性を高め、機能性または性能を犠牲にせずに、最小の電力消費を促す。したがって、電子回路1610は、例えば、コア信号処理アルゴリズムに固有の、1つまたは複数の集積回路またはASICを含み得る。   The electronic circuit 1610 manages and controls various operations of the sensing module components, such as sensing, power management, telemetry, and acceleration sensing. Electronic circuit 1610 may include analog circuits, digital circuits, integrated circuits, discrete components, or any combination thereof. In one configuration, the electronic circuit 1610 can be partitioned among integrated circuits and discrete components to minimize power consumption without compromising performance. The ability to distinguish between digital and analog circuits increases design flexibility and promotes minimum power consumption without sacrificing functionality or performance. Thus, the electronic circuit 1610 may include, for example, one or more integrated circuits or ASICs specific to the core signal processing algorithm.

別の構成において、電子回路1610は、関連する記憶装置および論理を備えた、プログラマブルプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor)(DSP)、マイクロコントローラ、またはマイクロプロセッサなどのコントローラを含み得る。コントローラは、Flash、ROM、RAM、SRAM、DRAMまたは検知モジュールの上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置とともに計算技術を用い得る。一構成において、記憶装置は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか1つまたは複数を用いる1つまたは複数の命令集合(例えば、ソフトウェア)を保存し得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および/またはプロセッサ内に存在し得る。   In another configuration, the electronic circuit 1610 may include a controller, such as a programmable processor, a digital signal processor (DSP), a microcontroller, or a microprocessor with associated storage and logic. The controller may use computing techniques with associated storage devices such as Flash, ROM, RAM, SRAM, DRAM or other similar techniques for controlling the operation of the above components of the sensing module. In one configuration, the storage device may store one or more instruction sets (eg, software) that use any one or more of the methods or functions described herein. The instructions may also reside in other memory and / or processors completely or at least partially during execution of instructions by another processor or computer system.

電子機器集合体は、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの品質、精度、および信頼性を確実にする試験容易性および校正特徴も支持する。一時的な双方向結合が、電子機器の高いレベルの電気的可観測性(electrical observability)および可制御性を確実にするのに使用され得る。試験インターコネクトは、トランスデューサ、導波路、および機械ばねまたは弾性アセンブリを含む検知サブシステムの高いレベルの電気的可観測性も提供する。キャリア(carrier)またはフィクスチャ(fixture)は、製造処理中に、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの最終的なエンクロージャをエミュレートし、それによって、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの校正されたパラメータのための正確な校正データの捕捉を可能にする。これらの校正パラメータは、電子機器集合体に統合されたオンボードメモリ内に保存される。   The electronics assembly also supports testability and calibration features that ensure the quality, accuracy, and reliability of the completed wireless sensing module or device. Temporary bidirectional coupling can be used to ensure a high level of electrical observability and controllability of the electronics. The test interconnect also provides a high level of electrical observability of the sensing subsystem including transducers, waveguides, and mechanical springs or elastic assemblies. The carrier or fixture emulates the final enclosure of the finished wireless sensing module or device during the manufacturing process, thereby calibrating the calibrated parameters of the finished wireless sensing module or device. Allows accurate calibration data to be captured. These calibration parameters are stored in an on-board memory that is integrated into the electronics assembly.

センサ1602および電子回路1610を含む電子アセンブリの用途としては、以下に限定はされないが、使い捨てのモジュールまたはデバイスならびに利用可能なモジュールまたはデバイスおよび長期使用のための再モジュールまたはデバイスが挙げられる。非医療用途に加えて、広範囲の潜在的な医療用途の例としては、以下に限定はされないが、埋め込み型デバイス、埋め込み型デバイス内のモジュール、手術中インプラントまたは手術中インプラントもしくは試験インサート内のモジュール、挿入されたまたは取り込まれたデバイス内のモジュール、ウェアラブルデバイス内のモジュール、手持ち式デバイス内のモジュール、機器、電気器具、設備、あるいはこれらの全ての付属品内のモジュール、あるいはインプラント、試験インサート、挿入されたまたは取り込まれたデバイス、ウェアラブルデバイス、手持ち式デバイス、機器、電気器具、設備内の消耗品、あるいはこれらのデバイス、機器、電気器具、または設備の付属品が挙げられる。   Applications for electronic assemblies including sensor 1602 and electronic circuit 1610 include, but are not limited to, disposable modules or devices and available modules or devices and re-modules or devices for long-term use. In addition to non-medical applications, examples of a wide range of potential medical applications include, but are not limited to, implantable devices, modules within implantable devices, intraoperative implants, or modules within intraoperative implants or test inserts. A module in an inserted or captured device, a module in a wearable device, a module in a handheld device, a module in an instrument, appliance, equipment, or all of these accessories, or an implant, a test insert, Examples include inserted or incorporated devices, wearable devices, handheld devices, equipment, appliances, consumables in equipment, or accessories for these devices, equipment, appliances, or equipment.

図17は、例示的実施形態に係る、近距離テレメトリのための例示的な通信システム1700の略図である。図示されるように、通信システム1700は、脊椎用機器中の医療機器通信構成要素1710およびプロセッサに基づくリモートシステム中の受信システム通信を含む。一実施形態において、受信リモートシステム通信は、手技中に外科チームが見ることができるコンピュータまたはラップトップコンピュータ中にあるかまたはそれに結合される。リモートシステムは、手術室の滅菌野の外部にあることがあるが、測定された定量的データをリアルタイムで評価するために見える範囲内にある。医療機器通信構成要素1710は、以下に限定はされないが、アンテナ1712、整合ネットワーク1714、テレメトリ送受信機1716、CRC回路1718、データパケット化装置(data packetizer)1722、データ入力1724、電源1726、および特定用途向け集積回路(ASIC)1720を含むように動作可能に結合される。医療機器通信構成要素1710は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含み得るが、図示されるものまたは構成要素の順序に限定されない。   FIG. 17 is a diagram of an example communication system 1700 for near field telemetry, according to an example embodiment. As shown, the communication system 1700 includes a receiving system communication in a remote system based on a medical device communication component 1710 in a spinal instrument and a processor. In one embodiment, the receiving remote system communication is in or coupled to a computer or laptop computer that can be viewed by the surgical team during the procedure. The remote system may be outside the operating room sterilization field, but is within the range that is visible for real time evaluation of the measured quantitative data. The medical device communication component 1710 includes, but is not limited to, an antenna 1712, a matching network 1714, a telemetry transceiver 1716, a CRC circuit 1718, a data packetizer 1722, a data input 1724, a power supply 1726, and a specific Operatively coupled to include an application specific integrated circuit (ASIC) 1720. The medical device communication component 1710 may include more or fewer components than illustrated, but is not limited to what is illustrated or the order of the components.

受信ステーション通信構成要素1750は、アンテナ1752、整合ネットワーク1754、テレメトリ受信機1756、CRC回路1758、データパケット化装置1760、および任意に、USBインターフェース1762を含む。特に、他のインターフェースシステムは、センサデータを処理し、表示する(render)ために、データパケット化装置1760に直接結合され得る。   The receiving station communication component 1750 includes an antenna 1752, a matching network 1754, a telemetry receiver 1756, a CRC circuit 1758, a data packetizer 1760, and optionally a USB interface 1762. In particular, other interface systems can be directly coupled to the data packetizer 1760 to process and render sensor data.

図16を参照すると、電子回路1610は、脊椎用機器400の1つまたは複数のセンサ602に動作可能に結合される。一実施形態において、1つまたは複数のセンサ602によって生成されるデータは、筋肉・骨格系の測定されるパラメータに変換され得る、mems構造、ピエゾ抵抗型センサ、歪みゲージ、メカニカルセンサ、パルス持続波、または他のセンサタイプからの電圧、電流、周波数、またはカウント値を含み得る。図17に戻って参照すると、データパケット化装置1722は、センサデータを集めてパケットにし、これは、ASIC1720によって受信または処理されたセンサ情報を含む。ASIC1720は、医療機器通信構成要素1710のコア信号処理機能を効率的に実行するための特定のモジュールを含み得る。ASIC1720は、器具の形状因子を減少させるという利点をさらに提供する。   Referring to FIG. 16, the electronic circuit 1610 is operably coupled to one or more sensors 602 of the spinal instrument 400. In one embodiment, data generated by one or more sensors 602 can be converted into measured parameters of the musculoskeletal system, mems structures, piezoresistive sensors, strain gauges, mechanical sensors, pulsed continuous waves Or voltage, current, frequency, or count values from other sensor types. Referring back to FIG. 17, the data packetizer 1722 collects sensor data into packets that include sensor information received or processed by the ASIC 1720. The ASIC 1720 may include specific modules for efficiently performing the core signal processing functions of the medical device communication component 1710. The ASIC 1720 further provides the advantage of reducing the form factor of the instrument.

CRC回路1718は、パケットデータにおけるエラーコード検出を適用する。巡回冗長検査は、任意の長さのデータストリームまたはパケットのチェックサムを計算するアルゴリズムに基づくものである。これらのチェックサムを用いて、送信中のデータの干渉または不測の変化(accidental alteration)を検出することができる。巡回冗長検査は、電気的雑音によって引き起こされるエラーを検出するのに特に優れており、したがって、高いレベルの電磁活性を有する環境中で破損したデータの不適切な処理からの堅固な保護を可能にする。次に、テレメトリ送信機1716は、アンテナ1712によって、整合ネットワーク1714を介してCRC符号化データパケットを送信する。整合ネットワーク1714および1754は、最適な通信電力効率を得るためにインピーダンス整合を提供する。   The CRC circuit 1718 applies error code detection in the packet data. Cyclic redundancy check is based on an algorithm that calculates a checksum of a data stream or packet of any length. These checksums can be used to detect interference or accidental alteration of data being transmitted. Cyclic redundancy check is particularly good at detecting errors caused by electrical noise, thus allowing for robust protection from improper handling of corrupted data in environments with high levels of electromagnetic activity To do. Telemetry transmitter 1716 then transmits a CRC encoded data packet via matching network 1714 via antenna 1712. Matching networks 1714 and 1754 provide impedance matching for optimal communication power efficiency.

受信システム通信構成要素1750は、脊椎用機器通信構成要素1710によって送られる送信を受信する。一実施形態において、テレメトリ送信機1716は、規定の放出モードで規定の周波数でデータストリーム通信を受信するように制約された専用のテレメトリ受信機1756とともに操作される。受信ステーションアンテナ1752によるテレメトリ受信機1756は、規定の周波数で入ってくる送信を検出する。アンテナ1752は、構成要素1710の指向性アンテナに向けられる指向性アンテナであり得る。少なくとも1つの指向性アンテナを用いることで、データの破損を減少させることができる一方、データが放射パターンであるようにさらに制限することによってデータセキュリティを向上させる。整合ネットワーク1754は、アンテナ1752からテレメトリ受信機1756へと信号を効率的に伝達するインピーダンス整合を提供するために、アンテナ1752に結合する。テレメトリ受信機1756は、1つまたは複数の工程における搬送周波数を減少させ、構成要素1710によって送られる情報またはデータを取り除く(strip off)ことがある。テレメトリ受信機1756は、CRC回路1758に結合する。CRC回路1758は、データの個々のパケットの巡回冗長チェックサムを確認する。CRC回路1758は、データパケット化装置1760に結合される。データパケット化装置1760は、個々のパケットデータを処理する。一般に、CRC回路1758によって確認されるデータは、復号され(例えば、解凍され)、後の処理、表示、または保存またはこれらのいくつかの組合せのために、外部コンピュータなどの外部のデータ処理デバイスに転送される。   Receive system communication component 1750 receives transmissions sent by spinal instrument communication component 1710. In one embodiment, telemetry transmitter 1716 is operated with a dedicated telemetry receiver 1756 that is constrained to receive data stream communications at a specified frequency in a specified emission mode. A telemetry receiver 1756 by the receiving station antenna 1752 detects incoming transmissions at a specified frequency. The antenna 1752 may be a directional antenna that is directed to the directional antenna of the component 1710. Using at least one directional antenna can reduce data corruption while improving data security by further restricting the data to be in a radiation pattern. Matching network 1754 couples to antenna 1752 to provide impedance matching that efficiently transmits signals from antenna 1752 to telemetry receiver 1756. Telemetry receiver 1756 may reduce the carrier frequency in one or more steps and strip off information or data sent by component 1710. Telemetry receiver 1756 is coupled to CRC circuit 1758. CRC circuit 1758 verifies the cyclic redundancy checksum of individual packets of data. CRC circuit 1758 is coupled to data packetizer 1760. The data packetizer 1760 processes individual packet data. In general, data identified by CRC circuit 1758 is decoded (eg, decompressed) and sent to an external data processing device, such as an external computer, for later processing, display, or storage or some combination thereof. Transferred.

テレメトリ受信機1756は、以下に限定はされないが、パワードUSBポート1762、または電池から得られる電力などの非常に低い電力で操作するように設計され、構成される。別の実施形態において、テレメトリ受信機1756は、受信されたデータに関する不注意による破損または悪意のある改ざんの機会を制限するために、最小限の制御可能な機能とともに使用するように設計される。テレメトリ受信機1756は、一貫して高いレベルの品質および信頼性を確保しながら、小型で、安価で、標準的な製造プロセスで容易に製造されるように設計され、構成され得る。   Telemetry receiver 1756 is designed and configured to operate with very low power, such as, but not limited to, powered USB port 1762 or power obtained from a battery. In another embodiment, the telemetry receiver 1756 is designed for use with minimal controllable functions to limit the chance of inadvertent corruption or malicious tampering with the received data. Telemetry receiver 1756 can be designed and configured to be small, inexpensive, and easily manufactured in a standard manufacturing process while ensuring a consistently high level of quality and reliability.

一形態において、通信システム1700は、任意の形態の不正なまたは不測のクエリからの高いセキュリティおよび保護を提供するために、数メートル程度の通信範囲で送信専用の操作で動作する。送信範囲は、送信された信号の強度、アンテナの選択、またはその両方の組合せによって制御され得る。高い繰り返し率の送信が、データ捕捉操作中に、送信データパケットに組み込まれた巡回冗長検査(Cyclic Redundancy Check)(CRC)ビットとともに使用可能であり、それによって、動作するまたは静的な物理的システム内における荷重、力、圧力、変位、屈曲、姿勢、および位置の測定を含むがこれらに限定されない、データの表示またはデータの視覚表示の完全性に実質的に影響を与えずに、受信システムが破損されたデータを廃棄することが可能になる。   In one form, the communication system 1700 operates in a transmission-only operation with a communication range on the order of a few meters to provide high security and protection from any form of fraudulent or unexpected query. The transmission range may be controlled by transmitted signal strength, antenna selection, or a combination of both. High repetition rate transmission can be used with Cyclic Redundancy Check (CRC) bits embedded in transmitted data packets during data acquisition operations, thereby operating or static physical systems Including, but not limited to, measurements of loads, forces, pressures, displacements, flexures, postures, and positions within the receiving system without substantially affecting the integrity of the data display or data visual display. It becomes possible to discard damaged data.

動作範囲を、数メートル程度の距離に制限することによって、テレメトリ送信機1716は、データの送信の繰り返し率を損なわずに、適切な放出モードまたは所定の動作周波数のためのモードで非常に低い電力で操作され得る。この動作モードは、集積化ループアンテナなどの小型のアンテナによる動作も支持する。低電力および小型のアンテナの組合せは、以下に限定はされないが、広範囲の非医療および医療用途に使用され得る非常に小型のテレメトリ送信機の構築を可能にする。   By limiting the operating range to a distance on the order of a few meters, the telemetry transmitter 1716 allows very low power in a suitable emission mode or mode for a given operating frequency without compromising the data transmission repetition rate. Can be operated on. This mode of operation also supports operation with small antennas such as integrated loop antennas. The combination of low power and small antennas allows the construction of very small telemetry transmitters that can be used for a wide range of non-medical and medical applications, including but not limited to:

送信機のセキュリティならびに送信データの完全性は、所定の条件内でテレメトリシステムを操作することによって確保される。送信専用モードで操作されるため、送信機のセキュリティが損なわれることはなく、医療機器通信構成要素に侵入する経路が存在しない。データの完全性は、CRCアルゴリズムの使用および測定の繰り返し率によって確保される。データの不正な受信のリスクが、デバイスの制限された通信範囲によって最小限に抑えられる。データパケットの不正な受信が起こるべき場合でも、データアクセスをさらに抑制する所定の対抗手段がある。第1の手段は、送信データパケットが、CRCビットとともにカウンタからのバイナリビットのみを含むことである。第2の手段は、どの時点でも2進値通信の有意性を解釈するのにデータが利用できず、または必要とされないことである。実施され得る第3の手段は、患者またはデバイス識別データが、どの時点でも通信されないことである。   Transmitter security as well as transmitted data integrity is ensured by operating the telemetry system within predetermined conditions. Because it is operated in a transmit-only mode, the transmitter security is not compromised and there is no path to enter the medical device communication component. Data integrity is ensured by the use of CRC algorithms and measurement repetition rates. The risk of unauthorized reception of data is minimized by the limited communication range of the device. There are certain countermeasures that further inhibit data access even if unauthorized reception of data packets should occur. The first means is that the transmitted data packet contains only binary bits from the counter along with the CRC bits. The second measure is that no data is available or needed to interpret the significance of binary communication at any point in time. A third means that may be implemented is that patient or device identification data is not communicated at any time.

テレメトリ送信機1716はまた、いくつかのFCC規制に準拠して動作し得る。FCC規制のセクション18.301によれば、USA国内のISMバンドは、6.78、13.56、27.12、30.68、915、2450、および5800MHzならびに24.125、61.25、122.50、および245GHzを含む。世界的には、433MHzを含む他のISMバンドが、一部の地理的な場所で国際電気通信連合(International Telecommunications Union)によって規定されている。18.303で規定される禁止周波数帯域の一覧は、以下のとおりであり、以下の安全捜索救助周波数帯域(safety,search and rescue frequency band)が禁止されている。すなわち490〜510kHz、2170〜2194kHz、8354〜8374kHz、121.4〜121.6MHz、156.7〜156.9MHz、および242.8〜243.2MHzである。セクション18.305は、規定のISMバンドの範囲外で操作される場合にISM設備が超えてはならない電界強度および放出レベルを規定している。要約すれば、セクション18.305に規定される電界強度および放出レベルに対する制限が設計によってまたは能動制御によって維持される場合、ISMバンドの範囲内でならびに9KHzを超えるほとんどの他の周波数帯域内で、ISM設備が世界的に操作され得ることが結論付けられ得る。代案として、市販の集積回路ISM送受信機を含む市販のISM送受信機が、適切に使用される場合に、これらの電界強度および放出レベル要件を満たすように設計され得る。   Telemetry transmitter 1716 may also operate in accordance with some FCC regulations. According to section 18.301 of the FCC regulations, the USA domestic ISM bands are 6.78, 13.56, 27.12, 30.68, 915, 2450, and 5800 MHz and 24.125, 61.25, 122. .50, and 245 GHz. Globally, other ISM bands, including 433 MHz, are defined by the International Telecommunications Union in some geographic locations. The list of forbidden frequency bands defined in 18.303 is as follows, and the following safe search and rescue frequency bands (safety, search and rescue frequency bands) are prohibited. That is, 490 to 510 kHz, 2170 to 2194 kHz, 8354 to 8374 kHz, 121.4 to 121.6 MHz, 156.7 to 156.9 MHz, and 242.8 to 243.2 MHz. Section 18.305 specifies the field strengths and emission levels that an ISM facility must not exceed when operated outside the specified ISM band. In summary, if the limits on field strength and emission levels specified in section 18.305 are maintained by design or by active control, within the ISM band and in most other frequency bands above 9 KHz, It can be concluded that ISM equipment can be operated worldwide. Alternatively, commercial ISM transceivers, including commercial integrated circuit ISM transceivers, can be designed to meet these field strength and emission level requirements when used properly.

一形態において、テレメトリ送信機1716は、無許可のISMバンドでまたは低電力設備の無許可の操作で動作することもでき、ここで、ISM設備(例えば、テレメトリ送信機1716)は、FCCコードのセクション18.303に示される場合を除いて、9kHzを超えるANY周波数で操作され得る。   In one form, the telemetry transmitter 1716 can also operate in an unauthorized ISM band or in unauthorized operation of a low power facility, where the ISM facility (eg, telemetry transmitter 1716) is FCC coded. Except as indicated in section 18.303, it may be operated at ANY frequencies above 9 kHz.

無線操作により、無線検知モジュールまたはデバイスを、電源またはデータ収集、記憶、または表示設備と結合する配線およびケーブルによる物理的干渉の可能性、またはそのような配線およびケーブルによって課される制限によって引き起こされる測定の歪み、またはそのような測定に対する制限がなくなる。検知構成要素および電子回路のための電力は、内部エネルギー貯蔵デバイスにおける無線検知モジュールまたはデバイス内で維持される。このエネルギー貯蔵デバイスは、1つまたは複数の電池、超キャパシタ、キャパシタ、交流電流電源、無線周波数受信機、電磁誘導コイル、1つまたは複数の光電池、1つまたは複数の熱電対、または1つまたは複数の超音波トランスデューサを含むがこれらに限定されない外部電源を用いて充電される。無線検知モジュールは、内部エネルギー源がなくなるまで1回の充電で操作され得、またはエネルギー源は、連続操作を可能にするために定期的に再充電され得る。電源が組み込まれていることにより、測定操作中に無線検知モジュールまたはデバイスに電力を供給するのに必要なさらなるエネルギー放射源が最小限で済む。テレメトリ機能も、無線検知モジュールまたはデバイス内で統合される。テレメトリ送信機は、開始されてから、測定データをリアルタイムで連続して通信する。テレメトリデータは、商業用の受信機を用いて、または単純で低コストのカスタム受信機を用いて、受信され、復号され得る。   Wireless operation causes a wireless sensing module or device due to the possibility of physical interference with wiring and cables that couple with power or data collection, storage, or display equipment, or limitations imposed by such wiring and cables There is no measurement distortion, or restrictions on such measurement. Power for sensing components and electronic circuits is maintained within a wireless sensing module or device in the internal energy storage device. The energy storage device includes one or more batteries, supercapacitors, capacitors, alternating current power supplies, radio frequency receivers, electromagnetic induction coils, one or more photovoltaic cells, one or more thermocouples, or one or It is charged using an external power source including, but not limited to, a plurality of ultrasonic transducers. The wireless sensing module can be operated with a single charge until there is no internal energy source, or the energy source can be periodically recharged to allow continuous operation. The built-in power supply minimizes the additional energy radiation sources required to power the wireless sensing module or device during the measurement operation. Telemetry functions are also integrated within the wireless sensing module or device. The telemetry transmitter communicates measurement data continuously in real time after being started. Telemetry data can be received and decoded using a commercial receiver or using a simple, low cost custom receiver.

図18は、実施形態例に係る、測定および報告のための通信ネットワーク1800を示す。簡潔に述べると、通信ネットワーク1800は、他のデバイスまたはサービスに広いデータ接続を提供するために、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420を拡張する。図示されるように、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420は、通信ネットワーク1800および任意の関連するシステムまたはサービスに通信可能に結合され得る。   FIG. 18 shows a communication network 1800 for measurement and reporting, according to an example embodiment. Briefly, communication network 1800 extends spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 to provide a broad data connection to other devices or services. As shown, spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 may be communicatively coupled to communication network 1800 and any associated system or service.

一例として、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420は、例えば、手術の状態または結果を分析し、それについて報告するために、対象とするそのパラメータ(例えば、荷重、力、圧力、変位、移動、回転、トルクおよび加速度の分布)を、リモートサービスまたは提供者と共有し得る。センサシステムが永久的に埋め込まれる場合、センサからのデータは、進展を監視するために、例えばサービスプロバイダと共有されるかあるいは外科計画目的または有効性研究のために計画管理者と共有され得る。通信ネットワーク1800は、医療情報技術の実施を行うために、電子医療記録(Electronic Medical Record)(EMR)システムにさらにつながれ得る。他の実施形態において、通信ネットワーク1800は、HIS(病院情報システム(Hospital Information System))、HIT(病院情報技術(Hospital Information Technology))およびHIM(病院情報管理(Hospital Information Management))、EHR(電子健康記録(Electronic Health Record))、CPOE(コンピュータ化医師オーダーエントリ(Computerized Physician Order Entry))、およびCDSS(コンピュータ化意思決定支援システム(Computerized Decision Support System))に通信可能に結合され得る。これは、様々な情報技術システムおよびソフトウェアアプリケーションが、正確に、効果的に、かつ一貫してデータを交換し、交換されたデータを使用するように通信する能力を提供する。   By way of example, spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 may be used to analyze and report on their parameters (eg, load, force, Pressure, displacement, movement, rotation, torque and acceleration distribution) may be shared with the remote service or provider. If the sensor system is permanently implanted, data from the sensor can be shared with the service manager, for example, for surgical planning purposes or effectiveness studies, for example, to monitor progress, or for surgical planning purposes. Communication network 1800 may be further coupled to an Electronic Medical Record (EMR) system for performing medical information technology implementations. In other embodiments, the communication network 1800 includes HIS (Hospital Information System), HIT (Hospital Information Technology), and HIM (Hospital Information Management), EMT. Health Record (Electronic Health Record), CPOE (Computerized Physician Order Entry), and CDSS (Computerized Decision Support System). This provides the ability for various information technology systems and software applications to exchange data accurately and effectively and consistently and to communicate using the exchanged data.

通信ネットワーク1800は、ローカルエリアネットワーク(Local Area Network)(LAN)1801、無線LAN(Wireless Local Area Network)(WLAN)1805、セルラーネットワーク(Cellular Network)1814、および/または他の無線周波数(RF)システム上に有線または無線接続を提供することができる。LAN1801およびWLAN1805は、例えば、中央局(central office)を介して、インターネット1820に通信可能に結合され得る。中央局は、遠距離通信サービスを供給するための共有のネットワークスイッチング設備を収容し得る。遠距離通信サービスは、従来のPOTS(基本電話サービス(Plain Old Telephone Service))ならびにケーブル、HDTV、DSL、VoIP(ボイスオーバーインターネットプロトコル(Voice over Internet Protocol))、IPTV(インターネットプロトコルテレビジョン(Internet Protocol Television))、インターネットサービスなどの広帯域サービスなどを含み得る。   The communication network 1800 includes a local area network (LAN) 1801, a wireless local area network (WLAN) 1805, a cellular network 1814, and / or other radio frequency (RF) systems. A wired or wireless connection can be provided on top. LAN 1801 and WLAN 1805 may be communicatively coupled to the Internet 1820 via, for example, a central office. The central office may accommodate a shared network switching facility for providing telecommunications services. Telecommunication services include conventional POTS (Plain Old Telephone Service) and cable, HDTV, DSL, VoIP (Voice over Internet Protocol), IPTV (Internet Protocol Television). Television)), broadband services such as Internet services, and the like.

通信ネットワーク1800は、共通の計算および通信技術を用いて、回線交換型および/またはパケット交換型通信を支持することができる。インターネット1820および他のパケット交換型ネットワーク送信のための規格のそれぞれ(例えば、TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP、RTP、MMS、SMS)は、従来技術の例を表す。このような規格は、実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物に周期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替の規格およびプロトコルは、均等であるとみなされる。   Communication network 1800 may support circuit-switched and / or packet-switched communications using common computing and communication techniques. Each of the standards for Internet 1820 and other packet-switched network transmissions (eg, TCP / IP, UDP / IP, HTML, HTTP, RTP, MMS, SMS) represent examples of the prior art. Such standards are periodically replaced by faster or more efficient equivalents having substantially the same function. Thus, alternative standards and protocols having the same functionality are considered equivalent.

セルラーネットワーク1814は、GSM(登録商標)−GPRS、EDGE、CDMA、UMTS、WiMAX、2G、3G、WAP、ソフトウェア無線(software defined radio)(SDR)、および他の既知の技術などのいくつかのアクセス技術で音声およびデータサービスを支持し得る。セルラーネットワーク1814は、携帯機器1802を用いて通信するための周波数再利用計画の下でベース受信機1810に結合され得る。   The cellular network 1814 provides several access such as GSM®-GPRS, EDGE, CDMA, UMTS, WiMAX, 2G, 3G, WAP, software defined radio (SDR), and other known technologies. Technology can support voice and data services. The cellular network 1814 may be coupled to the base receiver 1810 under a frequency reuse plan for communicating using the mobile device 1802.

ベース受信機1810は、今度は、パケット交換型リンク上で携帯機器1802をインターネット1820に接続し得る。インターネット1820は、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420から携帯機器502へとデータを分配するためのアプリケーションサービスおよびサービスレイヤを支持し得る。携帯機器1802は、無線通信チャネルを用いて、インターネット1820を介して、他の通信デバイスに接続することもできる。   Base receiver 1810 may in turn connect portable device 1802 to the Internet 1820 over a packet-switched link. Internet 1820 may support application services and service layers for distributing data from spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 to portable device 502. The portable device 1802 can also be connected to other communication devices via the Internet 1820 using a wireless communication channel.

携帯機器1802は、WLAN1805上でインターネット1820に接続することもできる。無線ローカルアクセスネットワーク(Wireless Local Access Network)(WLAN)は、ローカルな地理的エリア内での無線アクセスを提供する。WLANは、典型的に、基地局としても知られているアクセスポイント(Access Point)(AP)1804の集合から構成される。脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420は、基地局エリア内のラップトップ1803などの他のWLANステーションと通信することができる。典型的なWLANの実装例において、物理層が、802.11bまたは802.11gのWLAN技術などの様々な技術を使用する。物理層は、2.4GHzバンドで赤外線の、周波数ホッピング拡散スペクトルを使用するか、2.4GHzバンドで直接シーケンス拡散スペクトルを使用するか、または、例えば、5.8GHzのISMバンドまたはより高いISMバンド(例えば、24GHzなど)で他のアクセス技術を使用し得る。   The portable device 1802 can also be connected to the Internet 1820 over the WLAN 1805. A Wireless Local Access Network (WLAN) provides wireless access within a local geographic area. A WLAN is typically composed of a collection of Access Points (APs) 1804, also known as base stations. The spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 can communicate with other WLAN stations such as a laptop 1803 in the base station area. In a typical WLAN implementation, the physical layer uses various technologies such as 802.11b or 802.11g WLAN technology. The physical layer uses infrared frequency hopping spread spectrum in 2.4 GHz band, direct sequence spread spectrum in 2.4 GHz band, or, for example, 5.8 GHz ISM band or higher ISM band Other access technologies may be used (eg, 24 GHz, etc.).

通信ネットワーク1800によって、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420が、ネットワーク上でリモートサーバ1830とおよびデータを交換するために他の携帯機器との接続を確立し得る。リモートサーバ1830は、データベース1840へのアクセスを有することができ、データベース1840は、ローカルでまたは遠隔に保存され、特定用途向けデータを含み得る。リモートサーバ1830は、直接、またはインターネット1820上でアプリケーションサービスをホストすることもできる。   Communication network 1800 may allow spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 to establish a connection with remote server 1830 and other portable devices to exchange data over the network. Remote server 1830 may have access to database 1840, which may be stored locally or remotely and may include application specific data. The remote server 1830 can also host application services directly or over the Internet 1820.

図19は、コンピュータシステム1900の形態の機械の例示的な概略図を示し、その中で、命令集合が、実行される場合、上述した方法のうちのいずれか1つまたは複数を機械に実行させ得る。ある実施形態において、この機械は、独立型デバイスとして動作する。ある実施形態において、この機械は、(例えば、ネットワークを用いて)他の機械に接続され得る。ネットワーク化された配備において、この機械は、サーバクライアントユーザネットワーク環境におけるサーバまたはクライアントユーザ機械として、またはピアツーピア(または分配された)ネットワーク環境におけるピアマシン(peer machine)として動作し得る。   FIG. 19 illustrates an exemplary schematic diagram of a machine in the form of a computer system 1900 in which, when an instruction set is executed, causes the machine to perform any one or more of the methods described above. obtain. In certain embodiments, the machine operates as a stand-alone device. In certain embodiments, the machine may be connected to other machines (eg, using a network). In a networked deployment, the machine may operate as a server or client user machine in a server client user network environment, or as a peer machine in a peer-to-peer (or distributed) network environment.

この機械は、サーバコンピュータ、クライアントユーザコンピュータ、パーソナルコンピュータ(PC)、タブレットPC、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、制御システム、ネットワークルータ、スイッチまたはブリッジ、または該当する機械が取るべき動作を規定する(順次または他の形の)命令集合を実行可能な任意の機械を含み得る。本開示のデバイスが、音声、動画またはデータ通信を提供する広く任意の電子デバイスを含むことが理解されるであろう。さらに、単一の機械が示されるが、「機械」という用語はまた、本明細書に記載される方法のうちのいずれか1つまたは複数を実行する。命令の集合(または複数集合)を個別にまたはまとめて実行する機械の任意の集合を含むものと解釈されるべきである。   This machine defines server computers, client user computers, personal computers (PCs), tablet PCs, laptop computers, desktop computers, control systems, network routers, switches or bridges, or actions to be taken by appropriate machines (sequentially). Or any other form of machine capable of executing the instruction set. It will be appreciated that the devices of the present disclosure include a wide variety of electronic devices that provide voice, video or data communications. Further, although a single machine is shown, the term “machine” also performs any one or more of the methods described herein. It should be construed to include any set of machines that execute the set (or sets) of instructions individually or collectively.

コンピュータシステム1900は、バス1908を介して互いに通信する、プロセッサ1902(例えば、中央処理装置(central processing unit)(CPU)、グラフィックスプロセッシングユニット(graphics processing unit)(GPU、またはその両方)、メインメモリ1904およびスタティックメモリ1906を含み得る。コンピュータシステム1900は、ビデオディスプレイ装置1910(例えば、液晶ディスプレイ(LCD)、フラットパネル、固体ディスプレイ、またはブラウン管(cathode ray tube)(CRT))をさらに含み得る。コンピュータシステム1900は、入力デバイス1912(例えば、キーボード)、カーソル制御デバイス1914(例えば、マウス)、ディスクドライブユニット1916、信号発生デバイス1918(例えば、スピーカまたはリモコン装置)およびネットワークインターフェースデバイス1920を含み得る。   Computer system 1900 communicates with each other via a bus 1908, such as a processor 1902 (eg, a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU, or both)), main memory, and the like. 1904 and static memory 1906. The computer system 1900 may further include a video display device 1910 (eg, a liquid crystal display (LCD), flat panel, solid state display, or cathode ray tube (CRT)). The system 1900 includes an input device 1912 (eg, a keyboard), a cursor control device 1914. For example, a mouse), a disk drive unit 1916, a signal generation device 1918 (e.g., may include a speaker or remote control) and a network interface device 1920.

ディスクドライブユニット1916は、上に示される方法を含む本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか1つまたは複数を用いる1つまたは複数の命令集合(例えば、ソフトウェア1924)が保存された機械可読媒体1922を含み得る。命令1924はまた、コンピュータシステム1900による命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ1904、スタティックメモリ1906内、および/またはプロセッサ1902内に存在し得る。メインメモリ1904およびプロセッサ1902はまた、機械可読媒体になり得る。   The disk drive unit 1916 stores one or more instruction sets (eg, software 1924) that use any one or more of the methods or functions described herein, including the methods shown above. A machine-readable medium 1922 may be included. Instruction 1924 may also reside in main memory 1904, static memory 1906, and / or processor 1902, either completely or at least partially during execution of instructions by computer system 1900. Main memory 1904 and processor 1902 may also be machine-readable media.

特定用途向け集積回路、プログラマブル論理アレーおよび他のハードウェアデバイスを含むがこれらに限定されない専用のハードウェアの実装が、本明細書に記載される方法を実施するように同様に構成され得る。広く様々な実施形態の装置およびシステムを含み得るアプリケーションは、様々な電子およびコンピュータシステムを含む。ある実施形態は、モジュール間でおよびモジュールを介して、または特定用途向け集積回路の一部として通信される関連する制御およびデータ信号を用いて、2つ以上の特定の相互接続したハードウェアモジュールまたはデバイスにおいて機能を実施する。ここで、システムの例は、ソフトウェア、ファームウェア、およびハードウェアの実装に適用可能である。   Dedicated hardware implementations, including but not limited to application specific integrated circuits, programmable logic arrays, and other hardware devices, may be similarly configured to perform the methods described herein. Applications that may include the devices and systems of a wide variety of embodiments include various electronic and computer systems. Some embodiments employ two or more specific interconnected hardware modules or with associated control and data signals that are communicated between modules and via modules or as part of an application specific integrated circuit. Perform the function on the device. Here, the example system is applicable to software, firmware, and hardware implementations.

本開示の様々な実施形態によれば、本明細書に記載される方法は、プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ、または論理回路上で動作するソフトウェアプログラムとしての操作に向けたものである。さらに、ソフトウェアの実装としては、以下に限定はされないが、分散処理またはコンポーネント/オブジェクト分散型処理、並列処理が挙げられ、または仮想機械処理も、本明細書に記載される方法を実施するように構成され得る。   According to various embodiments of the present disclosure, the methods described herein are directed to operation as a processor, digital signal processor, or software program running on a logic circuit. Further, software implementations include, but are not limited to, distributed processing or component / object distributed processing, parallel processing, or virtual machine processing so as to implement the methods described herein. Can be configured.

本開示は、ネットワーク環境1926に接続されたデバイスが、命令1924を用いて、音声、動画またはデータを送信または受信して、ネットワーク1926上で通信することができるように、命令1924を含むか、または伝播された信号から命令1924を受信し、実行する機械可読媒体を想定している。命令1924は、ネットワークインターフェースデバイス1920を介して、ネットワーク1926上でさらに送信または受信され得る。   The disclosure includes instructions 1924 such that a device connected to the network environment 1926 can use the instructions 1924 to transmit or receive audio, video or data and communicate over the network 1926; Or, assume a machine-readable medium that receives and executes instructions 1924 from a propagated signal. The instructions 1924 may be further transmitted or received over the network 1926 via the network interface device 1920.

機械可読媒体1922は、実施形態例において単一の媒体であることが示されるが、「機械可読媒体」という用語は、1つまたは複数の命令集合を保存する単一の媒体または複数の媒体(例えば、集中または分散型データベース、および/または関連するキャッシュおよびサーバ)を含むことが理解されるべきである。「機械可読媒体」という用語は、本開示の方法のうちのいずれか1つまたは複数を機械に実行させる、機械による実行のための命令集合を保存し、符号化し、または実施することが可能である任意の媒体を含むことも理解されるべきである。   Although the machine-readable medium 1922 is shown to be a single medium in the example embodiments, the term “machine-readable medium” refers to a single medium or multiple media (one or more) that stores one or more instruction sets ( For example, it should be understood to include centralized or distributed databases and / or associated caches and servers. The term “machine-readable medium” can store, encode, or implement a set of instructions for execution by a machine that causes the machine to perform any one or more of the disclosed methods. It should also be understood to include any arbitrary medium.

したがって、「機械可読媒体」という用語は、以下に限定はされないが、1つまたは複数の読み出し専用(不揮発性)メモリ、ランダムアクセスメモリ、または他の書き換え可能(揮発性)メモリを収容するメモリカードまたは他のパッケージなどの固体メモリ、ディスクまたはテープなどの磁気光学媒体または光媒体、および伝送媒体においてコンピュータ命令を実施する信号などの搬送波信号を含むことが理解されるべきであり、および/または電子メールまたは他の内蔵される情報アーカイブまたは一連のアーカイブへのデジタルファイルの添付が、実体的記憶媒体と均等な配布媒体とみなされる。したがって、本開示は、本明細書に挙げられる機械可読媒体または配布媒体のうちのいずれか1つまたは複数を含み、本明細書のソフトウェアの実装が保存される当該技術分野において認識されている均等物および後継の媒体(successor media)を含むものと考えられる。   Thus, the term “machine-readable medium” includes, but is not limited to, a memory card that contains one or more read-only (non-volatile) memory, random access memory, or other rewritable (volatile) memory. It should be understood to include solid state memory such as or other packages, magneto-optical or optical media such as disks or tapes, and carrier wave signals such as signals that implement computer instructions in a transmission medium and / or electronic Attachment of digital files to mail or other built-in information archives or series of archives is considered a distribution medium equivalent to a tangible storage medium. Accordingly, this disclosure includes any one or more of the machine-readable media or distribution media listed herein and is equivalent in the art to which the software implementations herein are stored. Material and successor media.

本明細書は、特定の規格およびプロトコルを参照して、実施形態において実施される構成要素および機能を記載しているが、本開示は、このような規格およびプロトコルに限定されない。インターネットおよび他のパケット交換型ネットワーク送信のための規格のそれぞれ(例えば、TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP)は、従来技術の例を表す。このような規格は、実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物に周期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替の規格およびプロトコルは、均等であるとみなされる。   Although this specification describes components and functions implemented in the embodiments with reference to specific standards and protocols, the present disclosure is not limited to such standards and protocols. Each of the standards for Internet and other packet-switched network transmissions (eg, TCP / IP, UDP / IP, HTML, HTTP) represent examples of the prior art. Such standards are periodically replaced by faster or more efficient equivalents having substantially the same function. Thus, alternative standards and protocols having the same functionality are considered equivalent.

本明細書に記載される実施形態の説明は、様々な実施形態の構造の一般的な理解を提供することが意図されており、本明細書に記載される構造を使用し得る装置およびシステムの全ての要素および特徴の完全な説明として機能することは意図されていない。多くの他の実施形態が、上記の説明の検討により当業者に明らかであろう。構造的および論理的置き換えおよび変更が本開示の範囲から逸脱せずになされ得るように、他の実施形態が、用いられ、それから得られる。また、図は、説明のためのものに過ぎず、縮尺どおりに描かれていないことがある。その特定の比率が、誇張され得る一方、他の比率は最小限にされ得る。したがって、本明細書および図面は、限定的意味ではなく例示的な意味で考えられるべきである。   The descriptions of the embodiments described herein are intended to provide a general understanding of the structures of the various embodiments, and are illustrative of devices and systems that can use the structures described herein. It is not intended to serve as a complete description of all elements and features. Many other embodiments will be apparent to those of skill in the art upon reviewing the above description. Other embodiments may be used and obtained from it so that structural and logical substitutions and changes can be made without departing from the scope of the present disclosure. Also, the figures are for illustration only and may not be drawn to scale. That particular ratio can be exaggerated, while other ratios can be minimized. The specification and drawings are, accordingly, to be regarded in an illustrative sense rather than a restrictive sense.

本発明の主題のこのような実施形態は、単に便宜上、および2つ以上の発明が実際に開示される場合、本出願の範囲をいずれか1つの発明または発明の概念に自主的に限定することを意図せずに、本明細書において「発明」という用語によって個別におよび/またはまとめて呼ばれ得る。ここで、特定の実施形態が本明細書に示され、記載されているが、同じ目的を達成するように計算された任意の構成が、示される特定の実施形態の代わりになり得ることを理解されたい。本開示は、様々な実施形態のあらゆる改変(adaptation)または変形を包含することが意図される。上記の実施形態と、本明細書に特に記載されていない他の実施形態との組合せが、上記の説明の検討により、当業者に明らかであろう。   Such embodiments of the present inventive subject matter merely limit the scope of this application to any one invention or inventive concept, merely for convenience and when more than one invention is actually disclosed. May be referred to individually and / or collectively by the term “invention” herein. Here, although specific embodiments are shown and described herein, it is understood that any configuration calculated to achieve the same purpose may be substituted for the specific embodiments shown. I want to be. This disclosure is intended to cover any adaptations or variations of various embodiments. Combinations of the above embodiments with other embodiments not specifically described herein will be apparent to those of skill in the art upon review of the above description.

本発明は、概して、外科用エレクトロニクスに関し、特に、脊椎手術および長期の移植の間の位置合わせおよび外科的移植パラメータを評価するための方法およびデバイスに関する。   The present invention relates generally to surgical electronics, and more particularly to methods and devices for assessing alignment and surgical implantation parameters during spinal surgery and long-term implantation.

脊椎は、筋肉および靱帯によって結合される、椎骨と呼ばれる多くの個々の骨から構成されている。軟質の椎間板は、各椎骨を次の椎骨と隔て、緩衝となる。椎骨は分離しているため、脊椎は柔軟で曲がることができる。椎骨、椎間板、神経、筋肉、および靱帯が一緒に、脊柱または脊椎を構成する。脊椎は、大きさおよび形状が様々であり、環境要因、健康、および老化により生じ得る変化を伴う。正常な脊椎は、前から後ろに向かう湾曲を有するが、通常の頸椎前弯、胸椎後弯、および腰椎前弯の病態による変形は、疼痛、不快感、および運動障害を引き起こし得る。これらの病態は、神経を圧迫し得る椎間板ヘルニアによって悪化され得る。   The spine is made up of many individual bones called vertebrae that are joined by muscles and ligaments. A soft intervertebral disc buffers each vertebra from the next. Because the vertebrae are separated, the spine is flexible and can bend. Together, the vertebrae, intervertebral discs, nerves, muscles, and ligaments make up the spinal column or spine. The spine varies in size and shape, with changes that can occur due to environmental factors, health, and aging. The normal spine has a front-to-back curve, but deformation due to the pathology of the normal cervical lordosis, thoracic kyphosis, and lumbar lordosis can cause pain, discomfort, and movement disorders. These conditions can be exacerbated by a herniated disc that can compress the nerve.

異常な脊椎湾曲の多くの様々な原因および治療から手術までの様々な治療選択肢がある。手術の目的は、通常、脊椎の湾曲部分の固定癒合(solid fusion)である。脊椎において手術し、骨移植片を加え、椎骨および骨移植片をゆっくりと癒着させて、骨の固体塊を形成することによって、癒合が行われる。あるいは、椎骨を、間隔を空けて癒合するために骨移植片を入れる脊椎ケージが一般的に使用される。骨移植片は、骨バンクあるいは患者自身の寛骨に由来し得る。脊椎は、機器を搭載した器具および技術によって、金属製の棒およびフック、ワイヤまたはねじを用いてほぼ真っ直ぐにされ得る。棒あるいは場合により装具(brace)またはギプス(cast)が、癒合が治癒する見込みを得るまで、脊椎を所定の位置に保持する。   There are many different causes of abnormal spinal curvature and different treatment options from treatment to surgery. The purpose of the operation is usually a solid fusion of the curved portion of the spine. Healing is performed by operating on the spine, adding bone grafts, and slowly bringing the vertebrae and bone grafts together to form a solid mass of bone. Alternatively, spinal cages are generally used that contain bone grafts to fuse the vertebrae at intervals. The bone graft can come from a bone bank or the patient's own hipbone. The spine can be almost straightened using instrumental bars and hooks, wires or screws, with instrumented instruments and techniques. A rod or possibly brace or cast holds the spine in place until the fusion is expected to heal.

システムの様々な特徴が、特に、添付の特許請求の範囲によって記載される。本明細書の実施形態は、添付の図面とともに理解される、以下の説明を参照することによって理解され得る。   Various features of the system are set forth with particularity by the appended claims. The embodiments herein may be understood by reference to the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:

実施形態例に係る脊椎位置合わせシステムを示す。1 illustrates a spinal alignment system according to an example embodiment. 実施形態例に係る脊椎位置合わせおよび投影図を示すユーザインターフェースを示す。FIG. 6 illustrates a user interface showing spine registration and projection views according to an example embodiment. FIG. 実施形態例に係る脊椎位置合わせシステムのワンドおよび受信機を示す。1 illustrates a wand and receiver of a spinal alignment system according to an example embodiment. 実施形態例に係る脊椎位置合わせを決定するための複数のセンサ化(sensorized)デバイスを示す。FIG. 6 illustrates a plurality of sensorized devices for determining spinal alignment according to example embodiments. FIG. 実施形態例に係る、脊椎のパラメータを決定するためのセンサ化された設置を示す。FIG. 6 illustrates a sensorized installation for determining spinal parameters, according to an example embodiment. 実施形態例に係る、脊椎の状態を決定するための複数のセンサの設置を示す。FIG. 6 illustrates the installation of a plurality of sensors for determining the state of a spine, according to an example embodiment. 実施形態例に係るセンサ化脊椎用機器を示す。1 illustrates a sensorized spinal instrument according to an example embodiment. 実施形態例に係る集積化されたセンサ化脊椎用機器を示す。1 illustrates an integrated sensored spinal instrument according to an example embodiment. 非限定的な例の椎骨構成要素を備えた挿入機器を示す。Fig. 4 shows an insertion device with a non-limiting example vertebral component. 実施形態例に係る、パラメータ検知のために脊椎の椎骨間に位置決めされる脊椎用機器を示す。FIG. 6 illustrates a spinal instrument positioned between vertebrae of a spine for parameter sensing according to an example embodiment. 実施形態例に係る、図10のセンサ化脊椎用機器の斜視図を示すユーザインターフェースを示す。FIG. 11 illustrates a user interface showing a perspective view of the sensorized spinal instrument of FIG. 10 according to an example embodiment. 実施形態例に係る、椎間の位置および力の検知のために、脊椎の椎骨の間に位置決めされるセンサ化脊椎用機器を示す。FIG. 4 illustrates a sensorized spinal instrument positioned between vertebrae of a spine for sensing intervertebral position and force, according to an example embodiment. 実施形態例に係る、図12のセンサ化脊椎用機器を示すユーザインターフェースの斜視図を示す。FIG. 13 shows a perspective view of a user interface showing the sensorized spinal instrument of FIG. 12 according to an example embodiment. 実施形態例に係る、脊椎ケージの設置のためのセンサ化脊椎挿入機器を示す。FIG. 4 illustrates a sensorized spinal insertion device for placement of a spinal cage, according to an example embodiment. 実施形態例に係る、図14のセンサ化脊椎挿入機器を示すユーザインターフェースの斜視図を示す。FIG. 15 shows a perspective view of a user interface showing the sensorized spinal insertion device of FIG. 14 according to an example embodiment. 実施形態例に係る脊椎用機器の構成要素のブロック図である。It is a block diagram of the component of the apparatus for spines concerning the embodiment. 実施形態例に係る、近距離テレメトリ(short−range telemetry)のための例示的な通信システムの略図である。1 is a schematic diagram of an exemplary communication system for short-range telemetry, according to an example embodiment. 実施形態例に係る、測定および報告のための通信ネットワークを示す。1 illustrates a communication network for measurement and reporting according to an example embodiment. コンピュータシステムの形態の機械の例示的な概略図を示し、コンピュータシステム内では、命令集合が、実行されると、本明細書に開示される方法のうちのいずれか1つまたは複数を機械に実行させ得る。FIG. 6 illustrates an example schematic diagram of a machine in the form of a computer system in which when a set of instructions is executed, the machine executes any one or more of the methods disclosed herein. Can be.

本明細書は、新規なものとみなされる本発明の実施形態の特徴を規定する特許請求の範囲で締めくくられるが、方法、システム、および他の実施形態が、参照符号が繰り越される図面とともに以下の説明を考慮することからよりよく理解されるものと考えられる。   While the specification concludes with the claims, which define the features of the embodiments of the invention deemed to be novel, the method, system, and other embodiments are described below with reference to the drawings in which reference numerals are carried forward. This can be better understood by considering the explanation.

必要に応じて、本発明の方法およびシステムの詳細な実施形態が、本明細書に開示される。しかしながら、開示される実施形態は例示に過ぎず、様々な形態で実施され得ることを理解されたい。したがって、本明細書に開示される特定の構造的および機能的詳細は、限定的なものと解釈されるものではなく、単に、特許請求の範囲のための根拠として、および実質的にあらゆる適切に詳細な構造で本発明の実施形態を様々に用いるように当業者に教示するための、代表的な根拠として解釈されるものである。さらに、本明細書において使用される用語および語句は、限定的であることは意図されず、本明細書の実施形態の理解可能な説明を提供することが意図される。   As required, detailed embodiments of the methods and systems of the present invention are disclosed herein. However, it should be understood that the disclosed embodiments are merely exemplary and can be implemented in various forms. Accordingly, the specific structural and functional details disclosed herein are not to be construed as limiting, but merely as a basis for the claims and virtually any suitable It is to be construed as a representative basis for teaching those skilled in the art to use the embodiments of the present invention in various structures. Furthermore, the terms and phrases used herein are not intended to be limiting, but are intended to provide an understandable description of the embodiments herein.

大まかに述べると、本発明の実施形態は、椎骨の荷重および場所の検知のためのシステムおよび方法に関する。脊椎測定システムは、位置情報を視覚的に示すリモートディスプレイに結合される受信機および複数のワンドを含む。ワンドは、椎骨に設置され、またはそれに接触されて、脊椎位置合わせの様々な側面を報告することができる。位置情報は、ワンドおよび脊椎の対応する椎骨の向きおよび場所を特定する。システムは、全体的な位置合わせに加えて、外科手術中の椎骨の移動を追跡する能力を提供する。システムは、手技中に捕捉された位置情報、および手術前の脊椎の状態に関する予め記録された位置データに応じた手術中の脊椎の矯正を提供し、それを示し得る。   In general terms, embodiments of the present invention relate to systems and methods for vertebral load and location sensing. The spine measurement system includes a receiver and a plurality of wands coupled to a remote display that visually indicates position information. A wand can be placed on or in contact with the vertebra to report various aspects of spinal alignment. The location information identifies the orientation and location of the corresponding vertebrae of the wand and spine. The system provides the ability to track vertebral movement during surgery in addition to global alignment. The system may provide and indicate intraoperative vertebral correction in response to position information captured during the procedure and pre-recorded position data regarding pre-operative vertebral condition.

脊椎測定システムは、全体的な脊椎位置合わせをともに、椎骨に対する荷重力を評価するための荷重平衡および位置合わせシステムをさらに含む。システムは、椎骨腔内に連結し得る電子アセンブリおよびセンサ付きヘッドアセンブリを有する脊椎機器を含む。センサ付きヘッドは、椎骨の間に挿入され、力、圧力、向きおよび端部荷重などの椎骨条件を報告し得る。GUIが、それとともに使用されて、機器が外科手術中に椎間腔に設置される際に、脊椎機器が椎体に対してどこに位置決めされるかを示す。このシステムは、任意選択の向き、回転および決定された挿入軌道に沿った挿入角度を含む、検知された荷重および場所のパラメータを考慮して、最適な装具のサイズおよび設置を報告することができる。   The spine measurement system further includes a load balancing and alignment system for assessing load forces on the vertebrae together with overall spinal alignment. The system includes a spinal instrument having an electronic assembly that can be coupled into a vertebral cavity and a sensor-attached head assembly. Sensored heads can be inserted between vertebrae and report vertebral conditions such as force, pressure, orientation and end loads. A GUI is used with it to indicate where the spinal instrument is positioned relative to the vertebral body as the instrument is placed in the intervertebral space during surgery. The system can report optimal brace size and installation taking into account sensed load and location parameters, including optional orientation, rotation and insertion angle along the determined insertion trajectory .

脊椎ケージまたは椎弓根ねじなどの椎骨構成要素を挿入するために、荷重平衡および位置合わせシステムとともに挿入機器も本明細書において提供される。このシステムは、既に捕捉されたパラメータ測定を考慮して、機器が挿入中に端部荷重であるかどうかを検査し、報告することができる。このシステムは、椎骨構成要素による挿入機器の追跡を示し、位置および荷重検知パラメータに基づいて、視覚的誘導およびフィードバックを提供する。このシステムは、向きおよび位置が3Dでもモデル化される1つまたは複数の椎体に対する挿入機器の三次元(3D)追跡を示す。   An insertion instrument is also provided herein along with a load balancing and alignment system to insert a vertebral component, such as a spinal cage or pedicle screw. The system can check and report whether the instrument is end loading during insertion, taking into account already captured parameter measurements. The system shows insertion instrument tracking by vertebral components and provides visual guidance and feedback based on position and load sensing parameters. The system shows three-dimensional (3D) tracking of the insertion device for one or more vertebral bodies that are also modeled in orientation and position in 3D.

図1は、非限定的な例の脊椎位置合わせシステム100を示す。システム100は、リモートシステム105に通信可能に結合され得るワンド103および受信機101を含む。一般に、1つまたは複数のワンドが、受信機101と通信して、脊椎領域の向き、回転、角度、および場所のうちの1つを含む位置情報を決定する。受信機101は、ワンド103に関する位置情報またはデータ117を、リモートシステム105に送信する。位置情報は、脊椎112の位置合わせ(または所定の曲率)を評価するのに使用される向きおよび移動データを含む。リモートシステム105は、グラフィカルユーザインターフェース(Graphical User Interface)(GUI)107を示すラップトップまたはモバイルワークステーションであり得る。GUI107は、脊椎112を示し、かつ位置情報を考慮して脊椎位置合わせを報告するワークフローを含む。一例として、ユーザインターフェースは、手術後の目標の位置合わせ113に対する、脊椎の椎骨の現在の位置合わせ114を示すことができる。   FIG. 1 illustrates a non-limiting example spinal alignment system 100. System 100 includes a wand 103 and a receiver 101 that can be communicatively coupled to a remote system 105. In general, one or more wands communicate with the receiver 101 to determine position information including one of spine region orientation, rotation, angle, and location. The receiver 101 transmits position information or data 117 regarding the wand 103 to the remote system 105. The position information includes orientation and movement data used to evaluate the alignment (or predetermined curvature) of the spine 112. The remote system 105 can be a laptop or mobile workstation showing a Graphical User Interface (GUI) 107. The GUI 107 includes a workflow that shows the spine 112 and reports spine alignment considering the location information. As an example, the user interface may show the current alignment 114 of the vertebrae of the spine relative to the target alignment 113 after surgery.

位置合わせシステム100は、手術前、または手術中に捕捉される三次元(3D)画像化(例えば、軟組織)および3Dモデル(例えば、骨)を提供するために、サーバ125などのデータベース123システムに通信可能に結合され得る。3D画像化およびモデルは、相対的な場所および向きを確立するために、位置情報とともに使用され得る。サーバ125は、近くの範囲内のローカルサーバであるか、またはインターネット121上で遠隔から利用され得る。一例として、サーバ125は、3D脊椎および椎骨モデルを提供する。CATスキャナ(図示せず)が、身体の選択された部分の一連の断面X線画像を生成するのに用いられ得る。コンピュータが、スキャナを操作し、得られた画像は、身体のスライス画像である。サーバ125は、スライス画像から三次元(3D)モデルを生成する。サーバ125は、磁気共鳴画像診断(Magnetic Resonance Imaging)(MRI)スキャナ(図示せず)から生成される3Dモデルも提供することができる。サーバ125は、X線源(図示せず)および蛍光スクリーンの使用によって、位置合わせシステム100デバイスに対する、患者の内部構造のリアルタイム動画を提供するために、蛍光透視画像化も支持し得る。   The alignment system 100 may be used in a database 123 system, such as a server 125, to provide three-dimensional (3D) imaging (eg, soft tissue) and 3D models (eg, bone) that are captured before or during surgery. It can be communicatively coupled. 3D imaging and models can be used with location information to establish relative locations and orientations. Server 125 may be a local server within close proximity or may be utilized remotely over the Internet 121. As an example, the server 125 provides a 3D spine and vertebra model. A CAT scanner (not shown) can be used to generate a series of cross-sectional X-ray images of selected parts of the body. The computer operates the scanner, and the obtained image is a slice image of the body. The server 125 generates a three-dimensional (3D) model from the slice image. Server 125 may also provide a 3D model generated from a Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner (not shown). Server 125 may also support fluoroscopic imaging to provide real-time animation of the patient's internal structure to alignment system 100 device through the use of an X-ray source (not shown) and a fluorescent screen.

脊椎位置合わせシステム100は、全体的な位置合わせおよび機器(例えば、ワンド103および受信機101)の向きに加えて、分離された椎骨の移動を追跡する能力を報告する。受信機101は、位置情報を決定するために、特定の椎骨で、および脊椎112に沿って、ワンド103の場所を正確に追跡する。受信機101は、仙骨に結合されて(例えば、留められ、ねじ留めされ、固定されて)示される。しかしながら、受信機101は、脊椎の椎骨に沿ってどこにでも位置することができる。あるいは、受信機101は、脊椎112の近くの台に取り付けられ得る。ワンド103および受信機101は、それらの位置を、超音波、光学式、または電磁検知によって送信し得るセンサ化デバイスである。この例では、ワンド103および受信機102は、超音波トランスデューサを用い、見通し線(LOS)デバイスである。センサは、ワンド先端から離れて、または場合によっては、ワンド先端内で、ワンド103に外部から取り付けられ得る。ワンド103は、手の中に保持されるか、または機械的アセンブリによって脊椎に固定され得る。一実施形態において、全ての位置合わせ測定を生成するための構成要素(例えば受信機101およびワンド103)は、手術室の滅菌野109内に存在する。滅菌野109は、手術野とも呼ばれ得る。典型的に、リモートシステム105は、手術室の滅菌野109の外部にある。滅菌野109内で使用される構成要素は、単回の使用のために設計され得る。この例では、ワンド103、受信機102、またはその両方は、手術中に使用された後、廃棄される。   The spinal alignment system 100 reports the ability to track the movement of the isolated vertebrae in addition to the overall alignment and orientation of the instrument (eg, wand 103 and receiver 101). The receiver 101 accurately tracks the location of the wand 103 at a particular vertebra and along the spine 112 to determine position information. The receiver 101 is shown coupled to the sacrum (eg, fastened, screwed, and fixed). However, the receiver 101 can be located anywhere along the spine vertebra. Alternatively, the receiver 101 can be mounted on a platform near the spine 112. The wand 103 and the receiver 101 are sensorized devices that can transmit their position by ultrasonic, optical, or electromagnetic sensing. In this example, the wand 103 and the receiver 102 are ultrasonic line transducers and line of sight (LOS) devices. The sensor may be externally attached to the wand 103 away from the wand tip, or possibly within the wand tip. The wand 103 can be held in the hand or secured to the spine by a mechanical assembly. In one embodiment, the components for generating all alignment measurements (eg, receiver 101 and wand 103) reside within operating room sterilization field 109. The sterile field 109 can also be referred to as a surgical field. Typically, the remote system 105 is external to the operating room sterilization field 109. The components used in the sterile field 109 can be designed for a single use. In this example, wand 103, receiver 102, or both are discarded after being used during surgery.

超音波検知デバイスの一例が、2007年3月7日に出願された「Method and Device for Three−Dimensional Sensing」という発明の名称の米国特許出願第11/683,410号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。光学式検知の一例は、光学追跡のための受信機101における対応する高速カメラ要素、あるいは入射光ビームの角度およびその後三角形のワンド位置を検出するための高速のフォトダイオード要素とともにワンド103における3つまたは4つの能動IR反射器を含む。電磁検知の一例は、ワンドにおける金属球を含み、その空間的位置が、受信機103における生成される磁場強度の変化を評価することによって決定される。   An example of an ultrasonic sensing device is disclosed in US patent application Ser. No. 11 / 683,410, entitled “Method and Device for Three-Dimensional Sensing” filed on March 7, 2007. The entire contents of which are hereby incorporated by reference. One example of optical sensing is the three in the wand 103 with corresponding high-speed camera elements in the receiver 101 for optical tracking, or high-speed photodiode elements for detecting the angle of the incident light beam and then the triangle wand position. Or four active IR reflectors. An example of electromagnetic sensing includes a metal sphere in the wand whose spatial position is determined by evaluating the change in magnetic field strength generated at the receiver 103.

物理的システムまたは身体内の対象とする多くの物理的パラメータは、エネルギー波またはパルスの特性の変化を評価することによって測定され得る。一例として、変化する媒体を通って伝播するエネルギー波またはパルスの通過時間または形状の変化が、媒体に作用して変化を引き起こす力を決定するために測定され得る。媒体におけるエネルギー波またはパルスの伝搬速度は、媒体の物理的変化によって影響される。物理的パラメータまたは対象とするパラメータは、以下に限定はされないが、荷重、力、圧力、変位(displacement)、密度、粘度、および局部温度の測定を含み得る。これらのパラメータは、身体上または身体内に位置決めされた無線検知モジュールまたはデバイス、機器、装備、または他の機械的システムによって、向き、位置合わせ、方向、または位置ならびに軸または軸の組合せに沿った移動、回転、または加速度に対するエネルギーパルスまたはエネルギー波の伝播時間の変化を測定することによって評価され得る。あるいは、対象とする測定は、ほんの数例を挙げると、薄膜センサ、メカニカルセンサ、ポリマーセンサ、memsデバイス、歪みゲージ、ピエゾ抵抗型構造、および容量性(capacitive)構造を用いて取られ得る。   Many physical parameters of interest within a physical system or body can be measured by evaluating changes in the characteristics of energy waves or pulses. As an example, the transit time or shape change of an energy wave or pulse propagating through a changing medium can be measured to determine the force acting on the medium to cause the change. The propagation speed of energy waves or pulses in the medium is affected by physical changes in the medium. Physical parameters or parameters of interest may include, but are not limited to, measurements of load, force, pressure, displacement, density, viscosity, and local temperature. These parameters are along the orientation, alignment, orientation, or position and axis or combination of axes by a wireless sensing module or device, equipment, equipment, or other mechanical system positioned on or within the body. It can be evaluated by measuring changes in the propagation time of energy pulses or energy waves with respect to movement, rotation, or acceleration. Alternatively, the measurements of interest can be taken using thin film sensors, mechanical sensors, polymer sensors, mems devices, strain gauges, piezoresistive structures, and capacitive structures, to name just a few.

図2は、非限定的な例の脊椎位置合わせおよび投影図を示すシステム100のグラフィカルユーザインターフェース(GUI)150を示す。投影図は、定量的測定をリアルタイムで表示しながら、外科手術および図1のシステムデバイスに三次元視覚化を提供する。各投影図は、重ねられた脊椎位置合わせ情報とともに脊椎の異なる斜視図を示すように別々に構成され得る。第1の投影図210は、矢状面図(すなわち、前から後ろへ)を示す。第2の投影図230は、冠状面図(すなわち、側面間)を示す。矢状面図および冠状面図は、2つのみの投影図を用いて脊椎位置合わせを視覚化するのに十分な空間的情報を提供する。投影図は、異なる視野角およびシーングラフのためにカスタマイズされ得る。   FIG. 2 shows a graphical user interface (GUI) 150 of the system 100 showing a non-limiting example spine registration and projection view. Projections provide three-dimensional visualization to the surgical procedure and the system device of FIG. 1 while displaying quantitative measurements in real time. Each projection may be configured separately to show different perspective views of the spine with superimposed spine alignment information. The first projection 210 shows a sagittal view (ie, from front to back). The second projection 230 shows a coronal view (ie, between the sides). Sagittal and coronal views provide sufficient spatial information to visualize spinal alignment using only two projections. Projections can be customized for different viewing angles and scene graphs.

一例として、外科医は、ワンド103を保持し、例えば、脊柱側弯の症状の重症度(または補正)を決定するために、脊椎の輪郭を追跡することができる。これは、患者の姿勢および脊椎の曲率を表示するために患者を立たせたまま手術の前に行われ得る。外科医は、ワンドを保持し、脊椎の輪郭を追跡する。GUI108は、追跡中にワンド103から捕捉された位置情報から脊椎の輪郭を視覚的に示す。次に、位置合わせ角度が、一次統計および幾何学形状(例えば、角度点R、P1およびP2を参照、ここで、Rが、基準の位置合わせであり、P1が、受信機101の場所であり、P2が、ワンド103によって位置合わせされるポイントである)から計算される。位置合わせ角度は、脊椎位置合わせのずれを示し、観測面に投影されると、矢状面および冠状面における誤差を示す。次に、GUI108は、必要な補完的補正(compensatory correction)を報告し得る。この例では、例えば、GUI108は、線152と線154との間の角度の矢状面のずれを補正するためにディスプレイボックス146における+4cm前側の必要な変位、および線158と線156との間の角度の冠状面のずれを補正するためにディスプレイボックス148における+2cm右側の必要な変位を報告する。これは、外科的な位置合わせ補正を提供するのに最小限の視覚的情報を外科医に提供する。   As an example, the surgeon can hold the wand 103 and track the spine contour, for example, to determine the severity (or correction) of scoliosis symptoms. This can be done prior to surgery while the patient is standing to display the patient's posture and spinal curvature. The surgeon holds the wand and tracks the contour of the spine. The GUI 108 visually indicates the contour of the spine from the position information captured from the wand 103 during tracking. Next, the alignment angle is the primary statistics and geometry (see, for example, angle points R, P1, and P2, where R is the reference alignment and P1 is the location of the receiver 101 , P2 is the point aligned by the wand 103). The alignment angle indicates the misalignment of the spine alignment and, when projected onto the observation surface, indicates errors in the sagittal plane and the coronal plane. The GUI 108 may then report the necessary complementary correction. In this example, for example, the GUI 108 may require a +4 cm forward displacement in the display box 146 to correct the sagittal deviation of the angle between the line 152 and the line 154, and between the line 158 and the line 156. Report the required displacement to the right of +2 cm in the display box 148 to correct for the coronal deviation of the angle. This provides the surgeon with minimal visual information to provide surgical alignment correction.

あるいは、高速のポイント位置合わせ(point−registration)方法が、脊椎位置合わせを評価するのに用いられ得る。ポイント位置合わせ方法により、外科医は、最小限の位置合わせで脊椎位置合わせを迅速に評価することができる。ユーザは、ワンドを保持し、椎骨にカーソルを合わせてクリックして、ポイント曲線を生成し、これが線に変換される。第1の工程Aでは、受信機101は、固定の場所、例えば、手術台の近くの台に位置決めされる。あるいは、受信機101は、図1に示されるように仙骨に堅く留められ得る。第2の工程Bでは、外科医は、ワンド103の先端を用いて、仙骨における後腸骨稜または背面に沿ったポイントなどの、基準骨における3つ以上の解剖学的特徴を特定する。システム100は、例えば、受信機101原点に対する<x,y,z>デカルト座標系における、位置合わせされたワンド先端の空間的位置から基準骨の向きを決定する。次に、システム100は、イメージサーバ125から関連する3Dモデル脊椎の構成要素(例えば、仙骨、椎骨など)を取り出し、基準骨の向きにしたがって適切な縮尺および向き(モーフィングおよびワーピング)でそれらをGUI108に表示する。3Dモデル位置合わせが完了したら、患者を静止させたまま、次に、外科医は、第3の工程Cにおいて、椎骨、例えば頸椎(C1−C7)の1つを位置合わせする。次に。システム100は、図2に示されるように、基準骨に対する局所座標系を生成し、曲線および線分を生成し、全体的な位置合わせを報告するために、十分な位置合わせされたポイントを有する。脊椎位置合わせは、例えば、所望の(術前計画)線154に対する線152を示して、脊椎の所定の曲率または真直度を考慮して報告される。   Alternatively, fast point-registration methods can be used to assess spinal alignment. The point alignment method allows the surgeon to quickly evaluate spinal alignment with minimal alignment. The user holds the wand, places the cursor on the vertebra and clicks to generate a point curve that is converted to a line. In the first step A, the receiver 101 is positioned at a fixed location, for example, a table near the operating table. Alternatively, the receiver 101 can be fastened to the sacrum as shown in FIG. In the second step B, the surgeon uses the tip of the wand 103 to identify three or more anatomical features in the reference bone, such as a point along the posterior iliac crest or dorsal surface in the sacrum. The system 100 determines the orientation of the reference bone from the spatial position of the aligned wand tip, for example, in the <x, y, z> Cartesian coordinate system with respect to the receiver 101 origin. The system 100 then retrieves the relevant 3D model spine components (eg, sacrum, vertebrae, etc.) from the image server 125 and places them in the GUI 108 with the appropriate scale and orientation (morphing and warping) according to the orientation of the reference bone. To display. Once the 3D model registration is complete, the surgeon then aligns one of the vertebrae, eg, the cervical vertebrae (C1-C7), in a third step C, with the patient stationary. next. The system 100 has sufficient aligned points to generate a local coordinate system for the reference bone, generate curves and line segments, and report the overall alignment, as shown in FIG. . Spine alignment is reported taking into account a predetermined curvature or straightness of the spine, for example, showing a line 152 relative to the desired (preoperative planning) line 154.

図3は、ワンド103および受信機101の非限定的な例を示すが、図示される全ての構成要素が必要なわけではなく、必要な機能に応じてより少ない構成要素が使用され得る。受信機101およびワンド103およびその間の操作の通信モードが、10/8/2010に出願された「Navigation Device Providing Sensory Feedback」という発明の名称の米国特許出願第12/900,662号明細書に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に援用される。簡潔に述べると、この寸法は、最大で約2mの距離までサブミリメートルの空間精度(<1mm)での非接触型の追跡を可能にする。いずれかのデバイスが、様々な機能を支持するように構成され得(例えば、物体に取り付けられる手持ち式)、いずれも後述される寸法に限定されない。   FIG. 3 shows a non-limiting example of a wand 103 and receiver 101, but not all illustrated components are required, and fewer components may be used depending on the functions required. The communication mode of the receiver 101 and the wand 103 and the operation between them is disclosed in US patent application Ser. No. 12 / 900,662 entitled “Navigation Device Providing Sensory Feedback” filed on 10/8/2010. The entire contents of which are hereby incorporated by reference. Briefly, this dimension allows non-contact tracking with submillimeter spatial accuracy (<1 mm) up to a distance of about 2 m. Any device can be configured to support a variety of functions (eg, hand-held attached to an object), none of which are limited to the dimensions described below.

ワンド103は、約10cmの幅、2cmの深さ、および18cm〜20cmの可変の長さのサイズ寸法を有する手持ち式デバイスである。上に示されるように、ワンド103は、例えば、ユーザインターフェース(図1のGUI107を参照)に示され得る、物体または表面の輪郭に沿って、対象のポイント(ポイントA、B、Cを参照)を位置合わせすることができる。既に記載されるように、ワンド103および受信機101は、互いに対するそれらの相対的な場所および向きを決定するために、超音波、赤外線および電磁検知によって通信し得る。加速度計を組み込む他の実施形態が、さらなる位置情報を提供する。   The wand 103 is a handheld device having a size dimension of about 10 cm wide, 2 cm deep, and variable length between 18 cm and 20 cm. As indicated above, the wand 103 can be pointed to a point of interest (see points A, B, C) along an object or surface contour, which can be shown, for example, in a user interface (see GUI 107 in FIG. 1). Can be aligned. As already described, the wand 103 and the receiver 101 can communicate by ultrasonic, infrared and electromagnetic sensing to determine their relative location and orientation relative to each other. Other embodiments incorporating accelerometers provide additional position information.

ワンド103は、センサ201〜203およびワンド先端207を含む。センサは、超音波トランスデューサ、マイクロエレクトロメカニカル素子(Micro Electro Mechanical Element)(MEMS)マイクロホン、電磁石、光学素子(例えば、赤外線、レーザ)、金属製の物体または物理的移動を電圧または電流などの電気信号に変換または伝達するための他のトランスデューサであり得る。それらは、信号を送信するために自己出力型である点で能動素子であってもよく、あるいは反射型であるかまたは検出可能な磁気特性を示す点で受動素子であってもよい。   Wand 103 includes sensors 201-203 and wand tip 207. Sensors are ultrasonic transducers, micro electro mechanical elements (MEMS) microphones, electromagnets, optical elements (eg, infrared, laser), metal objects or physical movements of electrical signals such as voltage or current. Other transducers for converting or transmitting to They may be active elements in that they are self-powered to transmit signals, or may be passive elements in that they are reflective or exhibit detectable magnetic properties.

一実施形態において、ワンド103は、空中で超音波信号をそれぞれ送信する3つの超音波送信機201〜203、超音波信号を生成するために3つの超音波送信機201〜203に駆動信号を生成するためのコントローラ(または電子回路)214、近距離の位置測定および位置合わせ決定を行うためのユーザ入力を受信するユーザインターフェース218(例えば、ボタン)、ユーザ入力を中継し、タイミング情報を受信して、電子回路214を制御するための通信モジュール216、および電子回路218およびワンド103における関連する電子機器に電力を供給するための電池218を含む。コントローラ214は、超音波送信機201〜203に動作可能に結合される。送信機201〜203は、コントローラ214による指示に応答して感覚信号を送信する。ワンド103は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含んでいてもよく、いくつかの構成要素の機能が集積デバイスとして共有され得る。   In one embodiment, the wand 103 generates drive signals to three ultrasonic transmitters 201 to 203 that transmit ultrasonic signals in the air, and three ultrasonic transmitters 201 to 203 to generate ultrasonic signals. A controller (or electronic circuit) 214, a user interface 218 (eg, a button) that receives user input to perform near-field position measurement and alignment determination, relays user input, and receives timing information A communication module 216 for controlling the electronic circuit 214, and a battery 218 for supplying power to the electronic circuit 218 and related electronics in the wand 103. Controller 214 is operably coupled to ultrasonic transmitters 201-203. The transmitters 201 to 203 transmit sensory signals in response to instructions from the controller 214. The wand 103 may include more or fewer components than shown, and the functionality of several components may be shared as an integrated device.

さらなる送信機センサが、三次元検知のための過剰決定(over−determined)システムを提供するように含まれ得る。一例として、各超音波トランスデューサは、別個の送信および受信機能を行うことができる。超音波センサの1つのこのような例が、米国特許第7,725,288号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。超音波センサは、波形を構成し、整形するためのカスタマイズされたトランスデューサの物理的特性にしたがって、パルス整形波形を送信することができる。   Additional transmitter sensors can be included to provide an over-determined system for three-dimensional detection. As an example, each ultrasonic transducer can perform separate transmit and receive functions. One such example of an ultrasonic sensor is disclosed in US Pat. No. 7,725,288, the entire contents of which are hereby incorporated by reference. The ultrasonic sensor can transmit a pulse shaped waveform according to the physical characteristics of the customized transducer for composing and shaping the waveform.

ワンド先端207は、三次元空間における構造、例えば、アセンブリ、物体、機器またはジグの対象のポイントを特定するが、これらに限定されない。先端は、三次元空間におけるその空間的位置が、交差して(at cross ends)配置される3つの超音波送信機201〜203によって確立されるため、センサを必要としない。しかしながら、先端センサ219が、超音波機能(例えば、構造境界、深さなど)または接触に基づく検知を提供するように先端207に統合され得る。このような場合、先端207は、物理的行為、例えば、解剖学的または構造的位置への先端の接触に応答して、ポイントを位置合わせするようにタッチセンサ式であり得る。先端は、このような目的のための機械ばねまたは作動ばねアセンブリを含み得る。別の構成において、先端は、位置合わせする接触のための容量性タッチ先端または静電アセンブリを含む。ワンド先端207は、送信機201〜203を受信機101(図1を参照)との見通し線内に保ちながら、ワンド先端が解剖学的特徴を特定するのを可能にする交換可能な、着脱可能なまたはマルチヘッド型の(multi−headed)スタイラス先端を含み得る。これらのスタイラス先端は、直角であっても、曲線状であっても、または複数のタッチ位置を指し示すのが難しいようにピックの形態の他の形状であってもよい。これにより、先端207によって、構造、骨またはジグにおける(解剖学的)特徴などの対象のポイントを特定するために、ワンドを手の中に保持することができる。   The wand tip 207 identifies a structure in three-dimensional space, such as, but not limited to, an assembly, an object, a device, or a target point of a jig. The tip does not require a sensor because its spatial position in three-dimensional space is established by three ultrasonic transmitters 201-203 that are placed at cross ends. However, tip sensor 219 can be integrated into tip 207 to provide sensing based on ultrasound functionality (eg, structural boundaries, depth, etc.) or contact. In such cases, the tip 207 may be touch-sensitive to align the point in response to a physical action, eg, contact of the tip to an anatomical or structural location. The tip may include a mechanical spring or actuating spring assembly for such purposes. In another configuration, the tip includes a capacitive touch tip or electrostatic assembly for aligning contact. The wand tip 207 is replaceable and detachable that allows the wand tip to identify anatomical features while keeping the transmitters 201-203 within line of sight with the receiver 101 (see FIG. 1) A multi-headed stylus tip may be included. These stylus tips may be right-angled, curvilinear, or other shapes in the form of picks so that it is difficult to point to multiple touch locations. This allows the tip 207 to hold the wand in the hand to identify points of interest such as (anatomical) features in the structure, bone or jig.

ユーザインターフェース218は、手動操作および使用(例えば、オン/オフ/リセットボタン)を可能にするための1つまたは複数のボタンおよび視覚フィードバックを提供するための照明要素を含み得る。一構成において、8つの状態の(8−state)ナビゲーション押しボタン209が、ユーザインターフェースをさらに制御または補完するための指示を通信することができる。ナビゲーション押しボタン209は、片手での使用を可能にするためにワンドの側面に人間工学的に配置され得る。ワンド103は、ユーザインターフェース218とともに触覚モジュールを含み得る。例として、触覚モジュールは、不適切または適切な操作を示すために振動を変化(増加/減少)させ得る。ワンド103は、音(例えば、超音波)および光(例えば、赤外線)を透過するが、水、血液または組織などの生体物質を透過しない、送信機201〜202のための材料カバーを含む。一構成において、透明のプラスチック製の膜(またはメッシュ)が、きつく張られ、それは、送信された周波数によって共鳴下で振動し得る。電池218は、無線エネルギー充電(例えば、磁気誘導コイルおよび超キャパシタ)によって充電され得る。   User interface 218 may include one or more buttons to allow manual operation and use (eg, an on / off / reset button) and lighting elements to provide visual feedback. In one configuration, an 8-state navigation push button 209 can communicate instructions to further control or complement the user interface. A navigation push button 209 may be ergonomically placed on the side of the wand to allow for use with one hand. Wand 103 may include a haptic module along with user interface 218. As an example, the haptic module may change (increase / decrease) the vibration to indicate improper or proper operation. Wand 103 includes a material cover for transmitters 201-202 that transmits sound (e.g., ultrasound) and light (e.g., infrared) but does not transmit biological material such as water, blood, or tissue. In one configuration, a transparent plastic membrane (or mesh) is tightened, which can vibrate under resonance by the transmitted frequency. The battery 218 can be charged by wireless energy charging (eg, magnetic induction coils and supercapacitors).

ワンド103は、構造、物体またはジグに結合するためのベース結合機構205を含み得る。一例として、この機構は、一時的な脱離を可能にするために固定インサート(例えば、四角形のポストヘッド)を備えた磁気アセンブリであり得る。別の例として、この機構は、ラッチインクリメント(latched increment)を備えた磁気ボール(magnetic ball)および継手ソケット(joint socket)であり得る。さらに別の例として、この機構は、整形外科用ねじへのねじ支柱またはピンであり得る。他の実施形態は、既存のノッチ、リッジまたは孔によって、摺動、移動、回転、角度付け(angling)およびロックイン結合および解除、ならびに標準的なジグへの結合を可能にし得る。   The wand 103 may include a base coupling mechanism 205 for coupling to a structure, object or jig. As an example, the mechanism can be a magnetic assembly with a fixed insert (eg, a square posthead) to allow temporary detachment. As another example, the mechanism may be a magnetic ball with a latched increment and a joint socket. As yet another example, the mechanism can be a screw post or pin to an orthopedic screw. Other embodiments may allow sliding, moving, rotating, angling and lock-in coupling and release, and coupling to standard jigs with existing notches, ridges or holes.

ワンド103は、増幅器213および加速度計217をさらに含み得る。増幅器は、送信または受信された信号の信号対雑音比を高める。加速度計217は、移動中および固定したままで3軸および6軸傾斜を特定する。通信モジュール216は、受信機101に信号を伝達するための構成要素(例えば、同期クロック、無線周波数「RF」パルス、赤外線「IR」パルス、光/音響パルス)を含み得る。コントローラ214は、送信および受信同期の制御ならびにセンサ信号、加速度計情報、および他の構成要素のデータまたは状態の順序付け(sequencing)のためのカウンタ、クロック、または他のアナログまたはデジタル論理を含み得る。電池218は、それぞれの回路論理および構成要素に電力を供給する。赤外線送信機209は、(受信機への)超音波信号の送信と同期され得る赤外線タイミング信号をパルスする。   The wand 103 may further include an amplifier 213 and an accelerometer 217. The amplifier increases the signal to noise ratio of the transmitted or received signal. The accelerometer 217 identifies 3-axis and 6-axis tilt while moving and fixed. The communication module 216 may include components for transmitting signals to the receiver 101 (eg, synchronization clock, radio frequency “RF” pulse, infrared “IR” pulse, light / acoustic pulse). The controller 214 may include counters, clocks, or other analog or digital logic for controlling transmission and reception synchronization and for sequencing sensor signals, accelerometer information, and other component data or states. A battery 218 provides power to the respective circuit logic and components. Infrared transmitter 209 pulses an infrared timing signal that can be synchronized with the transmission of the ultrasound signal (to the receiver).

コントローラ214は、Flash、ROM、RAM、SRAM、DRAMまたはデバイスの上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置208とともに、マイクロプロセッサ(uP)および/またはデジタルシグナルプロセッサ(digital signal processor)(DSP)などの計算技術を用い得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および/またはプロセッサ内に存在し得る。入力/出力ポートは、例えば、ユニバーサルシリアルバス(Universal Serial Bus)(USB)によって、情報またはデータの可搬式の交換(portable exchange)を可能にする。コントローラ214の電子回路は、例えば、コア信号処理アルゴリズムに特有の、1つまたは複数の特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit)(ASIC)チップまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array)(FPGA)を含み得る。コントローラ214は、オペレーティングシステム(OS)の1つまたは複数のモジュールを動作させる埋め込みプラットフォームであり得る。一構成において、記憶装置は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか1つまたは複数を用いる1つまたは複数の命令集合(例えば、ソフトウェア)を保存し得る。   The controller 214 may be a microprocessor (uP) and / or digital along with associated storage 208 such as Flash, ROM, RAM, SRAM, DRAM or other similar technology for controlling the operation of the above components of the device. Computational techniques such as a digital signal processor (DSP) may be used. The instructions may also reside in other memory and / or processors completely or at least partially during execution of instructions by another processor or computer system. The input / output port allows for portable exchange of information or data, for example, via a Universal Serial Bus (USB). The electronic circuitry of the controller 214 may be, for example, one or more Application Specific Integrated Circuit (ASIC) chips or Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) specific to the core signal processing algorithm. ). The controller 214 may be an embedded platform that operates one or more modules of an operating system (OS). In one configuration, the storage device may store one or more instruction sets (eg, software) that use any one or more of the methods or functions described herein.

受信機101は、タイミング情報を生成し、ユーザ入力に応答してワンド103の指示位置を位置合わせし、受信機101に対する、ワンド103の3つ以上の指示位置からの近距離位置測定および位置合わせを決定するためのプロセッサ233を含む。受信機は、約2cmの幅、2cmの深さ、および10cm〜20cmの長さのサイズ寸法を有する。受信機は、応答して、第1、第2および第3の超音波信号を送信するワンド103にタイミング情報を送信するための通信モジュール235を含む。超音波信号は、振幅変調、周波数変調、および位相変調の組合せから生成されるパルス波形信号であり得る。3つのマイクロホン221〜223がそれぞれ、空中で送信される第1、第2および第3のパルス波形信号を受信する。受信機101は、線状に構成され得るかまたはより小型の構成では、三角形の形状を有し得る。三次元検知のためのデバイスの一例が、2007年3月7日に出願された「Method and Device for Three−Dimensional Sensing」という発明の名称の米国特許出願第11/683,410号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。   The receiver 101 generates timing information, aligns the indicated position of the wand 103 in response to user input, and measures and aligns the short distance position from the three or more indicated positions of the wand 103 with respect to the receiver 101. A processor 233 for determining. The receiver has a size dimension of about 2 cm wide, 2 cm deep, and 10 cm to 20 cm long. The receiver includes a communication module 235 for transmitting timing information in response to the wand 103 that transmits the first, second and third ultrasound signals. The ultrasound signal may be a pulse waveform signal generated from a combination of amplitude modulation, frequency modulation, and phase modulation. Each of the three microphones 221 to 223 receives the first, second, and third pulse waveform signals transmitted in the air. The receiver 101 may be configured in a line or in a smaller configuration may have a triangular shape. An example of a device for three-dimensional detection is disclosed in US patent application Ser. No. 11 / 683,410, filed Mar. 7, 2007, entitled “Method and Device for Three-Dimensional Sensing”. The entire contents of which are hereby incorporated by reference.

メモリ238は、超音波信号を保存し、超音波信号または処理された信号の履歴を生成し得る。メモリ238は、例えば、位置を合わせるためにユーザがボタンを押すのに応答して、ワンド先端位置を保存することもできる。無線通信インターフェース(入力/出力)239が、3つ以上の指示位置の位置情報および近距離位置合わせをリモートシステムに無線で伝送する。リモートシステムは、上述したように、位置情報および位置合わせ情報をリアルタイムで表示するコンピュータ、ラップトップまたは携帯機器であり得る。電池は、プロセッサ233および受信機101における関連する電子機器に電力を供給する。受信機101は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含んでいてもよく、いくつかの構成要素の機能が、共有されるかまたは中に集積され得る。   Memory 238 may store ultrasound signals and generate a history of ultrasound signals or processed signals. The memory 238 can also store the wand tip position, for example, in response to a user pressing a button to align. A wireless communication interface (input / output) 239 wirelessly transmits position information of three or more indicated positions and short-range alignment to the remote system. The remote system can be a computer, laptop or portable device that displays location information and alignment information in real time as described above. The battery supplies power to the processor 233 and associated electronics in the receiver 101. The receiver 101 may include more or fewer components than shown, and the functionality of some components may be shared or integrated in.

さらなる超音波センサが、三次元検知のための過剰決定システムを提供するように含まれ得る。超音波センサは、MEMSマイクロホン、受信機、超音波送信機またはそれらの組合せであり得る。一例として、各超音波トランスデューサは、別個の送信および受信機能を行うことができる。超音波センサの1つのこのような例が、米国特許第7,414,705号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。受信機101は、ピン251によって、骨またはジグに結合するための結合機構240も含み得る。一例として、結合機構240は、一時的な脱離を可能にするために固定インサート(例えば、四角形のポストヘッド)を備えた磁気アセンブリであり得る。別の例として、結合機構240は、ラッチインクリメントを備えた磁気ボールおよび継手ソケットであり得る。   Additional ultrasonic sensors can be included to provide an overdetermined system for three-dimensional detection. The ultrasonic sensor can be a MEMS microphone, a receiver, an ultrasonic transmitter, or a combination thereof. As an example, each ultrasonic transducer can perform separate transmit and receive functions. One such example of an ultrasonic sensor is disclosed in US Pat. No. 7,414,705, the entire contents of which are hereby incorporated by reference. The receiver 101 may also include a coupling mechanism 240 for coupling to a bone or jig by a pin 251. As an example, the coupling mechanism 240 can be a magnetic assembly with a fixed insert (eg, a square posthead) to allow temporary detachment. As another example, the coupling mechanism 240 can be a magnetic ball and joint socket with a latch increment.

受信機101は、増幅器232、通信モジュール235、加速度計236、およびプロセッサ233をさらに含み得る。プロセッサ233は、パルス整形器(pulse shaper)、位相検出器、信号コンプレッサ、および他のデジタルシグナルプロセッサコードユーティリティおよびパッケージなどのソフトウェアプログラムモジュールをホストし得る。増幅器232は、送信または受信された信号の信号対雑音比を高める。プロセッサ233は、送信および受信同期の制御ならびにセンサ信号、加速度計情報、および他の構成要素データまたは状態の順序付けのためのコントローラ、カウンタ、クロック、および他のアナログまたはデジタル論理を含み得る。加速度計236は、移動中および固定したままで軸傾斜(例えば、3軸および6軸)を特定し得る。電池234は、それぞれの回路論理および構成要素に電力を供給する。受信機は、ワンドとの無線赤外線通信を可能にするために、赤外線信号を検出し、超音波信号の送信時間を確立するためのフォトダイオード241を含む。   The receiver 101 may further include an amplifier 232, a communication module 235, an accelerometer 236, and a processor 233. The processor 233 may host software program modules such as a pulse shaper, phase detector, signal compressor, and other digital signal processor code utilities and packages. Amplifier 232 increases the signal to noise ratio of the transmitted or received signal. The processor 233 may include controllers, counters, clocks, and other analog or digital logic for control of transmit and receive synchronization and ordering of sensor signals, accelerometer information, and other component data or states. The accelerometer 236 may identify axial tilt (eg, 3 and 6 axes) while moving and fixed. A battery 234 provides power to the respective circuit logic and components. The receiver includes a photodiode 241 for detecting the infrared signal and establishing the transmission time of the ultrasonic signal to enable wireless infrared communication with the wand.

通信モジュール235は、(ワンド102への)ローカルな信号伝達のための構成要素(例えば、同期クロック、無線周波数「RF」パルス、赤外線「IR」パルス、光/音響パルス)を含み得る。通信モジュール235は、リモートデバイス(例えば、ラップトップ、コンピュータなど)を用いた無線通信のためのネットワークおよびデータ構成要素(例えば、Bluetooth(登録商標)、ZigBee、Wi−Fi、GPSK、FSK、USB、RS232、IRなど)も含み得る。ネットワークおよびデータ構成要素を介した外部通信が、本明細書において想定されるが、受信機101が、単独の操作を可能にするためのユーザインターフェース237を含み得ることに留意されたい。一例として、受信機101は、位置の位置合わせ状態を指し示す3つ以上のワンド先端を示すための3つのLEDライト224を含み得る。ユーザインターフェース237は、位置情報および位置合わせを報告するために自身のGUIとともにタッチスクリーンまたは他のインターフェースディスプレイも含み得る。   The communication module 235 may include components for local signal transmission (to the wand 102) (eg, synchronization clock, radio frequency “RF” pulses, infrared “IR” pulses, optical / acoustic pulses). The communication module 235 is a network and data component (eg, Bluetooth®, ZigBee, Wi-Fi, GPSK, FSK, USB, etc.) for wireless communication using a remote device (eg, laptop, computer, etc.). RS232, IR, etc.). Note that external communication via the network and data components is envisaged herein, but the receiver 101 may include a user interface 237 to allow a single operation. As an example, the receiver 101 may include three LED lights 224 to indicate three or more wand tips that indicate the alignment state of the position. User interface 237 may also include a touch screen or other interface display along with its GUI to report location information and alignment.

プロセッサ233は、Flash、ROM、RAM、SRAM、DRAMまたは端末装置の上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置238とともに、マイクロプロセッサ(uP)および/またはデジタルシグナルプロセッサ(digital signal processor)(DSP)などの計算技術を用い得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および/またはプロセッサ内に存在し得る。入力/出力ポートは、例えば、ユニバーサルシリアルバス(Universal Serial Bus)(USB)によって、情報またはデータの可搬式の交換を可能にする。コントローラの電子回路は、例えば、コア信号処理アルゴリズムまたは制御論理に特有の、1つまたは複数の特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit)(ASIC)チップまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array)(FPGA)を含み得る。プロセッサは、オペレーティングシステム(OS)の1つまたは複数のモジュールを動作させる埋め込みプラットフォームであり得る。一構成において、記憶装置238は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか1つまたは複数を用いる1つまたは複数の命令集合(例えば、ソフトウェア)を保存し得る。   Processor 233 may be a microprocessor (uP) and / or associated memory device 238 such as Flash, ROM, RAM, SRAM, DRAM or other similar technology for controlling the operation of the above components of a terminal device. Computational techniques such as a digital signal processor (DSP) can be used. The instructions may also reside in other memory and / or processors completely or at least partially during execution of instructions by another processor or computer system. The input / output port allows for the portable exchange of information or data, for example, by Universal Serial Bus (USB). The controller electronics may be, for example, one or more Application Specific Integrated Circuits (ASIC) chips or Field Programmable Gate Arrays specific to core signal processing algorithms or control logic. (FPGA). The processor may be an embedded platform that runs one or more modules of an operating system (OS). In one configuration, the storage device 238 may store one or more instruction sets (eg, software) that use any one or more of the methods or functions described herein.

第1の構成において、受信機101は、ワンド103につながれた電気接続(例えば、配線)を介して配線される。すなわち、ワンド103の通信ポートは、タイミング情報を受信するための受信機101の通信インターフェースに物理的に配線される。受信機101からのタイミング情報は、送信するタイミングをワンド103に通知し、パルス整形に適用され得る任意選択のパラメータを含む。受信機101におけるプロセッサ233は、このタイミング情報を用いて、基準時間ベースに対する、超音波信号伝達の場合に飛行時間(Time of Flight)測定を確立する。   In the first configuration, the receiver 101 is wired via an electrical connection (eg, wiring) connected to the wand 103. That is, the communication port of the wand 103 is physically wired to the communication interface of the receiver 101 for receiving timing information. The timing information from the receiver 101 informs the wand 103 of the transmission timing and includes optional parameters that can be applied to pulse shaping. The processor 233 at the receiver 101 uses this timing information to establish a Time of Flight measurement in the case of ultrasonic signal transmission relative to a reference time base.

第2の構成において、受信機101は、無線I/O239を介した無線信号伝達接続を介して、ワンド103に通信可能に結合される。信号伝達プロトコルが、10/8/2010に出願された「Navigation Device Providing Sensory Feedback」という発明の名称の米国特許出願第12/900,662号明細書に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に援用される。ワンド103における赤外線送信機209が、それぞれの送信されたパルス波形信号とともに赤外線タイミング信号を送信する。赤外線送信機209は、受信機への超音波信号の送信と同期される赤外線タイミング信号をパルスする。受信機101は、赤外線タイミング信号が受信されるときを決定するためのフォトダイオード241を含み得る。この場合、ワンド103の通信ポートは、赤外線送信機およびマイクロ秒の精度(1mmまでの分解能)内でタイミング情報を中継するためのフォトダイオードによって、受信機101の通信インターフェースに無線で結合される。受信機101におけるプロセッサ233は、この赤外線タイミング情報を用いて、基準送信時間に対する第1、第2、および第3の飛行時間(Time of Flight)測定を確立する。   In the second configuration, the receiver 101 is communicatively coupled to the wand 103 via a wireless signal transmission connection via the wireless I / O 239. A signaling protocol is disclosed in US patent application Ser. No. 12 / 900,662, entitled “Navigation Device Providing Sensitivity Feedback”, filed 10/8/2010, the entire contents of which are incorporated by reference. Incorporated herein by reference. An infrared transmitter 209 in the wand 103 transmits an infrared timing signal along with each transmitted pulse waveform signal. Infrared transmitter 209 pulses an infrared timing signal that is synchronized with the transmission of the ultrasonic signal to the receiver. The receiver 101 can include a photodiode 241 for determining when an infrared timing signal is received. In this case, the communication port of the wand 103 is wirelessly coupled to the communication interface of the receiver 101 by an infrared transmitter and a photodiode for relaying timing information within microsecond accuracy (resolution up to 1 mm). The processor 233 at the receiver 101 uses this infrared timing information to establish first, second, and third time of flight measurements relative to the reference transmission time.

図4は、非限定的な例の脊椎位置合わせ300を評価するための複数のセンサ化ワンドを示す。図示されるように、複数のセンサ化ワンド301〜304は、個々の椎骨の移動および/または他の追跡される椎骨に対する位置合わせを追跡するのに用いられ得る。ワンドのそれぞれは、異なるサイズおよびセンサ構成のものであり得る。ワンドは、4cm〜12cmの寸法、および1cm以下の幅に及び得る軽量の構成要素である。一般に、ワンド301〜304は、手動で容易に保持される形状因子(form factor)を有し、または筋肉・骨格系によって結合または支持され得る。例えば、第1のワンド301は、別のワンド303より広くて長いセンサ距離を有していてもよい。これにより、ワンド301〜304と受信機308との間の通信が促進され得る。各ワンドは、例えば、ワンドに特有の特徴的な低周波磁気波長として保存される、それを他のものと識別するための個別のIDを有し得る。システム100は、受動的磁場を介してワンドを識別し、1つまたは複数の超音波、光学、電磁素子、または(受動/能動)センサによって位置を決定し得る。   FIG. 4 shows a plurality of sensored wands for evaluating a non-limiting example spine alignment 300. As shown, a plurality of sensored wands 301-304 may be used to track the movement of individual vertebrae and / or alignment with other tracked vertebrae. Each of the wands can be of a different size and sensor configuration. A wand is a lightweight component that can range in dimensions from 4 cm to 12 cm and a width of 1 cm or less. In general, the wands 301-304 have a form factor that is easily held manually or can be coupled or supported by a musculoskeletal system. For example, the first wand 301 may have a wider and longer sensor distance than another wand 303. Thereby, communication between the wands 301 to 304 and the receiver 308 can be facilitated. Each wand may have a separate ID to distinguish it from others, for example, stored as a characteristic low frequency magnetic wavelength unique to the wand. The system 100 may identify the wand via a passive magnetic field and determine the position by one or more ultrasound, optical, electromagnetic elements, or (passive / active) sensors.

図4の説明とともに、ワークフロー方法が、本明細書において想定される。第1のワークフロー工程311では、受信機308は、手術部位およびワンドが使用されることが予想される場所に近接して位置決めされる。上述したように、受信機308は、台に設置され、または仙骨(または他の骨領域)に固定されて、ワンドの向きおよび場所を追跡する。ワンドは、手の中に保持され、仙骨における解剖学的特徴を位置合わせする、例えば、ワンド先端を骨特徴に合わせてクリックするのに使用され得る。このポイント位置合わせにより、解剖学的ポイントが捕らえられ、それが次に、適切な向きおよび寸法を有する3D脊椎モデルを取り出すのに使用される。工程312では、次に、ワンドは、椎骨におけるポイントを位置合わせして、その椎骨の場所を評価するのに使用され得る。第1の構成において、ワンドは、ワンド先端ポイント位置合わせを行わずに、直接椎骨に固定され得る。これにより、必ずしも向きであるとは限らない、挿入ポイントにおける空間的位置(三次元情報)を評価するための1つのポイントが提供される。   In conjunction with the description of FIG. 4, a workflow method is assumed herein. In a first workflow step 311, the receiver 308 is positioned in proximity to the surgical site and where the wand is expected to be used. As described above, the receiver 308 is placed on a table or secured to the sacrum (or other bone region) to track the orientation and location of the wand. The wand is held in the hand and can be used to align anatomical features in the sacrum, for example, to click the wand tip to align with the bone features. This point alignment captures anatomical points, which are then used to retrieve a 3D spine model with the appropriate orientation and dimensions. In step 312, the wand can then be used to align points in the vertebra and assess the location of that vertebra. In the first configuration, the wand can be secured directly to the vertebra without wand tip point alignment. This provides a single point for evaluating the spatial position (three-dimensional information) at the insertion point, which is not necessarily orientation.

第2の構成において、ワンドは、まず、椎骨の表面におけるポイントを位置合わせするのに使用され、次にその中に挿入される。位置合わせにより、解剖学的な椎骨のポイントを捕らえ、それが次に、適切な向きおよび寸法を有する3D椎骨モデルを取り出すのに使用される。これにより、ワンドがその中に挿入されるとき、システム100は、適切な縮尺および位置で椎骨を追跡することができる。仙骨における受信機および椎骨における各ワンドの位置合わせおよび位置決めの際、システム100は、工程313に示されるように、機器追跡のリアルタイムの表示を提供する。すなわち、システム100は、脊椎の3Dモデル、センサ化ワンド301〜304および受信機308を示す仮想環境を生成する。   In the second configuration, the wand is first used to align a point on the surface of the vertebra and then inserted into it. Alignment captures anatomical vertebra points, which are then used to retrieve a 3D vertebra model with the appropriate orientation and dimensions. This allows the system 100 to track the vertebra at an appropriate scale and position as the wand is inserted therein. Upon alignment and positioning of the receiver in the sacrum and each wand in the vertebra, the system 100 provides a real-time display of instrument tracking, as shown in step 313. That is, the system 100 generates a virtual environment showing a 3D model of the spine, sensored wands 301-304, and a receiver 308.

図5は、非限定的な例の脊椎の状態を決定するためのセンサ化された設置を示す。上述したように、ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサなどのセンサも含み得る。ワンド先端は、対象のポイントを位置合わせするのに使用されるとき、挿入部位に直接関連するバイオメトリックデータも捕捉することができる。ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサを解放し、それを接触部位に位置決めされたままにすることもできる。図5および6の説明は、ワンド先端センサの設置を示し、これは、ある構成において、その先端センサを、長期の埋め込みのためにその場で配備する。システム100は、骨に対する荷重に似た振動パターンでのエネルギー波の伝達を可能にし、骨ミネラル量および骨密度を改善することもできる。センサは、インプラントを介してまたはインプラントにわたってエネルギー波を送り、それによって、骨折の治癒を助けることもできる。   FIG. 5 shows a sensorized installation for determining the state of the spine in a non-limiting example. As described above, the wand tip may also include a sensor such as a biometric transducer. When the wand tip is used to align the point of interest, it can also capture biometric data directly related to the insertion site. The wand tip can also release the biometric transducer and leave it positioned at the contact site. The description of FIGS. 5 and 6 shows the installation of a wand tip sensor, which, in one configuration, deploys the tip sensor in situ for long term implantation. The system 100 can also transmit energy waves in a vibration pattern similar to the load on the bone, and can also improve bone mineral content and bone density. The sensor can also send energy waves through or across the implant, thereby assisting in healing the fracture.

したがって、位置および向きを含むセンサ化された設置の関数であるバイオメトリックパラメータを検出するための方法が本明細書において提供される。本方法は、バイオメトリックトランスデューサを、脊椎関節の移動構成要素上に提供する工程と、脊椎関節または脊椎の移動中に、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位に、バイオメトリックトランスデューサからのエネルギー波(例えば、超音波、光学、電磁電磁)を伝達する工程と、脊椎関節の移動中に、エネルギー波の挙動を定量的に評価する工程と、評価された挙動および脊椎関節の移動に基づいて、現在の状態または圧力、張力、せん断、荷重、トルク、骨密度および荷重重量からなる群から選択される手技部位の少なくとも1つのパラメータを決定する工程とを含む。あるいは、1つまたは複数のセンサを組み込む挿入可能なヘッドアセンブリが、対象のバイオメトリックパラメータを測定するのに使用され得る。この例では、バイオメトリックトランスデューサは、椎骨の移動および荷重に関する情報を検出し、送信することができる。一例として、センサは、例えば、脊椎関節が移動中に屈曲される際、評価された挙動の頻度または周期性を評価することによって、整形外科用関節の異常な移動を検出することができる。   Accordingly, provided herein is a method for detecting a biometric parameter that is a function of sensored placement including position and orientation. The method includes providing a biometric transducer on a moving component of the spinal joint and energy waves from the biometric transducer to a different surgical site from the moving component of the spinal joint during movement of the spinal joint or spine. (E.g., ultrasound, optics, electromagnetic), quantitatively assessing energy wave behavior during spinal joint movement, and based on the evaluated behavior and spinal joint movement, Determining at least one parameter of a procedure site selected from the group consisting of current conditions or pressure, tension, shear, load, torque, bone density and load weight. Alternatively, an insertable head assembly incorporating one or more sensors can be used to measure a subject's biometric parameters. In this example, the biometric transducer can detect and transmit information regarding vertebral movement and loading. As an example, the sensor can detect abnormal movement of the orthopedic joint, for example, by evaluating the frequency or periodicity of the evaluated behavior when the spinal joint is flexed during movement.

図5に示される一例として、単一のセンサ352が、圧力、張力、せん断、骨密度および荷重重量に関連する関節機構の品質または機能などの、移動中の脊椎関節の挙動を評価するために、骨または脊椎関節の装具構成要素(例えば、椎骨)に埋め込まれ得る。この実施形態のセンサ352は、骨(椎骨)における固定された場所にあり、手技部位360に対する移動中に椎骨358とともに移動する。図示されるように、手技部位360は、椎骨354、椎間板356、および椎骨358を含む。手技部位360は、椎骨が単一のセンサを主に移動させるため、センサに対して比較的動かない。この構成の単一のセンサは、移動の結果としての手技部位における対象のパラメータ(例えば、圧力、張力、せん断、骨密度、および荷重重量)の様々な変化に曝される。一例として、センサは、移動中に関節の様々な場所に加えられる動作によって生じる様々な関節運動によって圧縮される。移動中、センサ352は、手技部位におけるエネルギー波を評価し、椎骨の移動(ひいてはセンサの焦点)が移動の結果として手技部位に対して変化するため、隣接部位も評価される。センサ352の位置も、(それにワンドが結合される場合、ワンドによって)他の椎骨に対して決定され、向き、場所および位置に関する検知されたパラメータの変化をカタログする(catalog)のに使用される。   As an example shown in FIG. 5, a single sensor 352 may be used to evaluate the behavior of a moving spinal joint, such as the quality or function of a joint mechanism related to pressure, tension, shear, bone density, and load weight. Can be implanted in a bone or spinal joint orthosis component (eg, vertebrae). The sensor 352 in this embodiment is in a fixed location in the bone (vertebra) and moves with the vertebra 358 during movement relative to the procedure site 360. As shown, the procedure site 360 includes a vertebra 354, an intervertebral disc 356, and a vertebra 358. The procedure site 360 is relatively immobile with respect to the sensor because the vertebrae primarily move a single sensor. A single sensor of this configuration is exposed to various changes in the subject parameters (eg, pressure, tension, shear, bone density, and load weight) at the procedure site as a result of movement. As an example, the sensor is compressed by various joint movements caused by movements applied to various locations of the joint during movement. During movement, the sensor 352 evaluates the energy waves at the procedure site and the adjacent sites are also evaluated because the movement of the vertebra (and thus the focus of the sensor) changes relative to the procedure site as a result of the movement. The position of the sensor 352 is also determined with respect to other vertebrae (by the wand if it is coupled to it) and used to catalog the detected parameter changes with respect to orientation, location and position. .

移動構成要素(例えば、椎骨、歯科用インプラント)にセンサ352を設置することおよびその場所および向きの知識を用いて、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位中にエネルギー波を伝達することの1つの利点は、それがセンサ352と手技部位との間の距離を効果的に変化させることであり、それにより、センサ352の分解能および焦点ならびにそれに対する力が変化される。位置情報も、検知されたパラメータの変化に対する移動の周期性を示す。一例として、切り替えられる送信および受信モードで動作するセンサ352は、操作の変化を生じずに、手技部位の異なる深さで測定を取ることができる。センサ352は、関節運動による距離の変化の結果として、例えば、インピーダンスを整合させるために、送信されたエネルギー波の周波数、振幅、または位相の変更を本来必要とし得るセンサ調整を行わずに、異なる測定を取ることができる。   One of installing a sensor 352 on a moving component (eg, vertebra, dental implant) and using the knowledge of its location and orientation to transmit energy waves into a different surgical site than the moving component of the spinal joint One advantage is that it effectively changes the distance between the sensor 352 and the procedure site, thereby changing the resolution and focus of the sensor 352 and the forces on it. The position information also indicates the periodicity of movement relative to the detected parameter change. As an example, a sensor 352 operating in a switched transmit and receive mode can take measurements at different depths of the procedure site without causing operational changes. Sensors 352 differ as a result of distance changes due to articulation, for example, without making sensor adjustments that may originally require changes in the frequency, amplitude, or phase of the transmitted energy wave to match impedance. You can take measurements.

一例として、バイオメトリックセンサ352は、超音波デバイスであり得る。定量的超音波法は、骨ミネラル量のみを測定する他の骨密度測定方法と対照的に、機械的完全性などの骨のさらなる特性を測定することができる。骨を介した超音波の伝播は、骨量、骨構造、および荷重の方向性によって影響される。骨の強度および剛性を評価する手段としての定量的超音波測定は、受信された超音波信号の処理に基づく。音および超音波の速度は、骨および軟組織を通って伝播する。装具の緩みまたは沈降、および大腿骨/脛骨/寛骨臼または装具の破砕は、骨量の減少に関連する。したがって、装具周囲の骨ミネラル量の進行する定量化できる変化の正確な評価は、治療する外科医が、修正関節形成(revision arthroplasty)のために骨量(bone stock)を保存するために介入するタイミングを決定するのを助け得る。この情報は、骨粗しょう症の骨のためのインプラントの開発に役立ち、骨粗しょう症の治療および様々なインプラントコーティングの影響の評価に役立つ。   As an example, biometric sensor 352 can be an ultrasound device. Quantitative ultrasound can measure additional properties of bone, such as mechanical integrity, in contrast to other bone density measurement methods that measure only bone mineral content. The propagation of ultrasound through bone is affected by bone mass, bone structure, and load direction. Quantitative ultrasound measurements as a means of assessing bone strength and stiffness are based on the processing of received ultrasound signals. The speed of sound and ultrasound propagates through bone and soft tissue. Looseness or settling of the brace and fracture of the femur / tibia / acetabulum or brace are associated with bone loss. Thus, an accurate assessment of the progressive quantifiable change in the amount of bone mineral around the brace is the timing at which the treating surgeon intervenes to preserve bone stock for revision arthroplasty. Can help you decide. This information is useful for the development of implants for osteoporotic bone, and for the treatment of osteoporosis and the assessment of the effects of various implant coatings.

図6は、非限定的な例の脊椎の状態を決定するための複数のセンサ化された設置を示す。上述したように、ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサなどのセンサも含み得る。ワンド先端は、対象のポイントを位置合わせするのに使用されるとき、挿入部位に直接関連するバイオメトリックデータも捕捉することができる。ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサを解放し、それを接触部位に位置決めされたままにすることもできる。   FIG. 6 illustrates multiple sensorized installations for determining the state of the spine in a non-limiting example. As described above, the wand tip may also include a sensor such as a biometric transducer. When the wand tip is used to align the point of interest, it can also capture biometric data directly related to the insertion site. The wand tip can also release the biometric transducer and leave it positioned at the contact site.

したがって、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位で第2のバイオメトリックトランスデューサを提供する工程と、脊椎関節の移動中に、第1のバイオメトリックトランスデューサおよび第2のバイオメトリックトランスデューサの相対的な分離に基づいてエネルギー波の挙動を定量的に評価する工程とを含む、バイオメトリックパラメータを検出するための方法が、本明細書において提供される。手技部位の現在の状態または少なくとも1つのパラメータが、評価された挙動および脊椎関節の移動から決定される。パラメータは、歪み、振動、運動力学、および安定性のうちの1つである。第1のバイオメトリックトランスデューサまたは第2のバイオメトリックトランスデューサは、少なくとも1つのバイオメトリックパラメータに関連するデータを、評価のための外部源に送信するための送受信機を含み得る。   Accordingly, providing a second biometric transducer at a different surgical site than the spinal joint movement component and the relative separation of the first biometric transducer and the second biometric transducer during spinal joint movement. There is provided herein a method for detecting a biometric parameter comprising quantitatively evaluating the behavior of an energy wave based on The current state of the procedure site or at least one parameter is determined from the estimated behavior and spinal joint movement. The parameter is one of strain, vibration, kinematics, and stability. The first biometric transducer or the second biometric transducer may include a transceiver for transmitting data associated with the at least one biometric parameter to an external source for evaluation.

図6に示されるように、センサ352は、骨または脊椎関節の装具構成要素(例えば、椎骨)に埋め込まれ得、センサ366は、移動中に、脊椎関節の挙動を評価するために、手技部位における異なる位置に位置決めされ得る。この実施形態のセンサ352は、骨(椎骨)における固定された場所にあり、手技部位におけるセンサ366に対して、関節運動中に椎骨とともに移動する。センサ366は、異なる骨上にあり得る。両方のセンサが移動し得るが、センサ352は、実際には、センサ366に対して移動するものとみなされ得、示されるように相対的に変位される。センサ352および366は、以下に限定はされないが、骨密度、流体粘度、温度、歪み、圧力、角状変形(angular deformity)、振動、荷重、トルク、距離、傾斜、形状、弾性、運動などに関する、ホスト骨および組織の評価を可能にする。   As shown in FIG. 6, sensor 352 may be implanted in a bone or spinal joint orthosis component (eg, vertebra), and sensor 366 may be used to assess a spinal joint behavior during movement. In different positions. The sensor 352 in this embodiment is in a fixed location in the bone (vertebra) and moves with the vertebra during articulation relative to the sensor 366 at the procedure site. Sensors 366 can be on different bones. Although both sensors can move, sensor 352 can actually be considered to move relative to sensor 366 and is displaced relative to the shown. Sensors 352 and 366 include, but are not limited to, bone density, fluid viscosity, temperature, strain, pressure, angular deformation, vibration, load, torque, distance, slope, shape, elasticity, motion, etc. Allows assessment of host bones and tissues.

図示される二重センサ構成は、骨の完全性を評価することができる。例えば、脊椎関節において、第1および第2の椎骨に結合されるセンサ352および366が、骨密度を評価する。本発明に係るセンサ352、センサ366、またはその両方によって送られる外部および内部エネルギー波が、骨折の治療および脊椎固定術の際に使用され得る。2つの配備されるセンサを用いて、センサ間の距離が、対象の領域および生成され得る電力場(power field)で決定され得る。エネルギー場は、超音波、無線周波数、および/または電磁場などの標準的なエネルギー源であり得る。経時的なエネルギー波の偏向は、例えば、評価される所望のパラメータの変化の検出を可能にするであろう。例として、大腿骨の遠位端に設置される第1のセンサは、椎骨の移動の際、脛骨の近位端に埋め込まれた第2のセンサからの骨密度を評価し得る。   The illustrated dual sensor configuration can assess bone integrity. For example, at the spinal joint, sensors 352 and 366 coupled to the first and second vertebrae assess bone density. External and internal energy waves delivered by sensor 352, sensor 366, or both according to the present invention may be used during fracture treatment and spinal fusion. With two deployed sensors, the distance between the sensors can be determined by the area of interest and the power field that can be generated. The energy field can be a standard energy source such as ultrasound, radio frequency, and / or electromagnetic field. The deflection of the energy wave over time will allow, for example, detection of changes in the desired parameter being evaluated. As an example, a first sensor placed at the distal end of the femur may assess bone density from a second sensor implanted at the proximal end of the tibia during vertebra movement.

2つ以上のセンサの1つの利点は、それらが、移動の結果として互いに対してより近くおよびより離れて移動することであり、これは、例えば、調査中のセンサの周波数特性および手技部位のインピーダンス特性により、エネルギー波の評価を向上させる動作である。また、センサ352および366の相対的な分離により、例えば、インピーダンスを整合させるために、送信されたエネルギー波の周波数、振幅、または位相の変更を本来必要とし得るセンサ調整を行わずに、異なる測定を取ることができる。この例では、骨の測定は、受信された超音波信号の処理に基づく。音速および超音波速度は両方とも、超音波が骨および軟組織を通していかに迅速に伝播するかに基づいて測定を提供する。これらの測定の特性により、迅速な三次元幾何学形状の生成が可能になり、この情報は、位置、向きおよび場所情報とともにシステム100によって処理され得る。センサは、関節腔にわたるため、インプラント機能の変化を検出することができる。インプラント機能の例は、いくつか挙げると、軸受摩耗(bearing wear)、沈降、骨の統合(bone integration)、通常のおよび異常な動き、熱、粘度の変化、粒状物質、運動力学を含む。   One advantage of two or more sensors is that they move closer and further with respect to each other as a result of movement, for example, the frequency characteristics of the sensor under investigation and the impedance of the procedure site This is an operation that improves the evaluation of energy waves depending on the characteristics. Also, the relative separation of sensors 352 and 366 can provide different measurements without sensor adjustments that may inherently require changes in the frequency, amplitude, or phase of the transmitted energy wave, eg, to match impedance. Can take. In this example, the bone measurement is based on the processing of the received ultrasound signal. Both the speed of sound and the ultrasonic velocity provide a measurement based on how quickly the ultrasonic wave propagates through bone and soft tissue. These measurement characteristics allow for rapid three-dimensional geometry generation, and this information can be processed by the system 100 along with position, orientation and location information. Since the sensor spans the joint space, it can detect changes in implant function. Examples of implant functions include bearing wear, settling, bone integration, normal and abnormal movement, heat, viscosity changes, particulate matter, kinematics, to name a few.

図7は、非限定的な例のセンサ化脊椎用機器400を示す。側面図および平面図が示される。脊椎用機器400は、ハンドル409、シャフト430、およびセンサ付きヘッド407を含む。ハンドル409は、シャフト430の近位端に結合され、センサ付きヘッド407は、シャフト430の遠位端に結合される。一実施形態において、ハンドル409、シャフト430、およびセンサ付きヘッド407は、剛性構造を形成し、この剛性構造は、脊椎領域を伸延させるかまたはそれを測定するのに使用されるときに曲がらない。脊椎用機器400は、センサ付きヘッド407における1つまたは複数のセンサに動作可能に結合される電子アセンブリ401を含む。センサは、センサ付きヘッド407の移動構成要素404/405における表面403/406に結合される。電子アセンブリ401は、シャフト407の近位端に向かってまたはハンドル409中に配置される。図示されるように、電子アセンブリ401は、シャフト409に結合される。電子アセンブリ401は、論理回路、加速度計、および通信回路を含む電子回路を含む。一実施形態において、センサ付きヘッド407の表面403および406は、凸形状を有し得る。表面403および406の凸形状は、脊椎領域内で、より具体的には、椎骨の輪郭の間で、センサ付きヘッド407の設置を支持する。一実施形態において、センサ付きヘッド407は、ハンドル409の旋回運動411に応じて、均一に伸延したり閉じたりするジャック402を介して、上部構成要素404および底部構成要素405によって高さ調節可能である。ジャック402は、センサ付きヘッド407の構成要素404および405の内面に結合される。シャフト430は、1つまたは複数の縦方向の通路を含む。電子アセンブリ401がセンサ付きヘッド407における1つまたは複数のセンサに動作可能に結合されるように、例えば、フレキシブルワイヤインターコネクト(flexible wire interconnect)などのインターコネクトが、シャフト430の1つの縦方向の通路を通って結合し得る。同様に、ねじ棒が、ハンドル409をジャック404に結合するために、シャフト430の第2の通路を介して結合することができ、それによって、ハンドル409の回転によって、センサ付きヘッド407の高さ調節が可能になる。   FIG. 7 shows a non-limiting example sensorized spinal instrument 400. A side view and a plan view are shown. The spinal instrument 400 includes a handle 409, a shaft 430, and a sensored head 407. Handle 409 is coupled to the proximal end of shaft 430 and sensored head 407 is coupled to the distal end of shaft 430. In one embodiment, handle 409, shaft 430, and sensored head 407 form a rigid structure that does not bend when used to distract or measure the spinal region. The spinal instrument 400 includes an electronic assembly 401 that is operatively coupled to one or more sensors in the sensored head 407. The sensor is coupled to the surface 403/406 in the moving component 404/405 of the sensored head 407. The electronic assembly 401 is disposed toward the proximal end of the shaft 407 or in the handle 409. As shown, the electronic assembly 401 is coupled to the shaft 409. The electronic assembly 401 includes electronic circuits including logic circuits, accelerometers, and communication circuits. In one embodiment, the surfaces 403 and 406 of the sensored head 407 may have a convex shape. The convex shape of the surfaces 403 and 406 supports the placement of the sensored head 407 within the spinal region, and more specifically between the vertebral contours. In one embodiment, sensored head 407 is height adjustable by top component 404 and bottom component 405 via jack 402 that extends and closes uniformly in response to pivoting motion 411 of handle 409. is there. Jack 402 is coupled to the inner surface of components 404 and 405 of sensored head 407. The shaft 430 includes one or more longitudinal passages. For example, an interconnect, such as a flexible wire interconnect, passes through one longitudinal passage of the shaft 430 so that the electronic assembly 401 is operatively coupled to one or more sensors in the sensored head 407. Can be joined through. Similarly, a threaded rod can be coupled through the second passage of the shaft 430 to couple the handle 409 to the jack 404 so that rotation of the handle 409 causes the height of the sensored head 407 to be increased. Adjustment is possible.

脊椎用機器400は、埋め込まれた加速度計によって、向きを決定することもできる。センサ付きヘッド407は、圧力、張力、せん断力、荷重、トルク、骨密度、および/または荷重重量(bearing weight)を含む、手技部位(例えば、椎間腔)のパラメータを決定する能力を含む多機能を支持する。一実施形態において、2つ以上の荷重センサは、センサ付きヘッド407内に含まれ得る。2つ以上の荷重センサは、表面403および406の所定の場所に結合され得る。2つ以上の荷重センサを有することで、センサ付きヘッド407が、荷重の大きさおよび表面403および406に加えられた荷重の位置を測定することができる。センサ付きヘッド407を用いて、椎骨構成要素を設置する前に、脊椎関節を測定し、調整し、試験することができる。以下で分かるように、位置合わせシステム100は、椎間板荷重の検知の際の脊椎機器400の最適な挿入角度および位置を評価し、挿入機器を用いるときに、これらの条件を再現する。   The spinal instrument 400 can also determine orientation with an embedded accelerometer. Sensored head 407 includes multiple capabilities including the ability to determine parameters of the procedure site (eg, intervertebral space), including pressure, tension, shear force, load, torque, bone density, and / or bearing weight. Support the function. In one embodiment, two or more load sensors can be included in the sensored head 407. Two or more load sensors can be coupled in place on the surfaces 403 and 406. Having two or more load sensors allows the sensored head 407 to measure the magnitude of the load and the position of the load applied to the surfaces 403 and 406. Sensored head 407 can be used to measure, adjust, and test the spinal joint prior to installing the vertebral component. As will be seen below, the alignment system 100 evaluates the optimal insertion angle and position of the spinal instrument 400 upon detection of the intervertebral disc load and reproduces these conditions when using the insertion instrument.

本発明において、これらのパラメータは、i)センサを支持する封入構造および接触面およびii)電源、検知要素、1つまたは複数の超音波共振器または1つまたは複数の超音波トランスデューサおよび1つまたは複数の超音波導波路、1つまたは複数の付勢ばねまたは他の形態の弾性部材、加速度計、アンテナおよび測定データを処理するだけでなく、エネルギーの変換、伝播、および検出ならびに無線通信の全ての操作を制御する電子回路を統合する電子集合体(electronic assemblage)を含む統合された無線センサ付きヘッド407またはデバイスを用いて測定され得る。センサ付きヘッド407または機器400は、対象とするパラメータをリアルタイムで検知し、通信するために、機器、電気器具(appliance)、車両(vehicle)、装備、または他の物理的システムを含むがこれらに限定されない様々な物理的システムならびに動物およびヒトの身体の上またはその中に位置決めされるか、またはそれらと係合されるか、あるいはそれらにまたはそれらの中に結合または固定され得る。   In the present invention, these parameters are: i) the encapsulating structure and the contact surface supporting the sensor and ii) the power source, the sensing element, one or more ultrasonic resonators or one or more ultrasonic transducers and one or Multiple ultrasonic waveguides, one or more biasing springs or other forms of elastic members, accelerometers, antennas and processing measurement data as well as energy conversion, propagation and detection and all of wireless communication It can be measured using an integrated wireless sensored head 407 or device that includes an electronic assembly that integrates the electronic circuitry that controls the operation of the device. Sensored head 407 or device 400 includes, but is not limited to, a device, appliance, vehicle, equipment, or other physical system to detect and communicate parameters of interest in real time. Various physical systems, including but not limited to, can be positioned on or engaged with, or coupled to or secured to, the animal and human body.

脊椎用機器400を使用する例が、脊椎ケージの図中にある。脊椎ケージは、椎間板の置換の際に椎骨の間隔を空けるのに使用される。脊椎ケージは、典型的に中空であり、固定のためのねじを有して形成され得る。可動域にわたって荷重の十分な支持および分布を得るために、2つ以上のケージが椎骨の間に設置されることが多い。一実施形態において、脊椎ケージは、軽量および強度のためにチタンで作製される。骨成長を開始させ、促進するために、ケージに骨成長材料を入れることもでき、それによって、椎間領域を長期間さらに強化する。脊椎用機器400は、荷重および荷重の位置を測定するために、椎骨の間の間隙に挿入される。荷重の位置は、センサ付きヘッド407の表面403または406に荷重を加える椎骨領域または表面に対応する。脊椎用機器400のセンサ付きヘッド407の挿入の角度および位置も測定することができる。荷重の大きさおよび荷重の位置の測定は、椎骨の間の埋め込み場所および埋め込み場所に対する脊椎ケージの最適なサイズを決定するために、外科医によって使用される。最適なサイズは、脊椎によって荷重をかけられるときに所定の荷重範囲内に入るケージ高さであろう。典型的に、対象の椎骨を伸延させ、対象の椎骨によって加えられる力を測定するのに使用されるセンサ付きヘッド407の高さは、後の工程で埋め込まれるケージ高さに等しい。センサ付きヘッド407を椎骨から取り外した後、脊椎ケージは、同じ領域に埋め込まれ得る。埋め込まれた脊椎ケージに対する荷重は、脊椎用機器400によって形成され、センサヘッド407によって加えられる測定値にほぼ等しい。一実施形態において、挿入試験測定の角度および位置は、脊椎用機器400またはそれに結合されたリモートシステムによって記録される。その後、角度および位置の測定は、測定プロセス中に、脊椎用機器400と同一の経路において、脊椎の同じ領域中に脊椎ケージを導くのに使用される。   An example of using spinal instrument 400 is in the spinal cage illustration. The spinal cage is used to space vertebrae during disc replacement. The spinal cage is typically hollow and can be formed with screws for fixation. Two or more cages are often placed between the vertebrae to obtain sufficient support and distribution of the load over the range of motion. In one embodiment, the spinal cage is made of titanium for light weight and strength. Bone growth material can also be placed in the cage to initiate and promote bone growth, thereby further strengthening the intervertebral region over time. The spinal instrument 400 is inserted into the gap between the vertebrae to measure the load and the position of the load. The position of the load corresponds to the vertebral region or surface that applies the load to the surface 403 or 406 of the sensored head 407. The angle and position of insertion of sensored head 407 of spinal instrument 400 can also be measured. Measurement of the magnitude of the load and the position of the load is used by the surgeon to determine the optimal location for the implant location between the vertebrae and the spinal cage for the implant location. The optimal size would be a cage height that falls within a predetermined load range when loaded by the spine. Typically, the height of the sensored head 407 used to distract the subject's vertebra and measure the force applied by the subject's vertebra is equal to the cage height implanted in a later step. After removing the sensored head 407 from the vertebra, the spinal cage can be implanted in the same area. The load on the implanted spinal cage is approximately equal to the measurement created by the spinal instrument 400 and applied by the sensor head 407. In one embodiment, the angle and position of the insertion test measurement is recorded by the spinal instrument 400 or a remote system coupled thereto. The angle and position measurements are then used to guide the spinal cage into the same region of the spine in the same path as the spinal instrument 400 during the measurement process.

図8は、非限定的な例の集積化されたセンサ化脊椎用機器410を示す。特に、電子アセンブリ401は、集積化機器410の内部にある。電子アセンブリ401は、無線再充電操作を開始させるために、充電ユニットに近接して設置され得る外部無線エネルギー源414を含む。無線エネルギー源414は、電源、変調回路、およびデータ入力を含み得る。電源は、電池、充電デバイス、キャパシタ、電力接続、または電力を脊椎用機器410に伝達し得る無線電力信号を生成するための他のエネルギー源であり得る。外部無線エネルギー源414は、以下に限定はされないが、電磁誘導、あるいは他の電磁放射または超音波放射の形態のエネルギーを伝達することができる。少なくとも1つの例示的実施形態において、無線エネルギー源は、ごく近接して設置される場合、検知デバイスにおける誘導コイルと電磁的に結合し、作動する(例えば、電源がオンになる)コイルを含む。   FIG. 8 illustrates a non-limiting example integrated sensored spinal instrument 410. In particular, the electronic assembly 401 is inside the integrated device 410. The electronic assembly 401 includes an external wireless energy source 414 that can be placed in proximity to the charging unit to initiate a wireless recharge operation. The wireless energy source 414 may include a power source, a modulation circuit, and a data input. The power source can be a battery, charging device, capacitor, power connection, or other energy source for generating a wireless power signal that can transfer power to spinal instrument 410. The external wireless energy source 414 can transmit energy in the form of, but not limited to, electromagnetic induction, or other electromagnetic or ultrasonic radiation. In at least one exemplary embodiment, the wireless energy source includes a coil that, when placed in close proximity, electromagnetically couples and operates (eg, is powered on) with an induction coil in the sensing device.

電子アセンブリ401は、椎骨構成要素における様々なポイントで、パラメータのレベルおよび分布の視覚化を可能にするために、データ通信回路を介して、測定されたパラメータデータを受信機に送信する。データ入力はまた、有線または無線接続(例えば、USB、IEEE802.16など)を介したコンピュータなどの別のデータソースからの入力情報を受信するためのインターフェースまたはポートであり得る。変調回路は、入力情報を、電源によって生成される電力信号に変調することができる。センサ付きヘッド407は、典型的に、低摩擦ポリマー材料で作製される摩耗表面を有する。理想的に、センサ付きヘッド407は、椎骨の間に挿入されるとき、天然の脊椎と同様の、適切な荷重、位置合わせ、および平衡を有する。   The electronic assembly 401 transmits measured parameter data to the receiver via a data communication circuit to allow visualization of parameter levels and distribution at various points in the vertebral component. The data input can also be an interface or port for receiving input information from another data source such as a computer via a wired or wireless connection (eg, USB, IEEE 802.16, etc.). The modulation circuit can modulate the input information into a power signal generated by the power source. Sensored head 407 typically has a wear surface made of a low friction polymer material. Ideally, the sensored head 407, when inserted between vertebrae, has the proper load, alignment, and balance, similar to a natural spine.

図9は、非限定的な例の椎骨構成要素を備えた挿入機器420を示す。本明細書に記載される電子アセンブリ401は、同様に、挿入機器420の向きおよび位置データの生成を支持する。位置合わせシステム100によって、ユーザは、椎骨構成要素の適切なまたは予め計画された設置を実現するために、挿入角度、位置および軌道(経路)を再現することができる。あるいは、電子アセンブリ401における加速度計は、場所および軌道情報を提供することができる。挿入機器420は、ハンドル432、ネック434、および先端451を含む。着脱機構455は、先端451を制御するために、ネック434の近位端に結合する。着脱機構455により、外科医が、先端451に結合された椎骨構成要素を保持または解放することができる。この例では、ハンドル432は、ネック434の近位端に近接してある角度で延在する。ハンドル432の位置決めにより、外科医は、着脱機構455へのアクセスを可能にしながら、先端451を脊椎領域中に正確に向けることができる。   FIG. 9 shows an insertion device 420 with a non-limiting example vertebral component. The electronic assembly 401 described herein similarly supports the generation of orientation and position data for the insertion device 420. The alignment system 100 allows a user to reproduce the insertion angle, position, and trajectory (path) to achieve proper or pre-planned placement of vertebral components. Alternatively, an accelerometer in electronic assembly 401 can provide location and trajectory information. The insertion device 420 includes a handle 432, a neck 434, and a tip 451. An attachment / detachment mechanism 455 couples to the proximal end of the neck 434 to control the tip 451. The detachment mechanism 455 allows the surgeon to hold or release the vertebral component coupled to the tip 451. In this example, the handle 432 extends at an angle proximate the proximal end of the neck 434. Positioning the handle 432 allows the surgeon to accurately point the tip 451 into the spinal region while allowing access to the detachment mechanism 455.

第1の例では、椎骨構成要素は、脊椎ケージ475である。脊椎ケージ475は、手術中に脊椎の椎骨の間に挿入され得る穿孔された壁を備えた、通常、チタンで作製される小さい中空の円筒状デバイスである。一般に、伸延プロセスにより、脊椎ケージ475の挿入前に所定の距離まで椎骨に間隔が空けられる。脊椎ケージ475は、患者の快適性を向上させるための解決策として、安定性を高め、椎骨の圧縮を減少させ、神経障害を軽減することができる。脊椎ケージ475は、ケージをセルフタッピング式(self−tapping)にして、さらなる安定性を提供する表面ねじ山(surface thread)を含み得る。脊椎ケージ475は、ケージ475を通して、椎体の間の骨成長を支持する骨移植片材料を含むために多孔質であり得る。不快感を軽減するために、2つ以上の脊椎ケージが、椎骨の間に設置され得る。脊椎ケージ475の適切な設置および位置決めは、良好な長期の移植および患者の転帰のために重要である。   In the first example, the vertebral component is a spinal cage 475. The spinal cage 475 is a small hollow cylindrical device, usually made of titanium, with a perforated wall that can be inserted between the vertebrae of the spine during surgery. Generally, the distraction process spaces the vertebrae to a predetermined distance before insertion of the spinal cage 475. The spinal cage 475 can increase stability, reduce vertebral compression, and reduce neuropathy as a solution to improve patient comfort. The spinal cage 475 can include surface threads that make the cage self-tapping and provide additional stability. The spinal cage 475 can be porous to include bone graft material that supports bone growth between the vertebral bodies through the cage 475. To alleviate discomfort, more than one spinal cage can be placed between the vertebrae. Proper placement and positioning of the spinal cage 475 is important for good long-term implantation and patient outcome.

第2の例では、椎骨構成要素は、椎弓根ねじ478である。椎弓根ねじ478は、椎弓根に埋め込むために設計された特定のタイプの骨ねじである。他の構造(例えば椎弓板、椎弓)に結合する、椎骨当たり2つの椎弓根がある。多軸の椎弓根ねじが、腐食に耐え、構成要素の強度を高めるために、チタンで作製され得る。椎弓根ねじの長さは、30mm〜60mmの範囲である。直径は、5.0mm〜8.5mmの範囲である。椎弓根ねじは、寸法の例として使用されるこれらの寸法に限定されない。椎弓根ねじ478は、変形を矯正し、および/または外傷を治療するために、棒およびプレートを脊椎に固定するために、機器を使用した手技(instrumentation procedure)に使用され得る。椎弓根ねじ478を用いて、骨構造を一緒に保持することによって癒合を助けるために脊椎の部分を固定することができる。(内部にまたは外部に統合され得る)電子アセンブリ401によって、挿入機器420は、ねじの設置のための深さおよび角度を決定し、ねじをその中に導くことができる。この例では、1つまたは複数の加速度計が、挿入プロセス中に、先端451の向き、回転、角度、または位置情報を提供するのに使用される。   In the second example, the vertebral component is a pedicle screw 478. Pedicle screw 478 is a specific type of bone screw designed for implantation in the pedicle. There are two pedicles per vertebra that connect to other structures (eg, lamina, vertebral arch). Multi-axis pedicle screws can be made of titanium to resist corrosion and increase component strength. The length of the pedicle screw ranges from 30 mm to 60 mm. The diameter is in the range of 5.0 mm to 8.5 mm. Pedicle screws are not limited to these dimensions used as example dimensions. The pedicle screw 478 can be used in an instrumentation procedure to fix rods and plates to the spine to correct deformation and / or treat trauma. Pedicle screws 478 can be used to secure portions of the spine to aid in healing by holding the bone structure together. The electronic assembly 401 (which can be integrated internally or externally) allows the insertion instrument 420 to determine the depth and angle for installation of the screw and guide the screw therein. In this example, one or more accelerometers are used to provide orientation, rotation, angle, or position information for tip 451 during the insertion process.

一構成において、ねじ478は、センサとともに埋め込まれる。センサは、エネルギーを伝達し、密度の読み取りを取得し、経時的な密度の変化を監視することができる。一例として、システム100は、したがって、骨折部位の治癒を監視し、報告することができる。センサは、骨折部位における運動ならびにねじと骨との間の運動の変化を検出することができる。このような情報は、治癒を監視する際に役立ち、医療提供者に、示される椎骨重量荷重を監視する能力を与える。センサはまた、治癒に役立つように骨折自体にエネルギー波を送るように外部から作動され得る。   In one configuration, the screw 478 is embedded with the sensor. The sensor can transmit energy, take a density reading, and monitor the change in density over time. As an example, the system 100 can therefore monitor and report the healing of the fracture site. The sensor can detect movement at the fracture site as well as changes in movement between the screw and the bone. Such information is useful in monitoring healing and gives the health care provider the ability to monitor the indicated vertebral weight load. The sensor can also be actuated externally to send an energy wave to the fracture itself to aid in healing.

図10は、非限定的な例の椎骨パラメータを検知するための、脊椎の椎骨の間に位置決めされる脊椎用機器400の斜視図を示す。一般に、センサ付きヘッド407が脊椎領域に挿入されるとき、圧縮力が、表面403および406に加えられる。一実施形態において、センサ付きヘッド407は、その間の椎間の力に関連する表面403、表面406、またはその両方に対する荷重の大きさベクトルを特定する2つ以上の荷重センサを含む。図示される例では、圧縮力が表面403および406に加えられるように、脊椎用機器400は、椎骨(L5)と仙骨(S)との間に位置決めされる。内視鏡的アプローチは、視覚化したり、または良好な曝露を提供したりするのが難しいため、機器400を挿入するための1つのアプローチは、腹壁吊り上げ法(minilaparotomy)によって後方(背面)から行われる。別のアプローチは、外科医が腹部を通して脊椎に到達するのを可能にするように前方(前面)から行われる。この方法では、背中に位置する脊椎の筋肉は、損傷も切断もされず、筋力低下および瘢痕が回避される。脊椎用機器400は、前方または後方からの脊椎アプローチのいずれかで使用され得る。   FIG. 10 shows a perspective view of a spinal instrument 400 positioned between vertebrae of the spine for sensing non-limiting example vertebral parameters. In general, a compressive force is applied to surfaces 403 and 406 when sensored head 407 is inserted into the spinal region. In one embodiment, the sensored head 407 includes two or more load sensors that identify a magnitude vector of load on the surface 403, the surface 406, or both associated with the intervertebral force therebetween. In the illustrated example, spinal instrument 400 is positioned between vertebra (L5) and sacrum (S) such that a compressive force is applied to surfaces 403 and 406. Because the endoscopic approach is difficult to visualize or provide good exposure, one approach for inserting the device 400 is performed from the back (back) by abdominal wall lifting. Is called. Another approach is taken from the front (front side) to allow the surgeon to reach the spine through the abdomen. In this way, the spinal muscles located on the back are not damaged or severed, and muscle weakness and scarring are avoided. The spinal instrument 400 can be used with either an anterior or posterior spinal approach.

脊椎機器400のセンサ化構成要素の態様が、2010年6月29日に出願された「System and Method for Orthopedic Load Sensing Insert Device」という発明の名称の米国特許出願第12/825,638号明細書、および2010年6月29に出願された「Wireless Sensing Module for Sensing a Parameter of the Muscular−Skeletal System」という発明の名称の米国特許出願第12/825,724号明細書に開示されており、これらの内容全体が、参照により本明細書に援用される。簡潔に述べると、センサ付きヘッド407は、対応する場所およびトルク(例えば、Tx、Ty、およびTz)および椎骨の端部荷重とともに力(Fx、Fy、およびFz)を測定することができる。電子回路401(図示せず)は、センサ付きヘッド407におけるセンサの操作および測定を制御する。電子回路401は、近距離データ送信用の通信回路をさらに含む。次に、電子回路401は、測定データを、リモートシステムに送信して、外科医が、最適な関節の平衡を得るのに必要な調整を特定するのを助けるために、リアルタイムの視覚化を提供することができる。   A sensory component aspect of spinal instrument 400 is described in US patent application Ser. No. 12 / 825,638, filed Jun. 29, 2010, entitled “System and Method for Orthopedic Load Sensing Insert Device”. And US patent application Ser. No. 12 / 825,724 filed Jun. 29, 2010, entitled “Wireless Sensing Module for Sensing a Parameter of the Muscular-Skeletal System”. Is incorporated herein by reference in its entirety. Briefly, the sensored head 407 can measure forces (Fx, Fy, and Fz) along with corresponding locations and torques (eg, Tx, Ty, and Tz) and vertebral end loads. An electronic circuit 401 (not shown) controls sensor operation and measurement in the sensor-equipped head 407. The electronic circuit 401 further includes a communication circuit for near field data transmission. The electronic circuit 401 then sends measurement data to the remote system to provide real-time visualization to help the surgeon identify the adjustments necessary to obtain optimal joint balance. be able to.

筋肉組織中に構成要素を設置する方法が、以下に開示される。本方法の工程は、任意の順序で実施され得る。椎骨の間のケージの設置の例を用いて、本方法を示すが、本方法は、膝、臀部、足首、脊椎、肩、手、腕、および足などの他の筋肉・骨格領域に適用可能である。第1の工程では、所定の幅のセンサ付きヘッドは、筋肉・骨格系の領域に設置される。この例では、挿入領域は、脊椎の椎骨の間である。センサ付きヘッドを椎骨の間に挿入するのに十分な力を与えるためにハンドルの端部を軽く打つのにハンマーが使用され得る。挿入プロセスにより、椎骨を伸延させ、それによって、分離距離を増加させることもできる。第2の工程では、センサ付きヘッドに加えられる荷重の位置が測定される。それによって、センサ付きヘッドの表面に対する荷重の大きさおよび荷重の位置が得られる。筋肉・骨格系によって加えられる荷重がセンサ付きヘッドの表面上でいかに位置決めされたかは、挿入された後の構成要素の安定性を判定するのに役立ち得る。センサ付きヘッドに加えられる不規則な荷重により、加えられる力が構成要素を挿入位置から押しのける状況が予測され得る。一般に、センサ付きヘッドは、定量的データに基づいて、構成要素の挿入に好適な場所を特定するのに使用される。第3の工程では、センサ付きヘッドからの荷重および荷重の位置のデータが、リモートシステムにリアルタイムで表示される。同様に、第4の工程では、向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも1つが、リモートシステムにリアルタイムで表示される。センサ付きヘッドの位置決めの際になされる変化が、リモートシステムディスプレイ上のデータに反映される。第5の工程では、適切な荷重および位置を有する椎骨の間の場所が特定され、対応する定量的測定データがメモリに保存される。   A method for placing components in muscle tissue is disclosed below. The steps of the method may be performed in any order. The method is illustrated using an example of cage placement between vertebrae, but the method can be applied to other muscle and skeletal regions such as knees, hips, ankles, spine, shoulders, hands, arms, and feet. It is. In the first step, the sensor-equipped head having a predetermined width is installed in a muscular / skeletal system region. In this example, the insertion region is between the vertebrae of the spine. A hammer can be used to tap the end of the handle to provide sufficient force to insert the sensored head between the vertebrae. The insertion process can also distract the vertebrae, thereby increasing the separation distance. In the second step, the position of the load applied to the sensor-equipped head is measured. Thereby, the magnitude of the load and the position of the load are obtained with respect to the surface of the sensor-equipped head. How the load applied by the musculoskeletal system is positioned on the surface of the sensored head can help determine the stability of the component after insertion. An irregular load applied to the sensored head can predict the situation where the applied force pushes the component away from the insertion position. In general, sensored heads are used to identify suitable locations for component insertion based on quantitative data. In the third step, the load from the sensor-equipped head and the load position data are displayed in real time on the remote system. Similarly, in the fourth step, at least one of orientation, rotation, angle, or position is displayed in real time on the remote system. Changes made during the positioning of the sensor head are reflected in the data on the remote system display. In the fifth step, a location between vertebrae with appropriate loads and positions is identified and the corresponding quantitative measurement data is stored in memory.

第6の工程では、センサ付きヘッドは取り外される。第7の工程では、構成要素は、筋肉・骨格系に挿入される。例として、保存された定量的測定データは、構成要素を筋肉・骨格系中で位置決めするのを支持するのに使用される。この例では、挿入機器は、構成要素を筋肉・骨格系中に向けるのに使用され得る。挿入機器は、構成要素が挿入される際に構成要素の向き、回転、角度、または位置を提供する能動デバイスである。センサ付きヘッドの挿入の予め測定された方向および場所は、挿入機器を導くのに使用され得る。一実施形態において、リモートシステムディスプレイは、予め挿入されたセンサ付きヘッドへの挿入機器および構成要素の相関的な位置合わせ(relational alignment)を表示するのに役立ち得る。挿入機器は、システムとともに、構成要素の設置を方向付けるのをさらに助けるように、視覚、音声、触覚または他のフィードバックを提供することができる。一般に、挿入される構成要素は、センサ付きヘッドとほぼ等しい高さを有する。理想的に、構成要素における荷重および荷重の位置が定量的測定と同様であるように、構成要素は、予め挿入されたセンサ付きヘッドに、同一の場所および位置で挿入される。第8の工程では、構成要素は、予め挿入されたセンサ付きヘッドに同一に位置決めされ、解放される。次に、挿入機器は、筋肉・骨格系から取り外され得る。第9の工程では、少なくともセンサ付きヘッドは廃棄される。   In the sixth step, the sensor-equipped head is removed. In the seventh step, the component is inserted into the muscular / skeletal system. As an example, the stored quantitative measurement data is used to support positioning the component in the musculoskeletal system. In this example, the insertion device can be used to direct the component into the musculoskeletal system. An insertion instrument is an active device that provides the orientation, rotation, angle, or position of a component as it is inserted. The pre-measured direction and location of insertion of the sensored head can be used to guide the insertion instrument. In one embodiment, the remote system display can serve to display the relative alignment of the insertion instrument and components to the pre-inserted sensored head. The insertion device, along with the system, can provide visual, audio, tactile or other feedback to further help direct the installation of the component. Generally, the inserted component has a height approximately equal to the sensored head. Ideally, the component is inserted into the pre-inserted sensor head at the same location and position so that the load and load position on the component is similar to the quantitative measurement. In the eighth step, the components are positioned and released identically to the pre-inserted sensor head. The insertion device can then be removed from the muscular / skeletal system. In the ninth step, at least the sensor-equipped head is discarded.

したがって、センサ付きヘッドは、構成要素の挿入に好適な場所を特定するのに使用される。挿入は、位置および場所を含む定量的測定によって支持される。さらに、構成要素におけるおよその荷重および荷重の位置は、手技が完了した後に分かる。一般に、筋肉・骨格系によって加えられる荷重および構成要素の表面における位置を知ることは、構成要素の長期の安定性を決定するのに役立ち得る。構成要素に加えられる荷重が不規則であると、加えられる力が構成要素を挿入位置から押しのけることになり得る。   Thus, the sensored head is used to identify a suitable location for component insertion. Insertion is supported by quantitative measurements including location and location. In addition, the approximate load and load location on the component is known after the procedure is complete. In general, knowing the load applied by the muscle-skeletal system and the position of the component on the surface can help determine the long-term stability of the component. If the load applied to the component is irregular, the applied force can push the component away from the insertion position.

図11は、非限定的な例の図10のセンサ化脊椎用機器の斜視図を示すグラフィカルユーザインターフェース(GUI)500を示す。ユーザインターフェース500は、リモートシステム105および位置合わせシステム100によって示される(図1を参照)。GUI500は、ウインドウ510および関連するウインドウ520を含む。ウインドウ520は、評価される椎骨522に関する脊椎機器400およびセンサヘッド407を示す。この例では、椎骨の斜視(平面)図が示される。この図は、例えば、脊椎機器400が切開部中へと前進する際の、脊椎機器400のアプローチ角および回転を示すシャフト角度523および回転成分524を示す。ウインドウ520および対応するGUI情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。それにより、外科医が、脊椎用機器400および検知されたパラメータの使用を視覚化することが可能になる。ウインドウ510は、センサ付きヘッド407の検知表面(403または406)を示す。照準線512が、力の最大点および場所を特定するためにセンサヘッド画像上に重ね合わされる。照準線512は、椎骨の端部荷重を示すために長くなることもある。ウインドウ513は、例えば、センサヘッド表面にわたって20ポンドの荷重力を報告する。この情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。   FIG. 11 shows a graphical user interface (GUI) 500 showing a perspective view of the sensorized spinal instrument of FIG. 10 in a non-limiting example. User interface 500 is illustrated by remote system 105 and alignment system 100 (see FIG. 1). The GUI 500 includes a window 510 and an associated window 520. Window 520 shows spinal instrument 400 and sensor head 407 with respect to vertebra 522 being evaluated. In this example, a perspective (planar) view of the vertebra is shown. This figure shows, for example, a shaft angle 523 and a rotational component 524 that indicate the approach angle and rotation of the spinal instrument 400 as it is advanced into the incision. The window 520 and corresponding GUI information is shown and updated in real time during the procedure. This allows the surgeon to visualize the use of spinal instrument 400 and sensed parameters. Window 510 shows the sensing surface (403 or 406) of sensored head 407. A line of sight 512 is overlaid on the sensor head image to identify the maximum point and location of the force. The line of sight 512 may be long to indicate the end load of the vertebra. Window 513 reports, for example, a 20 pound load force across the sensor head surface. This information is shown and updated in real time during the procedure.

上述したように、システム100は、パラメータ検知(例えば、椎骨の荷重、端部荷重、圧縮など)によって、装具(prosthesis)/機器/ハードウェアの埋め込みを助けるように手術中に使用され得る。受信機101、複数のワンド103、および脊椎用機器400などの構成要素は、使用時に、手術野内に留まる。リモートシステム105は、典型的に、手術野の外部にある。全ての測定は、これらの構成要素によって、手術野内で行われる。一実施形態において、受信機101、複数のワンド103、および脊椎用機器のうちの少なくとも1つが、手技が完了した後、廃棄される。一般に、それらは、単回の使用のために電力を供給されるように設計され、再度滅菌することができない。   As described above, the system 100 can be used during surgery to aid in the implantation of a prosthesis / device / hardware by parameter sensing (eg, vertebral load, end load, compression, etc.). Components such as the receiver 101, the plurality of wands 103, and the spinal instrument 400 remain in the surgical field during use. Remote system 105 is typically external to the surgical field. All measurements are made in the surgical field by these components. In one embodiment, at least one of the receiver 101, the plurality of wands 103, and the spinal instrument is discarded after the procedure is completed. In general, they are designed to be powered for a single use and cannot be sterilized again.

脊椎において、骨組織および軟組織要素に対する影響、ならびに脊椎矯正手術を含む手術の際の軟組織(例えば、軟骨、腱、靱帯)の変化が、システム100によって評価される。次に、センサは、経時的な変化および動的変化を評価し、視覚化するために手術中(および手術後)に使用される。センサは、外科的パラメータ読み取り値が保存されるとき、手術中に作動され得る。手術の直後に、センサは作動され、基準値が分かる。   In the spine, effects on bone tissue and soft tissue elements, and changes in soft tissue (eg, cartilage, tendon, ligament) during surgery, including spinal correction surgery, are evaluated by the system 100. The sensor is then used during surgery (and after surgery) to assess and visualize changes over time and dynamic changes. The sensor can be activated during surgery when surgical parameter readings are stored. Immediately after the operation, the sensor is activated and the reference value is known.

センサシステム100は、以下に限定はされないが、骨密度、流体粘度、温度、歪み、圧力、角状変形(angular deformity)、振動、荷重、トルク、距離、傾斜、形状、弾性、および運動に関する脊椎および結合組織の評価を可能にする。センサが椎骨腔に通されるため、センサは、椎骨構成要素の挿入の前に椎骨構成要素の機能の変化を予測することができる。上述したように、システム100は、脊椎機器400を椎間腔に設置するのに使用され、ここで、脊椎機器400は、椎体522に対して位置決めされて示される。それが設置され、椎骨の中心で視覚的に確認されると、システム100は、機器における端部荷重を報告し、それが、今度は、適切な椎骨デバイスおよび挿入計画(例えば、アプローチ角、回転、深さ、経路軌道)のサイズを決定するのに使用される。インプラント構成要素の機能の例は、いくつか挙げると、軸受摩耗(bearing wear)、沈降、骨の統合(bone integration)、通常のおよび異常な動き、熱、粘度の変化、粒状物質、運動力学を含む。   The sensor system 100 includes, but is not limited to, a spine with respect to bone density, fluid viscosity, temperature, strain, pressure, angular deformation, vibration, load, torque, distance, slope, shape, elasticity, and motion. And allow connective tissue assessment. Because the sensor is passed through the vertebral cavity, the sensor can predict changes in the function of the vertebral component prior to insertion of the vertebral component. As described above, system 100 is used to place spinal instrument 400 in an intervertebral space, where spinal instrument 400 is shown positioned relative to vertebral body 522. Once it is installed and visually confirmed at the center of the vertebra, the system 100 reports the end load on the instrument, which in turn is the appropriate vertebra device and insertion plan (eg, approach angle, rotation, etc.). , Depth, path trajectory) used to determine the size. Examples of implant component functions include bearing wear, settling, bone integration, normal and abnormal movement, heat, viscosity changes, particulate matter, kinematics, to name a few. Including.

図12は、非限定的な例の椎間の位置および力の検知のための、脊椎の椎骨の間に位置決めされるセンサ化脊椎用機器400を示す。図示されるように、脊椎用機器400のセンサ付きヘッド407は、椎骨L4とL5椎骨との間に設置される。脊椎用機器400は、センサ付きヘッド407の高さだけL4およびL5椎骨を伸延させ、荷重の大きさおよび荷重の位置についての定量的データを提供する。一実施形態において、脊椎用機器400は、その各側に隣接して位置決めされる第1のワンド510および第2のワンド520と通信する。長いシャフト514が、脊椎の椎骨内での設置を可能にするために各ワンドに設けられ、他のワンドおよび脊椎機器400の電子アセンブリ401とも適合する。ワンド510が、椎骨L4の向きおよび位置を追跡する一方、ワンド520は、椎骨L5の向きおよび位置を追跡する。これにより、システム100が、隣接する椎骨の移動に対する、脊椎機器400の向きおよび移動を追跡することができる。各ワンドは、脊椎用機器400と同様にセンサ化される。ワンド510およびワンド520はそれぞれ、センサ512およびセンサ513を含む。センサ512および513は、位置情報を送受信することができる。電子アセンブリ401は、ワンド510および520とともに、手技中に、脊椎用機器400の向きおよび位置を決定する二重の働きを果たす。超音波位置検知の一例が、2010年4月20日に出願された「Method and System for Positional Measurement」という発明の名称の米国特許出願第12/764,072号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。   FIG. 12 shows a sensorized spinal instrument 400 positioned between the vertebrae of the spine for non-limiting example intervertebral position and force sensing. As shown, sensored head 407 of spinal instrument 400 is placed between vertebra L4 and L5 vertebrae. The spinal instrument 400 distracts the L4 and L5 vertebrae by the height of the sensored head 407 and provides quantitative data about the magnitude and position of the load. In one embodiment, spinal instrument 400 communicates with first wand 510 and second wand 520 positioned adjacent to each side thereof. A long shaft 514 is provided on each wand to allow placement within the vertebrae of the spine and is compatible with other wands and the electronic assembly 401 of spinal instrument 400. Wand 510 tracks the orientation and position of vertebra L4, while wand 520 tracks the orientation and position of vertebra L5. This allows the system 100 to track the orientation and movement of the spinal instrument 400 relative to the movement of adjacent vertebrae. Each wand is sensored in the same manner as spinal instrument 400. Wand 510 and wand 520 include sensor 512 and sensor 513, respectively. Sensors 512 and 513 can transmit and receive position information. The electronic assembly 401, in conjunction with the wands 510 and 520, serves a dual function to determine the orientation and position of the spinal instrument 400 during the procedure. An example of ultrasonic position detection is disclosed in US patent application Ser. No. 12 / 764,072 entitled “Method and System for Positional Measurement” filed on April 20, 2010, The entire contents are hereby incorporated by reference.

図13は、非限定的な例の図12のセンサ化脊椎用機器を示すユーザインターフェース600の斜視図を示す。ユーザインターフェース600は、リモートシステム105および位置合わせシステム100によって示される(図1を参照)。GUI600は、第1のウインドウ610および関連する第2のウインドウ620を含む。第2のウインドウ620は、評価される椎骨構成要素622に関する脊椎用機器およびセンサ付きヘッド407を示す。この例では、脊柱の矢状面(側面)図が示される。この図は、脊椎用機器およびセンサ付きヘッド407のアプローチ角および回転を示すシャフト角度623および回転成分624を示す。第2のウインドウ620および対応するGUI情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。それにより、外科医が、脊椎用機器400のセンサ付きヘッド407および検知された荷重力パラメータを視覚化することが可能になる。第1のウインドウ610は、センサヘッドの検知表面を示す(図7を参照)。照準線612が、力の最大点および場所を特定するためにセンサ付きヘッド407の画像上に重ね合わされる。照準線612は、椎骨の端部荷重を示すために、幅および長さを調整することもできる。別のGUIウインドウ613が、センサ付きヘッド407の表面にわたる荷重力を報告する。GUI600は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。   13 shows a perspective view of a user interface 600 showing the sensorized spinal instrument of FIG. 12 in a non-limiting example. User interface 600 is shown by remote system 105 and alignment system 100 (see FIG. 1). The GUI 600 includes a first window 610 and an associated second window 620. The second window 620 shows the spinal instrument and sensored head 407 for the vertebral component 622 being evaluated. In this example, a sagittal (side) view of the spinal column is shown. This figure shows a shaft angle 623 and a rotational component 624 showing the approach angle and rotation of the spinal instrument and sensored head 407. The second window 620 and the corresponding GUI information are shown and updated in real time during the procedure. This allows the surgeon to visualize the sensored head 407 of the spinal instrument 400 and the sensed load force parameters. The first window 610 shows the sensing surface of the sensor head (see FIG. 7). A line of sight 612 is superimposed on the image of the sensored head 407 to identify the maximum point and location of the force. The line of sight 612 can also be adjusted in width and length to indicate the end load of the vertebra. Another GUI window 613 reports the load force across the surface of the sensored head 407. The GUI 600 is shown and updated in real time during the procedure.

図14は、非限定的な例の脊椎ケージ475の設置のためのセンサ化脊椎挿入機器420の斜視図を示す。挿入機器420は、椎骨構成要素475(例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ、センサ)を、図中のL4およびL5椎骨の間に埋め込むための外科的手段を提供する。ネック434の遠位端における機械的アセンブリの先端451は、着脱機構455による椎骨構成要素の着脱を可能にする。椎骨構成要素475は、図示されるように、例えば、後方経路腰椎椎体間固定術(posterior lumbar interbody fusion)(PLIF)によって、背中の正中切開を通して脊椎の背面に設置され得る。挿入機器420は、同様に、前方経路腰椎椎体間固定術(anterior lumbar interbody fusion)(ALIF)手技に使用され得る。   FIG. 14 shows a perspective view of a sensorized spinal insertion device 420 for placement of a non-limiting example spinal cage 475. The insertion instrument 420 provides a surgical means for implanting a vertebral component 475 (eg, spinal cage, pedicle screw, sensor) between the L4 and L5 vertebrae in the figure. The tip 451 of the mechanical assembly at the distal end of the neck 434 allows detachment of the vertebral component by the detachment mechanism 455. Vertebral component 475 can be placed on the back of the spine through a midline incision on the back, as shown, for example, by a posterior pathway lumbar interbody fusion (PLIF). The insertion device 420 can similarly be used in an anterior pathway lumbar interbody fusion (ALIF) procedure.

本明細書において想定される一方法において、挿入前のケージの位置は、図12および13に示される脊椎用機器400とともにワンド510および520を用いて説明されるように、例えば、3D画像化または超音波ナビゲーションによって最適に画定される。荷重センサ407(図12を参照)は、最適な挿入経路および軌道がそこで画定されるときの上記の荷重力を評価するために、椎骨の間に位置決めされる。機器挿入の荷重力および経路が記録される。その後、図14に示されるように、挿入機器420は、記録された経路にしたがっておよび荷重力に基づいて、最終的な脊椎ケージ475を挿入する。挿入中、図15に示されるGUIは、脊椎用機器420を、記録された挿入箇所にナビゲートする。脊椎用挿入機器420には、最終的な脊椎ケージへのプレースホルダ(placeholder)として働く1つまたは複数の荷重センサが装備され得る。椎骨の間への脊椎ケージ475の設置、挿入機器420からの脊椎ケージの解放、および挿入機器420の取り外しの後、脊椎ケージの周りを占める空間が、隣接する椎骨における棒および椎弓根ねじによって閉鎖される。これにより、周囲の椎骨が脊椎ケージに押し付けられ、椎骨の癒合に安定性が与えられる。この手技の間、図15のGUI700は、棒の調整および椎弓根ねじの締め付けによる、脊椎の解剖学的構造の変化、例えば、脊柱前弯症(Lordosis)および脊柱後弯症(Kyphosis)を報告する。特に、GUI700は、どの量および方向が、棒およびねじに対する機器を使用した調節によって計画された脊椎位置合わせを達成するかを示す視覚的フィードバックも提供する。   In one method envisaged herein, the position of the cage prior to insertion is, for example, 3D imaging or as described using wands 510 and 520 with spinal instrument 400 shown in FIGS. It is optimally defined by ultrasonic navigation. A load sensor 407 (see FIG. 12) is positioned between the vertebrae to evaluate the load force described above when the optimal insertion path and trajectory are defined there. The loading force and path of instrument insertion is recorded. Thereafter, as shown in FIG. 14, the insertion device 420 inserts the final spinal cage 475 according to the recorded path and based on the loading force. During insertion, the GUI shown in FIG. 15 navigates the spinal instrument 420 to the recorded insertion location. The spinal insertion device 420 may be equipped with one or more load sensors that serve as placeholders to the final spinal cage. After placement of the spinal cage 475 between the vertebrae, release of the spinal cage from the insertion device 420, and removal of the insertion device 420, the space that occupies the spinal cage is removed by the bars and pedicle screws in the adjacent vertebrae. Closed. This forces the surrounding vertebrae against the spinal cage and provides stability to vertebral fusion. During this procedure, the GUI 700 of FIG. 15 reports changes in the anatomy of the spine due to rod adjustment and pedicle screw tightening, such as Lordosis and Kyphosis. . In particular, the GUI 700 also provides visual feedback indicating which amounts and directions achieve the planned spinal alignment by adjustment using the instrument for the bars and screws.

図15は、非限定的な例の図14のセンサ化脊椎挿入機器420の斜視図を示すユーザインターフェース700を示す。ユーザインターフェース700は、リモートシステム105および位置合わせシステム100によって示される(図1を参照)。GUI700は、第1のウインドウ710および関連する第2のウインドウ720を含む。第2のウインドウ720は、評価されるL4およびL5椎骨に関する挿入機器420および椎骨構成要素475を示す。この例では、脊柱の矢状面(側面)図が示される。この図は、挿入機器420および椎骨構成要素475のアプローチ角および回転を示すシャフト角度723および回転成分724を示す。第2のウインドウ720および対応するGUI情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。これにより、外科医が、予め検知された荷重力パラメータにしたがって、挿入機器420の椎骨構成要素475を視覚化することができる。   FIG. 15 illustrates a user interface 700 showing a perspective view of the sensorized spinal insertion device 420 of FIG. 14 in a non-limiting example. User interface 700 is shown by remote system 105 and alignment system 100 (see FIG. 1). The GUI 700 includes a first window 710 and an associated second window 720. The second window 720 shows the insertion device 420 and vertebral component 475 for the L4 and L5 vertebrae to be evaluated. In this example, a sagittal (side) view of the spinal column is shown. This figure shows a shaft angle 723 and a rotation component 724 that show the approach angle and rotation of the insertion instrument 420 and vertebral component 475. The second window 720 and the corresponding GUI information are shown and updated in real time during the procedure. This allows the surgeon to visualize the vertebral component 475 of the insertion device 420 according to a pre-detected load force parameter.

第1のウインドウ710は、目標の(所望の)センサ付きヘッドの向き722および現在の機器のヘッドの向き767を示す。目標の向き722は、荷重パラメータを評価するために脊椎機器400を使用したときに予め決定されるアプローチ角、回転および軌道経路を示す。現在の機器のヘッドの向き767は、最終的なケージ475を挿入するのに現在使用される挿入機器420の追跡を示す。GUI700は、予め決定された手術計画の視覚化を提供するために、現在の機器のヘッドの向き767を考慮した目標の向きモデル722を示す。   The first window 710 shows the target (desired) sensored head orientation 722 and the current instrument head orientation 767. The target orientation 722 shows a predetermined approach angle, rotation and trajectory path when using the spinal instrument 400 to evaluate load parameters. The current instrument head orientation 767 shows the tracking of the insertion instrument 420 currently used to insert the final cage 475. The GUI 700 shows a target orientation model 722 that takes into account the current instrument head orientation 767 to provide a visualization of a predetermined surgical plan.

図10、11、12、および13は、脊椎機器400が、決定された検知パラメータ(例えば、荷重、力、縁部)を考慮して、最適な手技パラメータ(例えば、角度、回転、経路)を評価したことを示したことを想起されたい。これらの手技パラメータが決定されたら、システム100は、GUI700によって、外科医が、挿入機器420を用いて、椎骨構成要素475(例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ)を挿入するように導く。一構成において、システム100は、挿入手技中に挿入機器420を導くための触覚フィードバックを提供する。例えば、システム100は、現在のアプローチ角713が目標のアプローチ角から外れている場合、または向き767が目標の軌道経路722と一致していない場合、振動し、視覚的手掛かり(赤色/緑色の表示)を提供することができる。あるいは、音声フィードバックが、提供される視覚情報を補うためにシステム100によって提供され得る。GUI700は、以前の機器使用(instrumenting)に基づいて、視覚および触覚フィードバックによって、センサ化挿入機器420における位置および目標の経路を効果的に再現する。   10, 11, 12, and 13 show that the spinal instrument 400 determines the optimal procedure parameters (eg, angle, rotation, path), taking into account the determined sensing parameters (eg, load, force, edge). Recall that you have shown that you have evaluated. Once these procedure parameters are determined, the system 100 guides the surgeon using the GUI 700 to insert a vertebral component 475 (eg, spinal cage, pedicle screw) using the insertion instrument 420. In one configuration, the system 100 provides haptic feedback to guide the insertion device 420 during the insertion procedure. For example, if the current approach angle 713 deviates from the target approach angle, or the orientation 767 does not coincide with the target trajectory path 722, the system 100 will vibrate and display a visual cue (red / green indication). ) Can be provided. Alternatively, audio feedback can be provided by the system 100 to supplement the visual information provided. The GUI 700 effectively reproduces the position and target path in the sensored insertion instrument 420 with visual and haptic feedback based on previous instrumentation.

荷重、平衡、および位置は、位置合わせおよび荷重平衡システム100のセンサ化デバイス(例えば、101、103、400、420、475)からのデータを用いて、外科技術および調整によって、所定の定量的に測定された範囲内で、手術中に調整され得る。試験的および最終的なインサート(例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ、センサなど)のいずれも、測定データを表示のためにリモートシステムに提供するための検知モジュールを含み得る。最終的なインサートはまた、脊椎関節を長期間監視するのに使用され得る。データは、脊椎関節または癒合された椎骨が、リハビリテーション中および患者が活動的な普通の生活スタイルに戻ったときに適切に機能するのを確実にするために、患者および医療提供者によって使用され得る。逆に、患者または医療提供者は、測定されたパラメータが規格外であるときに通知され得る。これにより、患者への最小限のストレスで解決され得る脊椎の問題が早期に検出される。最終的なインサートからのデータは、埋め込まれた検知モジュールからのデータを用いて、リアルタイムで画面に表示され得る。一実施形態において、手持ち式デバイスが、最終的なインサートからデータを受信するのに使用される。手持ち式デバイスは、脊椎に近接して保持することができ、それによって、強力な信号がデータの受信のために得られる。   Load, balance, and position are determined quantitatively by surgical techniques and adjustments using data from the registration and load balancing system 100 sensorized devices (eg, 101, 103, 400, 420, 475). Within the measured range, it can be adjusted during surgery. Both the trial and final insert (eg, spinal cage, pedicle screw, sensor, etc.) may include a sensing module for providing measurement data to a remote system for display. The final insert can also be used for long term monitoring of the spinal joint. Data can be used by patients and health care providers to ensure that spinal joints or fused vertebrae function properly during rehabilitation and when the patient returns to an active normal lifestyle . Conversely, the patient or health care provider can be notified when the measured parameter is out of specification. This allows early detection of spinal problems that can be resolved with minimal stress on the patient. Data from the final insert can be displayed on the screen in real time using data from the embedded sensing module. In one embodiment, a handheld device is used to receive data from the final insert. The handheld device can be held in close proximity to the spine so that a strong signal is obtained for data reception.

脊椎領域を伸延させる方法が、以下に開示される。本方法の工程は、任意の順序で行われ得る。図10、図11、図12、図13、および図14が参照され得る。椎骨の間に脊椎ケージなどの装具構成要素を設置することの例が、本方法を示すのに使用されるが、本方法は、膝、臀部、足首、脊椎、肩、手、腕、および足などの他の筋肉・骨格領域に適用可能である。一般に、定量的測定データは、脊椎領域において収集される必要がある。本明細書に開示される脊椎用機器、位置合わせデバイス、および挿入機器は、定量的データのデータベースを生成するのに使用され得る。この時点で、能動器具および測定デバイスがないことにより、定量的測定データの不足がある。装具構成要素の設置の際に器具によって生成される測定データは、患者の健康に関連する場合、荷重、荷重の位置、および装具構成要素の位置合わせの影響を決定するために、他の短期および長期データと相関され得る。本明細書に開示されるシステムは、装具構成要素の設置中にデータを生成することができ、インプラントおよび脊椎領域の長期の定期的測定を提供するために適用可能である。したがって、伸延方法の結果は、回復時間を短縮し、失敗を最小限に抑え、性能、信頼性を向上させ、デバイスの耐用年数を延長する設置手順を支持する十分なデータを生成することである。   A method for distracting the spinal region is disclosed below. The steps of the method can be performed in any order. Reference may be made to FIGS. 10, 11, 12, 13, and 14. FIG. An example of placing a brace component, such as a spinal cage, between vertebrae is used to illustrate the method, which involves the knee, hip, ankle, spine, shoulder, hand, arm, and foot. It can be applied to other muscle / skeletal regions. In general, quantitative measurement data needs to be collected in the spinal region. The spinal instruments, alignment devices, and insertion instruments disclosed herein can be used to generate a database of quantitative data. At this point, there is a lack of quantitative measurement data due to the lack of active instruments and measurement devices. The measurement data generated by the instrument during installation of the brace component, if relevant to the patient's health, can be used to determine the impact of load, load position, and brace component alignment. Can be correlated with long-term data. The system disclosed herein can generate data during installation of the brace component and is applicable to provide long term periodic measurements of implants and spinal regions. Thus, the result of the distraction method is to generate sufficient data to support installation procedures that reduce recovery time, minimize failure, improve performance, reliability, and extend the useful life of the device. .

第1の工程では、脊椎用機器は、脊椎領域を伸延させるように挿入される。脊椎用機器は、手術中に、定量的測定データをリアルタイムで生成するためのセンサを含む。第2の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が測定される。脊椎用機器は、脊椎領域が第1の高さまで伸延されるような第1の高さを有する。システムは、視覚、音声、または触覚手段によって測定データを示す。一例において、システムは、脊椎用機器からの荷重測定が所定の荷重範囲外にあることを開示する。脊椎領域を評価するためにシステムによって使用される所定の荷重範囲は、臨床研究によって決定され得る。例えば、所定の荷重範囲は、荷重測定データを外科手術の結果と関連付けることによって、デバイスの設置を支持し得る。一般に、所定の荷重範囲外の測定が、デバイスの故障の可能性を統計的に増加させ得る。第3の工程では、脊椎領域は、第2の高さまで伸延される。第4の工程では、第2の高さにおける脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が測定される。システムは、脊椎用機器からの荷重測定が所定の荷重範囲内にあることを示す。測定された荷重を所定の荷重範囲内にすることで、装具構成要素に対する過度の荷重による故障が減少される。一般に、測定された荷重が所定の荷重範囲内にあることを脊椎用機器測定が示すまで、このプロセスは、異なる伸延高さで必要に応じて何回でも繰り返され得る。   In the first step, the spinal instrument is inserted to distract the spinal region. The spinal instrument includes sensors for generating quantitative measurement data in real time during surgery. In the second step, the load applied to the spinal instrument by the spinal region is measured. The spinal instrument has a first height such that the spinal region is distracted to a first height. The system shows the measurement data by visual, audio or tactile means. In one example, the system discloses that a load measurement from a spinal instrument is outside a predetermined load range. The predetermined load range used by the system to assess the spinal region can be determined by clinical studies. For example, the predetermined load range may support the placement of the device by associating load measurement data with surgical results. In general, measurements outside of a predetermined load range can statistically increase the likelihood of device failure. In the third step, the spinal region is distracted to a second height. In the fourth step, the load applied to the spinal instrument by the spinal region at the second height is measured. The system indicates that the load measurement from the spinal instrument is within a predetermined load range. By bringing the measured load within a predetermined load range, failure due to excessive load on the brace component is reduced. In general, this process can be repeated as many times as necessary at different distraction heights until spinal instrument measurements indicate that the measured load is within a predetermined load range.

第5の工程では、脊椎用機器の向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも1つが測定される。一実施形態において、測定は、脊椎領域に挿入される脊椎用機器の部分に対応し得る。例えば、位置データは、脊椎用機器のセンサ付きヘッドに関連し得る。データは、脊椎用機器によって測定されるのと同様の位置および同じ軌道で装具構成要素を設置するのに使用され得る。第6の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重は、リモートシステムにおいて監視され得る。この例では、リモートシステムは、手技中に、データをリアルタイムで見ることを可能にするディスプレイを含む。第7の工程では、脊椎用機器の高さが調整され得る。開示されるように、脊椎用機器は、伸延表面の高さを減少または増加させるためのはさみ型の機構(scissor type mechanism)を含み得る。一実施形態において、脊椎用機器のハンドルは、伸延高さを変化させるために回転される。リモートシステムにおいて荷重データをリアルタイムで監視しながら、調整が行われ得る。一般に、高さは、測定された荷重が所定の荷重範囲内になるまで調整される。第8の工程では、調整された高さが装具構成要素の高さに相当するように、高さは、増加または減少される。一実施形態において、同じ伸延高さを有する装具構成要素が、脊椎領域における荷重測定の場所に設置され得る。装具構成要素は、軌道に位置合わせされ、脊椎用機器と同じ場所に設置されるとき、荷重測定と同様の荷重がかけられる。   In the fifth step, at least one of the orientation, rotation, angle, or position of the spinal instrument is measured. In one embodiment, the measurement may correspond to the portion of the spinal instrument that is inserted into the spinal region. For example, the position data may relate to a sensored head of a spinal instrument. The data can be used to place the brace component in the same position and in the same trajectory as measured by the spinal instrument. In the sixth step, the load applied to the spinal instrument by the spinal region can be monitored in the remote system. In this example, the remote system includes a display that allows data to be viewed in real time during the procedure. In the seventh step, the height of the spinal instrument can be adjusted. As disclosed, the spinal instrument may include a scissor type mechanism for reducing or increasing the height of the distraction surface. In one embodiment, the spinal instrument handle is rotated to change the distraction height. Adjustments can be made while monitoring load data in real time in a remote system. In general, the height is adjusted until the measured load falls within a predetermined load range. In the eighth step, the height is increased or decreased so that the adjusted height corresponds to the height of the brace component. In one embodiment, orthotic components having the same distraction height can be placed at the location of load measurement in the spinal region. When the brace component is aligned with the track and installed in the same location as the spinal instrument, it is subjected to a load similar to the load measurement.

第9の工程では、脊椎用機器は、加えられる荷重の位置を測定する。脊椎用機器は、脊椎領域に結合される表面を有し得る。この例では、2つ以上のセンサが、荷重測定の位置を支持するために、脊椎用機器の表面に結合される。荷重の位置は、力、圧力、または荷重が、脊椎領域に設置されたときの装具構成要素にいかに加えられ得るかについての定量的測定データを提供する。例えば、荷重の位置が不適切であると、装具構成要素がその場所で不安定になり、最終的に脊椎領域から外されて、破局的故障を招く状況が生じ得る。一実施形態において、脊椎用機器からの荷重データの位置が、装具構成要素の設置のための位置を評価するのに使用され得る。定量的データは、荷重の位置を評価するために、脊椎用機器の測定表面に対応する所定の範囲または領域を含み得る。第10の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重の位置が所定の位置範囲外にあるとき、脊椎用機器は、脊椎領域における異なる場所に移動される。新たな場所が、装具構成要素のための部位として荷重の大きさおよび荷重の位置の定量的データによって評価され得る。   In the ninth step, the spinal instrument measures the position of the applied load. The spinal instrument can have a surface coupled to the spinal region. In this example, two or more sensors are coupled to the surface of the spinal instrument to support load measurement locations. The position of the load provides quantitative measurement data on how force, pressure, or load can be applied to the brace component when placed in the spinal region. For example, an improperly positioned load may cause a situation where the brace component becomes unstable at that location and eventually is removed from the spinal region, resulting in a catastrophic failure. In one embodiment, the position of the load data from the spinal instrument can be used to evaluate the position for placement of the brace component. The quantitative data can include a predetermined range or region corresponding to the measurement surface of the spinal instrument to assess the position of the load. In a tenth step, the spinal instrument is moved to a different location in the spinal region when the position of the load applied to the spinal instrument by the spinal region is outside the predetermined position range. The new location can be evaluated by quantitative data of load magnitude and load location as a site for the brace component.

第11の工程では、測定された定量的データが所定の荷重範囲および所定の位置範囲内にあるとき、装具構成要素のための脊椎領域における適切な場所が特定される。上述したように、装具構成要素を、所定の荷重範囲および所定の位置範囲内で測定される脊椎領域の領域に設置すると、プラスの結果が生じ、臨床的証拠に基づいて失敗率が低下される。第12の工程では、装具構成要素は、脊椎用機器によって測定される場所に設置される。この場所に設置される装具構成要素は、脊椎用機器によって測定されるものと同様の、脊椎領域によって加えられる荷重の大きさおよび荷重の位置を有するであろう。装具構成要素は、脊椎用機器と同様の軌道を有する脊椎領域に挿入される。この例では、測定プロセス中の脊椎用機器の軌道および位置が記録される。第13の工程では、装具構成要素の挿入プロセスは、装具構成要素の軌道を、脊椎用機器の軌道と比較することによって、さらに支持され得る。一実施形態において、外科医には、その場所への装具構成要素の位置合わせに役立つ視覚、触覚、または音声フィードバックが与えられ得る。第14の工程では、装具構成要素および脊椎用機器の軌道が、リモートシステムにおいて見られる。リモートシステムは、脊椎領域における場所を特定するとき、脊椎用機器の位置および軌道に対する装具構成要素の実際のまたはシミュレートされた位置および軌道を示し得る。一実施形態において、外科医は、視覚化によって装具構成要素を保持するデバイスまたは挿入機器による軌道を模擬し、または脊椎用機器の場所にリモートシステムに表示されるデータを重ね合わせることができる。本明細書に開示されるように、脊椎用機器は、伸延表面の高さを変化させ得るシザージャッキなどの機構を有し得る。シザージャッキを上下させるための棒が、脊椎用機器のハンドルに結合する。第15の工程では、脊椎用機器のハンドルは、伸延高さを変化させるために回転され得る。第16の工程では、視覚、音声、または触覚信号は、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が所定の荷重範囲内であるときに提供される。同様に、第17の工程では、視覚、音声、または触覚信号は、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が所定の位置範囲内であるときに提供される。   In an eleventh step, an appropriate location in the spinal region for the brace component is identified when the measured quantitative data is within a predetermined load range and a predetermined position range. As mentioned above, placing orthotic components in the area of the spinal region measured within a given load range and a given position range produces positive results and reduces failure rates based on clinical evidence . In the twelfth step, the brace component is placed at a location that is measured by the spinal instrument. Prosthetic components installed at this location will have a load magnitude and load location applied by the spinal region similar to that measured by spinal instruments. The brace component is inserted into a spinal region having a trajectory similar to a spinal instrument. In this example, the trajectory and position of the spinal instrument during the measurement process is recorded. In a thirteenth step, the brace component insertion process may be further supported by comparing the trajectory of the brace component with the trajectory of the spinal instrument. In one embodiment, the surgeon may be given visual, tactile, or audio feedback that helps align the brace component to its location. In the fourteenth step, the trajectory of the brace component and spinal instrument is seen in the remote system. When the remote system identifies a location in the spinal region, it may indicate the actual or simulated position and trajectory of the brace component relative to the position and trajectory of the spinal instrument. In one embodiment, the surgeon can simulate the trajectory by the device or insertion instrument holding the brace component by visualization, or overlay the data displayed on the remote system at the location of the spinal instrument. As disclosed herein, spinal instruments may have a mechanism such as a scissor jack that can change the height of the distraction surface. A bar for raising and lowering the scissor jack is coupled to the handle of the spinal instrument. In a fifteenth step, the spinal instrument handle may be rotated to change the distraction height. In the sixteenth step, a visual, audio or haptic signal is provided when the load applied to the spinal instrument by the spinal region is within a predetermined load range. Similarly, in the seventeenth step, a visual, audio or haptic signal is provided when the load applied to the spinal instrument by the spinal region is within a predetermined position range.

図16は、実施形態例に係る脊椎用機器400の構成要素のブロック図である。脊椎用機器400が、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含み得ることに留意されたい。脊椎用機器400は、筋肉・骨格系のパラメータを測定し得る内蔵型の器具である。この例では、脊椎用機器400は、脊椎領域に挿入されるとき、荷重および荷重の位置を測定する。脊椎用機器400の能動構成要素は、1つまたは複数のセンサ1602、荷重板1606、電源1608、電子回路1610、送受信機1612、および加速度計1614を含む。非限定的な例では、加えられる圧縮力は、脊椎領域によってセンサ1602に加えられ、脊椎用機器400によって測定される。   FIG. 16 is a block diagram of components of a spinal instrument 400 according to an example embodiment. Note that spinal instrument 400 may include more or fewer components than shown. The spinal instrument 400 is a built-in instrument that can measure muscular / skeletal parameters. In this example, spinal instrument 400 measures the load and load location when inserted into the spinal region. The active components of spinal instrument 400 include one or more sensors 1602, load plate 1606, power supply 1608, electronic circuit 1610, transceiver 1612, and accelerometer 1614. In a non-limiting example, the applied compressive force is applied to sensor 1602 by the spinal region and measured by spinal instrument 400.

センサ1602は、脊椎用機器400の表面403および406に位置決めされるか、係合されるか、取り付けられるか、または固定され得る。一般に、圧縮力は、脊椎領域中に挿入されるとき、表面403および406に脊椎領域によって加えられる。圧縮力が各センサに加えられるように、表面403および406はセンサ1602に結合する。一実施形態において、表面403および406に加えられる荷重の位置が測定され得る。この例では、3つの荷重センサが、加えられる荷重の位置を特定するためにセンサ付きヘッドに使用される。各荷重センサは、荷重板1606における所定の位置に結合される。荷重板1606は、脊椎用機器400のセンサ付きヘッドに加えられる圧縮力を各センサに分配するために、表面403に結合する。荷重板1606は、剛性であり得、力、圧力、または荷重をセンサ1606に分配するときに曲がらない。各センサによって測定される力または荷重の大きさは、表面403に加えられる荷重の場所に戻って相関され得る。   Sensor 1602 may be positioned, engaged, attached, or fixed to surfaces 403 and 406 of spinal instrument 400. In general, compressive forces are applied by the spinal region to surfaces 403 and 406 when inserted into the spinal region. Surfaces 403 and 406 couple to sensor 1602 so that a compressive force is applied to each sensor. In one embodiment, the position of the load applied to the surfaces 403 and 406 can be measured. In this example, three load sensors are used in the sensored head to identify the position of the applied load. Each load sensor is coupled to a predetermined position on the load plate 1606. The load plate 1606 couples to the surface 403 to distribute the compressive force applied to the sensored head of the spinal instrument 400 to each sensor. The load plate 1606 may be rigid and will not bend when distributing force, pressure, or load to the sensor 1606. The force or load magnitude measured by each sensor can be correlated back to the location of the load applied to the surface 403.

椎間測定の例では、表面403および406を有するセンサ付きヘッドは、脊椎の椎骨の間に位置決めされ得る。センサ付きヘッドの表面403は、第1の椎骨表面に結合し、同様に、表面406は、第2の椎骨表面に結合する。加速度計1614または外部位置合わせシステムは、センサ付きヘッドが脊椎領域中に向けられる際、センサ付きヘッドの位置および向きを測定するのに使用され得る。センサ1602は、電子回路1610に結合する。電子回路1610は、論理回路、入力/出力回路、クロック回路、D/A、およびA/D回路を含む。一実施形態において、電子回路1610は、形状因子(form factor)を減少させ、電力を低下させ、性能を向上させる特定用途向け集積回路を含む。一般に、電子回路1610は、測定プロセスを制御し、測定信号を受信し、測定信号をデジタル形式に変換し、インターフェースにディスプレイを支持し、測定データのためのデータ転送を開始させる。電子回路1610は、対象とするパラメータ、例えば、表面403および406に作用する力のレベル、分布および方向を決定するために、センサ1602の物理的変化を測定する。挿入検知デバイス400は、内部電源1608によって電力を供給され得る。したがって、筋肉・骨格系のパラメータを測定するのに必要な全ての構成要素は、脊椎用機器400に存在する。   In the example of intervertebral measurement, a sensored head having surfaces 403 and 406 may be positioned between the vertebrae of the spine. The surface 403 of the sensored head is coupled to the first vertebra surface, and similarly, the surface 406 is coupled to the second vertebra surface. An accelerometer 1614 or external alignment system can be used to measure the position and orientation of the sensored head as it is directed into the spinal region. Sensor 1602 is coupled to electronic circuit 1610. The electronic circuit 1610 includes a logic circuit, an input / output circuit, a clock circuit, a D / A, and an A / D circuit. In one embodiment, the electronic circuit 1610 includes an application specific integrated circuit that reduces form factor, reduces power, and improves performance. In general, the electronic circuit 1610 controls the measurement process, receives the measurement signal, converts the measurement signal to digital format, supports the display at the interface, and initiates data transfer for the measurement data. The electronic circuit 1610 measures physical changes in the sensor 1602 to determine parameters of interest, for example, the level, distribution and direction of forces acting on the surfaces 403 and 406. The insertion detection device 400 can be powered by an internal power source 1608. Accordingly, all the components necessary to measure muscular / skeletal parameters are present in spinal instrument 400.

一例として、センサ1602は、第1のトランスデューサと第2のトランスデューサとの間に、弾性または圧縮性伝播構造を含み得る。トランスデューサは、超音波(ultrasound)(または超音波(ultrasonic))共振器であり得、弾性または圧縮性伝播構造は、超音波導波路であり得る。電子回路1610は、圧縮性伝播構造の長さの変化(または圧縮または伸長)を、力などの対象とするパラメータに変換するために、トランスデューサに電気的に結合される。システムは、加えられる力に応答して圧縮性伝播構造(例えば、導波路)の長さの変化を測定し、この変化を電気信号に変換し、この電気信号は、送受信機1612を介して送信されて、加えられる力のレベルおよび方向が伝達され得る。例えば、圧縮性伝播構造は、導波路の長さに対する、加えられる力の既知の再現可能な特性を有する。既知の特性を用いて、超音波信号を用いた導波路の長さの正確な測定が、力に変換され得る。   As an example, sensor 1602 may include an elastic or compressible propagation structure between the first transducer and the second transducer. The transducer can be an ultrasonic (or ultrasonic) resonator and the elastic or compressible propagation structure can be an ultrasonic waveguide. The electronic circuit 1610 is electrically coupled to the transducer to convert the change in length (or compression or extension) of the compressible propagation structure into a parameter of interest such as force. The system measures the change in length of the compressible propagation structure (eg, waveguide) in response to the applied force and converts this change into an electrical signal that is transmitted via the transceiver 1612. The level and direction of the applied force can then be communicated. For example, a compressible propagation structure has a known and reproducible characteristic of the applied force with respect to the length of the waveguide. Using known properties, an accurate measurement of the length of the waveguide using ultrasound signals can be converted into a force.

センサ1602は、力、圧力、または荷重の検知の導波路測定に限定されない。さらに他の構成において、センサ1602は、筋肉・骨格系のパラメータを測定するための、ピエゾ抵抗型センサ、圧縮性ポリマーセンサ、容量センサ、光センサ、memsセンサ、歪みゲージセンサ、化学センサ、温度センサ、pHセンサ、およびメカニカルセンサを含み得る。代替的な実施形態において、ピエゾ抵抗型薄膜センサが、荷重を検知するために使用され得る。ピエゾ抵抗型フィルムは、低プロファイルを有するため、実装に必要な形状因子が減少される。ピエゾ抵抗型フィルムは、加えられた圧力によって抵抗を変化させる。電圧または電流が、抵抗の変化を監視するために、ピエゾ抵抗型フィルムに加えられ得る。電子回路1610は、電圧または電流を印加するために結合され得る。同様に、電子回路1610は、ピエゾ抵抗型フィルムの抵抗に対応する電圧および電流を測定するために結合され得る。加えられる力、圧力、または荷重に対するピエゾ抵抗型フィルムの抵抗の関係は既知である。電子回路1610は、測定された電圧または電流を、センサ付きヘッドに加えられる力、圧力、または荷重に変換することができる。さらに、電子回路1610は、リアルタイムでの使用のための表示または転送のためまたは保存するために、測定をデジタル形式に変換することができる。電子回路1610は、シリアルおよび並列データ転送を可能にする変換器、入力、出力、および入力/出力を含むことができ、それによって、データの測定および伝達が、同時に行われ得る。一実施形態において、ASICが、ユーザによって指示される脊椎用機器400の制御機能および測定プロセスを管理するためにデジタル制御論理を組み込む電子回路1610に含まれる。   Sensor 1602 is not limited to waveguide measurements of force, pressure, or load sensing. In yet another configuration, the sensor 1602 is a piezoresistive sensor, a compressible polymer sensor, a capacitive sensor, a light sensor, a mems sensor, a strain gauge sensor, a chemical sensor, and a temperature sensor for measuring muscle / skeletal parameters. , PH sensors, and mechanical sensors. In an alternative embodiment, a piezoresistive thin film sensor can be used to sense the load. Piezoresistive films have a low profile, which reduces the form factor required for mounting. A piezoresistive film changes its resistance by the applied pressure. A voltage or current can be applied to the piezoresistive film to monitor the change in resistance. Electronic circuit 1610 may be coupled to apply a voltage or current. Similarly, electronic circuit 1610 can be coupled to measure voltage and current corresponding to the resistance of the piezoresistive film. The relationship of piezoresistive film resistance to applied force, pressure, or load is known. The electronic circuit 1610 can convert the measured voltage or current into force, pressure, or load applied to the sensored head. In addition, the electronic circuit 1610 can convert the measurement to a digital format for display or transfer for real-time use or for storage. The electronic circuit 1610 can include converters, inputs, outputs, and inputs / outputs that allow serial and parallel data transfer so that measurement and transmission of data can occur simultaneously. In one embodiment, the ASIC is included in an electronic circuit 1610 that incorporates digital control logic to manage the control functions and measurement process of the spinal instrument 400 as directed by the user.

加速度計1614は、加速度および静的重力を測定することができる。加速度計1614は、ベクトル量としての加速度の大きさおよび方向を検出する一軸および多軸加速度計構造であり得る。加速度計1614はまた、向き、振動、影響および衝撃を検知するのに使用され得る。電子回路1610は、加速度計1614およびセンサ1602とともに、脊椎用機器400の向きに対する対象とするパラメータ(例えば、荷重、力、圧力、変位、移動、回転、トルク、場所、および加速度の分布)を測定することができる。このような構成において、選択された基準系に対する測定されたパラメータの空間分布が、計算され、リアルタイムでの表示のために示され得る。   The accelerometer 1614 can measure acceleration and static gravity. The accelerometer 1614 can be a uniaxial and multi-axis accelerometer structure that detects the magnitude and direction of acceleration as a vector quantity. The accelerometer 1614 can also be used to detect orientation, vibration, effects and shocks. The electronic circuit 1610, together with the accelerometer 1614 and the sensor 1602, measures parameters of interest for the orientation of the spinal instrument 400 (eg, load, force, pressure, displacement, movement, rotation, torque, location, and acceleration distribution). can do. In such a configuration, the spatial distribution of measured parameters for a selected reference system can be calculated and shown for real-time display.

送受信機1612は、無線操作およびテレメトリ機能を可能にするために送信機1622およびアンテナ1620を含む。様々な実施形態において、アンテナ1620は、集積化ループアンテナとしての設計によって構成され得る。集積化ループアンテナは、他の電気部品が取り付けられたプリント基板における様々な層および場所で構成される。例えば、電子回路1610、電源1608、送受信機1612、および加速度計1614は、脊椎用機器400上または脊椎用機器400中に位置する回路基板に取り付けられ得る。送受信機1612は、開始されてから、対象とするパラメータをリアルタイムで通信することができる。テレメトリデータは、様々な受信機を用いて、またはカスタム受信機(custom receiver)を用いて受信され、復号され得る。無線操作により、検知モジュールを、電源または関連するデータ収集、記憶、表示設備、およびデータ処理設備と結合する配線およびケーブルによる物理的干渉の可能性、またはそのような配線およびケーブルによって課される制限によって引き起こされる測定の歪み、またはそのような測定に対する制限をなくすことができる。   The transceiver 1612 includes a transmitter 1622 and an antenna 1620 to enable wireless operation and telemetry functions. In various embodiments, the antenna 1620 may be configured with a design as an integrated loop antenna. Integrated loop antennas are composed of various layers and locations on a printed circuit board to which other electrical components are attached. For example, the electronic circuit 1610, the power source 1608, the transceiver 1612, and the accelerometer 1614 can be attached to a circuit board located on or in the spinal instrument 400. The transceiver 1612 can communicate the target parameters in real time after being started. Telemetry data may be received and decoded using various receivers or using a custom receiver. The possibility of physical interference due to wiring and cables coupling the sensing module with the power supply or associated data collection, storage, display equipment, and data processing equipment by radio operation, or limitations imposed by such wiring and cables The measurement distortion caused by or the limitations on such a measurement can be eliminated.

送受信機1612は、電源1608から電力を受信し、例えば、電子回路1610または特定用途向け集積回路内に組み込まれる効率的な電力管理スキームによって、様々な無線周波数にわたって低い電力で動作することができる。一例として、送受信機1612は、アンテナ1620によって、所定の放出モードで、所定の周波数でデータを送信することができる。所定の周波数は、以下に限定はされないが、国際電気通信連合(International Telecommunication Union)のリージョン1、2および3で認識されるISMバンドを含み得る。所定の放出モードは、以下に限定はされないが、ガウス型周波数偏移変調(Gaussian Frequency Shift Keying)(GFSK)、振幅偏移変調(Amplitude Shift Keying)(ASK)、位相偏移変調(Phase Shift Keying)(PSK)、最小偏移変調(Minimum Shift Keying)(MSK)、周波数変調(Frequency Modulation)(FM)、振幅変調(Amplitude Modulation)(AM)、または他の形態の周波数または振幅変調(例えば、バイナリ、コヒーレント、直角位相など)であり得る。   The transceiver 1612 receives power from the power source 1608 and can operate at low power over various radio frequencies, for example, by an efficient power management scheme incorporated within the electronic circuit 1610 or application specific integrated circuit. As an example, the transceiver 1612 can transmit data at a predetermined frequency in a predetermined emission mode by the antenna 1620. The predetermined frequency may include, but is not limited to, the ISM bands recognized in the International Telecommunication Union Regions 1, 2, and 3. The predetermined emission mode is not limited to the following, but includes Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK), Amplitude Shift Keying (ASK), and Phase Shift Modulation (Phase Kifting). ) (PSK), Minimum Shift Keying (MSK), Frequency Modulation (FM), Amplitude Modulation (AM), or other forms of frequency or amplitude modulation (e.g., Binary, coherent, quadrature, etc.).

アンテナ1620は、無線周波数伝送を提供するために、検知モジュールの構成要素と統合され得る。アンテナ1620および電子回路1610は、取り付けられ、結合されて、プリント基板における配線トレース(wire trace)を用いて回路が形成される。アンテナ1620は、信号の効率的な伝達のための整合ネットワークをさらに含み得る。アンテナおよび電子機器のこのレベルの統合により、無線設備のサイズおよびコストの減少が可能になる。潜在的な用途としては、以下に限定はされないが、任意のタイプの近距離の可搬の、ウェアラブルな、または他の携帯用の通信設備が挙げられ、ここで、小型のアンテナが一般的に使用される。これは、使い捨てのモジュールまたはデバイスならびに再利用可能なモジュールまたはデバイスおよび長期使用のためのモジュールまたはデバイスを含む。   The antenna 1620 may be integrated with the sensing module components to provide radio frequency transmission. The antenna 1620 and the electronic circuit 1610 are attached and coupled to form a circuit using a wire trace on the printed circuit board. The antenna 1620 may further include a matching network for efficient transmission of signals. This level of integration of antenna and electronics allows for a reduction in the size and cost of the radio equipment. Potential applications include, but are not limited to, any type of short-range portable, wearable, or other portable communication equipment, where a small antenna is typically used. used. This includes disposable modules or devices as well as reusable modules or devices and modules or devices for long term use.

電源1608は、脊椎用機器400の電子部品に電力を提供する。一実施形態において、電源1608は、有線エネルギー伝達、近距離無線エネルギー伝達またはそれらの組合せによって充電され得る。無線エネルギーを電源1608に提供するための外部電源としては、以下に限定はされないが、1つまたは複数の電池、交流電流電源、無線周波数受信機、電磁誘導コイル、1つまたは複数の光電池、1つまたは複数の熱電対、または1つまたは複数の超音波トランスデューサが挙げられる。電源1608によって、脊椎用機器400は、内部エネルギーがなくなるまで1回の充電で操作され得る。脊椎用機器400は、連続操作を可能にするために定期的に再充電され得る。電源1608は、測定および無線操作を促進するために、脊椎用機器400の構成要素にエネルギーを効率的に供給および提供するための電力管理技術をさらに用い得る。電力管理回路が、ASIC電力消費ならびにシステムの他の構成要素の両方を管理するために、ASICに組み込まれ得る。   The power source 1608 provides power to the electronic components of the spinal instrument 400. In one embodiment, the power source 1608 can be charged by wired energy transfer, near field wireless energy transfer, or a combination thereof. External power sources for providing wireless energy to power source 1608 include, but are not limited to, one or more batteries, an alternating current power source, a radio frequency receiver, an electromagnetic induction coil, one or more photovoltaic cells, One or more thermocouples, or one or more ultrasonic transducers. With power supply 1608, spinal instrument 400 can be operated with a single charge until the internal energy is exhausted. The spinal instrument 400 can be periodically recharged to allow continuous operation. The power source 1608 may further employ power management techniques for efficiently supplying and providing energy to the components of the spinal instrument 400 to facilitate measurement and wireless operation. A power management circuit may be incorporated into the ASIC to manage both ASIC power consumption as well as other components of the system.

電源1608は、測定操作中に検知モジュールに電力を供給するのに必要なさらなるエネルギー放射源を最小限に抑える。一実施形態において、図示されるように、エネルギー貯蔵部1608は、容量エネルギー貯蔵デバイス1624および誘導コイル1626を含み得る。充電電力の外部の供給源は、誘導充電によって、1つまたは複数の電磁誘導コイル1626を介して容量エネルギー貯蔵デバイス1624に無線で結合され得る。充電操作は、電子回路1610へとまたは電子回路1610とともに設計される電力管理システムによって制御され得る。例えば、電子回路1610の操作中、電力が、効率的な昇圧(step−up)および降圧(step−down)電圧変換回路によって、容量エネルギー貯蔵デバイス1624から伝達され得る。これにより、所要のレベルの性能を支持するために、最小電圧レベルで回路ブロックの操作電力が節約される。あるいは、電源1608は、脊椎用機器400内に収容される1つまたは複数の電池を含み得る。電池は、使い捨ての脊椎用機器400に電力を供給することができ、そのため、デバイスは、手術で使用された後に廃棄される。   The power source 1608 minimizes the additional energy radiation sources needed to power the sensing module during the measurement operation. In one embodiment, as illustrated, the energy store 1608 may include a capacitive energy storage device 1624 and an induction coil 1626. An external source of charging power may be wirelessly coupled to capacitive energy storage device 1624 via one or more electromagnetic induction coils 1626 by inductive charging. The charging operation may be controlled by a power management system designed to or with electronic circuit 1610. For example, during operation of the electronic circuit 1610, power can be transferred from the capacitive energy storage device 1624 by efficient step-up and step-down voltage conversion circuits. This saves the operating power of the circuit block at a minimum voltage level in order to support the required level of performance. Alternatively, the power source 1608 can include one or more batteries housed within the spinal instrument 400. The battery can provide power to the disposable spinal instrument 400 so that the device is discarded after it has been used in surgery.

一形態において、外部電源は、再充電操作中に、ダウンリンクデータを送受信機1612に通信する働きをさらに果たし得る。例えば、ダウンリンク制御データは、無線エネルギー源信号に変調され、その後、電子回路1610によって誘導コイル1626から復調され得る。これは、アップリンクおよびダウンリンク操作の両方のために送受信機1612を構成する代わりに、ダウンリンクデータを受信するためのより効率的な方法として働き得る。一例として、ダウンリンクデータは、測定を行うとき、または再校正(recalibration)目的のために脊椎用機器400が使用する、外部位置情報などの更新された制御パラメータを含み得る。ダウンリンクデータはまた、シリアル番号または他の識別データをダウンロードするのに使用され得る。   In one form, the external power source may further serve to communicate downlink data to the transceiver 1612 during a recharge operation. For example, downlink control data can be modulated into a wireless energy source signal and then demodulated from induction coil 1626 by electronic circuit 1610. This can serve as a more efficient way to receive downlink data instead of configuring the transceiver 1612 for both uplink and downlink operations. As an example, the downlink data may include updated control parameters, such as external location information, that the spinal instrument 400 uses when making measurements or for recalibration purposes. Downlink data can also be used to download serial numbers or other identification data.

電子回路1610は、検知、電力管理、テレメトリ、および加速度検知などの、検知モジュールの構成要素の様々な操作を管理し、制御する。電子回路1610は、アナログ回路、デジタル回路、集積回路、個別部品、またはそれらの任意の組合せを含み得る。一構成において、電子回路1610は、集積回路および個別部品の中で区分されて、性能を損なわずに電力消費を最小限に抑え得る。デジタル回路とアナログ回路とを区分する機能は、設計の融通性を高め、機能性または性能を犠牲にせずに、最小の電力消費を促す。したがって、電子回路1610は、例えば、コア信号処理アルゴリズムに固有の、1つまたは複数の集積回路またはASICを含み得る。   The electronic circuit 1610 manages and controls various operations of the sensing module components, such as sensing, power management, telemetry, and acceleration sensing. Electronic circuit 1610 may include analog circuits, digital circuits, integrated circuits, discrete components, or any combination thereof. In one configuration, the electronic circuit 1610 can be partitioned among integrated circuits and discrete components to minimize power consumption without compromising performance. The ability to distinguish between digital and analog circuits increases design flexibility and promotes minimum power consumption without sacrificing functionality or performance. Thus, the electronic circuit 1610 may include, for example, one or more integrated circuits or ASICs specific to the core signal processing algorithm.

別の構成において、電子回路1610は、関連する記憶装置および論理を備えた、プログラマブルプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor)(DSP)、マイクロコントローラ、またはマイクロプロセッサなどのコントローラを含み得る。コントローラは、Flash、ROM、RAM、SRAM、DRAMまたは検知モジュールの上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置とともに計算技術を用い得る。一構成において、記憶装置は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか1つまたは複数を用いる1つまたは複数の命令集合(例えば、ソフトウェア)を保存し得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および/またはプロセッサ内に存在し得る。   In another configuration, the electronic circuit 1610 may include a controller, such as a programmable processor, a digital signal processor (DSP), a microcontroller, or a microprocessor with associated storage and logic. The controller may use computing techniques with associated storage devices such as Flash, ROM, RAM, SRAM, DRAM or other similar techniques for controlling the operation of the above components of the sensing module. In one configuration, the storage device may store one or more instruction sets (eg, software) that use any one or more of the methods or functions described herein. The instructions may also reside in other memory and / or processors completely or at least partially during execution of instructions by another processor or computer system.

電子機器集合体は、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの品質、精度、および信頼性を確実にする試験容易性および校正特徴も支持する。一時的な双方向結合が、電子機器の高いレベルの電気的可観測性(electrical observability)および可制御性を確実にするのに使用され得る。試験インターコネクトは、トランスデューサ、導波路、および機械ばねまたは弾性アセンブリを含む検知サブシステムの高いレベルの電気的可観測性も提供する。キャリア(carrier)またはフィクスチャ(fixture)は、製造処理中に、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの最終的なエンクロージャをエミュレートし、それによって、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの校正されたパラメータのための正確な校正データの捕捉を可能にする。これらの校正パラメータは、電子機器集合体に統合されたオンボードメモリ内に保存される。   The electronics assembly also supports testability and calibration features that ensure the quality, accuracy, and reliability of the completed wireless sensing module or device. Temporary bidirectional coupling can be used to ensure a high level of electrical observability and controllability of the electronics. The test interconnect also provides a high level of electrical observability of the sensing subsystem including transducers, waveguides, and mechanical springs or elastic assemblies. The carrier or fixture emulates the final enclosure of the finished wireless sensing module or device during the manufacturing process, thereby calibrating the calibrated parameters of the finished wireless sensing module or device. Allows accurate calibration data to be captured. These calibration parameters are stored in an on-board memory that is integrated into the electronics assembly.

センサ1602および電子回路1610を含む電子アセンブリの用途としては、以下に限定はされないが、使い捨てのモジュールまたはデバイスならびに利用可能なモジュールまたはデバイスおよび長期使用のための再モジュールまたはデバイスが挙げられる。非医療用途に加えて、広範囲の潜在的な医療用途の例としては、以下に限定はされないが、埋め込み型デバイス、埋め込み型デバイス内のモジュール、手術中インプラントまたは手術中インプラントもしくは試験インサート内のモジュール、挿入されたまたは取り込まれたデバイス内のモジュール、ウェアラブルデバイス内のモジュール、手持ち式デバイス内のモジュール、機器、電気器具、設備、あるいはこれらの全ての付属品内のモジュール、あるいはインプラント、試験インサート、挿入されたまたは取り込まれたデバイス、ウェアラブルデバイス、手持ち式デバイス、機器、電気器具、設備内の消耗品、あるいはこれらのデバイス、機器、電気器具、または設備の付属品が挙げられる。   Applications for electronic assemblies including sensor 1602 and electronic circuit 1610 include, but are not limited to, disposable modules or devices and available modules or devices and re-modules or devices for long-term use. In addition to non-medical applications, examples of a wide range of potential medical applications include, but are not limited to, implantable devices, modules within implantable devices, intraoperative implants, or modules within intraoperative implants or test inserts. A module in an inserted or captured device, a module in a wearable device, a module in a handheld device, a module in an instrument, appliance, equipment, or all of these accessories, or an implant, a test insert, Examples include inserted or incorporated devices, wearable devices, handheld devices, equipment, appliances, consumables in equipment, or accessories for these devices, equipment, appliances, or equipment.

図17は、例示的実施形態に係る、近距離テレメトリのための例示的な通信システム1700の略図である。図示されるように、通信システム1700は、脊椎用機器中の医療機器通信構成要素1710およびプロセッサに基づくリモートシステム中の受信システム通信を含む。一実施形態において、受信リモートシステム通信は、手技中に外科チームが見ることができるコンピュータまたはラップトップコンピュータ中にあるかまたはそれに結合される。リモートシステムは、手術室の滅菌野の外部にあることがあるが、測定された定量的データをリアルタイムで評価するために見える範囲内にある。医療機器通信構成要素1710は、以下に限定はされないが、アンテナ1712、整合ネットワーク1714、テレメトリ送受信機1716、CRC回路1718、データパケット化装置(data packetizer)1722、データ入力1724、電源1726、および特定用途向け集積回路(ASIC)1720を含むように動作可能に結合される。医療機器通信構成要素1710は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含み得るが、図示されるものまたは構成要素の順序に限定されない。   FIG. 17 is a diagram of an example communication system 1700 for near field telemetry, according to an example embodiment. As shown, the communication system 1700 includes a receiving system communication in a remote system based on a medical device communication component 1710 in a spinal instrument and a processor. In one embodiment, the receiving remote system communication is in or coupled to a computer or laptop computer that can be viewed by the surgical team during the procedure. The remote system may be outside the operating room sterilization field, but is within the range that is visible for real time evaluation of the measured quantitative data. The medical device communication component 1710 includes, but is not limited to, an antenna 1712, a matching network 1714, a telemetry transceiver 1716, a CRC circuit 1718, a data packetizer 1722, a data input 1724, a power supply 1726, and a specific Operatively coupled to include an application specific integrated circuit (ASIC) 1720. The medical device communication component 1710 may include more or fewer components than illustrated, but is not limited to what is illustrated or the order of the components.

受信ステーション通信構成要素1750は、アンテナ1752、整合ネットワーク1754、テレメトリ受信機1756、CRC回路1758、データパケット化装置1760、および任意に、USBインターフェース1762を含む。特に、他のインターフェースシステムは、センサデータを処理し、表示する(render)ために、データパケット化装置1760に直接結合され得る。   The receiving station communication component 1750 includes an antenna 1752, a matching network 1754, a telemetry receiver 1756, a CRC circuit 1758, a data packetizer 1760, and optionally a USB interface 1762. In particular, other interface systems can be directly coupled to the data packetizer 1760 to process and render sensor data.

図16を参照すると、電子回路1610は、脊椎用機器400の1つまたは複数のセンサ602に動作可能に結合される。一実施形態において、1つまたは複数のセンサ602によって生成されるデータは、筋肉・骨格系の測定されるパラメータに変換され得る、mems構造、ピエゾ抵抗型センサ、歪みゲージ、メカニカルセンサ、パルス持続波、または他のセンサタイプからの電圧、電流、周波数、またはカウント値を含み得る。図17に戻って参照すると、データパケット化装置1722は、センサデータを集めてパケットにし、これは、ASIC1720によって受信または処理されたセンサ情報を含む。ASIC1720は、医療機器通信構成要素1710のコア信号処理機能を効率的に実行するための特定のモジュールを含み得る。ASIC1720は、器具の形状因子を減少させるという利点をさらに提供する。   Referring to FIG. 16, the electronic circuit 1610 is operably coupled to one or more sensors 602 of the spinal instrument 400. In one embodiment, data generated by one or more sensors 602 can be converted into measured parameters of the musculoskeletal system, mems structures, piezoresistive sensors, strain gauges, mechanical sensors, pulsed continuous waves Or voltage, current, frequency, or count values from other sensor types. Referring back to FIG. 17, the data packetizer 1722 collects sensor data into packets that include sensor information received or processed by the ASIC 1720. The ASIC 1720 may include specific modules for efficiently performing the core signal processing functions of the medical device communication component 1710. The ASIC 1720 further provides the advantage of reducing the form factor of the instrument.

CRC回路1718は、パケットデータにおけるエラーコード検出を適用する。巡回冗長検査は、任意の長さのデータストリームまたはパケットのチェックサムを計算するアルゴリズムに基づくものである。これらのチェックサムを用いて、送信中のデータの干渉または不測の変化(accidental alteration)を検出することができる。巡回冗長検査は、電気的雑音によって引き起こされるエラーを検出するのに特に優れており、したがって、高いレベルの電磁活性を有する環境中で破損したデータの不適切な処理からの堅固な保護を可能にする。次に、テレメトリ送信機1716は、アンテナ1712によって、整合ネットワーク1714を介してCRC符号化データパケットを送信する。整合ネットワーク1714および1754は、最適な通信電力効率を得るためにインピーダンス整合を提供する。   The CRC circuit 1718 applies error code detection in the packet data. Cyclic redundancy check is based on an algorithm that calculates a checksum of a data stream or packet of any length. These checksums can be used to detect interference or accidental alteration of data being transmitted. Cyclic redundancy check is particularly good at detecting errors caused by electrical noise, thus allowing for robust protection from improper handling of corrupted data in environments with high levels of electromagnetic activity To do. Telemetry transmitter 1716 then transmits a CRC encoded data packet via matching network 1714 via antenna 1712. Matching networks 1714 and 1754 provide impedance matching for optimal communication power efficiency.

受信システム通信構成要素1750は、脊椎用機器通信構成要素1710によって送られる送信を受信する。一実施形態において、テレメトリ送信機1716は、規定の放出モードで規定の周波数でデータストリーム通信を受信するように制約された専用のテレメトリ受信機1756とともに操作される。受信ステーションアンテナ1752によるテレメトリ受信機1756は、規定の周波数で入ってくる送信を検出する。アンテナ1752は、構成要素1710の指向性アンテナに向けられる指向性アンテナであり得る。少なくとも1つの指向性アンテナを用いることで、データの破損を減少させることができる一方、データが放射パターンであるようにさらに制限することによってデータセキュリティを向上させる。整合ネットワーク1754は、アンテナ1752からテレメトリ受信機1756へと信号を効率的に伝達するインピーダンス整合を提供するために、アンテナ1752に結合する。テレメトリ受信機1756は、1つまたは複数の工程における搬送周波数を減少させ、構成要素1710によって送られる情報またはデータを取り除く(strip off)ことがある。テレメトリ受信機1756は、CRC回路1758に結合する。CRC回路1758は、データの個々のパケットの巡回冗長チェックサムを確認する。CRC回路1758は、データパケット化装置1760に結合される。データパケット化装置1760は、個々のパケットデータを処理する。一般に、CRC回路1758によって確認されるデータは、復号され(例えば、解凍され)、後の処理、表示、または保存またはこれらのいくつかの組合せのために、外部コンピュータなどの外部のデータ処理デバイスに転送される。   Receive system communication component 1750 receives transmissions sent by spinal instrument communication component 1710. In one embodiment, telemetry transmitter 1716 is operated with a dedicated telemetry receiver 1756 that is constrained to receive data stream communications at a specified frequency in a specified emission mode. A telemetry receiver 1756 by the receiving station antenna 1752 detects incoming transmissions at a specified frequency. The antenna 1752 may be a directional antenna that is directed to the directional antenna of the component 1710. Using at least one directional antenna can reduce data corruption while improving data security by further restricting the data to be in a radiation pattern. Matching network 1754 couples to antenna 1752 to provide impedance matching that efficiently transmits signals from antenna 1752 to telemetry receiver 1756. Telemetry receiver 1756 may reduce the carrier frequency in one or more steps and strip off information or data sent by component 1710. Telemetry receiver 1756 is coupled to CRC circuit 1758. CRC circuit 1758 verifies the cyclic redundancy checksum of individual packets of data. CRC circuit 1758 is coupled to data packetizer 1760. The data packetizer 1760 processes individual packet data. In general, data identified by CRC circuit 1758 is decoded (eg, decompressed) and sent to an external data processing device, such as an external computer, for later processing, display, or storage or some combination thereof. Transferred.

テレメトリ受信機1756は、以下に限定はされないが、パワードUSBポート1762、または電池から得られる電力などの非常に低い電力で操作するように設計され、構成される。別の実施形態において、テレメトリ受信機1756は、受信されたデータに関する不注意による破損または悪意のある改ざんの機会を制限するために、最小限の制御可能な機能とともに使用するように設計される。テレメトリ受信機1756は、一貫して高いレベルの品質および信頼性を確保しながら、小型で、安価で、標準的な製造プロセスで容易に製造されるように設計され、構成され得る。   Telemetry receiver 1756 is designed and configured to operate with very low power, such as, but not limited to, powered USB port 1762 or power obtained from a battery. In another embodiment, the telemetry receiver 1756 is designed for use with minimal controllable functions to limit the chance of inadvertent corruption or malicious tampering with the received data. Telemetry receiver 1756 can be designed and configured to be small, inexpensive, and easily manufactured in a standard manufacturing process while ensuring a consistently high level of quality and reliability.

一形態において、通信システム1700は、任意の形態の不正なまたは不測のクエリからの高いセキュリティおよび保護を提供するために、数メートル程度の通信範囲で送信専用の操作で動作する。送信範囲は、送信された信号の強度、アンテナの選択、またはその両方の組合せによって制御され得る。高い繰り返し率の送信が、データ捕捉操作中に、送信データパケットに組み込まれた巡回冗長検査(Cyclic Redundancy Check)(CRC)ビットとともに使用可能であり、それによって、動作するまたは静的な物理的システム内における荷重、力、圧力、変位、屈曲、姿勢、および位置の測定を含むがこれらに限定されない、データの表示またはデータの視覚表示の完全性に実質的に影響を与えずに、受信システムが破損されたデータを廃棄することが可能になる。   In one form, the communication system 1700 operates in a transmission-only operation with a communication range on the order of a few meters to provide high security and protection from any form of fraudulent or unexpected query. The transmission range may be controlled by transmitted signal strength, antenna selection, or a combination of both. High repetition rate transmission can be used with Cyclic Redundancy Check (CRC) bits embedded in transmitted data packets during data acquisition operations, thereby operating or static physical systems Including, but not limited to, measurements of loads, forces, pressures, displacements, flexures, postures, and positions within the receiving system without substantially affecting the integrity of the data display or data visual display. It becomes possible to discard damaged data.

動作範囲を、数メートル程度の距離に制限することによって、テレメトリ送信機1716は、データの送信の繰り返し率を損なわずに、適切な放出モードまたは所定の動作周波数のためのモードで非常に低い電力で操作され得る。この動作モードは、集積化ループアンテナなどの小型のアンテナによる動作も支持する。低電力および小型のアンテナの組合せは、以下に限定はされないが、広範囲の非医療および医療用途に使用され得る非常に小型のテレメトリ送信機の構築を可能にする。   By limiting the operating range to a distance on the order of a few meters, the telemetry transmitter 1716 allows very low power in a suitable emission mode or mode for a given operating frequency without compromising the data transmission repetition rate. Can be operated on. This mode of operation also supports operation with small antennas such as integrated loop antennas. The combination of low power and small antennas allows the construction of very small telemetry transmitters that can be used for a wide range of non-medical and medical applications, including but not limited to:

送信機のセキュリティならびに送信データの完全性は、所定の条件内でテレメトリシステムを操作することによって確保される。送信専用モードで操作されるため、送信機のセキュリティが損なわれることはなく、医療機器通信構成要素に侵入する経路が存在しない。データの完全性は、CRCアルゴリズムの使用および測定の繰り返し率によって確保される。データの不正な受信のリスクが、デバイスの制限された通信範囲によって最小限に抑えられる。データパケットの不正な受信が起こるべき場合でも、データアクセスをさらに抑制する所定の対抗手段がある。第1の手段は、送信データパケットが、CRCビットとともにカウンタからのバイナリビットのみを含むことである。第2の手段は、どの時点でも2進値通信の有意性を解釈するのにデータが利用できず、または必要とされないことである。実施され得る第3の手段は、患者またはデバイス識別データが、どの時点でも通信されないことである。   Transmitter security as well as transmitted data integrity is ensured by operating the telemetry system within predetermined conditions. Because it is operated in a transmit-only mode, the transmitter security is not compromised and there is no path to enter the medical device communication component. Data integrity is ensured by the use of CRC algorithms and measurement repetition rates. The risk of unauthorized reception of data is minimized by the limited communication range of the device. There are certain countermeasures that further inhibit data access even if unauthorized reception of data packets should occur. The first means is that the transmitted data packet contains only binary bits from the counter along with the CRC bits. The second measure is that no data is available or needed to interpret the significance of binary communication at any point in time. A third means that may be implemented is that patient or device identification data is not communicated at any time.

テレメトリ送信機1716はまた、いくつかのFCC規制に準拠して動作し得る。FCC規制のセクション18.301によれば、USA国内のISMバンドは、6.78、13.56、27.12、30.68、915、2450、および5800MHzならびに24.125、61.25、122.50、および245GHzを含む。世界的には、433MHzを含む他のISMバンドが、一部の地理的な場所で国際電気通信連合(International Telecommunications Union)によって規定されている。18.303で規定される禁止周波数帯域の一覧は、以下のとおりであり、以下の安全捜索救助周波数帯域(safety,search and rescue frequency band)が禁止されている。すなわち490〜510kHz、2170〜2194kHz、8354〜8374kHz、121.4〜121.6MHz、156.7〜156.9MHz、および242.8〜243.2MHzである。セクション18.305は、規定のISMバンドの範囲外で操作される場合にISM設備が超えてはならない電界強度および放出レベルを規定している。要約すれば、セクション18.305に規定される電界強度および放出レベルに対する制限が設計によってまたは能動制御によって維持される場合、ISMバンドの範囲内でならびに9KHzを超えるほとんどの他の周波数帯域内で、ISM設備が世界的に操作され得ることが結論付けられ得る。代案として、市販の集積回路ISM送受信機を含む市販のISM送受信機が、適切に使用される場合に、これらの電界強度および放出レベル要件を満たすように設計され得る。   Telemetry transmitter 1716 may also operate in accordance with some FCC regulations. According to section 18.301 of the FCC regulations, the USA domestic ISM bands are 6.78, 13.56, 27.12, 30.68, 915, 2450, and 5800 MHz and 24.125, 61.25, 122. .50, and 245 GHz. Globally, other ISM bands, including 433 MHz, are defined by the International Telecommunications Union in some geographic locations. The list of forbidden frequency bands defined in 18.303 is as follows, and the following safe search and rescue frequency bands (safety, search and rescue frequency bands) are prohibited. That is, 490 to 510 kHz, 2170 to 2194 kHz, 8354 to 8374 kHz, 121.4 to 121.6 MHz, 156.7 to 156.9 MHz, and 242.8 to 243.2 MHz. Section 18.305 specifies the field strengths and emission levels that an ISM facility must not exceed when operated outside the specified ISM band. In summary, if the limits on field strength and emission levels specified in section 18.305 are maintained by design or by active control, within the ISM band and in most other frequency bands above 9 KHz, It can be concluded that ISM equipment can be operated worldwide. Alternatively, commercial ISM transceivers, including commercial integrated circuit ISM transceivers, can be designed to meet these field strength and emission level requirements when used properly.

一形態において、テレメトリ送信機1716は、無許可のISMバンドでまたは低電力設備の無許可の操作で動作することもでき、ここで、ISM設備(例えば、テレメトリ送信機1716)は、FCCコードのセクション18.303に示される場合を除いて、9kHzを超えるANY周波数で操作され得る。   In one form, the telemetry transmitter 1716 can also operate in an unauthorized ISM band or in unauthorized operation of a low power facility, where the ISM facility (eg, telemetry transmitter 1716) is FCC coded. Except as indicated in section 18.303, it may be operated at ANY frequencies above 9 kHz.

無線操作により、無線検知モジュールまたはデバイスを、電源またはデータ収集、記憶、または表示設備と結合する配線およびケーブルによる物理的干渉の可能性、またはそのような配線およびケーブルによって課される制限によって引き起こされる測定の歪み、またはそのような測定に対する制限がなくなる。検知構成要素および電子回路のための電力は、内部エネルギー貯蔵デバイスにおける無線検知モジュールまたはデバイス内で維持される。このエネルギー貯蔵デバイスは、1つまたは複数の電池、超キャパシタ、キャパシタ、交流電流電源、無線周波数受信機、電磁誘導コイル、1つまたは複数の光電池、1つまたは複数の熱電対、または1つまたは複数の超音波トランスデューサを含むがこれらに限定されない外部電源を用いて充電される。無線検知モジュールは、内部エネルギー源がなくなるまで1回の充電で操作され得、またはエネルギー源は、連続操作を可能にするために定期的に再充電され得る。電源が組み込まれていることにより、測定操作中に無線検知モジュールまたはデバイスに電力を供給するのに必要なさらなるエネルギー放射源が最小限で済む。テレメトリ機能も、無線検知モジュールまたはデバイス内で統合される。テレメトリ送信機は、開始されてから、測定データをリアルタイムで連続して通信する。テレメトリデータは、商業用の受信機を用いて、または単純で低コストのカスタム受信機を用いて、受信され、復号され得る。   Wireless operation causes a wireless sensing module or device due to the possibility of physical interference with wiring and cables that couple with power or data collection, storage, or display equipment, or limitations imposed by such wiring and cables There is no measurement distortion, or restrictions on such measurement. Power for sensing components and electronic circuits is maintained within a wireless sensing module or device in the internal energy storage device. The energy storage device includes one or more batteries, supercapacitors, capacitors, alternating current power supplies, radio frequency receivers, electromagnetic induction coils, one or more photovoltaic cells, one or more thermocouples, or one or It is charged using an external power source including, but not limited to, a plurality of ultrasonic transducers. The wireless sensing module can be operated with a single charge until there is no internal energy source, or the energy source can be periodically recharged to allow continuous operation. The built-in power supply minimizes the additional energy radiation sources required to power the wireless sensing module or device during the measurement operation. Telemetry functions are also integrated within the wireless sensing module or device. The telemetry transmitter communicates measurement data continuously in real time after being started. Telemetry data can be received and decoded using a commercial receiver or using a simple, low cost custom receiver.

図18は、実施形態例に係る、測定および報告のための通信ネットワーク1800を示す。簡潔に述べると、通信ネットワーク1800は、他のデバイスまたはサービスに広いデータ接続を提供するために、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420を拡張する。図示されるように、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420は、通信ネットワーク1800および任意の関連するシステムまたはサービスに通信可能に結合され得る。   FIG. 18 shows a communication network 1800 for measurement and reporting, according to an example embodiment. Briefly, communication network 1800 extends spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 to provide a broad data connection to other devices or services. As shown, spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 may be communicatively coupled to communication network 1800 and any associated system or service.

一例として、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420は、例えば、手術の状態または結果を分析し、それについて報告するために、対象とするそのパラメータ(例えば、荷重、力、圧力、変位、移動、回転、トルクおよび加速度の分布)を、リモートサービスまたは提供者と共有し得る。センサシステムが永久的に埋め込まれる場合、センサからのデータは、進展を監視するために、例えばサービスプロバイダと共有されるかあるいは外科計画目的または有効性研究のために計画管理者と共有され得る。通信ネットワーク1800は、医療情報技術の実施を行うために、電子医療記録(Electronic Medical Record)(EMR)システムにさらにつながれ得る。他の実施形態において、通信ネットワーク1800は、HIS(病院情報システム(Hospital Information System))、HIT(病院情報技術(Hospital Information Technology))およびHIM(病院情報管理(Hospital Information Management))、EHR(電子健康記録(Electronic Health Record))、CPOE(コンピュータ化医師オーダーエントリ(Computerized Physician Order Entry))、およびCDSS(コンピュータ化意思決定支援システム(Computerized Decision Support System))に通信可能に結合され得る。これは、様々な情報技術システムおよびソフトウェアアプリケーションが、正確に、効果的に、かつ一貫してデータを交換し、交換されたデータを使用するように通信する能力を提供する。   By way of example, spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 may be used to analyze and report on their parameters (eg, load, force, Pressure, displacement, movement, rotation, torque and acceleration distribution) may be shared with the remote service or provider. If the sensor system is permanently implanted, data from the sensor can be shared with the service manager, for example, for surgical planning purposes or effectiveness studies, for example, to monitor progress, or for surgical planning purposes. Communication network 1800 may be further coupled to an Electronic Medical Record (EMR) system for performing medical information technology implementations. In other embodiments, the communication network 1800 includes HIS (Hospital Information System), HIT (Hospital Information Technology), and HIM (Hospital Information Management), EMT. Health Record (Electronic Health Record), CPOE (Computerized Physician Order Entry), and CDSS (Computerized Decision Support System). This provides the ability for various information technology systems and software applications to exchange data accurately and effectively and consistently and to communicate using the exchanged data.

通信ネットワーク1800は、ローカルエリアネットワーク(Local Area Network)(LAN)1801、無線LAN(Wireless Local Area Network)(WLAN)1805、セルラーネットワーク(Cellular Network)1814、および/または他の無線周波数(RF)システム上に有線または無線接続を提供することができる。LAN1801およびWLAN1805は、例えば、中央局(central office)を介して、インターネット1820に通信可能に結合され得る。中央局は、遠距離通信サービスを供給するための共有のネットワークスイッチング設備を収容し得る。遠距離通信サービスは、従来のPOTS(基本電話サービス(Plain Old Telephone Service))ならびにケーブル、HDTV、DSL、VoIP(ボイスオーバーインターネットプロトコル(Voice over Internet Protocol))、IPTV(インターネットプロトコルテレビジョン(Internet Protocol Television))、インターネットサービスなどの広帯域サービスなどを含み得る。   The communication network 1800 includes a local area network (LAN) 1801, a wireless local area network (WLAN) 1805, a cellular network 1814, and / or other radio frequency (RF) systems. A wired or wireless connection can be provided on top. LAN 1801 and WLAN 1805 may be communicatively coupled to the Internet 1820 via, for example, a central office. The central office may accommodate a shared network switching facility for providing telecommunications services. Telecommunication services include conventional POTS (Plain Old Telephone Service) and cable, HDTV, DSL, VoIP (Voice over Internet Protocol), IPTV (Internet Protocol Television). Television)), broadband services such as Internet services, and the like.

通信ネットワーク1800は、共通の計算および通信技術を用いて、回線交換型および/またはパケット交換型通信を支持することができる。インターネット1820および他のパケット交換型ネットワーク送信のための規格のそれぞれ(例えば、TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP、RTP、MMS、SMS)は、従来技術の例を表す。このような規格は、実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物に周期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替の規格およびプロトコルは、均等であるとみなされる。   Communication network 1800 may support circuit-switched and / or packet-switched communications using common computing and communication techniques. Each of the standards for Internet 1820 and other packet-switched network transmissions (eg, TCP / IP, UDP / IP, HTML, HTTP, RTP, MMS, SMS) represent examples of the prior art. Such standards are periodically replaced by faster or more efficient equivalents having substantially the same function. Thus, alternative standards and protocols having the same functionality are considered equivalent.

セルラーネットワーク1814は、GSM(登録商標)−GPRS、EDGE、CDMA、UMTS、WiMAX、2G、3G、WAP、ソフトウェア無線(software defined radio)(SDR)、および他の既知の技術などのいくつかのアクセス技術で音声およびデータサービスを支持し得る。セルラーネットワーク1814は、携帯機器1802を用いて通信するための周波数再利用計画の下でベース受信機1810に結合され得る。   The cellular network 1814 provides several access such as GSM®-GPRS, EDGE, CDMA, UMTS, WiMAX, 2G, 3G, WAP, software defined radio (SDR), and other known technologies. Technology can support voice and data services. The cellular network 1814 may be coupled to the base receiver 1810 under a frequency reuse plan for communicating using the mobile device 1802.

ベース受信機1810は、今度は、パケット交換型リンク上で携帯機器1802をインターネット1820に接続し得る。インターネット1820は、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420から携帯機器502へとデータを分配するためのアプリケーションサービスおよびサービスレイヤを支持し得る。携帯機器1802は、無線通信チャネルを用いて、インターネット1820を介して、他の通信デバイスに接続することもできる。   Base receiver 1810 may in turn connect portable device 1802 to the Internet 1820 over a packet-switched link. Internet 1820 may support application services and service layers for distributing data from spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 to portable device 502. The portable device 1802 can also be connected to other communication devices via the Internet 1820 using a wireless communication channel.

携帯機器1802は、WLAN1805上でインターネット1820に接続することもできる。無線ローカルアクセスネットワーク(Wireless Local Access Network)(WLAN)は、ローカルな地理的エリア内での無線アクセスを提供する。WLANは、典型的に、基地局としても知られているアクセスポイント(Access Point)(AP)1804の集合から構成される。脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420は、基地局エリア内のラップトップ1803などの他のWLANステーションと通信することができる。典型的なWLANの実装例において、物理層が、802.11bまたは802.11gのWLAN技術などの様々な技術を使用する。物理層は、2.4GHzバンドで赤外線の、周波数ホッピング拡散スペクトルを使用するか、2.4GHzバンドで直接シーケンス拡散スペクトルを使用するか、または、例えば、5.8GHzのISMバンドまたはより高いISMバンド(例えば、24GHzなど)で他のアクセス技術を使用し得る。   The portable device 1802 can also be connected to the Internet 1820 over the WLAN 1805. A Wireless Local Access Network (WLAN) provides wireless access within a local geographic area. A WLAN is typically composed of a collection of Access Points (APs) 1804, also known as base stations. The spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 can communicate with other WLAN stations such as a laptop 1803 in the base station area. In a typical WLAN implementation, the physical layer uses various technologies such as 802.11b or 802.11g WLAN technology. The physical layer uses infrared frequency hopping spread spectrum in 2.4 GHz band, direct sequence spread spectrum in 2.4 GHz band, or, for example, 5.8 GHz ISM band or higher ISM band Other access technologies may be used (eg, 24 GHz, etc.).

通信ネットワーク1800によって、脊椎位置合わせシステム100、脊椎用機器400、および挿入機器420が、ネットワーク上でリモートサーバ1830とおよびデータを交換するために他の携帯機器との接続を確立し得る。リモートサーバ1830は、データベース1840へのアクセスを有することができ、データベース1840は、ローカルでまたは遠隔に保存され、特定用途向けデータを含み得る。リモートサーバ1830は、直接、またはインターネット1820上でアプリケーションサービスをホストすることもできる。   Communication network 1800 may allow spinal alignment system 100, spinal instrument 400, and insertion instrument 420 to establish a connection with remote server 1830 and other portable devices to exchange data over the network. Remote server 1830 may have access to database 1840, which may be stored locally or remotely and may include application specific data. The remote server 1830 can also host application services directly or over the Internet 1820.

図19は、コンピュータシステム1900の形態の機械の例示的な概略図を示し、その中で、命令集合が、実行される場合、上述した方法のうちのいずれか1つまたは複数を機械に実行させ得る。ある実施形態において、この機械は、独立型デバイスとして動作する。ある実施形態において、この機械は、(例えば、ネットワークを用いて)他の機械に接続され得る。ネットワーク化された配備において、この機械は、サーバクライアントユーザネットワーク環境におけるサーバまたはクライアントユーザ機械として、またはピアツーピア(または分配された)ネットワーク環境におけるピアマシン(peer machine)として動作し得る。   FIG. 19 illustrates an exemplary schematic diagram of a machine in the form of a computer system 1900 in which, when an instruction set is executed, causes the machine to perform any one or more of the methods described above. obtain. In certain embodiments, the machine operates as a stand-alone device. In certain embodiments, the machine may be connected to other machines (eg, using a network). In a networked deployment, the machine may operate as a server or client user machine in a server client user network environment, or as a peer machine in a peer-to-peer (or distributed) network environment.

この機械は、サーバコンピュータ、クライアントユーザコンピュータ、パーソナルコンピュータ(PC)、タブレットPC、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、制御システム、ネットワークルータ、スイッチまたはブリッジ、または該当する機械が取るべき動作を規定する(順次または他の形の)命令集合を実行可能な任意の機械を含み得る。本開示のデバイスが、音声、動画またはデータ通信を提供する広く任意の電子デバイスを含むことが理解されるであろう。さらに、単一の機械が示されるが、「機械」という用語はまた、本明細書に記載される方法のうちのいずれか1つまたは複数を実行する。命令の集合(または複数集合)を個別にまたはまとめて実行する機械の任意の集合を含むものと解釈されるべきである。   This machine defines server computers, client user computers, personal computers (PCs), tablet PCs, laptop computers, desktop computers, control systems, network routers, switches or bridges, or actions to be taken by appropriate machines (sequentially). Or any other form of machine capable of executing the instruction set. It will be appreciated that the devices of the present disclosure include a wide variety of electronic devices that provide voice, video or data communications. Further, although a single machine is shown, the term “machine” also performs any one or more of the methods described herein. It should be construed to include any set of machines that execute the set (or sets) of instructions individually or collectively.

コンピュータシステム1900は、バス1908を介して互いに通信する、プロセッサ1902(例えば、中央処理装置(central processing unit)(CPU)、グラフィックスプロセッシングユニット(graphics processing unit)(GPU、またはその両方)、メインメモリ1904およびスタティックメモリ1906を含み得る。コンピュータシステム1900は、ビデオディスプレイ装置1910(例えば、液晶ディスプレイ(LCD)、フラットパネル、固体ディスプレイ、またはブラウン管(cathode ray tube)(CRT))をさらに含み得る。コンピュータシステム1900は、入力デバイス1912(例えば、キーボード)、カーソル制御デバイス1914(例えば、マウス)、ディスクドライブユニット1916、信号発生デバイス1918(例えば、スピーカまたはリモコン装置)およびネットワークインターフェースデバイス1920を含み得る。   Computer system 1900 communicates with each other via a bus 1908, such as a processor 1902 (eg, a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU, or both)), main memory, and the like. 1904 and static memory 1906. The computer system 1900 may further include a video display device 1910 (eg, a liquid crystal display (LCD), flat panel, solid state display, or cathode ray tube (CRT)). The system 1900 includes an input device 1912 (eg, a keyboard), a cursor control device 1914. For example, a mouse), a disk drive unit 1916, a signal generation device 1918 (e.g., may include a speaker or remote control) and a network interface device 1920.

ディスクドライブユニット1916は、上に示される方法を含む本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか1つまたは複数を用いる1つまたは複数の命令集合(例えば、ソフトウェア1924)が保存された機械可読媒体1922を含み得る。命令1924はまた、コンピュータシステム1900による命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ1904、スタティックメモリ1906内、および/またはプロセッサ1902内に存在し得る。メインメモリ1904およびプロセッサ1902はまた、機械可読媒体になり得る。   The disk drive unit 1916 stores one or more instruction sets (eg, software 1924) that use any one or more of the methods or functions described herein, including the methods shown above. A machine-readable medium 1922 may be included. Instruction 1924 may also reside in main memory 1904, static memory 1906, and / or processor 1902, either completely or at least partially during execution of instructions by computer system 1900. Main memory 1904 and processor 1902 may also be machine-readable media.

特定用途向け集積回路、プログラマブル論理アレーおよび他のハードウェアデバイスを含むがこれらに限定されない専用のハードウェアの実装が、本明細書に記載される方法を実施するように同様に構成され得る。広く様々な実施形態の装置およびシステムを含み得るアプリケーションは、様々な電子およびコンピュータシステムを含む。ある実施形態は、モジュール間でおよびモジュールを介して、または特定用途向け集積回路の一部として通信される関連する制御およびデータ信号を用いて、2つ以上の特定の相互接続したハードウェアモジュールまたはデバイスにおいて機能を実施する。ここで、システムの例は、ソフトウェア、ファームウェア、およびハードウェアの実装に適用可能である。   Dedicated hardware implementations, including but not limited to application specific integrated circuits, programmable logic arrays, and other hardware devices, may be similarly configured to perform the methods described herein. Applications that may include the devices and systems of a wide variety of embodiments include various electronic and computer systems. Some embodiments employ two or more specific interconnected hardware modules or with associated control and data signals that are communicated between modules and via modules or as part of an application specific integrated circuit. Perform the function on the device. Here, the example system is applicable to software, firmware, and hardware implementations.

本開示の様々な実施形態によれば、本明細書に記載される方法は、プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ、または論理回路上で動作するソフトウェアプログラムとしての操作に向けたものである。さらに、ソフトウェアの実装としては、以下に限定はされないが、分散処理またはコンポーネント/オブジェクト分散型処理、並列処理が挙げられ、または仮想機械処理も、本明細書に記載される方法を実施するように構成され得る。   According to various embodiments of the present disclosure, the methods described herein are directed to operation as a processor, digital signal processor, or software program running on a logic circuit. Further, software implementations include, but are not limited to, distributed processing or component / object distributed processing, parallel processing, or virtual machine processing so as to implement the methods described herein. Can be configured.

本開示は、ネットワーク環境1926に接続されたデバイスが、命令1924を用いて、音声、動画またはデータを送信または受信して、ネットワーク1926上で通信することができるように、命令1924を含むか、または伝播された信号から命令1924を受信し、実行する機械可読媒体を想定している。命令1924は、ネットワークインターフェースデバイス1920を介して、ネットワーク1926上でさらに送信または受信され得る。   The disclosure includes instructions 1924 such that a device connected to the network environment 1926 can use the instructions 1924 to transmit or receive audio, video or data and communicate over the network 1926; Or, assume a machine-readable medium that receives and executes instructions 1924 from a propagated signal. The instructions 1924 may be further transmitted or received over the network 1926 via the network interface device 1920.

機械可読媒体1922は、実施形態例において単一の媒体であることが示されるが、「機械可読媒体」という用語は、1つまたは複数の命令集合を保存する単一の媒体または複数の媒体(例えば、集中または分散型データベース、および/または関連するキャッシュおよびサーバ)を含むことが理解されるべきである。「機械可読媒体」という用語は、本開示の方法のうちのいずれか1つまたは複数を機械に実行させる、機械による実行のための命令集合を保存し、符号化し、または実施することが可能である任意の媒体を含むことも理解されるべきである。   Although the machine-readable medium 1922 is shown to be a single medium in the example embodiments, the term “machine-readable medium” refers to a single medium or multiple media (one or more) that stores one or more instruction sets ( For example, it should be understood to include centralized or distributed databases and / or associated caches and servers. The term “machine-readable medium” can store, encode, or implement a set of instructions for execution by a machine that causes the machine to perform any one or more of the disclosed methods. It should also be understood to include any arbitrary medium.

したがって、「機械可読媒体」という用語は、以下に限定はされないが、1つまたは複数の読み出し専用(不揮発性)メモリ、ランダムアクセスメモリ、または他の書き換え可能(揮発性)メモリを収容するメモリカードまたは他のパッケージなどの固体メモリ、ディスクまたはテープなどの磁気光学媒体または光媒体、および伝送媒体においてコンピュータ命令を実施する信号などの搬送波信号を含むことが理解されるべきであり、および/または電子メールまたは他の内蔵される情報アーカイブまたは一連のアーカイブへのデジタルファイルの添付が、実体的記憶媒体と均等な配布媒体とみなされる。したがって、本開示は、本明細書に挙げられる機械可読媒体または配布媒体のうちのいずれか1つまたは複数を含み、本明細書のソフトウェアの実装が保存される当該技術分野において認識されている均等物および後継の媒体(successor media)を含むものと考えられる。   Thus, the term “machine-readable medium” includes, but is not limited to, a memory card that contains one or more read-only (non-volatile) memory, random access memory, or other rewritable (volatile) memory. It should be understood to include solid state memory such as or other packages, magneto-optical or optical media such as disks or tapes, and carrier wave signals such as signals that implement computer instructions in a transmission medium and / or electronic Attachment of digital files to mail or other built-in information archives or series of archives is considered a distribution medium equivalent to a tangible storage medium. Accordingly, this disclosure includes any one or more of the machine-readable media or distribution media listed herein and is equivalent in the art to which the software implementations herein are stored. Material and successor media.

本明細書は、特定の規格およびプロトコルを参照して、実施形態において実施される構成要素および機能を記載しているが、本開示は、このような規格およびプロトコルに限定されない。インターネットおよび他のパケット交換型ネットワーク送信のための規格のそれぞれ(例えば、TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP)は、従来技術の例を表す。このような規格は、実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物に周期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替の規格およびプロトコルは、均等であるとみなされる。   Although this specification describes components and functions implemented in the embodiments with reference to specific standards and protocols, the present disclosure is not limited to such standards and protocols. Each of the standards for Internet and other packet-switched network transmissions (eg, TCP / IP, UDP / IP, HTML, HTTP) represent examples of the prior art. Such standards are periodically replaced by faster or more efficient equivalents having substantially the same function. Thus, alternative standards and protocols having the same functionality are considered equivalent.

本明細書に記載される実施形態の説明は、様々な実施形態の構造の一般的な理解を提供することが意図されており、本明細書に記載される構造を使用し得る装置およびシステムの全ての要素および特徴の完全な説明として機能することは意図されていない。多くの他の実施形態が、上記の説明の検討により当業者に明らかであろう。構造的および論理的置き換えおよび変更が本開示の範囲から逸脱せずになされ得るように、他の実施形態が、用いられ、それから得られる。また、図は、説明のためのものに過ぎず、縮尺どおりに描かれていないことがある。その特定の比率が、誇張され得る一方、他の比率は最小限にされ得る。したがって、本明細書および図面は、限定的意味ではなく例示的な意味で考えられるべきである。   The descriptions of the embodiments described herein are intended to provide a general understanding of the structures of the various embodiments, and are illustrative of devices and systems that can use the structures described herein. It is not intended to serve as a complete description of all elements and features. Many other embodiments will be apparent to those of skill in the art upon reviewing the above description. Other embodiments may be used and obtained from it so that structural and logical substitutions and changes can be made without departing from the scope of the present disclosure. Also, the figures are for illustration only and may not be drawn to scale. That particular ratio can be exaggerated, while other ratios can be minimized. The specification and drawings are, accordingly, to be regarded in an illustrative sense rather than a restrictive sense.

本発明の主題のこのような実施形態は、単に便宜上、および2つ以上の発明が実際に開示される場合、本出願の範囲をいずれか1つの発明または発明の概念に自主的に限定することを意図せずに、本明細書において「発明」という用語によって個別におよび/またはまとめて呼ばれ得る。ここで、特定の実施形態が本明細書に示され、記載されているが、同じ目的を達成するように計算された任意の構成が、示される特定の実施形態の代わりになり得ることを理解されたい。本開示は、様々な実施形態のあらゆる改変(adaptation)または変形を包含することが意図される。上記の実施形態と、本明細書に特に記載されていない他の実施形態との組合せが、上記の説明の検討により、当業者に明らかであろう。   Such embodiments of the present inventive subject matter merely limit the scope of this application to any one invention or inventive concept, merely for convenience and when more than one invention is actually disclosed. May be referred to individually and / or collectively by the term “invention” herein. Here, although specific embodiments are shown and described herein, it is understood that any configuration calculated to achieve the same purpose may be substituted for the specific embodiments shown. I want to be. This disclosure is intended to cover any adaptations or variations of various embodiments. Combinations of the above embodiments with other embodiments not specifically described herein will be apparent to those of skill in the art upon review of the above description.

ある実施形態は、脊椎測定システムを含む。脊椎測定システムは、受信機と、1つまたは複数のワンドと、椎骨の間の椎間の力を評価するように構成される荷重センサとを含み得る。1つまたは複数のワンドは、位置情報を決定するために、受信機と通信するように構成され得る。一方、位置情報は、椎骨の少なくとも1つの椎骨の向き、回転、角度、または場所のうちの少なくとも1つを含み得る。さらに、受信機は、リモートシステムと通信するように構成され得る。Some embodiments include a spinal measurement system. The spine measurement system may include a receiver, one or more wands, and a load sensor configured to evaluate intervertebral forces between vertebrae. One or more wands may be configured to communicate with a receiver to determine location information. On the other hand, the positional information may include at least one of orientation, rotation, angle, or location of at least one vertebra of the vertebra. Further, the receiver can be configured to communicate with a remote system.

ある実施形態は、荷重平衡および位置測定システムを含む。荷重平衡および位置測定システムは、三次元空間における位置を測定するために超音波信号を使用するように構成される脊椎位置合わせシステムを含み得る。さらに、荷重平衡および位置測定システムは、センサ付きヘッドが脊椎領域に位置するとき、センサ付きヘッドにおける荷重を測定するように構成されるセンサ付きヘッドを含む脊椎用機器を含み得る。さらにまた、荷重平衡および位置測定システムは、脊椎位置合わせシステムおよび脊椎用機器と通信し、脊椎位置合わせシステムおよび脊椎用機器からの定量的測定を表示するように構成されるリモートシステムを含み得る。Some embodiments include a load balancing and position measurement system. The load balance and position measurement system may include a spinal alignment system configured to use ultrasound signals to measure position in three-dimensional space. Further, the load balance and position measurement system may include a spinal instrument that includes a sensored head configured to measure a load on the sensored head when the sensored head is located in the spinal region. Still further, the load balancing and positioning system may include a remote system configured to communicate with the spinal alignment system and spinal instrument and display quantitative measurements from the spinal alignment system and spinal instrument.

ある実施形態は、構成要素を筋肉・骨格系中に設置する方法を含む。本方法は、センサ付きヘッドを筋肉・骨格系に挿入する工程と、筋肉・骨格系によってセンサ付きヘッドに加えられるセンサヘッド荷重を測定する工程と、センサ付きヘッドを筋肉・骨格系に挿入した後、センサ付きヘッドの向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも1つを測定する工程と、向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも1つを用いて、構成要素を筋肉・骨格系に位置合わせする工程と、筋肉・骨格系によって構成要素に加えられる構成要素荷重が、センサ付きヘッド荷重にほぼ等しくなるように、構成要素を前記筋肉・骨格系に挿入する工程を含み得る。Certain embodiments include a method of placing a component in a muscular / skeletal system. The method includes a step of inserting a sensor-equipped head into the muscle / skeletal system, a step of measuring a sensor head load applied to the sensor-equipped head by the muscle / skeletal system, and a step of inserting the sensor-equipped head into the muscle / skeletal system. , Measuring at least one of orientation, rotation, angle, or position of the sensor-equipped head, and using at least one of orientation, rotation, angle, or position, And inserting the component into the muscle / skeletal system such that the component load applied to the component by the muscle / skeletal system is approximately equal to the head load with sensor.

ある実施形態は、脊椎領域を伸延させる方法を含む。本方法は、脊椎用機器を脊椎領域で挿入する工程と、脊椎用機器が脊椎領域にあるままで、脊椎領域を第1の高さまで伸延させる工程と、脊椎領域が第1の高さにあるままで、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる第1の荷重の第1の荷重測定値を測定する工程であって、第1の荷重測定値が所定の荷重範囲外にある工程と、脊椎用機器が脊椎領域にあるままで、脊椎領域を第2の高さまで伸延させる工程と、脊椎領域が第2の高さにあるままで、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる第2の荷重の第2の荷重測定値を測定する工程であって、第2の荷重測定が所定の荷重範囲内にある工程とを含み得る。Certain embodiments include a method of distracting a spinal region. The method includes inserting a spinal instrument at the spinal region, extending the spinal region to a first height while the spinal device remains in the spinal region, and the spinal region at the first height. And measuring a first load measurement of a first load applied to the spinal instrument by the spinal region, wherein the first load measurement is outside a predetermined load range; Extending the spinal region to a second height while the device remains in the spinal region; and a second load applied by the spinal region to the spinal device while the spinal region remains at the second height. Measuring the second load measurement, wherein the second load measurement is within a predetermined load range.

ある実施形態は、脊椎領域を伸延させる方法を含む。本方法は、脊椎領域を伸延させるために、脊椎用機器を脊椎領域で挿入する工程と、脊椎領域が第1の高さまで伸延されるとき、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる第1の荷重の第1の荷重測定値を測定する工程と、第1の荷重測定値が所定の荷重範囲外にあることを示す工程と、脊椎領域が、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる第2の荷重の第2の荷重測定値が所定の荷重範囲内にある第2の高さまで伸延されるように、脊椎用機器を調整する工程とを含み得る。Certain embodiments include a method of distracting a spinal region. The method includes inserting a spinal instrument in the spinal region to distract the spinal region, and a first load applied by the spinal region to the spinal device when the spinal region is extended to a first height. Measuring a first load measurement value of the first load measurement value, a step of indicating that the first load measurement value is outside a predetermined load range, and a second load applied to the spinal instrument by the spine region. Adjusting the spinal instrument so that the second load measurement is extended to a second height that is within a predetermined load range.

ある実施形態は、受信機が、固定された位置におよび1つまたは複数のワンドの見通し線内にあるように、受信機を1つまたは複数のワンドに近接して設置する工程と、仙骨の1つまたは複数の解剖学的特徴を、1つまたは複数のワンドの仙骨ワンドと位置合わせする工程と、仙骨の1つまたは複数の解剖学的特徴に対応する向きおよび寸法を有する3D脊椎モデルを取り出す工程と、超音波測定によって、脊椎の少なくとも1つの椎骨の位置または場所のうちの少なくとも1つを特定する工程とを含む方法を含む。Some embodiments include placing the receiver in proximity to the one or more wands such that the receiver is in a fixed position and within the line of sight of the one or more wands; Aligning one or more anatomical features with one or more wand sacral wands, and a 3D spine model having an orientation and dimensions corresponding to the one or more anatomical features of the sacrum Extracting and identifying at least one of the location or location of at least one vertebra of the spine by ultrasound measurement.

Claims (40)

受信機と、
複数のワンドと、
椎間の力を評価するための荷重センサと、を含む脊椎測定システムにおいて、
前記複数のワンドは、前記受信機と通信して、その間で決定される椎間の力に関連する椎骨の向き、回転、角度、および場所のうちの少なくとも1つを含む位置情報を決定する、
ことを特徴とするシステム。
A receiver,
Multiple wands,
A spine measurement system comprising: a load sensor for evaluating intervertebral force;
The plurality of wands communicate with the receiver to determine position information including at least one of vertebral orientation, rotation, angle, and location related to the intervertebral force determined therebetween.
A system characterized by that.
前記受信機は、1つまたは複数のセンサ、プロセッサ、およびインターフェースを含み、前記プロセッサは、前記1つまたは複数のセンサを介して受信される前記少なくとも1つのワンドからの感覚信号を解釈し、前記位置情報を表示のためにリモートシステムに送信することを特徴とする請求項1記載のシステム。   The receiver includes one or more sensors, a processor, and an interface, the processor interprets sensory signals from the at least one wand received via the one or more sensors, and The system of claim 1, wherein the location information is transmitted to a remote system for display. 前記複数のワンドはそれぞれ、1つまたは複数のセンサに動作可能に結合されるコントローラを含み、前記1つまたは複数のセンサは、前記コントローラによる指示に応答して、感覚信号を送信することを特徴とする請求項1または2記載のシステム。   Each of the plurality of wands includes a controller operably coupled to the one or more sensors, the one or more sensors transmitting sensory signals in response to instructions from the controller. The system according to claim 1 or 2. 前記受信機の前記1つまたは複数のセンサおよび前記複数のワンドは、光センサ、超音波センサ、および磁気センサを含む群から選択されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載のシステム。   The one or more sensors and the plurality of wands of the receiver are selected from the group comprising optical sensors, ultrasonic sensors, and magnetic sensors. The described system. 前記荷重センサは、センサ付きヘッドに結合されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載のシステム。   The system according to claim 1, wherein the load sensor is coupled to a sensor-equipped head. 前記センサ付きヘッドが遠位端に結合されたシャフトと、
前記シャフトの近位端に結合されるハンドルと、
をさらに含むことを特徴とする請求項5記載のシステム。
A shaft with the sensored head coupled to the distal end;
A handle coupled to the proximal end of the shaft;
The system of claim 5 further comprising:
前記シャフトの近位端に向かって収容される電子回路をさらに含み、前記電子回路は、論理回路、加速度計、および通信回路を含み、前記電子回路は、前記荷重センサに動作可能に結合されることを特徴とする請求項6記載のシステム。   The electronic circuit further includes an electronic circuit housed toward the proximal end of the shaft, the electronic circuit including a logic circuit, an accelerometer, and a communication circuit, the electronic circuit being operably coupled to the load sensor. The system according to claim 6. 前記センサ付きヘッドは、前記センサ付きヘッドに対して加えられる荷重の位置を特定するための複数の荷重センサを含むことを特徴とする請求項6または7記載のシステム。   8. The system according to claim 6, wherein the sensor-equipped head includes a plurality of load sensors for specifying a position of a load applied to the sensor-equipped head. 前記ワンドは、向き、回転、角度、または場所のうちの少なくとも1つを測定するために、前記センサ付きヘッドに結合されることを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項記載のシステム。   9. The system of any one of claims 6-8, wherein the wand is coupled to the sensored head for measuring at least one of orientation, rotation, angle, or location. . 前記受信機、前記複数のワンド、および前記荷重センサからのデータは、それからの定量的測定を表示するためにリモートシステムに無線で送信されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項記載のシステム。   10. Data from the receiver, the plurality of wands, and the load sensor are wirelessly transmitted to a remote system to display quantitative measurements therefrom. The system described in the section. 前記受信機、前記複数のワンド、および前記荷重センサのうちの1つは、使用後に廃棄されることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項記載のシステム。   11. The system according to any one of claims 1 to 10, wherein one of the receiver, the plurality of wands, and the load sensor is discarded after use. 三次元空間における位置を測定するための、超音波信号を用いた脊椎位置合わせシステムと、
前記センサ付きヘッドは脊椎領域に挿入されるときの荷重を測定するための、センサ付きヘッドを備えた脊椎用機器と、
前記脊椎位置合わせシステムおよび前記脊椎用機器と通信し、それからの定量的測定を表示するリモートシステムと、
を含むことを特徴とする荷重平衡および位置測定システム。
A spinal alignment system using ultrasound signals to measure position in three-dimensional space;
A spinal instrument having a sensor-equipped head for measuring a load when the sensor-equipped head is inserted into a spinal region;
A remote system for communicating with the spinal alignment system and the spinal instrument and displaying quantitative measurements therefrom;
A load balance and position measurement system comprising:
前記脊椎位置合わせシステムおよび前記脊椎用機器は、手術室の手術野内にあることを特徴とする請求項12記載の荷重平衡および位置測定システム。   The load balance and position measurement system of claim 12, wherein the spinal alignment system and the spinal instrument are within an operating field of an operating room. 前記脊椎位置合わせシステムまたは前記脊椎用機器は、使用後に廃棄されることを特徴とする請求項12または13記載の荷重平衡および位置測定システム。   14. A load balancing and positioning system according to claim 12 or 13, wherein the spinal alignment system or the spinal instrument is discarded after use. 前記位置合わせシステムは、
複数の超音波トランスデューサを有する受信機と、
複数の超音波トランスデューサを有する複数のワンドと、
を含むことを特徴とする請求項12〜14のいずれか一項記載の荷重平衡および位置測定システム。
The alignment system includes:
A receiver having a plurality of ultrasonic transducers;
A plurality of wands having a plurality of ultrasonic transducers;
15. The load balancing and position measuring system according to any one of claims 12 to 14, characterized by comprising:
前記脊椎用機器は、
前記センサ付きヘッドに結合されるシャフトであって、前記センサ付きヘッドが前記シャフトの遠位端に結合されるシャフトと、
前記シャフトの近位端におけるハンドルと、
前記シャフトの近位端に向かって収容される電子回路であって、論理回路、加速度計、および通信回路を含み、前記荷重センサに動作可能に結合される電子回路と、
を含むことを特徴とする請求項12〜15のいずれか一項記載の荷重平衡および位置測定システム。
The spinal instrument is:
A shaft coupled to the sensored head, wherein the sensored head is coupled to a distal end of the shaft;
A handle at the proximal end of the shaft;
An electronic circuit housed toward a proximal end of the shaft, the electronic circuit including a logic circuit, an accelerometer, and a communication circuit, and operably coupled to the load sensor;
The load balance and position measurement system according to any one of claims 12 to 15, characterized in that
構成要素を、筋肉・骨格系中に設置する方法において、
センサ付きヘッドを前記筋肉・骨格系に挿入する工程と、
前記筋肉・骨格系によって前記センサ付きヘッドに加えられる荷重を測定する工程と、
前記筋肉・骨格系に挿入される前記センサ付きヘッドの向き、回転、角度、および位置のうちの少なくとも1つを測定する工程と、
測定された前記少なくとも1つの向き、回転、角度、または位置を用いて、前記構成要素を前記筋肉・骨格系に位置合わせする工程と、
前記構成要素に対する前記荷重は、測定された前記荷重にほぼ等しくなるように、前記構成要素を前記筋肉・骨格系に挿入する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
In the method of installing the components in the muscular / skeletal system,
Inserting a sensor-equipped head into the muscular / skeletal system;
Measuring a load applied to the sensor-equipped head by the muscular / skeletal system;
Measuring at least one of orientation, rotation, angle, and position of the sensor-equipped head inserted into the musculoskeletal system;
Aligning the component with the musculoskeletal system using the measured at least one orientation, rotation, angle, or position;
Inserting the component into the musculoskeletal system such that the load on the component is approximately equal to the measured load;
A method comprising the steps of:
前記センサ付きヘッドに加えられる前記荷重の位置を測定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項17記載の方法。   The method of claim 17, further comprising measuring a position of the load applied to the sensored head. 前記センサ付きヘッドからの荷重および荷重の位置のデータを、リモートシステムにリアルタイムで表示する工程と、
前記リモートシステムにおいてリアルタイムで測定された前記少なくとも1つの向き、回転、角度、または位置を表示する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項17または18記載の方法。
Displaying the load from the sensor-equipped head and load position data in real time on a remote system;
Displaying the at least one orientation, rotation, angle, or position measured in real time on the remote system;
The method according to claim 17 or 18, further comprising:
手技の後、少なくとも前記センサ付きヘッドを廃棄する工程をさらに含むことを特徴とする請求項17〜19のいずれか一項記載の方法。   20. The method according to any one of claims 17 to 19, further comprising the step of discarding at least the sensored head after a procedure. 脊椎領域を伸延させる方法において、
前記脊椎領域を伸延させるために、脊椎用機器を挿入する工程と、
前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重を測定する工程であって、荷重測定が所定の荷重範囲外にある場合、前記脊椎領域は第1の高さまで伸延される工程と、
前記脊椎領域を第2の高さまで伸延させる工程と、
前記荷重が前記所定の荷重範囲内にある場合、前記第2の高さにおいて前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる前記荷重を測定する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
In a method of distracting the spinal region,
Inserting a spinal instrument to distract the spinal region;
Measuring a load applied to the spinal instrument by the spinal region, wherein if the load measurement is outside a predetermined load range, the spinal region is distracted to a first height;
Distracting the spinal region to a second height;
Measuring the load applied to the spinal instrument by the spinal region at the second height if the load is within the predetermined load range;
A method comprising the steps of:
前記脊椎用機器の向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも1つを測定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項21記載の方法。   The method of claim 21, further comprising measuring at least one of orientation, rotation, angle, or position of the spinal instrument. リモートシステムにおいて前記脊椎用機器によって測定される荷重を監視する工程と、
測定された荷重は前記所定の荷重範囲内になるまで、前記脊椎用機器の伸延を増加または減少させるために、前記脊椎領域に結合される前記脊椎用機器の高さを調整する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項21または22記載の方法。
Monitoring a load measured by the spinal instrument in a remote system;
Adjusting the height of the spinal instrument coupled to the spinal region to increase or decrease distraction of the spinal instrument until the measured load is within the predetermined load range;
The method according to claim 21 or 22, further comprising:
前記高さを調整する工程は、装具構成要素の高さに相当する伸延高さを増加または減少させる工程を含むことを特徴とする請求項23記載の方法。   24. The method of claim 23, wherein adjusting the height includes increasing or decreasing a distraction height corresponding to the height of a brace component. 前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重の位置を測定する工程と、
前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重の位置が所定の位置範囲外にあるとき、前記脊椎用機器を異なる場所に移動させる工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項21〜24のいずれか一項記載の方法。
Measuring the position of a load applied to the spinal instrument by the spinal region;
Moving the spinal instrument to a different location when a position of a load applied to the spinal instrument by the spinal region is outside a predetermined position range;
25. The method according to any one of claims 21 to 24, further comprising:
前記所定の荷重範囲および前記所定の位置範囲内にある前記装具構成要素のための前記脊椎領域における場所を特定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項25記載の方法。   26. The method of claim 25, further comprising identifying a location in the spinal region for the brace component that is within the predetermined load range and the predetermined position range. 前記装具構成要素を、前記脊椎領域における前記場所に設置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項26記載の方法。   27. The method of claim 26, further comprising installing the brace component at the location in the spinal region. 前記装具構成要素の軌道を、前記脊椎用機器の軌道と比較する工程と、
前記装具構成要素が、前記脊椎用機器と同様の軌道に沿って、前記脊椎領域における前記場所に設置されるように、前記リモートシステムにおいて前記装具構成要素および前記脊椎用機器の軌道を見る工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項26または27記載の方法。
Comparing the trajectory of the brace component with the trajectory of the spinal instrument;
Viewing the trajectory of the brace component and the spinal instrument in the remote system such that the brace component is installed at the location in the spinal region along a trajectory similar to the spinal instrument; ,
28. The method of claim 26 or 27, further comprising:
伸延高さを変化させるために、前記脊椎用機器のハンドルを回転させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項21〜28のいずれか一項記載の方法。   29. The method of any one of claims 21 to 28, further comprising rotating a handle of the spinal instrument to change distraction height. 前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる前記荷重は前記所定の荷重範囲内にあるときを視覚、音声、または触覚手段によって示す工程をさらに含むことを特徴とする請求項21〜29のいずれか一項記載の方法。   30. The method of any one of claims 21 to 29, further comprising the step of indicating by visual, audio or tactile means when the load applied to the spinal instrument by the spinal region is within the predetermined load range. The method according to one item. 脊椎領域を伸延させる方法において、
前記脊椎領域を伸延させるために、脊椎用機器を挿入する工程と、
前記脊椎領域は第1の高さまで伸延される場合、前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重を測定する工程と、
前記測定された荷重は所定の荷重範囲外にあることを示す工程と、
第2の高さにおける荷重測定は前記所定の荷重範囲内にある場合、前記脊椎領域を前記第2の高さまで伸延させるように前記脊椎用機器を調整する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
In a method of distracting the spinal region,
Inserting a spinal instrument to distract the spinal region;
Measuring the load applied to the spinal instrument by the spinal region when the spinal region is extended to a first height;
Indicating that the measured load is outside a predetermined load range;
Adjusting the spinal instrument to extend the spinal region to the second height if the load measurement at a second height is within the predetermined load range; and
A method comprising the steps of:
前記筋肉・骨格系におけるセンサ付きヘッドの向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも1つを測定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項31記載の方法。   32. The method of claim 31, further comprising the step of measuring at least one of orientation, rotation, angle, or position of a sensor-equipped head in the musculoskeletal system. 前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重の位置を測定する工程と、
前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重の位置は所定の位置範囲外にあるとき、前記脊椎用機器を異なる場所に移動させる工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項31または32記載の方法。
Measuring the position of a load applied to the spinal instrument by the spinal region;
Moving the spinal instrument to a different location when the position of a load applied to the spinal instrument by the spinal region is outside a predetermined position range; and
The method according to claim 31 or 32, further comprising:
前記所定の荷重範囲および前記所定の位置範囲内にある装具構成要素のための前記脊椎領域における場所を特定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項31〜33のいずれか一項記載の方法。   34. The method of any one of claims 31 to 33, further comprising identifying a location in the spinal region for a brace component that is within the predetermined load range and the predetermined position range. . 前記装具構成要素を、前記脊椎領域における前記場所に設置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項34記載の方法。   35. The method of claim 34, further comprising installing the brace component at the location in the spinal region. 前記装具構成要素の軌道を、前記脊椎用機器の軌道と比較する工程と、
前記装具構成要素が、前記脊椎用機器と同様の軌道に沿って、前記脊椎領域における前記場所に設置されるように、リモートシステムにおいて前記装具構成要素および脊椎用機器の軌道を見る工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項34または35記載の方法。
Comparing the trajectory of the brace component with the trajectory of the spinal instrument;
Viewing the trajectory of the brace component and spinal instrument in a remote system such that the brace component is installed at the location in the spinal region along a trajectory similar to the spinal instrument;
36. The method of claim 34 or 35, further comprising:
脊椎領域の位置合わせおよび向きを追跡する方法において、
受信機を複数のワンドに近接して設置する工程であって、前記受信機は、固定された位置におよび前記複数のワンドの見通し線内にある工程と、
仙骨の1つまたは複数の解剖学的特徴をワンドと位置合わせする工程と、
前記位置合わせされた解剖学的特徴に対応する向きおよび寸法を有する3D脊椎モデルを取り出す工程と、
1つまたは複数の椎骨の少なくとも1つの位置または場所を特定する工程であって、場所測定は超音波で決定される工程と、
を含むことを特徴とする方法。
In a method for tracking the alignment and orientation of a spinal region,
Installing a receiver in proximity to a plurality of wands, wherein the receiver is in a fixed position and within a line of sight of the plurality of wands;
Aligning one or more anatomical features of the sacrum with the wand;
Retrieving a 3D spine model having an orientation and dimensions corresponding to the registered anatomical features;
Identifying at least one position or location of one or more vertebrae, wherein the location measurement is determined by ultrasound;
A method comprising the steps of:
前記複数のワンドのワンドを、脊椎の異なる椎骨に取り付ける工程をさらに含むことを特徴とする請求項37記載の方法。   38. The method of claim 37, further comprising attaching the wands of the plurality of wands to different vertebrae of the spine. 椎骨の1つまたは複数の解剖学的特徴をワンドと位置合わせする工程と、
前記ワンドを前記椎骨に取り付ける工程と、
前記複数のワンドを用いて、異なる椎骨のために前記位置合わせおよび前記取り付けを繰り返す工程と、
各椎骨の前記位置合わせされた解剖学的特徴に対応する向きおよび寸法を有する3D椎骨モデルを取り出す工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項37または38記載の方法。
Aligning one or more anatomical features of the vertebra with the wand;
Attaching the wand to the vertebrae;
Repeating the alignment and the attachment for different vertebrae using the plurality of wands;
Retrieving a 3D vertebra model having an orientation and dimensions corresponding to the aligned anatomical features of each vertebra;
40. The method of claim 37 or 38, further comprising:
測定機器のセンサ付きヘッドを、脊椎の椎骨の間に挿入する工程と、それに対する荷重を測定する工程とをさらに含み、向き、回転、角度、および位置データのうちの1つは、前記椎骨に対して、前記センサ付きヘッドに対応して生成されることを特徴とする請求項37〜39のいずれか一項記載の方法。   Inserting a sensor-equipped head of the measuring device between the vertebrae of the spine and measuring a load thereon, wherein one of orientation, rotation, angle, and position data is applied to the vertebra 40. The method according to any one of claims 37 to 39, wherein the method is generated corresponding to the sensor-equipped head.
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