KR101713302B1 - 뼈 치유 평가용 임플란트 하중 판독의 정규화 방법 - Google Patents

Abstract

생명체의 뼈 치료용 장치는 (a) 뼈에 부착되도록 구성된 임플란트, (b) 임플란트의 제1 부분의 응력을 측정하는 제1 센서로서, 임플란트의 제1 부분은 임플란트가 표적 위치에서 뼈에 연결될 때 뼈의 쇠약부에 기구적으로 연결되도록 구성되어 있고, (c) 뼈의 비-쇠약부의 응력을 측정하는 제2 센서를 구비한다.

Description

뼈 치유 평가용 임플란트 하중 판독의 정규화 방법{method of normalizing implant strain readings to assess bone healing}

우선권

본 출원은 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 합체되는, 2009. 10. 21.자로 출원된 미국 가출원번호 제61/253,583호의 '뼈 치유 평가용 임플란트 하중 판독의 정규화 방법'의 우선권을 주장한다.

본 발명은 뼈 치유 과정을 추적하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 임플란트 및/또는 뼈를 따르는 다중 위치들의 응력 비율을 계산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

스트레인 게이지(strain gage)는 뼈 치유 과정을 추적하기 위해 정형외과적 임플란트들에 배치될 수 있다. 처음 이식하게 되면, 임플란트들은 더 높은 수준의 응력을 경험하는 것으로 알려져 있고, 치유 과정에서 뼈가 임플란트와 함께 더 많은 하중을 공유하기 시작하면서 그러한 응력은 감소하게 된다. 그러나, 현재, 임플란트의 응력값은 뼈 치유를 평가하기 위해 뼈에 가해지는 알려진 하중을 평가할 필요가 있다.

본 발명은 생명체의 뼈 치료 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 뼈 치료 장치는, 뼈에 부착되도록 구성된 임플란트 및 임플란트의 제1 부분의 응력을 측정하는 제1 센서를 구비하고, 뼈의 비-쇠약부 또는 비-골절부의 응력을 측정하는 제2 센서와 연합하여 임플란트가 표적 위치에서 뼈에 결합될 때, 임플란트의 제1 부분은 뼈의 쇠약부 또는 골절부에 기계적으로 연결되도록 구성되어 있다.

본 발명의 뼈 치료 장치는 뼈에 가해지는 응력 측정의 개선점이 있다.

도 1은 본 발명의 예시적 제1 실시예에 따른 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 예시적 제2 실시예에 따른 시스템의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 예시적 제3 실시예에 따른 시스템의 사시도이다.
도 4는 도 3의 시스템의 뼈 고정 요소의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적 제4 실시예에 따른 시스템의 사시도이다.

본 발명은 이어지는 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하게 되면 더 잘 이해될 것이다. 여기서, 유사한 구성요소들은 동일한 참조부호가 부여되었다. 본 발명의 예시적 실시예는 뼈 치유 과정을 추적하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 예시적 실시예들은 임플란트 및/또는 뼈를 따르는 다수의 위치들의 응력 비율을 측정하는 방법 및 시스템을 개시한다. 본 시스템의 예시적 실시예는 뼈의 쇠약부 또는 골절부 근처의 부위에 위치되도록 구성된 임플란트 표면의 제1 센서를 구비할 수 있다. 이러한 위치에서 임플란트의 응력은 약화되거나 골절된 뼈의 강도 또는 강성과 환자에 의해 뼈에 가해지는 하중에 의해 영향을 받을 것이다. 제2 센서는 임플란트의 임의의 위치에 배치될 수 있는데, 제2 센서에 의해 측정되는 응력은 뼈에 가해지는 하중에 의해서만 영향을 받기 때문에 측정된 응력은 뼈 치유 과정 동안 실질적으로 변화하지 않는다. 따라서, 제1 센서와 제2 센서에 의해 측정된 응력들 사이의 비율은 뼈에 가해지는 하중과 무관하게 뼈 치유에 상응하는 정보를 제공한다. 예시적 실시예는 다리 뼈의 치유 과정의 추적을 상술하고 있지만, 본 발명은 하중을 받는 임의의 뼈의 치유 과정을 추적하는데 사용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 비록 예시적 실시예들이 2개의 센서들을 상세히 도시하고 설명하고 있지만, 본 발명은 다른 영역의 뼈 치유 과정에 상응하는 비율을 결정하기 위해 뼈의 다른 영역을 따르는 추가적인 센서들을 포함할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 예시적 실시예들은 뼈 플레이트를 도시하고 있지만, 본 발명은 예를 들어, 스크류, 골수강내 장치들, 외측 고정기들, 척추 고정 임플란트 및 보철물과 같은 다른 임의의 고정 요소와 함께 사용될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 제1 실시예에 따른 시스템(100)은 임플란트(102)와 제1 센서(104) 및 제2 센서(106)를 구비한다. 임플란트(102)는 예를 들어, 골절(110)을 고정하거나 뼈(108)의 쇠약부 또는 골절부를 지지하기 위해 뼈(108)의 표적 부위를 고정하도록 구성된다. 제1 센서(104)와 제2 센서(106)는 임플란트(102)의 표면(114)을 따라 장착됨으로써, 제1 및 제2 센서들(104)(106)은 뼈(108)에 기계적으로 연결될 수 있다. 임플란트(102)가 뼈(108)의 필요한 위치에 고정될 때 표면(114)은 뼈(108)로부터 떨어져서 면하도록 도시되었지만, 센서들(104)(108)은 임플란트(102)의 임의의 표면을 따라 장착될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 예를 들어, 센서들(104)(106)은 뼈(108)를 면하는 임플란트(102)의 표면 또는 임플란트(102)의 측면에 장착될 수 있다. 제1 및 제2 센서들(104)(106)은 각각, 임플란트(102)에 위치되기 때문에, 임플란트가 뼈(108)의 필요한 위치에 있을 때, 제1 센서(104)는 골절(110) 부분에 위치되는 반면 제2 센서(106)는 임플란트(102)를 따르는 이러한 위치들에서 임플란트(102)에 가해지는 응력 및/또는 하중 레벨을 측정하기 위해 골절로부터 떨어져 있는 뼈(108)의 골절되지 않은, 건강한(단단한) 부분(112)에 위치된다. 제2 센서(106)는 뼈(108)에 부여되는 하중을 측정하기 위해 뼈(108)의 건강한 부분(112)에 고정된 2개의 스크류들 사이에서 분리되어야 한다.

본 실시예에서, 센서들(104)(106)은 응력을 측정하는데 사용되고 데이타 수집 장치에 무선 연결을 위한 인터페이스를 포함하는 수동으로 구동되는 MEMs 센서들일 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 다른 실시예에 있어서, 센서들(104)(106)은 인쇄회로기판(PCB)에 연결된 파워 칩들(powered chips)일 수 있다. 이것은 임플란트(102)에 가해지는 응력이 측정되어 센서들(104)(106)에 물리적으로 접근하지 않고 추가적인 처리를 위해 데이터 수집 장치에 전달시키는 것을 허용한다. 센서들(104)(106)에 의해 감지되는 응력 측정값은 실제 응력값을 나타낼 필요는 없지만, 그들의 기질(substrates)의 응력 변화에 따라 변화하는 임의의 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, MEMs 센서들(104)(106)은 응력이 가해질 때 변화됨으로써 센서들(104)(106)의 커패시턴스의 변화에 의해 유발되는 주파수 천이를 생성시킴으로써 주파수 천이가 응력 변화에 상응하는 RF 장치일 수 있다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 센서들(104)(106)에 신호를 무선으로 제공하기 위해 외부 장치가 채택될 수 있다. 그러면, 복구된 신호의 변화들이 센서가 종속된 응력의 수준을 결정하기 위해 측정된다. 제2 센서(106)에 의해 측정된 응력에 대한 제1 센서(104)에 의해 측정된 응력의 비율은 치유 과정을 추적하는 의사 또는 다른 전문가에 의해 결정된다. 대안적으로, 그 비율은 응력 측정을 저장하고 그 비율을 결정할 수 있는 처리 장치(예, 내부 기억 장치 또는 외부 기억 장치)에 의해 결정될 수 있으므로, 비율의 변화는 시간이 지남에 따라 치유 과정을 보다더 완전하게 이해하도록 검토될 수도 있다.

뼈(108)가 최초로 부러지거나 골절될 때, 골절(110)의 위치에서 임플란트(102)에 가해지는 응력은 치유 과정 동안 뼈(108)의 기계적 성질의 변화 및 뼈(108)에 가해지는 하중(예, 환자가 다리에 가하는 중량)에 따라 변화하는 반면 건강한 부분(112)에서 측정된 응력은 뼈(108)에 가해지는 하중에 의해서만 변화한다. 뼈 치유 동안 제2 센서(106)의 측정값에 대한 제1 센서(104)의 측정값의 비율은 시간이 지남에 따라 감소되는 패턴의 경향을 보여야 하는 반면, 치유의 결핍은 시간이 지남에 따라 쉽게 인지할 수 없는 경향을 보일 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 제2 실시예에 따른 시스템(200)은 시스템(100)과 실질적으로 유사하고, 임플란트(202)와 적어도 2개의 센서들(204)(206)을 포함한다. 그러나, 2개의 센서들(204)(206) 모두 임플란트(202) 위에 위치되고, 제1 센서(204)는 뼈(208)의 골절에 상응하는 위치에서 임플란트(202)의 표면에 위치되는 반면, 제2 센서(206)는 뼈(208)의 단단한 부분(212), 임플란트(202)의 테두리 외측에 직접 배치된다. 따라서, 제1 센서(204)는 골절(210) 부위에 상응하는 위치에서 임플란트(202)의 응력을 측정하는 한편, 제2 센서(206)는 뼈(208)의 단단한 부분(212)의 응력을 측정한다. 시스템(100)과 유사하게, 제1 및 제2 센서들(204)(206)에 의해 측정된 응력들 사이의 비율은 뼈(208)의 치유 과정을 검토하도록 측정 및 추적된다. 전술한 바와 같이, 제2 센서(206)에 의해 측정된 응력값에 대한 제1 센서(204)에 의해 측정된 응력값의 비율은 뼈(208)가 치유되면서 감소하는 경향이 있는 반면, 치유의 결함은 시간이 지남에 따라 인식할 수 없는 경향을 보일 것이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 제3 실시예에 따른 시스템(300)은 시스템(200)과 실질적으로 유사하고, 임플란트(302)와 적어도 2개의 센서들(304)(306)을 구비한다. 제1 센서(204)와 유사하게, 제1 센서(304)는 뼈(308)의 골절(310) 위치에 상응하는 위치에서 임플란트(302)의 표면(314)에 배치되어(임플란트(302)가 뼈(302)의 필요한 위치에 장착될 때) 골절(310) 위치에서 임플란트(302)의 응력을 측정하는 반면 제2 센서(306)는 뼈(308)의 단단한 부분(312)에 직접 배치된다. 그러나, 뼈(308)의 외면에 배치되기 보다는, 제2 센서(306)는 예를 들어, 뼈 고정 요소(316)(예, 스크류)를 통해 단단한 부분(312) 내부에 배치된다.

제2 센서(306)는 뼈 고정 요소(316)의 근위단(318)에 인접되게 부착됨으로써, 뼈 고정 요소(316)가 뼈의 단단한 부분(312) 속으로 삽입될 때, 제2 센서(306)는 뼈(308)의 피질 벽과 접촉한다. 제2 센서(306)는 뼈(308)에 가해지는 응력과 직접 관련된 뼈(308)의 변형을 측정하기 위해 뼈 고정 요소(316) 영역 주위에 인쇄 또는 장착될 수 있다. 제2 센서(306)에 의해 측정된 값에 대한 제1 센서(304)에 의해 측정된 값의 비율은 전술한 것과 동일한 방식으로 치유 과정을 추적하기 위해 결정될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적 제4 실시예에 따른 시스템(400)은 시스템(100)과 실질적으로 유사하고, 임플란트(402)와 임플란트(402)에 장착된 각각의 제1 센서(404) 및 제2 센서(406)를 구비한다. 제1 센서(104)와 유사하게, 제1 센서(404)는, 임플란트(402)가 필요한 위치에 있을 때, 골절(410) 위치에 상응하는 위치에서 임플란트(402)에 위치됨으로써, 제1 센서(404)는 골절(410)의 부위에 상응하는 위치에서 임플란트(402)에 가해지는 응력을 측정한다. 제2 센서(406)는 제1 센서(404)가 장착된 임플란트(402)의 부분보다 더 큰 유연성을 가진 임플란트(402)의 부분(420)에 위치된다. 예를 들어, 부분(420)은 임플란트(402)의 나머지 부분들과 비교하여 폭의 감소(즉, 임플란트(402)의 세로축에 수직인 방향으로 그것의 뼈를 면하는 면을 가로지르는 임플란트(402)의 정도) 및/또는 그 부분(420)의 두께의 감소(즉, 뼈를 면하는 표면과 뼈로부터 이격되어 면하는 표면 사이의 거리)에 의해 임플란트의 다른 부분들보다 더 유연하게 만들어질 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 유연한 부분(420)은 임플란트(402)의 끝단(422)의 부근이므로, 뼈(408)의 밑 부분(412)이 단단한 것을 보장하는데 충분한 간격만큼 제2 센서(406)는 골절(410)로부터 분리된다.

임플란트(402)의 유연한 부분(420) 상의 제2 센서(406)는 예를 들어, 임플란트(402)의 대향되는 측면들에 있는 구멍들(424)에 삽입된 록킹 스크류들을 통해 뼈(408)의 단단한 부분(412)에 고정된다. 제2 센서(406)는 뼈(408)의 단단한 부분(412)에 상응하는 임플란트(402)의 부분의 응력을 측정함으로써 제2 센서(406)에 의한 측정값은 제1 센서에 의한 측정값을 정규화하는데 사용될 수 있다. 시스템(200)(300)과 관련하여 전술한 바와 같이, 뼈 내부 또는 그 위에 센서의 직접 배치와 유사하게, 제2 센서(406)를 임플란트(402)의 더 단단한 부분에 배치시킴으로써 발생되는 결과와 비교할 때, 2개의 고정된 스크류들 사이에 임플란트(402)의 더 유연한 부분에 제2 센서(406)를 배치하게 되면, 뼈(408)의 단단한 부분(412) 아래에 가해지는 응력의 보다 더 정확한 측정을 허용한다. 치유 과정에서 제2 센서에 의해 측정된 값에 대한 제1 센서(404)에 의해 측정된 값의 비율은 시간이 지남에 따라 뼈(408)의 강도의 증가 패턴을 나타내는 경향인 반면, 치유의 결함은 시간이 지남에 따라 인식하지 못할 경향을 나타낸다.

골절 위치 또는 뼈의 다른 쇠약부에 상응하는 표적 위치에서 뼈에 장착될 때, 임플란트의 부분에 가해지는 응력 측정값들의 정규화를 위해 다른 메커니즘들이 채택될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 예를 들어, 환자에게 하중 센서를 제공하여 그것을 누르거나 아픈 다리로 서서 있음으로써, 하중 측정값은 임플란트에 있는 센서의 응력 측정값과 동시에 선택될 수 있다. 대안적으로, 만약, 아픈 다리가 대퇴골 또는 경골인 경우, 환자에게 아픈 다리에 가해지는 하중을 측정하기 위한 센서(예, 신발의 발바닥에 배치된)를 제공할 수 있다.

본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 한, 본 발명의 구조 및 방법에 대한 다양한 변경 및 변화가 가능하다는 것은 당업자에게 명백하다. 따라서, 본 발명은 그것들이 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위에 속하는 한 본 발명의 다양한 변경 및 변화를 포함하는 것을 의도한다.

100...시스템 102...임플란트
104...제1 센서 106...제2 센서
108...뼈 110...골절
112...단단한 부분

Claims (20)

1. 생명체의 뼈 치료 장치에 있어서,
   뼈에 부착되도록 구성된 임플란트;
   상기 임플란트가 표적 위치에서 뼈에 결합될 때 상기 뼈의 골절부에 기구적으로 연결되도록 구성된 상기 임플란트의 제1 부분의 응력을 측정하는 제1 센서; 및
   상기 임플란트가 표적 위치에서 뼈에 위치될 때 상기 뼈의 비-골절부의 응력을 측정하도록 구성되고, 상기 임플란트의 두 개의 뼈 고정 요소 수납 구멍들 사이에서 분리되고, 상기 임플란트의 2개의 측면 사이드들 사이에서 더 분리된, 제2 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 임플란트는 골절 부위 위에 가로 놓이도록 뼈에 연결되도록 구성된 플레이트인 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 센서는 뼈의 상기 비-골절부에 직접 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 센서는 뼈의 비-쇠약부에 삽입되도록 구성되고 뼈의 비-골절부의 피질 벽에 접촉하는 뼈 고정 요소의 일부분에 장착된 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2 센서는 뼈 고정 요소의 근위부의 주변 부근으로 연장하는 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 임플란트는 본체부 및 상기 본체부의 제2 굴곡 강도보다 덜한 제1 굴곡 강도를 가지도록 상기 본체부보다 더 작은 폭을 가진 폭 감소부를 포함하고,
   상기 제2 센서는 상기 폭 감소부에 장착된 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 센서는 뼈에 가해지는 하중을 측정하는 하중 센서인 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
   
8. 청구항 2에 있어서,
   상기 제2 센서는 뼈를 포함하는 다리에 가해지는 하중을 측정함과 동시에 제1 센서로부터 골절 부위를 교차하는 응력을 측정하기 위해 신발에 배치되도록 구성된 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 센서와 상기 제2 센서는 외부 데이터 수집 장치에 무선으로 데이터를 제공하는 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 센서와 상기 제2 센서는 MEMs 센서들 및 인쇄회로기판에 연결된 전동 칩(powered chip)의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 뼈 치료 장치.
    
11. 뼈 치유 과정 추적용 시스템에 있어서,
    뼈 골절 고정용 임플란트가 표적 위치에서 뼈에 장착될 때 뼈의 골절에 기계적으로 연결되는 위치에 장착되어 응력을 측정하는 제1 센서; 및
    제2 응력에 대한 제1 응력의 비율이 뼈 위의 하중들의 효과를 정규화할 수 있도록 골절로부터 분리된 뼈의 부분 상의 제2 응력을 측정하기 위해 상기 임플란트의 2개의 뼈 고정 요소 수납 구멍들 사이에서 분리되고, 상기 임플란트의 2 개의 측면 사이드들 사이에서 더 분리된 제2 센서를 구비하는 뼈 치유 과정 추적 시스템.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    뼈 고정 요소를 더 구비하고,
    상기 제2 센서는 뼈 고정 요소의 근위단에 장착되고, 상기 뼈 고정 요소가 뼈 속으로 미리 결정된 위치로 삽입될 때, 상기 제2 센서가 뼈의 피질 벽과 접촉하는 것을 특징으로 하는 뼈 치유 과정 추적 시스템.
    
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 임플란트는 본체부 및 상기 본체부보다 더 작은 폭을 가진 폭 감소부를 포함하고, 상기 본체부의 제1 굴곡 강도는 상기 폭 감소부의 제2 굴곡 강도보다 더 크고, 상기 제1 센서가 상기 본체부 상에 장착되어 있는 한편 상기 제2 센서는 상기 폭 감소부 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 뼈 치유 과정 추적 시스템.
    
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 임플란트가 뼈의 미리 결정된 위치에 결합될 때, 상기 폭 감소부의 대향되는 측면들 상의 2개의 뼈 고정 요소 수납 구멍들을 통해 각각 삽입되도록 구성된 제1 록킹 스크류와 제2 록킹 스크류를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 뼈 치유 과정 추적 시스템.
    
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