KR20150000456A - 관절 건강 감시용 보철 부품 - Google Patents

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KR20150000456A
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마르크 스테인
앤드류 유. 체이스
필립 헨슨
나탈리 트랜 버크하드
존 그레이엄 케기
노아 브라이언 본하임
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오르소센서
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Abstract

장기간 이식에 적합한 보철 부품이 제공된다. 상기 보철 부품은 근골격계의 파라미터를 측정하기 위해 전자 회로 및 센서를 포함한다. 상기 보철 부품은 적어도 하나의 지지면을 구비하는 제1 구조물, 뼈와 결합된 적어도 하나의 특징부를 구비하는 제2 구조물, 및 적어도 하나의 센서를 포함한다. 상기 전자 회로 및 센서는 상기 보철 부품 내에 기밀하게 밀봉된다. 상기 보철 부품은 적어도 하나의 투과 영역을 포함한다. 상기 투과 영역은 상기 관절 외부의 영역에 노출되는 영역 내에 위치될 수 있다. 상기 투과 영역은 유리를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서는 관절 건강을 판단하기 위해 관절에 인접한 윤활액을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 상기 투과 영역은 상기 전자 회로와 원격 시스템 사이의 통신을 지원하기 위해 사용될 수 있다.

Description

관절 건강 감시용 보철 부품{A PROSTHETIC COMPONENT FOR MONITORING JOINT HEALTH}
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 전체 내용이 참조로 포함되어 있는 2012년 2월 27일에 출원된 미국 출원 제13/406,519호, 2012년 2월 27일에 출원된 미국 출원 제13/406,523호, 2012년 2월 27일에 출원된 미국 출원 제13/406,525호를 기반으로 하는 국제 출원이다.
미국 출원 제13/406,519호, 미국 출원 제13/406,523호 및 미국 출원 13/406,525호 각각은 2009년 6월 30일에 출원된 미국 예비 특허 출원 제61/221,881호의 우선권 이익을 주장하고 2010년 6월 29일에 출원된 미국 출원 제12/825,852호의 일부계속출원으로서, 이들의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
또한, 미국 출원 제13/406,519호, 미국 출원 13/406,523호 및 미국 출원 13/406,525는 2010년 6월 29일에 출원된 정규 출원 제12/826,349호 및 2011년 9월 3일에 출원된 정규출원 제13/242,277호 및 제13/242,662호에 대한 우선권을 주장하며, 이들의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다. 마찬가지로, 미국출원 제13/406,519호, 미국출원 제13/406,523호 및 미국출원 제13/406,525호는 전부 2009년 6월 30일에 출원된 미국 예비특허출원 제61/221,761호, 제61/221,767호, 제61/221,779호, 제61/221,788호, 제61/221,793호, 제61/221,801호, 제61/221,808호, 제61/221,817호, 제61/221,867호, 제61/221,874호, 제61/221,879호, 제61/221,881호, 제61/221,886호, 제61/221,889호, 제61/221,894호, 제61/221,901호, 제61/221,909호, 제61/221,916호, 제61/221,923호, 및 제61/221,929호의 우선권을 주장하며, 이들 출원들은 본원에 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 물리적 파라미터의 측정에 관한 것으로서, 배타적이지는 않지만, 특히 고정밀 감지용 의료 전자 장치에 관한 것이다.
포유동물의 골격계는 종들 사이에서 변화를 겪고 있다. 추가적인 변화는 환경적 요인, 사용을 통한 악화, 및 노화로 인해 발생할 수 있다. 전형적으로, 골격계의 정형외과적 관절은 서로 유기적으로 움직이는 둘 이상의 뼈를 포함한다. 움직임은 관절의 골격계에 부착된 근육 조직 및 힘줄에 의해 가능해진다. 인대는 하나 이상의 관절 뼈를 위치적으로 잡아서 안정시킨다. 연골은 뼈들간 접촉을 방지하고, 하중을 분산시키고, 마찰을 저감하는 마모면이다.
인간 골격계의 치료에서 실질적인 성장이 있었다. 일반적으로, 정형외과적 관절은 시뮬레이션, 기계적 원형, 및 개선된 설계를 시작하기 위해 수집되어 사용되는 환자 데이터로부터 정보를 이용하여 진화하였다. 유사하게, 정형외과적 수술을 위해 사용되는 도구들은 여러 해에 걸쳐서 개량되었지만 실질적으로는 변화되지 않았다. 이처럼, 정형외과적 관절의 교체를 위한 기본적 절차는 광범위하게 분포하는 인구의 일반적 필요성을 충족시키기 위해 표준화되었다.
도구, 절차, 및 인공 관절이 일반적인 필요를 충족시키지만, 각각의 교체 절차는 환자마다 상당한 변화를 맞고 있다. 이들 개별적인 변화의 수정은 특정 환경에 적용 가능한 도구를 사용하여 교체 관절에 맞추고 끼우는 외과의사의 기술에 달려있다.
본 발명의 실시예는 넓게는 물리적 파라미터들의 측정에 관한 것으로서, 특히 작은 센서 변화의 정확한 측정을 지원하는 신속 응답 회로에 관한 것이다.
예시적 실시예(들)의 다음 설명은 사실상 예시적일 뿐이고 본 발명, 본 발명의 응용 또는 용도들을 제한하려는 의도가 아니다.
이 기술의 통상의 기술자에게 알려져 있는 것처럼, 방법, 기술, 장치, 및 물질은 상세하게 논의되지 않을 수 있지만, 적절하다면 권능을 부여하는 설명의 의도를 가진다. 예를 들어, 특정 컴퓨터 코드는 논의되는 단계들 각각을 달성하기 위해 나열되지 않을 수도 있지만, 통상의 기술자는 본원에서 권능을 부여하는 개시를 고려해 볼 때 실험을 원상태로 돌리지 않고서 이러한 코드를 기재할 수 있었을 것이다.
이러한 코드는 적어도 하나의 예시적 실시예의 범주 내에 있도록 하는 의도이다.
본원에서 예시되고 논의된 모든 실시예들에서, 방법 단계들 또는 특정 구조의 실행을 위한 온도, 시간, 에너지, 및 물질의 성질들과 같은 어떤 특정 자료들은 단지 예시적이고 비제한적인 것으로 해석되어야만 한다. 이 기술의 통상의 기술자에게 알려져 있는 것처럼, 방법, 기술, 장치, 및 물질은 상세하게 논의되지 않을 수 있지만, 적절하다면 권능을 부여하는 설명의 의도를 가진다. 본원에서 사용된 "연결된(coupled)"이란 단어는 요소들이 함께 직접 연결되거나 하나 이상의 개재요소들을 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다는 것에도 주목하여야 한다.
추가로, 예시적 구현예들에서 사용된 구조물들의 크기는 본원에서의 어떤 논의(예를 들어, 구조물들의 크기가 마크로(센티미터, 미터, 및 더 큰 치수), 마이크로(마이크로미터), 및 나노미터 이하의 치수일 수 있다)로 제한되지 않는다.
유사한 참조 부호들과 문자들은 하기 도면들에서 유사한 항목들을 가리킨다는 것을 명심하고, 그래서 어떤 항목이 하나의 도면에서 정의되면, 그 항목은 하기 도면들에서 논의되지 않거나 추가로 정의되지 않을 수 있다.
제1 구현예에서, 초음파 측정 시스템은 하나 이상의 초음파 변환기, 초음파 도파로, 및 전파 동조 발진기(PTO) 또는 PLL(Phase Locked Loop)을 포함한다. 본 실시예의 초음파 측정 시스템은 연속모드(CM)의 동작을 채용하여 폐루프 궤환을 통해 도파로에서 연속 초음파들의 전파 특성을 평가하고 도파로에 인가된 힘의 세기를 판단한다.
제2 구현예에서, 초음파 측정 시스템은 하나 이상의 초음파 변환기, 초음파 도파로, 및 전파 동조 발진기(PTO) 또는 PLL(Phase Locked Loop)을 포함한다. 본 실시예의 초음파 측정 시스템은 펄스모드(PM)의 동작을 채용하여 폐루프 궤환을 통해 펄스형태의 초음파들의 전파 특성을 평가하고 도파로에 인가된 힘의 세기를 판단한다.
제3 구현예에서, 초음파 측정 시스템은 하나 이상의 초음파 변환기, 초음파 도파로, 및 전파 동조 발진기(PTO) 또는 PLL을 포함한다. 본 실시예의 초음파 측정 시스템은 펄스 에코 모드(PE)의 동작을 채용하여 폐루프 궤환을 통해 초음파의 에코 반사의 전파 특성을 평가하고 도파로에 인가된 힘의 세기를 판단한다.
본 시스템의 다양한 특징들은 첨부한 청구항들에서 특별히 개진된다. 본원의 구현예들은 첨부한 도면들과 관련하여 이루어지는 다음의 설명을 참조함으로써 이해될 수 있다.
도 1은 예시적 구현예에 따라 경골과 대퇴골 사이에서 접촉하도록 놓여져서 파라미터를 측정하기 위한 센서를 예시한다.
도 2는 예시적 구현예에 따라 영점 교차(zero-crossing) 수신기의 블록도를 예시한다.
도 3은 예시적 구현예에 따라 감지 조립체에 연결된 집적 영점 교차 수신기의 블록도를 예시한다.
도 4는 예시적 구현예에 따라 양(+)의 폐루프 궤환을 유지하도록 영점 교차 수신기 또는 에지 검출 수신기를 포함하는 전파 동조 발진기(propagation tuned oscillator(PTO))를 예시한다.
도 5는 예시적 구현예에 따라 양의 폐루프 궤환을 유지하기 위한 연속파 다중화기에서 영점 교차 수신기를 포함하는 센서 인터페이스를 예시한다.
도 6은 연속파 모드에서 동작을 위한 집적 영점 교차 수신기를 포함하는 전파 동조 발진기(PTO)의 블록도를 예시한다.
도 7는 예시적 구현예에 따라 양의 폐루프 궤환을 유지하기 위한 펄스 다중화기에서 집적 영점 교차 수신기를 포함하는 센서 인터페이스를 예시한다.
도 8은 예시적 구현예에 따라 펄스 모드에서 동작을 위한 집적 영점 교차 수신기를 포함하는 전파 동조 발진기(PTO)의 블록도를 예시한다.
도 9는 예시적 구현예에 따라 에지 검출 수신기의 블록도를 예시한다.
도 10은 감지 조립체에 연결된 에지 검출 수신기 회로의 블록도를 예시한다.
도 11은 예시적 구현예에 따라 양의 폐루프 궤환을 유지하기 위한 펄스-에코 다중화기에서 에지 검출 수신기 회로를 포함하는 센서 인터페이스를 예시한다.
도 12은 펄스 에코 모드에서 동작을 위한 에지 검출 수신기 회로를 포함하는 전파 동조 발진기(PTO)의 블록도를 예시한다.
도 13은 예시적 구현예에 따라 감지 모듈의 간략화된 횡단면도를 예시한다.
도 14는 예시적 구현예에 따라 반사도 및 단방향 동작 모드들을 예시하기 위한 조립체를 예시한다.
도 15는 이 조립체의 양방향 동작 모드에서 도파로 내에서 초음파의 전파를 예시하는 조립체를 예시한다.
도 16은 센서 소자의 횡단면도로서 도파로의 길이 변화에 따른 초음파의 전파 변화를 예시한다.
도 17은 예시적 구현예에 따라 고정밀 처리 및 측정 데이터를 위한 방법 단계들의 간략화된 흐름도를 예시한다.
도 18는 예시적 구현예에 따른 의료 감지 시스템의 블록도를 예시한다.
도 19는 예시적 구현예에 따라 커패시터에 대응하는 측정 사이클을 발생시키도록 구성된 발진기를 예시한다.
도 20은 예시적 구현예에 따른 힘, 압력, 또는 하중 감지 방법을 예시한다.
도 21은 예시적 구현예에 따른 커패시터의 횡단면도를 예시한다.
도 22는 예시적 구현예에 따라 기계적으로 직렬로 연결된 둘 이상의 커패시터를 포함하는 도 21의 커패시터를 예시한다.
도 23은 예시적 구현예에 따라 전기적으로 병렬로 연결된 둘 이상의 커패시터를 포함하는 도 21의 커패시터를 예시한다.
도 24는 예시적 구현예에 따른 도 21의 커패시터의 전도성 영역 및 거기에 연결된 배선을 예시한다.
도 25는 예시적 구현예에 따른 도 21의 커패시터에 연결된 배선의 횡단면도를 예시한다.
도 26은 예시적 구현예에 따른 힘, 압력, 또는 하중 감지 방법의 도해를 예시한다.
도 27은 예시적 구현예에 따라 다수의 센서들을 갖는 의료 장치를 예시한다.
도 28은 예시적 구현예에 따라 비평탄면들과 결합되어 맞추어진 센서들을 갖는 하나 이상의 보철 부품들을 예시한다.
도 29는 예시적 구현예에 따라 비평탄면에 연결된 하나 이상의 차폐 센서들을 갖는 도구를 예시한다.
도 30은 예시적 구현예에 따라 근골격계의 파라미터를 측정하기 위해 커패시터를 센서로 이용하는 방법의 도해를 예시한다.
도 31은 예시적 구현예에 따라 다수의 센서들을 갖는 보철 부품을 예시한다.
도 32는 예시적 구현예에 따른 보철 부품의 횡단면 구조를 예시한다.
도 33은 예시적 구현예에 따른 보철 부품 및 삽입물을 예시한다.
도 34는 예시적 구현예에 따라 배선에 연결된 전자 회로를 예시한다.
도 35는 예시적 구현예에 따라 조립된 보철 부품을 예시한다.
도 36은 예시적 구현예에 따른 보철 부품의 부분 횡단면도를 예시한다.
도 37은 예시적 구현예에 따른 구조 및 전자 회로를 예시한다.
도 38은 예시적 구현예에 따른 보철 부품 및 원격 시스템을 예시한다.
도 39는 예시적 구현예에 따른 전자 회로 및 구조를 예시한다.
도 40은 예시적 구현예에 따른 전자 회로 및 구조를 예시한다.
도 41은 예시적 구현예에 따라 명령 집합들이 실행되는 시스템의 형태로 장치의 예시적 도해 표시를 묘사한다.
도 42는 예시적 구현예에 따라 측정 및 보고를 위한 통신망의 예시도이다.
도 1은 예시적 구현예에 따라 경골(102)과 대퇴골(108) 사이에 접촉하도록 놓여져서 파라미터를 측정하기 위한 센서를 예시한다. 일반적으로, 센서(100)는 파라미터를 측정하도록 근골격계와 접촉하거나 근접하게 놓인다. 비제한적 예에서, 센서(100)는 인공 관절의 설치와 같은 수술 동안 근골격계의 파라미터를 측정하기 위해 사용된다. 센서(100)의 구현예들은 넓게는 물리적 파라미터들의 측정에 관한 것으로서, 특히 매질을 통해 전파하는 펄스형태로 된 에너지 파의 전달시간의 변화를 평가하는 것에 관한 것이다. 정형외과적 관절 삽입 수술 동안 제자리에서(in-situ)의 측정은 이식이 균형을 이루고 있고 적절한 하중 또는 장력 하에 있다는 것을 입증하는 실질적인 이익이 있을 것이다. 일 구현예에서, 기구는 현재 외과의사들이 사용하는 다른 기구들과 유사하고 그리고 익숙하게 작동한다. 이는 신기술에 대한 도입을 높이고 채택 주기를 감소시킬 것이다. 측정 때문에 외과의사는 관절 보철술의 동작 수명을 최대화하고 비용이 소요되는 교정을 감소시키는 소정 범위 내에서 삽입된 부품들이 확실히 설치되도록 할 것이다. 실시간 데이터를 이용하여 수술을 정량적으로 측정하고 평가하는 것은 가장 일관된 결과들을 초래할 것이다. 추가적인 이슈는 이식 수술로부터 생성된 이식 데이터가 수술 후, 오랜 기간 거의 없거나 전혀 없다는 점이다. 센서(100)는 정형외과적 장치 제조자들 및 외과의사들에게 이식 상태 데이터를 제공할 수 있다. 게다가, 이식된 관절 자체의 직접 측정으로 생성된 데이터는 이식된 관절 수술 및 관절 마모의 지식을 크게 개선하여 설계 및 재료들을 개선하도록 이어질 것이다.
적어도 하나의 예시적 구현예에서, 에너지 펄스는 펄스 모드 동작 및 펄스 쉐이핑(shaping)을 거쳐서 센서(100) 내 하나 이상의 도파로 내로 향한다. 도파로는 에너지 펄스를 소정 방향으로 향하게 하는 도관이다. 일반적으로, 에너지 펄스는 도파로 내에 제한된다. 일 구현예에서, 도파로는 고분자 물질을 포함한다. 예를 들어, 우레탄 또는 폴리우레탄은 도파로를 형성하기 위한 적합한 고분자이다. 고분자 도파로는 압축될 수 있고 본 시스템에서 히스테리시스를 거의 또는 전혀 가지지 않는다. 대안적으로, 에너지 펄스는 근골격계를 통하여 진행될 수 있다. 일 구현예에서, 에너지 펄스는 골 밀도를 측정하기 위해 근골격계의 뼈를 통하여 진행된다. 에너지 펄스의 전달 시간은 에너지 펄스가 가로지르는 매질의 재료 특성들과 관련된다. 이 관계는 몇 가지 예를 들면, 거리, 중량, 압박, 압력, 마모, 진동, 점성, 및 밀도와 같은 파라미터들의 정확한 측정을 생성하기 위해 사용된다.
센서(100)는 도구, 장비, 또는 인공 관절과 같은 부품을 근골격계의 영역 내에 맞추는 폼 인자 요구에 의해 크기가 제한될 수 있다. 비제한적 실시예에서, 센서(100)는 설치된 인공 슬관절의 하중 및 균형을 측정하기 위해 사용된다. 의족은 대퇴부 보철 부품(104), 삽입물, 및 경골 보철 부품(106)을 포함한다. 대퇴골(102)의 원위단이 준비되어 대퇴부 보철 부품(104)을 수용한다. 일반적으로, 대퇴부 보철 부품(104)은 천연 대퇴골처럼 보이는 두 개의 관절구 표면을 가진다. 도시된 것처럼, 대퇴부 관절 부품(104)은 대퇴골에 연결된 하나의 관절구 표면을 가진다. 대퇴부 관절 부품(104)은 일반적으로 금속 또는 금속 합금으로 구성된다.
경골(108)의 근위단이 준비되어 경골 보철 부품(106)을 수용한다. 경골 보철 부품(106)은 경골의 근위단에 조여지는 지지 구조물로서 보통 금속 또는 금속 합금으로 구성된다. 경골 보철 부품(106)은 또한 경골(108)에 대하여 고정된 위치에 삽입물을 보유한다. 삽입물은 대퇴골 보철 부품(104)과 경골 보철 부품(106) 사이에 끼워 맞추어진다. 삽입물은 대퇴부 보철 부품(104)의 적어도 관절구 표면과 접촉하는 적어도 하나의 지지면을 가진다. 하퇴부 하중 하에서 회전할 수 있도록 관절구 표면은 삽입물의 지지면에 대하여 이동가능하다. 삽입물은 일반적으로 마찰을 최소화하는 고 마모 플라스틱 물질로 구성된다.
슬관절 치환 방법에서, 외과의사는 대퇴부 보철 부품(104)을 대퇴골(102)에 그리고 경골 보철 부품(106)을 경골(108)에 부착한다. 경골 보철 부품(106)은 경골(108)의 평탄화된 근위단에 부착된 트레이 또는 플레이트를 포함할 수 있다. 센서(100)는 대퇴부 보철 부품(104)의 관절구 표면과 경골 보철 부품(106)의 주표면 사이에 놓인다.
관절구 표면은 센서(100)의 주표면과 접촉한다. 센서(100)의 주표면은 삽입물의 표면과 비슷하다. 경골 보철 부품(106)은 측정 과정 동안 센서(100)를 수용하고 유지하는 공동 또는 트레이를 주표면에 포함할 수 있다. 경골 보철 부품(106) 및 센서(100)는 경골 보철 부품(106) 및 슬관절의 최종(또는 만성의) 삽입물의 결합 두께를 나타내는 결합 두께를 가진다.
일 구현예에서, 두 개의 센서(100)가 두 개의 분리된 공동에 끼워지고, 공동은 경골 부품(106)에 의해 위치가 유지되는 시험 삽입물(경골 부품 자체라기보다는 경골 삽입물로서도 언급될 수 있음) 내에 있다. 하나 또는 두 개의 센서들(100)은 대퇴골 보철 부품(104)과 경골 보철 부품(106) 사이에 삽입될 수 있다. 각 센서는 독립적이고 각각 대퇴골(102)의 각 관절구를 측정한다. 별도의 센서들은 단일 관절구가 수리되고 단일 센서만이 사용되는 상황도 수용한다. 대안적으로, 전자장치들이 두 개의 센서들 사이에서 공유되어 시스템의 비용 및 복잡성을 낮출 수 있다. 공유된 전자장치들은 적절하다면 측정을 수행하는 센서 모듈 사이에서 다중 송신할 수 있다. 센서(100)에 의한 측정은 외과의사가 각 관절구에 대한 절대 하중 및 관절구들 사이의 균형을 교정하는 것을 돕는다. 무릎 이식을 위해 도시되었지만, 센서(100)는 척추, 엉덩이, 어깨, 팔꿈치, 발목, 손목, 지간 관절, 종족 관절, 중수지 관절 등과 같은 기타 정형외과적 관절들을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 센서(100)는 측정을 제공하도록 정형외과적 도구들에 맞추어질 수도 있다.
보철 포함 센서(100)는 천연 슬관절의 기능을 모방한다. 센서(100)는 이동 범위에 걸쳐서 다양한 지점에서 하중 또는 기타 파라미터들을 측정할 수 있다. 센서(100)의 데이터는 유선 또는 무선 통신을 거쳐서 수신국(110)으로 전송된다. 제1 구현예에서, 센서(100)는 일회용 시스템이다. 센서(100)는 관절 이식을 최적으로 맞추기 위해 센서(100)를 사용한 후 폐기될 수 있다. 센서(100)는 자본 비용, 운영 비용을 절감하고 정량적 측정의 신속한 채택을 용이하게 하고, 증거 기반 의학 정형외과적 의술을 시작하는 저비용 일회성 시스템이다. 제2 구현예에서, 방법론은 재사용을 위해 센서(100)를 청소하고 살균하는 장소에 배치될 수 있다. 제3 구현예에서, 센서(100)는 치환 관절의 부품이 되는 대신 도구에 포함될 수 있다. 도구는 일회용이거나 재사용을 위해 청소 및 살균될 수 있다. 제4 구현예에서, 센서(100)는 치환관절의 영구 부품일 수 있다. 센서(100)는 이식 관절에 단기 및 장기간 수술후 데이터를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 제5 구현예에서, 센서(100)는 근골격계에 연결될 수 있다.
모든 구현예에서, 수신국(110)은 데이터 처리, 저장, 표시, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 하중의 레벨 및 분포를 그래프 형태로 실시간으로 제공할 수 있다. 수신국(110)은 센서(100)의 회계정보를 적절한 기관에 기록 및 제공할 수 있다.
수술동안의 실시예에서, 센서(100)는 대퇴부 보철 부품(104) 및 경골 보철 부품(106)에 대하여 대응하는 위치 및 토크(예를 들어, Tx, Ty, 및 Tz)를 가진 힘들(Fx, Fy, Fz)을 측정할 수 있다. 측정된 힘 및 토크 데이터는 외과의사가 수신국(110)으로 전송되어 최적의 관절 압력 및 균형을 이루기 위해 필요한 어떤 조절들을 확인하는 것을 돕기 위한 실시간 시각화를 제공한다. 데이터는 재작업을 최소화하고 환자의 기능과 관절의 수명을 극대화하기 위해 필요한 하중 및 정렬 오차의 범위를 결정하는 데 상당한 가치가 있다.
앞서 언급되었듯이, 센서(100)는 기타 관절 수술들을 위해 사용될 수 있고, 무릎 치환 이식 또는 이식들에 한정되지 않는다. 더욱이, 센서(100)는 시험 측정에 한정되지 않는다. 센서(100)는 이식된 관절이 올바르게 기능하는 지를 판단하기 위해 수술후 데이터를 제공하기 위한 최종 관절 시스템에 포함될 수 있다. 센서(100)를 사용한 문제의 초기 판단은 환자가 검출할 수 없는 문제에 대한 인식을 불러옴으로써 관절의 치명적인 오류를 줄일 수 있다. 이 문제는 환자에게 더 낮은 비용과 스트레스로 최소 침습 과정으로 종종 바로잡힐 수 있다. 유사하게, 관절의 장기간 모니터링은 초기 발견 시 최소 수술로 마모면의 최적 수명 또는 교체를 위해 조절될 수 있는 마모 또는 오정렬을 판단할 수 있고, 그리하여 이식의 수명을 연장할 수 있다. 일반적으로, 센서(100)는 근골격계, 관절 및 이와 관련된 도구와 관련된 많은 정형외과적 응용들(또는 어떤 정형외과적 응용)에 사용되는 하중 지지면에 또는 하중 지지면 내에 놓여지거나 결합되거나 부착될 수 있도록 형상화될 수 있다. 센서(100)는 마모, 스트레스, 운동학, 동역학, 정착 강도, 인대 균형, 해부학적 적응 및 균형과 같은 하나 이상의 흥미로운 성능 파라미터들의 조합에 대한 정보를 제공할 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따라 영점 교차(zero-crossing) 수신기(200)의 블록도를 예시한다. 제1 구현예에서, 영점 교차 수신기(200)는 대칭 또는 순환 파형의 중간점을 통한 각 에너지 파의 천이와 같은, 에너지 파들의 천이 상태를 검출하기 위해 제공된다. 이는, 이들에 한정되지는 않지만, 에너지 파들의 전달시간, 위상, 또는 주파수를 포함하는 파라미터들의 파악을 가능하게 한다. 수신기는 신호 전이에 빠르게 응답하고 에너지 파 전이 특성 및 최소 지연과 일치하는 디지털 펄스를 출력한다. 영점 교차 수신기(200)는 조절가능한 잡음 감소의 레벨들을 거쳐서 매우 낮은 레벨의 파들을 포함하는 관심 있는 에너지 파들 및 잡음을 추가로 식별한다.
잡음 저감부(218)는 낮은 레벨의 파들을 포함하는 광범위한 진폭들에 대해 정확하게 잡음을 억제하기 위한 필터링 단계 및 오프셋 조절 단계를 포함한다.
제2 구현예에서, 영점 교차 수신기는 들어오는 대칭의, 순환의 또는 사인파를 매우 낮은 레벨의 입력 신호에 대해 우수한 성능을 가진 정사각형 또는 직사각형의 디지털 펄스 시퀀스로 변환하기 위해 제공된다. 디지털 펄스 시퀀스는 에너지 파 전이 시간들과 일치하는 펄스 타이밍 간격들을 나타낸다. 영점 교차 수신기는 들어오는 사인파의 평가 천이에 응답하여 디지털 펄스 시퀀스를 생성하기 위해 감지 조립체와 연결된다. 이 디지털 펄스 시퀀스는 감지 조립체의 물리적 변화와 연관된, 적용된 힘과 같이 관심 있는 파라미터들에 관련된 타이밍 정보를 전달한다.
제3 구현예에서, 집적된 영점 교차 수신기는 연속파 모드 또는 펄스-루프 모드에서 작동시 양의 폐루프 궤환을 유지하기 위해 전파 동조 발진기(PTO) 내에 포함된다. 집적된 에지 영점 교차 수신기는 초저전력 및 작은 컴팩트 크기를 이루도록 입력 및 출력 회로를 다중화함으로써 PTO와 전기적으로 집적된다. PTO의 전기 부품들은 저 레벨 신호들에 대해 적절한 감도를 보장하기 위해 영점 교차 수신기의 부품들과 집적된다.
일 구현예에서, 저전력 영점 교차 수신기(200)는 저 신호 레벨에서 성능을 추가로 개선하기 위해 전파 동조 발진기이 다른 회로와 집적될 수 있다. 영점 교차 수신기(200)는 전치 증폭기(206), 필터(208), 오프셋 조정 회로(210), 비교기(212), 및 디지털 펄스 회로(214)를 포함한다. 필터(208) 및 오프셋 조정 회로(210)는 앞서 설명된 것처럼 잡음 저감부(218)를 구성한다. 영점 교차 수신기(200)는 별개의 아날로그 부품들, 디지털 부품들 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 집적된 영점 교차 수신기(200)는 특정된 위치들에서 그리고 특정된 조건들 하에서 에너지 파들의 중간 지점을 검출하는 측정 방법들을 실시하여, 이들에 제한되지는 않지만, 에너지 파들의 전달 시간, 위상, 또는 주파수를 포함하는 파라미터들의 포획을 가능하게 한다. 동작 방법의 간단한 설명은 다음과 같다.
수신 에너지 파(202)는 전기적 연결, 안테나, 또는 변환기로부터 영점 교차 수신기(200)의 입력에 연결된다. 영점 교차 수신기(200)의 입력은 전치 증폭기 리프터(206)에 결합되어 수신 에너지 파(202)를 증폭한다. 증폭된 신호는 필터(208)에 의해 필터링된다. 필터(208)는 전치 증폭기 리프터(206)의 출력 및 오프셋 조정 회로(210)의 입력에 연결된다. 일 구성에서, 필터(208)는 입력 에너지 파(202) 대역폭 이상의 고 주파수 성분들을 제거하기 위한 로우-패스 필터이다. 다른 장치에서, 필터는 입력 에너지 파(202)의 대역폭에 대응하는 통과 대역을 가진 밴드-패스 필터이다. 그러나, 이 필터는 어느 하나의 장치에 제한되지 않는다. 필터링되고 증폭된 파의 오프셋은 오프셋 조정 회로(210)에 의해 조정된다. 비교기(212)의 입력은 오프셋 조정 회로(210)의 출력에 연결된다. 비교기(212)는 증폭된 파형들을 감시하여 프리셋 트리거 레벨이 검출될 때마다 디지털 펄스 회로(214)를 트리거한다. 디지털 펄스 회로(214)는 비교기(212)의 출력에 연결된 입력 및 디지털 펄스(216)를 제공하기 위한 출력을 가진다.
바람직한 구현예에서, 전자 부품들은 집적된 회로들의 블록들로서 동작되게 함께 연결된다. 앞서 도시된 것처럼, 이 집적 장치는 최소 수의 부품들과 그의 특정 기능들을 효율적으로 수행한다. 이는 회로 부품들이 아날로그 및 디지털 기능들의 혁신적 분할뿐만 아니라 집적 회로 및 별개 부품들 내의 구조물들 사이에서 분할되어 최소 수의 부품들 및 최소 전력 소모로 필요한 성능을 달성하기 때문이다.
도 3은 예시적 구현예에 따라 감지 어셈블리(300)에 연결된 집적된 영점 교차 수신기(200)의 블록도를 예시한다. 전치증폭기(206)와 디지털 펄스 회로(214)가 참고 및 논의를 위해 도시된다. 일 구현예에서, 감지 어셈블리(300)는 송신기 변환기(302), 에너지 전파 구조체(또는 매질)(304), 및 수신기 변환기(306)를 포함한다. 아래에서 추가로 설명되듯이, 일 구현예의 감지 어셈블리(300)는 힘, 압력, 또는 하중과 같은 파라미터를 측정하는 감지 장치이다. 비제한적 예에서, 인가된 힘(308)과 같은 외부 파라미터는 감지 어셈블리(200)에 영향을 미친다. 도시된 것처럼, 인가된 힘(308)은 전파 구조체(304)를 치수적으로 바꾼다. 일반적으로, 감지 어셈블리(300)는 에너지 전파 구조체(304)의 변화와 관련된 거리, 힘, 중량, 압박, 압력, 마모, 진동, 점성, 밀도, 방향, 및 변위와 같이 관심 있는 하나 이상의 파라미터들을 전달한다. 어떤 실시예는 관절의 뼈들 사이에서 감지 어셈블리(300)를 사용하여 위에서 개시된 것처럼 근골격계의 관절에 의해 인가되는 하중을 측정하고 있다.
변환기 구동 회로(미도시)는 감지 어셈블리(300)의 송신기 변환기(302)를 구동하여 에너지 전파 구조체(304)로 향하는 에너지 파(310)를 생성한다. 인가된 힘(308)과 같은 인가된 파라미터로 인한 에너지 전파 매질(304)의 변화는 에너지 파(또는 펄스)(310)의 주파수, 위상, 및 전달 시간을 변화시킨다.
일 구현예에서, 인가된 힘(308)은 에너지 파(310)의 전파 경로의 방향에서 전파 구조체(304)의 길이에 영향을 미친다. 영점 교차 수신기(200)는 수신기 변환기(306)에 연결되어 재생된 에너지 파(202)의 영점 교차를 검출한다. 영점 교차의 검출시, 디지털 펄스 회로(214)는 트리거되어 펄스(216)를 출력한다. 디지털 펄스(216)의 타이밍은 관심 있는 파라미터들(예를 들어, 거리, 힘, 중량, 압박, 압력, 마모, 진동, 점성, 밀도, 방향, 변위 등)을 전달한다.
이러한 에너지 파(310) 또는 에너지 파의 펄스의 전파에 의존하는 측정 방법들은 에너지 파 또는 펄스를 매우 정확한 그리고 조절된 검출을 이루도록 요구 받는다. 게다가, 에너지 파들의 펄스들은 그 안에 검출의 잠재적 모호함으로 이어지는 복잡한 파형들을 갖는 다수의 에너지 파들을 포함할 수 있다. 특히, 에너지 전파 구조물(304)로 향하는 에너지 파(310)는 발생된 에너지 파(310)의 특성들뿐만 아니라 도파로의 널(null) 및 공진에 의해 생기는 간섭 패턴을 발생시킬 수 있다.
이들 간섭 패턴들은 원래의 에너지 파의 에지들을 결국 왜곡하는 여기된 파형들을 크게 증가시킬 수 있다.
다시 도 2를 간략하게 참조하면, 에너지 파의 펄스의 도착을 신뢰성 있게 검출하기 위해, 영점 교차 수신기(200)는 두 가지 형태의 잡음 감소를 포함하는 잡음 저감부(218)를 지렛대로 삼는다. 관심 있는 파라미터들의 물리적 측정을 위한 동작 주파수보다 높은 주파수들은 필터(208)로 감쇄된다. 아울러, 수신 파형의 오프셋 레벨은 오프셋 조정기(210)에 의해 조정되어 비교기(212)가 출력 펄스를 트리거링하는 전압 레벨을 최적화한다. 이는 수신 파형을 증폭하는 것보다 더 신뢰할 수 있는데, 이유는 그것이 입력에 존재하는 잡음의 추가적인 증폭을 추가하지 않기 때문이다. 조정가능한 잡음 저감 레벨과 수신 대칭파, 순환파, 또는 사인파의 도착에 대한 빠른 응답의 조합으로 매우 낮은 레벨의 신호들에 대해 우수한 성능을 가진 초저전력 영점 교차 수신기(200)를 통한 신뢰성 있는 영점 교차 검출이 이루어진다.
광범위한 비의료적 및 의료적 응용들에 맞추어 재단될 수 있는 고수행 측정 모듈들 또는 장치들의 설계 및 구성을 가능하게 하는 극저전력 회로를 가진 컴팩트 측정 모듈들 또는 장치들을 위한 광범위한 응용들이 있다. 매우 컴팩트한 측정 모듈 또는 장치를 위한 응용들은, 이들에 한정되지는 않지만, 재사용가능한 모듈 또는 장치 및 장기간 사용을 위한 모듈 또는 장치뿐만 아니라 일회용 모듈 또는 장치를 포함할 수 있다. 비의료적 응용 외에도, 광범위한 잠재적 의료 응용들의 실시예들은, 이들에 한정되지는 않지만, 이식 가능 장치, 이식 가능 장치 내 모듈, 수술 중 이식 또는 시험 삽입물 내의 수술 중 이식 또는 모듈, 삽입 또는 삼켜지는 장치 내의 모듈, 웨어러블 장치 내의 모듈, 휴대용 장치 내의 모듈, 기기 내의 모듈, 기구, 장비, 또는 이들 모두의 액세서리들, 또는 이식물 내의 일회용품, 시험 삽입물, 삽입 또는 삼켜지는 장치, 웨어러블 장치, 휴대용 장치, 기기, 기구, 장비, 또는 이들 장치, 기기, 기구 또는 장비의 액세서리를 포함한다.
도 4는 예시적 구현예에 따라 양의 폐루프 궤환을 유지하기 위한 전파 동조 발진기(PTO)(404)의 예시적 블록도(400)이다. 측정 시스템은 감지 조립체(401) 및 감지 조립체(401)의 하나 이상의 도파로(403)에서 에너지 파(402)를 검출하는 전파 동조 발진기(PTO)(404)를 포함한다. 일 구현예에서, 에너지 파(402)는 초음파이다. 펄스(411)는 에너지 파(402)의 검출에 응답하여 발생되어 도파로(403)에서 새로운 에너지 파의 전파를 시작한다. 초음파 도파로를 통하여 전송되고 초음파 공진기 또는 변환기에 의해 검출되는 초음파 에너지 펄스 또는 파, 초음파 공진기 또는 변환기에 의한 초음파 펄스 또는 파의 방출은 에너지 펄스, 파, 및 전파 구조 및 매질의 예로서만 사용된다는 것에 주목하여야 한다. 본원에서 고려된 다른 구현예들은 빛과 같은 기타 파의 형태들을 이용할 수 있다.
감지 조립체(401)는 변환기(405), 변환기(406), 및 도파로(403)(또는 에너지 전파 구조물)을 포함한다. 비제한적 실시예에서, 감지 조립체(401)는 하중 베어링 또는 접촉면(408)에 부착된다. 접촉면(408)에 인가된 외력은 도파로(403)를 압축하여 도파로(403)의 길이를 변화시킨다. 압축 하에서, 변환기들(405, 406)도 서로 더 가깝게 움직일 것이다. 거리 변화는 변환기들(405, 406) 간에 전송되고 수신된 에너지 파들(402)의 전달시간에 영향을 미친다. 이들 물리적 변화에 응답하여 전파 동조 발진기(404)는 머잖아(예를 들어, 더 짧은 전달시간) 각 에너지 파를 검출하여 더 짧은 전달시간과 관련된 새로운 에너지 파들의 전파를 시작할 것이다. 아래에서 설명되듯이, 이는 펄스 발생기(410), 모드 제어기(412), 및 위상 검출기(414)와 함께 PTO(404)를 거쳐서 달성된다.
특히, 도파로(403)(에너지 전파 구조물 또는 구조물들)의 변화는 전파 매질의 전파 성질(예를 들어, 전달 시간(407))을 변화시킨다. 에너지 파는 연속파 또는 펄스형태의 에너지파일 수 있다. 펄스형태의 에너지 파 접근은 동작 과정 동안 시스템에 동력을 전달하는 배터리 또는 커패시터와 같은 일시적 전력원을 감안하여 전력 소모를 감소시킨다. 적어도 하나의 예시적 구현예에서, 연속파 에너지 파 또는 펄스형태의 에너지 파는 변환기(405)에 의해 도파로(403)의 제1 표면에게 제공된다. 변환기(405)는 도파로(403)에 연결되는 에너지 파(402)를 발생시킨다. 비제한적 실시예에서, 변환기(405)는 초음파 주파수 범위로 음향 신호들을 송수신할 수 있는 압전(piezo) 전기 장치이다.
변환기(406)는 도파로(403)의 제2 표면에 연결되어 전파된 펄스형태의 신호를 수신하고 해당 전기 신호를 발생한다. 변환기(406)에 의한 전기적 신호 출력은 위상 검출기(414)에 연결된다. 일반적으로, 위상 검출기(414)는 검출된 에너지 파의 파형 위의 선택된 지점의 타이밍을 다른 전파된 에너지 파들의 파형 위의 동일 지점의 타이밍에 대하여 비교하는 검출 회로이다. 제1 구현예에서, 위상 검출기(414)는 영점 교차 수신기일 수 있다. 제2 구현예에서, 위상 검출기(414)는 에지 검출 수신기일 수 있다. 제3 구현예에서, 위상 검출기(414)는 위상 고정 루프일 수 있다.
감지 조립체(401)이 압축되는 실시예에서, 전파된 에너지 파의 검출은 외력이 접촉면들에게 인가되는 것보다 앞서는 신호보다 더 일찍(도파로(403)의 길이/거리 감소로 인하여) 일어난다. 펄스 발생기(410)는 위상 검출기(414)에 의한 전파된 에너지 파(402)의 검출에 응답하여 새로운 펄스를 발생시킨다. 새로운 펄스는 변환기(405)에 제공되어 새로운 에너지 파 시퀀스를 시작한다. 이처럼, 각 에너지 파 시퀀스는 도파로(403)에서 전파하는 에너지 파들(402)을 유지하는, 에너지 파 전파, 에너지 파 검출, 및 에너지 파 방출의 개별적 사건이다.
전파된 에너지 파의 전달시간(407)은 에너지 파가 도파로(403)의 제1 표면으로부터 제2 표면까지 전파되는데 걸린 시간이다. 위에서 설명된 각 회로와 관련되는 지연이 있다. 전형적으로, 회로의 전체 지연은 도파로(403)를 통한 에너지 파의 전파 시간보다 상당히 더 작다. 아울러, 평형상태 조건 하에서, 회로 지연의 변화는 최소이다. 펄스 타이밍들에 대한 다수의 펄스는 외력 변화가 생리적 또는 기계적 시스템에서처럼 펄스형태의 신호 전파 시간과 관련하여 비교적 천천히 일어날 대 평균 시간 주기를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 전자 부품들과 함께 디지털 카운터(420)는 전파된 에너지 파들의 수를 카운트하여 도파로(403)의 해당 길이 변화를 판단한다. 이들 길이 변화는 외력에 직접 비례하여 변화되어서 관심 있는 파라미터 또는 파라미터들의 변화가 전기 신호로 전환되는 것을 가능하게 한다.
블록도(400)는 카운팅 및 타이밍 회로를 더 포함한다. 보다 구체적으로, 타이밍, 카운팅, 및 클럭 회로는 디지털 타이머(420), 디지털 타이머(422), 디지털 클럭(426), 및 데이터 레지스터(424)를 포함한다. 디지털 클럭(426)은 측정 시퀀스 동안 클럭 신호를 디지털 카운터(420) 및 디지털 타이머(422)에게 제공한다. 디지털 카운터(420)는 전파 동조 발진기(4040)에 연결된다. 디지털 타이머(422)는 데이터 레지스터(424)에 연결된다. 디지털 타이머(420), 디지털 타이머(422), 디지털 클럭(426) 및 데이터 레지스터(424)는 초음파 공진기 또는 변환기(405)에 의해 방출되어 도파로(403)를 통해 전파되고, 표면(408)에 적용된 관심 있는 물리적 변수들의 측정 모드에 따라 초음파 공진기 또는 변환기(406)에 의해 검출되는 에너지 파의 전달 시간(407)을 파악한다. 타이밍 및 카운팅 회로의 동작은 이하에서 더 상세히 개시된다.
측정 데이터는 정확하고, 반복가능하고, 고 정밀도 및 고 해상도 측정을 이루기 위해 분석될 수 있다. 이 방법은 확보된 데이터의 정밀도 또는 해상도 레벨의 설정을 가능하게 하여 감지 대역폭 및 데이터 처리 동작들을 포함하는 해상도 대 주파수 측정간 균형을 최적화하고, 그리하여 감지 모듈 또는 장치가 측정 해상도를 절충하지 않고서 최적의 동작 지점에서 동작하도록 한다. 이는 다수의 개별적 여기 및 전달 사이클들의 전달 시간의 평균값을 구하는 대신 여기 및 전달 시간의 다수 사이클들의 축적에 의해 달성된다. 이 결과는 물리적 시스템에서 관심 있는 변수들의 정확하고, 반복가능하고, 고정밀도 및 고해상도 측정이다.
적어도 하나의 예시적 구현예에서, 하나 이상의 감지 조립체(401)와 함께 전파 동조 발진기(404)는 근골격계에 대한 측정을 하기 위해 사용된다. 비제한적 실시예에서, 감지 조립체(401)는 대퇴골 보철 부품과 경골 보철 부품 사이에 놓여져서 인공 슬관절의 설치를 돕는 측정된 하중 정보를 제공한다. 감지 조립체(401)는 관절 기능을 감시하는 영구적 부품 또는 근골격 관절 또는 인공 근골격 관절일 수도 있다. 측정은 연장하거나 구부려서 수행될 수 있다. 실시예에서, 조립체(401)는 그것이 소정 범위 및 위치에 들어가는 지를 판단하는 관절구 로딩을 측정하기 위해 사용된다. 측정을 근거로, 최종 삽입물과 함께 제자리로의 로딩 및 유입의 측정이 소정 범위에 들어가도록 외과의사는 삽입물의 두께를 선택할 수 있다. 힘 또는 압력을 최적화하기 위해 외과의사는 연부 조직 긴장화를 선택할 수 있다. 유사하게, 두 조립체(401)는 양 관절구들을 동시에 또는 다중으로 측정하기 위해 사용될 수 있다. 관절구들 간 로딩(예를 들어, 밸런스) 차이가 측정될 수 있다. 연부 조직 긴장화는 측정된 더 높은 로딩을 갖는 관절구에 대한 힘을 감소시키기 위해 사용되어 관절구들 간 측정된 압력차를 저감할 수 있다.
한 가지 동작 방법은 도파로(403)를 통하여 전파하는 에너지 파들의 수를 일정한 정수로 유지한다. 에너지 파의 시간 주기는 에너지 파 주기성에 해당한다. 안정한 시간 주기는 시간 주기 변화가 에너지 파들의 수에 대해 매우 적게 변화하는 것이다. 이는 감지 조립체(401)에 영향을 미치는 조건들이 일관되거나 일정하게 머무를 때 일어난다. 도파로(403)를 통해 전파하는 에너지 파들의 수를 정수로 유지하는 것은 도파로(403)의 길이가 변할 때 펄스들 간 시간의 변화를 강요하는 제약이다. 각 에너지 파의 시간 주기의 결과적인 변화는 디지털 카운터(420)를 사용하여 접촉면들(408)에 인가된 외력 또는 조건들 변화의 측정으로서 파악된 총 에너지 파 시간 주기의 변화에 해당한다.
일 구현예에 따른 변환기(450)로부터 전파되어 변환기(406)에 의해 수신된 에너지 파(402)에 대한 추가적인 동작 방법이 하기에서 설명된다. 적어도 하나의 예시적 구현예에서, 에너지 파들(402)은 초음파 에너지 파이다. 변환기들(405 및 406)은 피에조-전기 공진기 변환기이다. 설명되지는 않았지만, 파의 전파는 변환기(406)에 의해 시작되어 변환기(405)에 의해 수신되는 반대 방향으로 일어날 수 있다. 더욱이, 초음파 공진기 변환기(406)를 검출하는 것은 오로지 선택된 전파 모드(예를 들어, 반사 감지)에 따라 사용될 수 있다. 접촉면들(408)에 인가된 외력 또는 조건의 변화는 도파로(403)의 전파 특성에 영향을 미치고 전달 시간(407)을 변경한다. 앞서 언급되었듯이, 전파 동조 발진기(404)는 도파로(403)를 통해 전파하는 정수개의 에너지 파들(402)(예를 들어, 정수개의 펄스형태의 에너지 파 시간 주기들)를 일정하게 유지함으로써, 반복율을 조절한다. 앞서 주목한 바와 같이, PTO(404)가 일단 안정화되면, 이하에서 더 상세히 설명되듯이, 디지털 카운터(420)는 펄스 형태의 에너지 파들의 반복율을, 예를 들어, 에지 검출을 거쳐서 디지털화한다.
대안적 구현예에서, 변환기(405)에 의해 방출된 펄스형태의 에너지 파들(402)의 반복율은 펄스 발생기(410)에 의해 조절될 수 있다. 측정될 파라미터가 도포로(403) 내에서 펄스형태의 에너지 파들(402)의 전달시간(407)의 측정에 해당하는 경우 동작은 계속 유사하다. 개별적인 초음파 펄스는 감쇠파 형상을 가진 하나 이상의 에너지 파를 포함할 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 에너지 파 형상은 펄스 발생기(410), 필요하면 인터페이스 물질 또는 물질들, 및 초음파 공진기 또는 변환기(405)의 전기적 및 기계적 파라미터들에 의해 결정된다. 개별적 펄스들 내의 에너지 파들의 주파수는 전기 펄스(411)에 의해 여기되어 방출하는 초음파 공진기(404)의 응답에 의해 결정된다. 도파로(403)를 통한 펄스 형태의 에너지 파들(402)의 전파 모드는 모드 제어 회로(412)(예를 들어, 반사 또는 단방향성)에 의해 제어된다. 검출한 초음파 공진기 또는 변환기는 별개의 초음파 공진기 또는 변환기(406)익나 선택된 전파 모드(반사 또는 단방향성)에 따라 방출하는 공진기 또는 변환기(405) 중 어느 하나일 수 있다.
일반적으로, 물리적 파라미터의 정확한 측정은 정수개의 펄스들이 시간 내 어떤 지점에서 에너지 전파 구조물을 통해 전파하고 있는 성질을 갖는 평형상태 지점에서 이루어진다. 공지된 길이의 도파로 내의 "비행 시간" 또는 초음파 에너지 파의 전달 시간의 변화의 측정은, 관심 있는 파라미터 또는 파라미터들의 변화에 의해 야기되는, 전파 매질을 통한 거리 또는 속도의 변화, 또는 거리 및 속도 변화의 조합의 함수로서 초음파 에너지 파의 반복율을 조절함으로써 달성될 수 있다.
에너지 파, 또는 에너지 펄스 내 에너지 파의 전파에 의존하는 측정 방법은, 이들에 한정되지는 않지만, 에너지 파의 전달 시간, 위상, 또는 주파수를 포함하는 파라미터들의 파악을 가능하게 하기 위해, 특정 위치에서 또는 특정 조건 하에서 에너지 파의 특정 지점의 검출을 요구할 수 있다. 개별적인 초음파 도파로의 물리적 길이의 변화 측정은 여러 모드에서 이루어질 수 있다. 초음파 도파로와 결합된 하나 또는 두 개의 초음파 공진기 또는 변환기들의 각 조립체는 여섯 가지 다른 모드에서 동작하도록 제어될 수 있다. 이는 두 가지 파 형상 모드, 즉 연속파 또는 펄스형태의 파, 그리고 세 가지 전파 모드, 즉 초음파의 반사, 단방향성, 및 양방향성 전파를 포함한다. 이러한 측정의 해상도는 측정 해상도 대 도파로의 길이, 초음파의 주파수, 및 센싱 및 데이터 포획 동작의 대역폭 간의 균형의 최적화를 가능하게 하는 측정 데이터의 고급 처리에 의해 더 향상 될 수 있고, 그리하여 감지 모듈 또는 장치에 대한 최적의 동작 점을 달성할 수 있다.
전파 동조 발진기(404) 및 감지 조립체(401)에 의한 측정은 높은 감도 및 높은 신호 대 잡음 비를 가능하게 한다. 시간 기반의 측정은 전압 또는 전류 구동 감지 방법들 및 장치들에 영향을 미칠 수 있는 대부분의 에러원들에 매우 둔감하다. 동작의 전달시간의 결과적 변화는 빠르게 고해상도로 측정될 수 있는 주파수에 해당한다. 이는 필요한 측정 정확도와 정밀도를 달성하여, 관심 있는 물리적 파라미터들의 변화를 포획하고 이들 파라미터들의 동적 및 정적 거동의 분석을 가능하게 한다.
이러한 측정은 센서 및 하중 지지 또는 접촉면을 지지하는 밀봉 구조 및 전원, 감지 소자, 에너지 변환기 또는 변환기들 및 탄성 에너지 전파 구조체 및 구조체들, 바이어스 스프링 또는 스프링들 또는 다른 형태의 탄성부재들, 가속도계, 안테나 및 초음파 발생, 전파 및 검출 및 무선 통신의 모든 동작들을 제어할 뿐만 아니라 측정 데이터를 처리하는 전자 회로를 집적하는 전자 조립체로 구현될 수 있다. 전자장치 조립체는 완성된 감지 모듈 또는 장치의 품질, 정확성 및 신뢰성을 보장하는 시험용이성 및 교정 특징들도 지원한다.
에너지 변환기들 및 전파 동조 발진기의 전자 부품들과 연결된 에너지 전파 구조물 또는 구조물들의 집적에 의해 달성되는 정확도 및 해상도 레벨은, 제한되지는 않지만, 관심 있는 파라미터들을 감시하거나 측정하기 위한 컴팩트한 초저전력 모듈 또는 장치들의 구성을 가능하게 한다. 광범위한 크기에 대하여 감지 모듈 또는 장치들을 구성하는 유연성은 몸체, 기구, 기기, 차량, 장비, 또는 물리적 시스템의 동작을 방해하지 않고서 그 감지 모듈 또는 장치가 몸체, 기기, 기구, 차량, 장비, 또는 다른 물리적 시스템과 결합되거나, 이들에게(위에 또는 내에) 놓이거나, 붙이거나, 부착될 수 있고 관심 있는 물리적 파라미터들에 대해 데이터를 감시 또는 수집할 수 있도록 감지 모듈이 광범위한 응용들에 맞추어 질 수 있도록 한다.
도 17을 참조하면, 예시적 구현예에 따라 고정밀 처리 및 측정 데이터를 위한 방법 단계들의 간략화된 흐름도가 도시되어 있다. 방법(1700)은 도시된 단계들보다 많이 또는 적게 실시될 수 있고, 도시된 단계들의 순서에 제한되지 않는다. 방법 단계들은 위에서 언급된 부품들 또는 이러한 처리를 위해 적합한 어떤 다른 부품들, 예를 들어, 에너지 펄스 또는 파의 방출을 제어하고 매질의 탄성 에너지 전파 구조물을 통해 전파되는 에너지 펄스의 반복율 또는 에너지 파의 주파수를 포획하는 전기 회로로 실시될 도 4에 해당한다.
단계(1702)에서, 이 방법은 측정 동작을 시작한다. 단계(1704)에서, 디지털 타이머(422) 및 데이터 레지스터(424)를 리셋하여 알려진 상태를 구축한다. 단계(1706)에서, 측정이 이루어지고 수집될 측정 사이클들의 수로 디지털 카운터(420)를 미리 설정한다. 단계(1708)에서, 측정 사이클을 시작하고 디지털 클럭(426)의 클럭 출력이 가능해진다. 디지털 클럭(426)으로부터의 클럭 신호는 디지털 카운터(420) 및 디지털 타이머(422) 모두에게 제공된다. 디지털 클럭(426)이 출력한 클럭 신호의 주파수를 근거로 디지털 타이머(420)는 경과 시간을 카운팅한다. 단계(1710)에서, 디지털 타이머(422)는 경과 시간의 추적(tracking)을 시작한다. 동시에, 디지털 카운터(420)는 각 측정 시퀀스 후 카운트의 감소를 나타내기 시작한다. 일 구현예에서, 디지털 카운터(420)는 각 에너지 파가 도파로(403)를 통해 전파되어 변환기(406)에 의해 검출될 때 감소된다. 디지털 카운터(420)는 측정 사이클의 기설정 수가 완료되었을 때 카운트를 감소시킨다. 1712 단계에서, 디지털 카운터(420)가 전파된 에너지 파의 검출에 의해 카운트를 감소할 때, 에너지 파 전파는 전파 동조 발진기(404)에 의해 지속된다. 1714 단계에서, 디지털 카운터(420)의 카운트가 0보다 큰 동안에 에너지 파 검출, 방출, 및 전파는 계속된다. 1716 단계에서, 디지털 타이머(422)의 클럭 입력은 디지털 카운터(420)가 제로 카운트에 도달시 디스에이블되어 디지털 카운터(420) 및 디지털 타이머(422)가 측정하는 것을 방지한다. 일 구현예에서, 디지털 카운터(420)에 제공되는 측정 사이클들의 기설정 수는 전파된 에너지 파들의 주파수를 계산하기 위해 디지털 타이머(422)에 의해 측정된 경과 시간으로 나누어진다. 역으로, 이 수는 디지털 타이머(422)로부터의 경과시간을 측정 사이클들의 기설정 수로 나눔으로써 전달시간으로서 계산될 수 있다. 마지막으로, 1718 단계에서, 결과적인 값은 레지스터(424)로 전달된다. 데이터 레지스터(424)의 수는 디스플레이 및 데이터베이스에 무선으로 전달될 수 있다. 데이터 레지스터(424)로부터의 데이터는 측정될 파라미터와 상호관련될 수 있다. 파라미터 변화가 측정의 주파수 또는 전달시간 계산도 변화시키도록 힘 또는 하중과 같은 파라미터는 전파 매질(예를 들어, 도파로(403))에 적용된다. 전파 매질의 물질 특성들 및 파라미터 사이의 관계는 파라미터 값을 계산하기 위한 측정 값(예를 들어, 주파수, 전달 시간, 위상)으로 사용된다.
도 4의 실시예 조립체에 의해 그리고 디지털 카운터(420), 디지털 타이머(422), 디지털 클럭(426) 및 관련 전자 회로를 거쳐서 실시된 방법(1700)은 동작 지점 조건들에 따라서 디지털화된 측정 데이터를 분석한다. 특히, 이들 부품들은 탄성 에너지 전파 구조체 또는 매질 내에서 에너지 펄스 또는 파의 전달시간을 변경할 수 있는 탄성 에너지 전파 구조체 또는 매질의 길이 변화의 측정의 해상도 레벨 또는 다른 측면을 개선하기 위해 다수의 디지털화된 데이터 값들을 축적한다. 디지털 카운터(420)를 다수의 측정 사이클을 통하여 운영되도록 제어하고 총 경과시간을 포획함으로써, 디지털화된 데이터는 합쳐지는데, 이 때 연속적인 측정 사이클들 간 뒤처짐이 없도록 각 사이클은 여기 및 전이 상들을 가진다. 카운터는 그의 축적 용량을 넘지 않고 그리고 그의 최하위 비트의 해상도와 절충하지 않고서 필요한 해상도를 달성하기 위해 요구되는 많은 측정 사이클들만큼의 총 경과시간을 카운트하도록 크기를 부여받는다.
개별적인 측정 사이클들의 시간 및 그에 따른 개별적인 여기, 탄성 에너지 전파구조물 또는 매질을 통한 전파, 및 에너지 펄스 또는 파들의 검출 사이클의 전달 시간을 추정하기 위해 경과된 총 전달시간의 디지털화된 측정은 이후 측정 사이클들의 수로 나누어진다. 에너지 펄스 또는 파의 여기 및 검출을 위해 경과된 시간이 고정될 때, 탄성 에너지 전파 구조물 또는 매질을 통한 에너지 펄스 또는 파들의 전달시간의 변화의 정확한 추정이 포획된다.
평균 측정값을 추정하기 위해 데이터 값들을 나누기 전에 개별적인 측정값들을 합하는 것은 동일한 수의 샘플들의 평균을 내는 것보다 우수한 결과를 낳는다. 디지털 카운터로부터 수집된 카운트 데이터의 해상도는 카운터의 최하위 비트의 해상도에 의해 제한된다. 일련의 카운트들을 포획하고 이들의 평균을 구하는 것은 단일 카운트의 정밀도인 최하위 비트보다 더 높은 정밀도를 생성하지 못한다. 평균값을 구하는 것은 개별적인 측정들 사이에서 불규칙적인 변화가 있으면 최종 추정의 불규칙성을 감소시킨다. 누적 카운트를 얻기 위해 많은 수의 측정 사이클들의 카운트를 합하고 이후 전체 측정 주기에 대해 평균값을 계산하는 것은 카운터의 최하위 비트보다 작은 측정 성분을 보간함으로써 측정의 정밀도를 개선한다. 이 과정에 의해 얻어진 정밀도는 합해진 측정 사이클들의 수로 나누어진 카운터의 최하위 비트의 해상도의 차수에 대한 것이다.
디지털 카운터의 크기 및 축적된 측정 사이클들의 수는 필요한 해상도 레벨보다 더 클 수 있다.
이는 필요한 해상도 레벨을 이루는 성능을 보장할 뿐만 아니라 필요한 해상도 레벨을 신뢰성 있게 충족시키는 매우 반복 가능한 측정들을 생성하는 개별적인 카운트들 내의 무작위 성분의 평균값을 구한다.
측정 사이클들의 수는 필요한 해상도 레벨보다 크다. 이는 필요한 해상도 레벨을 이루는 성능을 보장할 뿐만 아니라 필요한 해상도 레벨을 신뢰성 있게 충족시키는 매우 반복 가능한 측정들을 생성하는 개별적인 카운트들 내의 어떤 무작위 성분의 평균값을 구한다.
도 5는 일 구현예에 따라 양의 폐루프 궤환을 유지하기 위한 연속파 다중화기에서 영점 교차 수신기를 포함하는 센서 인터페이스 도면이다. 양의 폐루프 궤환은 진한 선의 경로로 예시된다. 초기에, 다중화기(mux)(502)는 구동 라인 신호(508)를 생성하기 위해 변환기 구동기(506)를 지나는 클럭 신호(504)를 입력으로 수신한다.
아날로그 다중화기(mux)(510)는 에너지파를 생성하기 위해 송신기 변환기(512)를 통과한 구동 라인 신호(508)를 수신한다. 변환기(512)는 에너지 전파 매질의 제1 위치에 위치된다. 방출된 에너지파(514)는 에너지 전파 매질을 통해 전파한다. 수신기 변환기(516)는 에너지 전파 매질의 제2 위치에 위치된다. 수신기 변환기(516)는 아날로그 다중화기(520)로 공급되어 영점 교차 수신기(200)를 통과한 에너지 파(514)를 포획한다. 변환기(516)에 의해 포획된 에너지파는 다중화기(520)에게 제공되는 전기파(518)로 표시된다. 영점 교차 수신기(200)는 포획된 전기판(518)로부터 검출된 각 영점 교차에 해당하는 펄스를 출력한다. 영점 교차는 카운트되어 에너지 전파 매질을 통해 전파되는 에너지 파의 위상 및 주파수 변화를 판단하기 위해 사용된다. 비제한적 실시예에서, 인가된 힘과 같은 파라미터는 측정된 위상 및 주파수를 에너지 전파 매질의 파라미터(예를 들어, 힘) 및 물질 성질들 사이의 알려진 관계에 관련시키는 것에 의해 측정된다. 일반적으로, 펄스 시퀀스(522)는 검출된 신호 주파수에 해당한다. 영점 교차 수신기(200)는 전파 동조 발진기의 궤환 경로 내에 있다. 펄스 시퀀스(522)는 양의 폐루프 궤환 경로에서 다중화기(502)를 통해 연결된다. 펄스 시퀀스(522)를 제공하는 경로가 구동기(506)에 연결되어 에너지파를 에너지 전파 매질로 계속 방출하고 구동기(506)까지 클럭 신호(504)의 경로가 디스에이블되도록 펄스 시퀀스(522)는 클럭 신호(504)를 디스에이블한다.
도 6은 연속파 모드에서 동작을 위한 영점 교차 수신기(640)를 포함하는 전파 동조 발진기(PTO)의 예시적 블록도이다. 특히, 도 4에 대해, 도 6은 전파 동조 발진기(416)의 동작에 의해 도파로(408) 내에서 초음파(414)의 전달시간의 폐루프 측정을 예시한다. 이 시스템은 펄스 모드 및 펄스 에코 모드로로 동작될 수 있다. 펄스 모드 및 펄스 에코 모드는 펄스 형태의 에너지파를 사용한다. 펄스 에코 모드는 에너지파를 에너지 전파 매질 내로 향하게 하는 반사를 이용한다. 간략하게, 디지털 논리회로(646)는 전파 동조 발진기의 동작 주파수를 디지털화한다.
연속파 모드 동작에서, 변환기(604), 전파 구조물(602), 및 변환기(606)를 포함하는 센서는 파라미터를 측정하기 위해 사용된다. 일반적으로, 측정될 파라미터는 전파 매질의 성질에 영향을 미친다. 예를 들어, 외력 또는 조건(612)은 전파하는 에너지파의 경로에서 도파로의 길이를 변화시키는 전파 구조물(602)에 인가된다. 길이 변화는 전파하는 파의 전달시간(608)의 변화에 해당한다. 유사하게, 전파하는 구조물(602)의 길이는 인가된 힘에 해당한다. 길이 감소는 전파 구조물(602)에 인가되는 더 큰 힘에 해당한다. 역으로, 길이 증가는 전파 구조물(602)에 인가되는 힘(612)의 감소에 해당한다. 전파 구조물(602)의 길이가 측정되고 알려져 있는 힘에 대한 길이 관계를 거쳐서 힘으로 변환된다.
변환기(604)는 연속파 모드에서 방출 장치이다. 파라미터를 측정하기 위한 센서는 제1 위치에서 전파 구조물(602)에 연결된 변환기(604)를 포함한다. 변환기(606)는 제2 위치에서 전파 구조물(602)에 연결된다. 변환기(606)는 전파하는 에너지파를 포획하기 위한 수신 변환기이다. 일 구현예에서, 포획된 전파 에너지파들은 변환기(606)가 출력한 전기적 사인파들이다.
측정 시퀀스는 제어 회로(618)가 발진기(622)의 발진기 출력(624)을 증폭기(626)의 입력에 연결하는 스위치를 닫을 때 시작된다. 증폭기(626)에 제공되는 하나 이상의 펄스들은 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)을 통해 간단하거나 복잡한 파형을 가진 에너지파를 전파하기 위한 행동을 시작한다.
증폭기(626)는 디지털 구동기(628) 및 정합 네트워크(630)를 포함한다. 일 구현예에서, 증폭기(626)는 발진기(622)의 발진기 출력을 발진기 출력과 동일한 반복율 및 변환기(604)를 여기하기 위한 충분한 진폭을 가진 전기적 사인파(632)로 변환한다.
방출 변환기(604)는 사인파(632)를 동일 주파수의 에너지파(610)로 변환하고 변환된 에너지파를 제1 위치에서 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)로 방출한다. 에너지파(610)는 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)을 통해 전파된다. 제2 위치에서 변환기(606)에 도달시, 에너지파(610)는 포획되거나, 감지되거나, 또는 검출된다. 포획된 에너지파는 변환기(606)에 의해 동일 주파수를 갖는 전기적 파인 사인파(634)로 변환된다.
증폭기(636)는 전치증폭기(634) 및 영점 교차 수신기(640)를 포함한다.
증폭기(636)는 사인파(634)를 충분한 지속시간의 디지털 펄스(642)로 변환하여 폐루프 회로의 거동을 지속시킨다. 제어회로(618)는 스위치(620)를 열고 스위치(644)를 닫음으로써 증폭기(636)로부터 나온 디지털 펄스(642)에 응답한다. 스위치(620)를 여는 것은 증폭기(626)의 입력으로부터 발진기 출력을 끊는다. 스위치(644)를 닫는 것은 증폭기(636)의 출력을 증폭기(626)의 입력에 연결하고 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)을 통한 에너지 파의 방출, 전파 및 검출을 지속시키는 폐루프 회로를 생성한다.
평형상태는 이 폐루프 회로 주변에서 단일 이득을 유지함으로써 달성되는데, 여기서 변환기(604)로 입력되는 사인파(632)와 변환기(606)에 의해 출력되는 사인파(634)는 작지만 일정한 오프셋과 동일 위상이다. 위에서 개시된 것처럼, 제2 위치로 전파하는 에너지파를 검출시 변환기(606)는 사인파(634)를 출력한다. 평형상태에서, 정수개의 에너지파들(610)은 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)을 통해 전파한다.
에너지 전파 구조물 또는 매질(602)의 물질적 성질의 이동 또는 변화는 에너지파(608)의 전달시간을 변화시킨다. 전달시간(608)은 에너지파가 전파 구조물(602)의 제1 위치로부터 제2 위치로 전파되는 시간을 포함한다. 이처럼, 전파 구조물(602)의 물리적 성질의 변화는 에너지 전파 구조물 또는 매질(602) 내에서 에너지파(610)의 해당 시간 주기 변화로 이어진다. 에너지파(610)의 시간 주기의 이런 변화는 폐루프 회로의 평형지점 및 폐루프회로의 동작 주파수를 변경한다. 사인파들(632 및 634)이 새로운 평형 지점에 대응하도록 폐루프 회로가 조절된다. 에너지파(610)의 주파수 및 그 주파수 변화는 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)의 물리적 속성의 변화와 상관관계가 있다.
물리적 변화들은 외력 또는 조건(612)에 의해 에너지 전파 구조물(602)에 부가될 수 있고, 그리하여 관심 있는 파라미터 또는 파라미터들의 레벨 및 변화들을 후속의 처리, 저장, 및 표시를 위한 디지털화될 수 있는 신호로 바꿀 수 있다. 동작 주파수를 디지털 2진수로 바꾸는 것은 관심 있는 물리적 파라미터들의 레벨 및 변화에 관한 정보의 통신, 추가적 처리, 저장, 및 표시를 쉽게 한다. 유사하게, 폐루프 회로의 동작 동안 에너지파(610)의 주파수 및 이 주파수의 변화는 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)의 물리적 속성의 이동 또는 변화를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
전파 동조 발진기의 주파수 측정 또는 동작에 앞서, 제어 로직(618)은 카운트 레지스터(648)에 저장된 루프 카운트를 디지털 카운터(650)에 로딩한다. 제1 디지털 펄스(642)는 측정 동작을 시작하기 위해 전파 동조 발진기 및 신호 제어 회로(618) 내에서 폐루프 동작을 시작한다. 폐루프 동작의 시작에서, 제어 로직(618)은 디지털 카운터(650) 및 디지털 타이머(652)를 인에이블한다. 일 구현예에서, 디지털 카운터(650)는 각 디지털 펄스 출력의 상승 에지에서 영점 교차 수신기(640)에 의해 그의 디지털 값을 감소시킨다. 디지털 펄스들(642)의 수가 감소되었을 때, 멈춤 신호인 0까지 디지털 카운터(650) 내의 값이 디지털 카운터(650)로부터 출력된다. 멈춤 신호는 디지털 타이머(652)를 디스에이블하고 제어회로(618)를 트리거하여 하중 명령을 데이터 레지스터(654)에게 출력한다. 데이터 레지스터(654)는 클럭 주기(656)에 의해 나누어진 카운터(648) 내의 값의 배가 되는 에너지 파 또는 펄스의 주기와 동일한 이진수를 디지털 타이머(652)로부터 로딩한다. 일정한 클럭 주기(656)로, 데이터 레지스터(654)의 값은 측정 동작 동안 축적된 에너지 파 또는 펄스의 총 주기에 정비례한다. 측정 동작의 지속시간 및 측정의 해상도는 카운트 레지스터(648)에 기설정된 값을 증가 또는 감소시킴으로써 조정될 수 있다.
도 7는 일 구현예에 따라 양의 폐루프 궤환을 유지하기 위한 펄스 다중화기에서 집적된 영점 교차 수신기를 포함하는 센서 인터페이스 도면이다. 일 구현예에서, 센서 이외의 회로는 ASIC(application specific integrated circuit) 상에 집적된다. 양의 폐루프 궤환은 진한 선의 경로로 예시된다. 초기에, 다중화기(702)는 인에이블되어 하나 이상의 디지털 펄스(704)를 변환기 구동기(706)에 연결한다. 변환기 구동기(706)는 디지털 펄스(704)에 해당하는 펄스 시퀀스(708)를 생성한다. 아날로그 다중화기(710)는 인에이블되어 펄스 시퀀스(708)를 송신기 변환기(712)에 연결한다. 변환기(712)는 제1 위치에서 매질에 연결된다. 변환기(712)는 펄스 시퀀스(708)에 응답하여 제1 위치에서 매질로 방출된 해당 에너지 펄스(714)를 생성한다. 에너지 펄스(714)는 매질을 통해 전파된다. 수신기 변환기(716)는 매질 상의 제2 위치에 위치된다. 수신기 변환기(716)는 에너지 펄스(714)를 포획하여 전기적 펄스(718)의 해당 신호를 생성한다. 변환기(716)는 다중화기(720)에 연결된다. 다중화기(720)는 인에이블되어 영점 교차 수신기(200)에 연결된다. 변환기(716)로부터의 전기 펄스(718)는 영점 교차 수신기(200)에 연결된다. 앞서 설명된 것처럼, 영점 교차 수신기(200)는 전기 펄스들(718)의 영점 교차를 카운팅하여 인가된 힘에 반응하는 에너지 펄스의 위상 및 주파수 변화를 결정한다. 영점 교차 수신기(200)는 검출된 신호 주파수에 대응하는 펄스 시퀀스(722)를 출력한다. 펄스 시퀀스(722)는 다중화기(702)에 연결된다. 펄스(722)의 검출시, 다중화기(702)는 연결한 디지털 펄스(704) 및 구동기(706)와 연결이 끊어진다. 역으로, 펄스(722)의 검출시, 다중화기(702)는 인에이블되어 펄스(722)를 구동기(706)에 연결함으로써, 양의 폐루프 궤환 경로를 생성한다. 이처럼, 펄스 모드에서, 영점 교차 수신기(200)는 제1 위치에서 에너지 펄스를 매질로 계속 방출하고 제2 위치에서 계속 검출하여 매질을 통한 펄스의 전달시간 및 전달시간 변화를 측정하는 폐루프 궤환 경로의 일부이다.
도 8은 펄스 모드에서 동작을 위한 영점 교차 수신기(640)를 포함하는 전파 동조 발진기(PTO)의 예시적 블록도이다. 특히, 도 4에 대해, 도 8은 전파 동조 발진기(416)의 동작에 의해 도파로(408) 내에서 초음파(414)의 전달시간의 폐루프 측정을 예시한다. 이 실시예는 펄스 모드에서의 동작을 위한 것이다. 이 시스템은 연속파 모드 및 펄스 에코 모드로 동작될 수도 있다. 연속파 모드는 연속파 신호를 사용한다. 펄스 에코 모드는 에너지파를 에너지 전파 매질 내로 향하게 하는 반사를 이용한다. 간략하게, 디지털 논리회로(646)는 전파 동조 발진기의 동작 주파수를 디지털화한다.
펄스 모드 동작에서, 변환기(604), 전파 구조물(602), 및 변환기(606)를 포함하는 센서는 파라미터를 측정하기 위해 사용된다. 일반적으로, 측정될 파라미터는 전파 매질의 성질에 영향을 미친다. 예를 들어, 외력 또는 조건(612)은 전파하는 에너지파의 경로에서 도파로의 길이를 변화시키는 전파 구조물(602)에 인가된다. 길이 변화는 전파하는 파의 전달시간(608)의 변화에 해당한다. 전파 구조물(602)의 길이가 측정되어 알려져 있는 힘에 대한 길이의 관계를 통해 힘으로 전환된다. 펄스 모드 동작의 한 가지 이익은 고등급 펄스형태의 에너지파의 사용이다. 일 구현예에서, 에너지파의 등급은 에너지파가 매질을 통해 전파됨에 따라 쇠퇴한다. 에너지 파가 실질적 거리를 횡단해야만 하거나 매질로 인해 전파되었을 때 등급의 감소를 받으면, 고등급 펄스의 사용은 검출 가능한 신호를 생성하기 위한 전력 효율적 방법이다.
측정 시퀀스는 제어 회로(618)가 발진기(622)의 발진기 출력(624)을 증폭기(626)의 입력에 연결하는 스위치를 닫을 때 시작된다. 증폭기(626)에 제공되는 하나 이상의 펄스들은 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)을 통해 간단하거나 복잡한 파형을 가진 에너지파를 전파하기 위한 행동을 시작한다.
증폭기(626)는 디지털 구동기(628) 및 정합 네트워크(630)를 포함한다. 일 구현예에서, 증폭기(626)는 발진기(622)의 발진기 출력을 발진기 출력과 동일한 반복율 및 변환기(604)를 여기하기 위한 충분한 진폭을 가진 아날로그 펄스인 전기적 파(832)로 변환한다.
방출 변환기(604)는 아날로그 펄스(832)를 동일 주파수의 에너지파(610)로 변환하고 변환된 에너지파를 제1 위치에서 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)로 방출한다. 에너지파(610)는 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)을 통해 전파된다. 제2 위치에서 변환기(606)에 도달시, 에너지파(610)는 포획되거나, 감지되거나, 또는 검출된다.
포획된 에너지파는 변환기(606)에 의해 동일 주파수를 갖는 전기적 파인 아날로그 펄스(834)로 변환된다.
증폭기(636)는 전치 증폭기(638) 및 영점 교차 수신기(640)를 포함한다. 증폭기(636)는 아날로그 펄스(834)를 충분한 지속시간의 디지털 펄스(642)로 변환하여 폐루프 회로의 거동을 지속시킨다. 제어회로(618)는 스위치(620)를 열고 스위치(644)를 닫음으로써 증폭기(636)로부터 나온 디지털 펄스(642)에 응답한다. 스위치(620)를 여는 것은 증폭기(626)의 입력으로부터 발진기 출력을 끊는다. 스위치(644)를 닫는 것은 증폭기(636)의 출력을 증폭기(626)의 입력에 연결하고 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)을 통한 에너지 파의 방출, 전파 및 검출을 지속시키는 폐루프 회로를 생성한다.
평형상태는 이 폐루프 회로 주변에서 단일 이득을 유지함으로써 달성되는데, 여기서 변환기(604)로 입력되는 펄스(832)와 변환기(606)에 의해 출력되는 펄스(834)는 작지만 일정한 오프셋과 동일 위상이다. 위에서 개시된 것처럼, 제2 위치로 전파되는 에너지파를 검출시 변환기(606)는 펄스(834)를 출력한다. 평형상태에서, 정수개의 에너지 파들(610)은 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)을 통해 전파된다.
에너지 전파 구조물 또는 매질(602)의 물질적 성질의 이동 또는 변화는 에너지파(608)의 전달시간을 변화시킨다. 전달시간(608)은 에너지파가 전파 구조물(602)의 제1 위치로부터 제2 위치로 전파되는 시간을 포함한다. 이처럼, 전파 구조물(602)의 물리적 성질의 변화는 에너지 전파 구조물 또는 매질(602) 내에서 에너지파(610)의 해당 시간 주기 변화로 이어진다. 에너지파(610)의 시간 주기의 이런 변화는 폐루프 회로의 평형지점 및 폐루프회로의 동작 주파수를 변경한다. 펄스들(832 및 834)이 새로운 평형 지점에 대응하도록 폐루프 회로가 조절된다. 에너지파(610)의 주파수 및 그 주파수 변화는 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)의 물리적 속성의 변화와 상관관계가 있다.
물리적 변화들은 외력 또는 조건(612)에 의해 에너지 전파 구조물(602)에 부가될 수 있고, 그리하여 관심 있는 파라미터 또는 파라미터들의 레벨 및 변화들을 후속의 처리, 저장, 및 ㅍ시를 위한 디지털화될 수 있는 신호로 바꿀 수 있다. 이하에서 보다 상세하게 개시된 것처럼, 동작 주파수를 디지털 2진수로 바꾸는 것은 관심 있는 물리적 파라미터들의 레벨 및 변화에 관한 정보의 통신, 추가적 처리, 저장, 및 표시를 쉽게 한다. 유사하게, 폐루프 회로의 동작 동안 에너지파(610)의 주파수 및 이 주파수의 변화는 에너지 전파 구조물 또는 매질(602)의 물리적 속성의 이동 또는 변화를 측정하기 위해 사용될 수 있다
도 9는 예시적 구현예에 따라 에지 검출 수신기(900)의 블록도를 예시한다. 제1 구현예에서, 에지 검출 수신기(900)는 에너지파의 펄스의 파면을 검출하기 위해 제공된다. 이는, 이들에 한정되지는 않지만, 에너지 파들의 체류시간, 위상, 또는 주파수를 포함하는 변수들의 파악을 가능하게 한다. 집적된 에지 검출 수신기(900)의 회로는 빠른 시작 검출을 제공하고 에너지 펄스의 동작에 빠르게 응답한다. 그 후, 이 회로는 각 포획된 에너지 펄스 또는 펄스형태의 에너지파의 최초 파면 상의 동일 지점에서 디지털 출력 펄스를 신뢰성 있게 트리거링한다. 디지털 펄스는 최소의 그리고 일정한 지연을 갖고서 출력되도록 최적으로 구성될 수 있다. 에지 검출 수신기(900)는 간섭 및 왜곡 신호의 존재시 최초 에너지파 또는 파면 상의 특정 지점을 분리하여 정확하게 검출할 수 있고, 그리하여 에너지 전파 메질에서 발생된 다수의 복합 신호들 중 하나를 검출하는 것과 공통적으로 관련된 문제들을 극복할 수 있다. 에지 검출 수신기(900)는 매우 낮은 레벨의 에너지 펄스들을 포함하는 광범위한 진폭들에 대해 이들 기능들을 정확하게 수행한다.
제2 구현예에서, 에지 검출 수신기(900)는 펄스 모드 또는 펄스 에코 모드에서 작동시 양의 폐루프 궤환을 유지하기 위해 전파 동조 발진기(PTO) 내에 포함된다. 에지 검출 수신기(900)는 초저전력 및 작은 컴팩트 크기를 이루도록 입력 및 출력 회로를 다중화함으로써 PTO의 다른 회로와 집적될 수 있다. 에지 검출 수신기와 PTO의 회로의 집적은 레벨이 낮은 신호들에 대한 감도를 높이는 이점을 제공한다.
블록도는 낮은 신호 레벨에서 우수한 성능을 가진 저전력 에지 검출 수신기 회로(900)를 예시한다. 에지 검출 수신기(900)는 전치 증폭기(912), 미분기(914), 디지털 펄스 회로(916), 및 디블랭크(deblank) 회로(918)를 포함한다. 에지 검출 수신기 회로(900)는 별개의 아날로그 부품들, 디지털 부품들 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 일 구현예에서, 에지 검출 수신기(900)는 하기에서 설명되는 센서 시스템의 일부로서 ASIC에 집적된다.
에지 검출 수신기 회로(900)는 특정 위치와 특정 조건들에서 에너지 펄스 또는 펄스형태의 에너지파를 검출하여, 이들에 한정되지는 않지만, 전달시간, 위상, 주파수, 또는 에너지 펄스의 진폭을 포함하는 파라미터들을 포획하는 것을 가능하게 하는 측정 방법들을 실시한다. 동작 방법의 간단한 설명은 다음과 같다. 비제한적 실시예에서, 전치 증폭기는 입력 신호의 기울기의 작은 변화에 응답하여 비교기 회로를 트리거링한다. 비교기 및 다른 에지 검출 회로는 최소 지연으로 빠르게 응답한다.
입력 신호의 작은 변화를 검출함으로써 에너지파의 펄스의 도착을 확실하게 빨리 검출한다. 최소 위상의 설계는 관련 없는 지연을 감소시켜서 입사하는 에너지 펄스의 전달시간, 위상, 주파수, 또는 진폭의 측정에서 변화를 더 적게 만든다.
에지 검출 수신기(900)의 입력(920)은 전치증폭기 리프터(912)에 연결된다. 실시예로서, 에지 검출 수신기(900)로 입사하는 입사파(910)는 전기적 연결, 안테나, 또는 변환기로부터 수신될 수 있다. 입사파(910)는 작은 신호에 대해 적절한 감도를 보장하는 전치증폭기(912)에 의해 증폭된다. 미분기 회로(914)는 전치증폭기 리프터(912)의 출력을 감시하고 펄스형태의 에너지 파에 대응하는 신호 변화가 검출될 때마다 디지털 펄스 회로(916)을 트리거링한다. 예를 들어, 펄스형태의 에너지파를 확인하는 신호 변화는 펄스형태의 에너지파의 파면 또는 리딩 에지이다. 일 장치에서, 미분기(914)는 전류 흐름을 검출하고, 보다 구체적으로는 기울기를 빨리 검출하기 위해 전압 레벨의 변화를 측정하는 대신 전류의 작은 변화를 검출함으로써 에너지 파의 기울기 변화를 검출한다. 대안적으로, 미분기(914)는 전압 변화를 트리거링하기 위해 구현될 수 있다. 이와 함께, 전치증폭기(912) 및 미분기(916)는 에너지파(들)의 파면의 도착을 위해 잠잠한 입력 전류를 감시한다. 전치증폭기(912) 및 미분기(916)는 에너지 파의 더 큰 펄스뿐만 아니라 에너지파의 낮은 레벨 펄스의 도착을 검출한다. 이러한 검출 방법론은 매우 낮은 레벨의 신호들에 대해 우수한 성능을 달성한다.
입사파(910)의 초기 신호 램프에 의해 구동되는 전류 흐름이 검출될 때마다, 미분기 회로(912)는 디지털 펄스 회로(916)를 트리거링한다. 디지털 펄스는 전치증폭기 리프터(912)의 감도를 떨어뜨리는 디블랭크 회로(198)에 연결된다. 예를 들어, 전치증폭기 리프터(912)의 감도 저하는 이득 감소, 에너지파(910)으로부터 입력의 연결해제(decoupling), 또는 주파수 응답 변화를 포함할 수 있다. 디블랭크 회로(918)는 또한 에너지파(910)의 간섭 부분 또는 왜곡 부분들을 효과적으로 건너뛰기 위한 특정의 또는 소정의 지속시간 동안 전압 또는 전류 레벨을 무시한다. 전치증폭기(912)의 입력에 대한 펄스형태의 에너지파의 추가적인 신호들 또는 파들은 기설정된 블랭킹 주기 동안 처리되지 않는다. 이러한 예에서, 디지털 출력 펄스(928)는 이후 아래에서 설명되듯이 신호 처리 회로에 연결될 수 있다. 일 구현예에서, 전자 부품들은 집적 회로 내에 블록들로서 동작되게 연결된다. 앞서 도시된 것처럼, 이 집적 장치는 최소 수의 부품들과 그의 특정 기능들을 효율적으로 수행한다. 이는 회로 부품들이 아날로그 및 디지털 기능들의 혁신적 분할뿐만 아니라 통합 회로 및 별개 부품들 내의 구조물들 사이에서 분할되어 최소 수의 부품들 및 최소 전력 소모로 필요한 성능을 달성하기 때문이다.
도 10은 감지 조립체(1000)에 연결된 에지 검출 수신기 회로(900)의 블록도를 예시한다. 전치증폭기 리프터(912) 및 디지털 펄스 회로(916)는 참고 및 논의를 위해 도시된다. 감지 조립체(1000)는 송신기 변환기(1002), 에너지 전파 매질(1004), 및 수신기 변환기(1006)을 포함한다. 송신기 변환기(1002)는 제1 위치에서 전파 매질(1004)에 연결된다. 수신기 변환기(1006)는 제2 위치에서 에너지 전파 매질(1004)에 연결된다.
대안적으로, 반사면은 수신기 변환기(1006)를 대체할 수 있다. 반사면은 에너지파를 제1 위치를 향하여 반사한다. 변환기(1006)는 전송 변환기 및 수신 변환기가 되도록 인에이블될 수 있고, 그것에 의해 변환기의 비용을 절감할 수 있다. 앞서 더 상세하게 설명된 것처럼, 일 구현예에서 감지 조립체(1000)는 로딩, 특히 감지 조립체(1000)에 대해 외부에서 인가된 힘(1008)을 평가하는 감지 장치의 일부이다.변환기 구동기 회로(미도시)는 감지 조립체(1000)의 송신기 변환기(1002)를 구동하여 에너지 전파 매질(1004)로 향하는 에너지파(1010)를 생성한다.비제한적 실시예에서, 외부에서 인가된 힘(1008)으로 인한 에너지 전파 매질(1004)의 변화는 에너지 전파 매질(1004)의 제1 위치로부터 제2 위치로 전파하는 에너지파(1010)의 주파수, 위상, 및 전달시간을 변화시킨다.집적된 에지 검출 수신기 회로(900)는 수신기 변환기(1006)에 연결되어 재생된 에너지파(910)의 에지들을 검출하고 디지털 펄스를 트리거링한다. 일반적으로, 디지털 펄스(928)의 타이밍은 외부 파라미터로 인한 에너지 전파 구조체(1004)의 변화와 관련된 관심 있는 파라미터들(예를 들어, 거리, 힘, 중량, 압박, 압력, 마모, 진동, 점성, 밀도, 방향, 변위 등)을 전달한다. 앞서 설명되었듯이, 감지 조립체(1000)는, 예를 들어, 슬관절에 배치된다.
에너지 펄스들의 전파에 의존하는 측정 방법들은, 이들에 한정되지는 않지만, 에너지 펄스들의 전달시간, 위상, 주파수, 또는 진폭을 포함하는 파라미터들을 포획하는 것을 가능하게 하기 위해서, 특정 위치들 또는 특정 조건들 하에서 에너지 펄스들의 검출을 요구한다. 이러한 에너지 파(1010) 또는 에너지 파의 펄스의 전파에 의존하는 측정 방법들은 에너지 파 또는 펄스를 매우 정확한 그리고 조절된 검출을 이루도록 요구 받는다. 게다가, 에너지 파들의 펄스들은 그 안에 검출의 잠재적 모호함으로 이어지는 복잡한 파형들을 갖는 다수의 에너지 파들을 포함할 수 있다. 특히, 에너지 전파 구조물(1004)로 향하는 에너지 파(1010)는 발생된 에너지 파(1010)의 특성들뿐만 아니라 도파로의 널(null) 및 공진에 의해 생기는 간섭 패턴을 발생시킬 수 있다.
이들 간섭 패턴들은 원래의 에너지 파의 에지들을 결국 왜곡하는 여기된 파형들을 크게 증가시킬 수 있다. 에너지파의 펄스의 도착을 신뢰성 있게 검출하기 위해, 에지 검출 수신기(900)만이 각 펄스 내의 제1 에너지파의 리딩 에지에 응답한다. 이는 부분적으로는 각 에너지 펄스의 지속시간 동안 에지 검출 회로(900)를 블랭크함으로써 이루어진다. 실시예로서, 디블랭크 회로(918)는 에너지파(910)의 간섭 부분 또는 왜곡 부분들을 효과적으로 건너뛰기 위한 특정의 지속시간 동안 전압 또는 전류 레벨을 무시한다
도 11은 일 구현예에 따라 양의 폐루프 궤환을 유지하기 위한 펄스-에코 다중화기에서 에지 검출 수신기 회로(900)를 포함하는 센서 인터페이스의 도면이다. 양의 폐루프 궤환은 진한 선의 경로로 예시된다. 초기에, 펄스 시퀀스(1108)를 생성하기 위해 다중화기(1102)는 변환기 구동기(1106)를 지나는 디지털 펄스(1104)를 입력으로 수신한다. 아날로그 다중화기(1110)는 에너지 펄스(1114)를 생성하기 위해 변환기(1112)를 통과한 펄스 시퀀스(1108)를 수신한다. 에너지 펄스(1114)는 매질의 제1 위치로 방출되어 매질을 통하여 전파된다. 펄스-에코 실시예에서, 에너지 펄스(1114)는 매질의 제2 위치, 예를 들어, 도파로 또는 반사기의 단부에서 표면(1116)에 반사되어 변환기(1112)로 되돌아간다. 이후, 변환기(1112)는 반사된 펄스 에코를 포획하도록 진행한다. 펄스형태의 에코 모드에서, 변환기(1112)는 송신기 및 수신기 두 가지로서 기능한다. 앞서 개시된 것처럼, 변환기(1112)는 방출 및 수신 에너지 파들 사이에서 전후로 토글링한다(toggle). 변환기(1112)는 아날로그 다중화기(1110)에 연결되고 에지 검출 수신기(900)를 향하는 반사된 에코 펄스를 포획한다. 포획된 반사 에코 펄스는 전기적 파(1120)로 표시된다. 앞서 설명된 것처럼, 에지 검출 수신기(900)는 전파된 에너지파의 파면에 해당하는 펄스 에지를 잠그고 인가된 힘에 응답하는 에너지 펄스(1114)의 위상 및 주파수 변화를 결정한다. 다른 파라미터들 중에서, 에지 검출 수신기는 검출된 신호 주파수에 대응하는 펄스 시퀀스(1118)를 생성한다. 펄스 시퀀스(1118)는 다중화기(1102)에 연결되어 구동기(1106)로 향하고 하나 이상의 에너지파가 변환기(1112)에 의해 매질로 방출되는 것을 시작한다. 펄스(1104)는 구동기(1106)로 제공되는 것으로부터 연결 해제된다. 그리하여, 다중화기(1102)가 구동기(1106)에 신호가 제공되는 것을 방지할 때까지 에너지 파를 매질로 반복적으로 방출하는 양의 폐루프 궤환이 형성된다. 에지 검출 수신기(900)는 매질의 제2 위치에 연결되고 궤환 경로에 있게 된다. 에지 검출 수신기(900)는 궤환 경로가 닫히고 제2 위치에서 파면을 검출할 때 매질의 제1 위치에서 펄스형태의 에너지 파의 제공을 시작한다.
도 12는 펄스 에코 모드에서 동작을 위한 에지-검출 수신기 회로를 포함하는 전파 동조 발진기(PTO)의 대표 블록도이다. 특히, 도 14에 대하여, 도 12는 전파 동조 발진기(416)에 의한 도파로(408)내에서의 초음파(414)의 전달 시간의 폐루프 측정을 예시한다. 이러한 실시예는 펄스 에코 모드에서의 동작을 위한 것이다. 시스템은 또한 펄스 모드 및 연속파 모드에서 동작할 수 있다. 펄스 모드는 반사 신호를 사용하지 않는다. 연속파 모드는 연속 신호를 사용한다. 단순하게, 디지털 로직 회로(1246)는 전파 동조 발진기의 동작 주파수를 디지털화한다.
펄스 에코 동작 모드에서, 변환기(1204), 전파 구조물(1202), 및 반사면(1206)을 포함하는 센서는 파라미터를 측정하는 데 이용된다. 일반적으로, 측정되는 파라미터는 전파 매질의 특성에 영향을 미친다. 예를 들면, 외부 힘 또는 조건(1212)은 전파 에너지파의 경로에서 도파로의 길이를 변화하는 전파 구조물(1202)에 인가된다. 길이의 변화는 전파의 전달 시간의 변화에 대응한다. 유사하게, 전파 구조물(1202)의 변화는 인가된 힘(1212)에 대응한다. 길이 감소는 전파 구조물(1202)에 인가되는 높은 힘(1212)에 대응한다. 역으로, 길이 증가는 전파 구조물(1202)에 대하여 인가된 힘의 감소에 대응한다. 전파 구조물(1202)의 길이는 측정되고 공지의 길이 대 힘에 의해 힘으로 변환된다.
변환기(1204)는 펄스 에코 모드에서 방출 장치 및 수신 장치이다. 파라미터를 측정하는 장치는 제1 위치에서 전파 구조물(1202)에 결합된 변환기(1202)를 포함한다. 반사면은 제2 위치에서 전파 구조물(1202)에 결합된다. 변환기(1204)는 방출 모드 및 수신 모드를 포함하는 두 개의 동작 모드들을 가진다. 변환기(1204)는 방출 모드에서 에너지파를 전파 구조물(1202)로 방출한다. 에너지파는 제2 위치로 전파되고 반사면(1206)에 의해 반사된다. 반사 에너지파는 제1 위치로 반사되고 이어서 변환기(1204) 반사 에너지파에 대응하는 수신 모드에서 신호를 생성한다.
펄스 에코 모드에서 측정 시퀀스는, 제어 회로(1220)가 발진기(1222)의 디지털 출력(1224)을 증폭기(1226)의 입력에 연결하는 스위치(1220)를 단락할 경우, 초기화된다. 증폭기(1226)에 제공된 하나 이상의 펄스들은 단순 파형들 또는 복합 파형들을 가지는 하나 이상의 에너지파들(1210)을 에너지 전파 구조물 또는 매질(1202)로 방출하는 프로세스를 시작한다. 증폭기(1226)는 디지털 구동기(1228) 및 정합 네트워크(1230)를 포함한다. 일 구현예에서, 증폭기(1226)는 발진기(1222)의 출력을 디지털 출력(1224)와 동일한 반복률 및 변환기(1204)를 여기하는 데 충분한 진폭을 가지는 전기파(1232)의 펄스로 변환한다.
변환기(1204)는 전기파(1232)의 펄스를 동일한 반복률의 에너지파(1213)로 변환하고 에너지파를 에너지 전파구조 또는 매질(1202)로 방출한다. 에너지파(1210)의 펄스는 화살표(1214)에 의해 보여진 것처럼 전파 구조물 또는 매질(1202)을 통하여 반사면(1206)으로 전파된다. 반사면(1206)에 도달 후에, 에너지파(1210)는 반사면(1206)에 의해 반사된다. 반사 에너지파는 화살표(1216)에 의해 보여진 것처럼 변환기(1204)로 전파된다. 반사 에너지파는 변환기(1204)에 의해 검출되고 동일한 반복률을 갖는 전기파(1234)의 펄스로 변환된다.
증폭기(1236)는 전치 증폭기(1234) 및 에지 검출 수신기(1240)를 포함한다. 증폭기(1236)는 전기파(1234)의 펄스를 폐루프 회로의 펄스 거동을 유지하는 데 충분한 지속 시간의 디지털 펄스(1242)로 변환한다. 제어 회로(1218)는 스위치(1220)를 개방하고 스위치(1224)를 단락하여 증폭기(1236)로부터의 디지털 출력 펄스(1242)에 응답한다. 스위치(1220)를 개방하는 것은 발진기 출력(1224)을 증폭기(1226)의 출력으로부터 분리한다. 스위치(1224)를 단락하는 것은 증폭기(1226)의 출력을 증폭기(1226)의 입력과 결합하고 에너지 전파 구조물 또는 매질(1202)을 통하여 에너지 펄스의 방출, 전파, 및 검출을 유지하는 폐루프 회로를 생성한다.
평형 상태는 이러한 폐루프 회로 주위에 단위 이득을 유지하여 얻어지며, 변환기(1204)로 입력된 전기파(1232) 및 변환기(1204)에 의해 출력된 전기파(1234)는 작으나 일정한 오프셋을 가진 동일한 위상이다. 위에서 개시된 것처럼, 변환기(1204)는, 반사면(1206)으로부터 반사된 반사 에너지파를 검출하면서 전기파(1234)를 출력한다. 평형 상태에서, 에너지파(1210)의 펄스의 정수 부분은 에너지 전파 구조물 또는 매질(1202)을 통하여 전파된다.
에너지 전파 구조물 또는 매질(1202)의 물리적 특성의 이동 또는 변화는 에너지파(1210)의 전달 시간(1208)을 변화한다. 전달 시간(1208)은 에너지파가 전파 구조물(1202)의 제1 위치로부터 제2 위치로 전파되는 시간 및 반사 에너지파가 전파 구조물(1202)의 제2 위치로부터 제1 위치로 전파되는 시간을 포함한다. 따라서, 전파 구조물(1202)의 물리적 특성의 변화는 에너지 구조물 또는 매질(1202) 내에서 에너지파(1210)의 상응하는 시간 주기 변화를 초래한다. 에너지 펄스(1210)의 반복률의 시간주기의 이러한 변화는 폐루프 회로의 평형점 및 폐루프 회로의 동작 반복률을 변화한다. 폐회로 루프는 전기파들(1232, 1234)이 새로운 평형점에 대응하도록 조절된다. 에너지파(1210)의 반복률 및 반복률에 대한 변화는 에너지 전파 구조물 또는 매질(1202)의 물리적 특성의 변화에 상관된다.
물리적 변화는 외부 힘 또는 조건(1212)에 의해 에너지 전파 구조물(1202)에 적용되어 파라미터의 레벨 및 변화 또는 관심 있는 파라미터를 후속 처리, 저장, 및 디스플레이를 위해 디지털화 할 수 있는 신호로 변환할 수 있다. 작동 주파수의 디지털 2진수로의 변환은 관심 물리적 파라미터의 레벨 및 변화에 대하여 정보의 커뮤니케이션, 추가적인 처리, 저장, 및 디스플레이를 편리하게 한다. 유사하게, 폐루프 회로의 동작 중에 에너지파(1210)의 주파수, 및 이러한 주파수의 변화는 에너지 전파 구조물 또는 매질(1202)의 이동 및 변화를 측정하는 데 이용될 수 있다.
전파 동조 발진기의 주파수 또는 작동 전에, 제어 로직(1218)은 루프 카운트를 카운트 레지스터에 저장되는 디지털 카운터(1250)로 로딩한다. 제1 디지털 펄스(1252)는 전파 동조 발진기 및 신호 제어 회로(1218) 내의 폐루프 작동을 착수하여 측정 동작을 시작하게 한다. 폐루프 동작의 시작 시에, 제어 로직(1218)은 디지털 카운터(1250) 및 디지털 타이머(1252)를 활성화한다. 일 구현예에서, 디지털 카운터(1250)는 에지 검출 수신기(1240)에 의해 각 디지털 펄스 출력의 라이징 에지 상에서 자신의 값을 감소시킨다. 디지털 타이머(1252)는 클럭 펄스(1256)의 각 라이징 에지 상에서 자신의 값을 증가시킨다. 디지털 펄스(1242)의 수가 디지털 커운터(1250) 내의 값을 0으로 감소시키는 경우, 정지 신호는 디지털 카운터(1250)로부터 출력된다. 정지 신호는 디지털 타이머(1252) 및 트리거 제어 회로(1218)를 불활성화하여 데이터 레지스터(1254)로 로딩 명령을 출력한다. 데이터 레지스터(1254)는, 클럭 주기(1256)에 의해 분할되는 카운터(1248)의 값에 에너지파 또는 펄스의 주기를 곱한 것과 동일한 디지털 타이머(1252)로부터의 2진수를 로딩한다. 일정한 클럭 주기(1256)에 대하여, 데이터 레지스터(1254)의 값은 측정 동작 중에 축적된 에너지파 또는 펄스의 총 주기에 직접 비례한다. 측정 동작 및 측정의 분석은 카운터 레지스터(1248)에서 미리 설정된 값을 증가하거나 감소하여 조절할 수 있다.
도 13은 예시적인 구현예에 따른 감지 모듈(1301)의 단순화한 사시도이다. 감지 모듈(조립체)은 감지 모드에 따라서 구성되고 작동할 경우에 양 귀환 폐루프 측정 시스템으로서 작동하는 전기 부품 및 기계 부품을 포함하는 전기-기계 어셈블리이다. 측정 시스템은 전기-기계 어셈블리에 로딩 같은, 인가된 힘을 정확하게 측정할 수 있다. 감지 모드는 연속 모드, 펄스 모드, 또는 펄스 에코 모드일 수 있다.
일 구현예에서, 전기 부품은 초음파 공진기들 또는 변환기들(405 및 406), 초음파 도파로들(403), 및 신호 처리 전자장치들(1310)를 포함할 수 있으나, 이들에 한정되지 않는다. 기계 부품은 바이어싱 스프링들(1332), 스프링 리테이너들 및 포스트들, 및 하중 플랫폼들(1306)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 전기 부품 및 기계 부품은 인쇄 회로 기판(1336)에 상호 조립되어(합쳐져) 감지 모듈(1301) 내 및 감지 모드에 따라서 일관된 초음파 측점 시스템으로서 동작한다. 더 상세하게 미리 설명되는 것처럼, 신호 처리 전자장치는 전파 동조 발진기(PTO) 또는 위상 고정 루프(PLL)를 포함하여 고 정밀 감지를 제공하는 초음파 공진기 또는 변환기의 동작 주파수를 제어한다. 또한, 신호 처리 전자 장치는 에너지파가 매질을 통하여 전파된 후에 에너지파를 계속 검출하는 검출 회로를 포함한다. 검출은 매질을 통한 전파를 위하여 매질에 결합되는 초음파 공진기 및 변환기에 의한 새로운 에너지파의 생성을 시작한다. 매질을 통한 에너지파의 전달 시간의 변화는 측정되고 매질에 인가된 하나 이상의 파라미터들로 인하여 매질의 기계적 특성의 변화에 상관된다.
감지 모듈(1301)은 각자가 하나 이상의 초음파 공진기들(405 및 406)에 포함된 하나 이상의 조립체들을 포함한다. 설명한 것처럼, 도파로(403)는 변환기들(405,406)사이에 결합되고 하중 지지 또는 접촉 면(408)에 고정된다. 하나의 예시적인 구현예에서, 초음파 신호는 도파로(403)를 통하여 전파하기 위하여 결합된다. 감지 모듈(1301)은 감지 모듈(401)의 하중 지지 또는 접촉면(408)에 접촉하는 부재 또는 부재들(1316)을 구비하는 몸체, 기구, 또는 다른 물리적 시스템(13180에 부착되거나, 또는 고정되거나, 또는 내부에 위치한다. 이러한 배치는 관심 있는 파라미터를 감지 모듈(1301) 내의 도파로 또는 도파로들(403)의 길이 또는 압축 또는 연장의 변화들로의 변환을 편리하게 하며 길이의 변화들을 전기 신호들로의 변환을 편리하게 한다. 이것은 데이터를 획득하고, 관심 있는 파라미터를 측정하고 및 데이터를 디지털화하는 것, 및 그 이후에 안테나(1334)를 통하여 데이터를 광범위한 적용을 위하여 몸체, 기구, 기구, 차량, 설비, 또는 물리적 시스템(1318)의 작동에 대한 최소의 장애를 가진 외부 설비에 전달하는 것을 용이하게 한다.
감지 모듈(401)은 에너지파 전파 및 측정의 세 개의 동작 모드들(반사도, 단방향 모드, 및 양방향 모드)을 지원한다. 이러한 모드들은 각 개별적 애플리케이션에 대하여 적절하게 이용될 수 있다. 단방향 및 양방향 모드에서, 선택된 초음파 공진기 또는 변환기는 초음파의 펄스를 초음파 도파로로 방출하도록 제어되며 하나 이상의 다른 초음파 공진기들 또는 변환기들은 초음파 도파로 내의 특별한 위치 또는 위치들에서 초음파의 펄스의 전파를 검출하도록 제어된다. 반사도 또는 펄스 에코 모드에서, 단일 초음파 또는 변환기는 초음파의 펄스를 도파로(403)으로 방출하고 이어서 도파로의 선택된 특징 또는 종말로부터 반사 후에 에코 파의 펄스를 검출한다. 펄스 에코 모드에서, 펄스의 에코는 동작의 방출 및 검출 모드들 사이를 교번하도록 방출 초음파 공진기 또는 변환기의 활동을 제어하여 검출될 수 있다. 펄스 및 동작 펄스 에코 모드들은 평행 상태에서 도파로 내에서 전파하는 하나 이상의 펄스 에너지파들과 함께 동작을 요구할 수 있다.
물리적 시스템 또는 몸체 내의 많은 관심 있는 파라미터들은 에너지 펄스의 전달 시간의 변화를 평가함으로써 측정될 수 있다. 연속 또는 불연속 신호의 평균 주기의 역수, 및 에너지 펄스의 형태에 의해 정의된 것으로서, 주파수는 측정의 거리, 신호가 나아가는 매질, 측정에 의해 요구되는 정확도, 측정에 의해 요구되는 정밀도, 시스템과 함께 기능하는 것의 폼 팩터, 파워 제한, 또는 비용 같은 인자들에 의해 결정된다. 관심 물리 파라미터 또는 파라미터들은 하중, 힘, 압력, 변위, 방향, 밀도, 점성, 국부적인 온도를 포함하나, 이들에 한정되지 않는다. 이러한 파라미터들은 몸체, 기구, 기기, 차량, 장치, 또는 다른 물리적 시스템 상 또는 내에 위치하는 무선 감지 모듈 또는 장치에 의해 축 또는 축들의 조합을 따라서 이동, 회전, 또는 가속뿐만 아니라 배향, 정렬, 방향, 또는 위치에 대하여 에너지 펄스 또는 파의 전파 시간의 변화를 측정함으로써 평가될 수 있다.
비제한적인 실시예에서, 초음파 에너지의 펄스는 도파로(403) 내에서 펄스의 전달 시간을 측정하는 정확한 마커를 제공한다. 일반적으로, 초음파 신호는 메가헤르쯔 범위로 주파수 우물을 포함하는 인간의 가청 범위(즉, >20KHz)를 초과하는 주파수를 가지는 음향 신호이다. 다른 구현예에서, 초음파 에너지 펄스의 전달 시간의 변화는 이전 상태로부터 도파로의 물리적 크기의 차이에 대응한다. 예를 들면, 슬관절을 가로 질러 인가되는 힘 또는 압력은 도파로(403)을 새로운 길이로 압축하고 에너지 펄스의 전달 시간을 변화한다. 감지 모듈로서 합쳐지고 물리적 시스템 또는 몸체에 삽입되거나 결합될 경우에, 이러한 변화는 시스템 또는 몸체 상의 물리적 변화에 직접 상관되고 압력 또는 힘으로써 용이하게 측정될 수 있다.
도 14는 예시적 구현예에 따라 반사도 및 단방향 동작 모드들을 예시하기 위한 조립체(1404)를 예시한다. 조립체는 하나 이상의 변환기들(1402,1404,1406), 하나 이상의 도파로들(1414), 및 하나 이상의 선택적인 반사면들(1416)을 포함한다. 조립체(1404)는 반사도 및 단방향 동작 모드들에서 도파로(1414)내의 초음파(1418)의 전파를 설명한다. 인터페이스 재료 또는 재료들(1408,1410)과 결합한 초음파 공진기 또는 변환기(1402,1404)는, 요구된다면, 초음파(1418)를 도파로(1414)으로 방출하도록 선택될 수 있다.
단방향 모드에서, 실시예(1402)에 대한 초음파 공진기들 또는 변환기들 중 어느 한쪽은 초음파(1418)를 도파로(1414)로 방출하도록 활성화될 수 있다. 비 방출 초음파 공진기 또는 변환기(1404)는 초음파 공진기 또는 변환기(1402)에 의해 방출된 초음파(1418)를 검출하도록 활성화된다.
반사도 모드에서, 초음파(1418)는 도파로(1414)의 대향 단부에서 표면, 계면, 또는 몸체로부터 반사 후에 방출 초음파 또는 변환기(1402)에 의해 검출된다. 이 모드에서, 초음파 공진기들 또는 변환기들(1402 또는 1404)중 어느 한쪽은 초음파를 방출하거나 검출하도록 선택된다. 추가적인 반사 특징(1416)이 도파로 구조에 추가되어 초음파를 반사할 수 있다. 이것은 단방향 및 반사도 모드의 조합에서 동작을 지원할 수 있다. 이러한 동작 모드에서 초음파 공진기들 중 하나는, 예를 들면 공진기(1402)는 초음파(1418)를 도파로(1414)으로 방출하도록 제어된다. 또 다른 초음파 공진기 또는 변환기(1406)는 특징(1416)을 반사하여 그들의 반사에 이어서 방출 초음파 공진기(1402)(또는 변환기)에 의해 방출된 초음파(1418)를 검출하도록 제어된다.
도 15는 이 조립체(1500)의 양방향 동작 모드에서 도파로(1506) 내에서 초음파(1510)의 전파를 예시하는 조립체를 예시한다. 이 모드에서, 인터페이스 재료(1520,1522)에 고정된 두 개의 개별적인 초음파 공진기들(1502,1504) 또는 변환기들의 역할들의 선택은, 요구된다면, 주기적으로 바뀐다. 양방향 모드에서 도파로(1506)내에서 양 방향으로 전파하는 초음파의 전달 시간은 측정될 수 있다. 이것은 모션(1516)중에 감지 모듈(1508)이 동작하는 기기들에서 도플러 효과에 대하여 조절을 가능하게 한다. 또한, 이 동작 모드는 이 외부 모션(1516)을 오프셋 하도록 조절을 계산하기 위해 데이터를 획득하여 인가된 하중, 힘, 압력, 또는 변위의 정확한 측정을 보증한다. 하중, 압력, 또는 변위의 감지 중에, 몸체, 기구, 기기, 차량, 장치, 또는 다른 물리적 시스템(1514)이 자체적으로 동작하거나 이동하는 상태로 장점이 제공된다. 유사하게, 하중, 압력, 또는 변위의 감지 중에, 몸체, 기구, 기기, 차량, 장치, 또는 다른 물리적 시스템(1514)이, 측정되는 몸체, 기구, 기기, 차량, 장치, 또는 다른 물리적 시스템의 부분(1512)이 동작(1516)하도록 초래하는 상태로 능력이 또한 수정될 수 있다. 시스템(1514)에 대한 물리적 변화를 위한 측정에 대한 다른 조절이 고려되고 유사한 방식으로 보상될 수 있다. 예를 들면, 시스템(1514)의 온도는 측정될 수 있고 온도 대 전달 시간의 관계를 가지는 순환표 또는 방정식은 측정을 표준화하는데 이용될 수 있다. 다른 측정 기술들은 당해 기술 분야에서 공지된 것처럼 많은 형태의 일반 인자들을 삭제하는 데 이용될 수 있다.
도파로(1506)의 이용은 표준 부품들 및 제조 공정들을 이용하는 고도의 소형 감지 모듈, 생물 의학 기기들을 위한 일회용 모듈, 및 장치들을 포함하는 넓은 범위의 규모에 걸쳐서 저 비용 감지 모듈 및 장치의 구성을 가능하게 한다. 넓은 범위의 규모에 대하여 설계할 수 있는 높은 수준의 측정 정확성, 반복성, 및 분석을 가지는 감지 모듈 및 장치를 구성하는 유연성은 기성품에 대한 감지 모듈 및 장치가 넓은 범위의 의학 및 비 의학 기기들에 대한 관심 물리적 파라미터 또는 파라미터들에 대한 데이터를 맞추고 수집하는 것을 가능하게 한다.
예를 들면, 감지 모듈 및 장치는 몸체, 기구, 기기, 차량, 장치, 또는 물리적 시스템의 동작을 방해함이 없이 실시간으로 관심 있는 파라미터 또는 파라미터들을 감지하기 위하여 동물 및 인간 신체들뿐만 아니라 기구들, 기기들, 차량들, 장치들, 또는 다른 시스템들을 포함하나, 이들에 한정되지 않는, 넓은 범위의 물리적 시스템 상 또는 내에 놓이거나, 또는 부착되거나 고정되거나 내에 놓일 수 있게 된다.
비 의학적 기기들에 추가하여, 넓은 범위의 잠재적인 의학 기기들의 예들은 이식할 수 있는 장치들, 이식할 수 있는 장치들 내의 모듈들, 수술중의 임플런트들 또는 시험 삽입들 내의 모듈들 또는 장치들, 삽입된 또는 섭취된 장치들 내의 모듈들, 웨어러블 장치들 내의 모듈들, 휴대 장치 내의 모듈들, 기구들, 기기들, 장치들, 또는 이들 모두의 악세서리들 내의 모듈들, 또는 이식물들, 시험 삽입물들, 삽입되거나 섭치된 장치들, 웨어러블 장치들, 휴대용 장치들, 기구들, 기기들, 설비들, 또는 이들 장치들, 기구들, 기기들, 또는 설비에 대한 악세서리들 내의 일회용 품들을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 동물 또는 인간 신체 내의 많은 생리학 파라미터들은, 근육들, 뼈들, 관절들 및 연조직 내 및 이들에 영향을 미칠뿐만 아니라 맥관, 림프, 호흡, 및 소화 기관들을 통관한 기기들에 관한 점성, 압력, 및 국부적인 온도를 포함하나, 이들에 한정되지 않는, 개개의 관절들, 골 밀도, 이동, 세포간질액들의 다양한 파라미터들 내의 하중을 포함하여 측정될 수 있으나 이들에 한정되지 않는다. 예를 들면, 정형외과 기기들은 무릎, 고관절, 어깨, 팔꿈치, 손목, 발목, 및 척추에 한정하지 않으나 이들을 위한 하중 지지 보철 부품들, 또는 임시 또는 시험 보철 부품들을 포함할 수 있으나 이들에 한정하지 않는다; 어떤 다른 정형 외과 또는 골격 이식, 또는 어떤 이들의 조합.
도 16은 센서 소자의 횡단면도로서 도파로의 길이 변화에 따른 초음파의 전파 변화를 예시한다. 일반적으로, 파라미터의 측정은 변위를 파라미터에 상관시켜 획득된다. 일 구현예에서, 전 측정 범위에 대하여 요구되는 변위는 미크론으로 측정된다. 예를 들면, 외부 힘(1608)은 도파로(1606)을 압축하여 도파로(1606)의 길이를 변화시킨다. 감지 회로(미도시)는 도파로(1606)에서 초음파 신호의 전파 특성을 측정하여 도파로(1606)의 길이 변화를 결정한다. 이러한 길이의 변화는 관심 있는 파라미터에 간접적으로 비례하여 관심 있는 파라미터 또는 파라미터들에서 변화의 전기 신호로의 변환을 가능하게 한다.
상술한 것처럼, 외부 힘(1608)은 도파로(1606)을 압축하고 변환기들(1602 및 1604)을 거리(1606)만큼 서로 더 밀접하게 움직인다. 이러한 변화는 변환기(1602 및 1604) 사이의 도파로 전파 경로의 거리(1612)만큼 도파로(1606)의 길이를 변화시킨다. 동작 모드에 의존하여, 감지 회로는 도파로 내에서 초음파의 전파 특성을 분석하여 도파로(1606)의 길이의 변화를 측정한다. 도 16의 하나의 해석은 도파로(1606)의 일 단부에서 변환기(1602)로부터 방출하는 파 및 도파로(1606)의 다른 하나의 단부에서 변환기(1602)로 전파하는 파를 설명한다. 해석은 도파로(1606)의 이동의 영향을 포함하고 이리하여 도파로(1606)내에서 전파하는 파의 속도(개별 파들의 형상 및 폭을 변화하지 않음)를 포함하고 따라서 도파로의 각 단부에서 변환기들(1602 및 1604) 사이에서 전달 시간을 포함한다. 또한 해석은 반대 방향으로 도파로 전파에 반대의 효과를 포함하고 도파로의 속도를 추정하고 양 방향으로 전파하는 파의 전달 시간을 평균하여 반대 효과를 제거하도록 평가된다.
관심 있는 파라미터(들)의 변화는 전파 매질 내에서 에너지 펄스들 또는 파들의 천이 시간의 변화를 측정함으로써 측정된다. 관심 있는 파라미터(들)의 변화의 폐루프 측정은 에너지 펄스의 반복율 또는 에너지파의 주파수를 탄성 에너지 전파 구조물의 전파 특성의 함수로서 조절함으로써 달성된다.
작동의 연속파 모드에서, 위상 감지기(미도시)는 도파로(1606)에서의 공진 초음파 주파수 및 주파수의 변화를 평가한다. 아래에서 설명할 바와 같이, 연속파(CW) 모드에서의 양 귀환 폐루프 회로 작동은 도파로(1606)에서의 초음파 주파수를 조절하여 도파로(1608)에서의 초음파 주기의 동일한 수 또는 정수를 유지한다. 도파로의 길이 변화 속도가 그렇게 빠르지 않아서 전파 동조 발진기(Propagation Tuned Oscillator (PTO))의 주파수가 응답할 수 있기 전에 1/4 파장 보다 더 큰 변화가 일어나는 한 CW 작동은 지속된다. 이러한 제한은 PTO와 위상고정루프(PLL)의 성능 사이에서 하나의 유리한 차이점을 예시한다. 도파로 내에서의 파장은 제한도니 공기에서 보다 더 길 수 있지만, 변환기들이 예를 들어 2.4 MHz에서 초음파를 생성하는 경우, 공기 중의 파장은, 마이크로초 당 343 미크론의 속도라면, 대략 143μ이다.
작동의 펄스 모드에서, 위상 감지기는 초음파 펄스가 변환기(1602)에 의해 전송된 경우와 변환기(1604)에서 수신된 경우 사이의 비행시간(TOF)를 측정한다. 비행시간은 도파로 전파 경로의 길이를 결정하고, 이에 따라 도파로(1606)의 길이 변화를 밝힌다. 다른 배열에서는, 상이한 비행시간 측정을 사용하여 도파로(1606)의 길이 변화를 결정할 수 있다. 펄스는 하나 이상의 파들의 펄스로 이루어진다. 파들은 동일한 진폭과 주파수(구형파 펄스)를 가지거나, 상이한 진폭, 예를 들어, 감쇠 진폭(사다리꼴 펄스) 또는 일부 다른 복합 파형을 가질 수 있다. PTO는 도파로를 통해 진행하는 펄스의 리딩 에지(leading edge)의 위상을 일정하게 유지한다. 펄스 모드 작송에서, PTO는 CW 모드에서 사용되는 영점 교차 수신기 회로 보다는 에지 검출 수신기를 이용하여 각각의 펄스의 제1 파의 리딩 에지를 검출한다.
도 18은 예시적 구현예에 따른 의료용 감지 시스템(1800)의 블록도를 나타낸다. 의료용 파라미터를 측정하기 위해 의료용 감지 시스템은 도 4, 6, 8 및 12에 기술된 시스템과 유사하게 작동한다. 시스템(1800)의 센서는 커패시터(1802)이다. 커패시터(1802)는 측정된 의료용 파라미터에 따라 변하는 가변형 커패시터이다. 커패시터(1802)의 커패시턴스 값은 파라미터의 값에 상관하다. 제1 구현예에서, 측정된 파라미터는 온도이다. 커패시터(1802)의 커패시턴스는 측정될 온도에 연결된다. "온도"에서의 커패시터(1802)의 커패시턴스는 시스템(1800)에 의해 정확히 측정될 수 있으며 온도 값에 다시 상관될 수 있다. 파라미터의 다른 예는 힘, 압력 또는 하중이다. 일 구현예에서, 힘, 압력 또는 하중은 커패시터(1802)에 인가될 수 있다. "힘, 압력 또는 하중"에서의 커패시터(1802)의 커패시턴스는 시스템(1800)에 의해 측정되며, 힘, 압력 또는 하중에 다시 상관된다. 어느 하나의 실시예에서든, 커패시턴스는 파라미터 측정 범위에 걸쳐 공지의 방식에 의해 변할 것이다. 일반적으로, 파라미터 측정 범위에서의 커패시턴스의 변화는 규칙적인 방식으로 발생한다. 파라미터 시스템(1800) 내부에서의 커패시턴스 변화의 불규칙성은 파라미터 측정 범위에 걸쳐 교정되어 커패시턴스 변화의 불규칙성을 처리하여 보다 측정 정확도를 개선할 수 있다.
시스템(1800)은 커패시터(1802), 신호 발생기(1804), 디지털 클럭(1806), 디지털 카운터(1808), 디지털 타이머(1810), 카운터 레지스터(1812) 및 데이터 레지스터(1814)를 포함한다. 신호 발생기(1804)는 커패시터(1802)에 연결되며 신호를 제공하는 출력부를 가진다. 신호 발생기(1804)는 커패시터(1802)의 커패시턴스에 대응하는 신호(1816) 또는 파형을 발생한다. 커패시터(1802)의 커패시턴스가 변함에 따라 신호(1816)가 변한다. 예를 들어, 신호(1816)의 측정 사이클의 시간 주기는 커패시터(1802)의 커패시턴스에 관련될 수 있다.
일 구현예에서, 신호 발생기(1804)는 발진기이다. 디지털 클럭(1806)은 디지털 카운터(1808) 및 디지털 타이머(1810)에 연결된다. 디지털 클럭(1806)은 측정 시퀀스 동안 클럭 신호를 디지털 카운터(1808) 및 디지털 타이머(1810)에 제공한다. 디지털 카운터(1808)은 카운터 레지스터(1812)에 연결되고 신호 발생기(1804)의 출력부에 연결된다. 카운터 레지스터(1812)는 측정 시퀀스에 대응하는 소정의 카운트를 제공한다. 일반적으로, 측정 정확도는 소정의 카운트를 높임으로써 증가될 수 있다. 디지털 카운터(1808)은 카운터 레지스터(1812)로부터 소정의 카운트를 수신한다. 측정 시퀀스를 개시한 후, 디지털 카운터는 신호 발생기(1804)의 출력부에서의 측정 사이클의 수를 소정의 카운트와 비교한다. 측정 사이클의 카운트가 소정의 카운트와 동일한 경우 측정 시퀀스는 종료된다. 일 구현예에서, 신호 발생기(1804)에 의해 출력된 각 측정 사이클은, 측정 시퀀스의 종료를 알리는 영 카운트에 도달할 때까지 디지털 카운터(1808)를 감소하도록 한다. 디지털 타이커(1810)은 측정 시퀀스의 시간 주기를 측정한다. 다시 말해, 디지털 타이머(1810)은 신호 발생기(1804)가 측정 사이클의 소정의 카운트를 출력하는 데 필요한 경과 시간을 측정한다. 데이터 레지스터(1814)는 디지털 타이머(1810)에 연결되며 측정 시퀀스의 시간 주기 또는 경과 시간에 대응하는 값을 저장한다. 측정 시퀀스의 경과 시간은 커패시터(1802)의 통계적으로 많은 수의 측정들에 대응한다. 경과 시간은 측정 사이클의 소정 카운트의 집합 또는 커패시턴스 측정값에 대응한다. 데이터 레지스터(1814)에 저장된 값은 경과 시간을 힘, 압력 또는 하중 값으로 변형한 값일 수 있다. 측정된 파라미터는 측정 시퀀스의 시간 주기 동안에 안정한 커패시턴스 값을 만들어야 한다.
도 19는 예시적 구현예에 따른 커패시터(1802)에 대응하는 신호를 발생하는 발진기(1900)를 나타낸다. 발진기(1900)는 도 18의 신호 발생기(1804)에 대응한다. 발진기(1900)는 도 18의 신호(1816)을 발생하는 데 사용되는 회로의 예이다. 발진기(1900)은 전류원(1902), 전류원(1904), 비교기(1906), 스위치(1908), 스위치(1910), 및 스위치 제어부(1912)를 포함한다. 커패시터(1802)는 전류원들(1902 및 1904)에 연결된다. 전류원들(1902 및 1904)은 각각 커패시터(1802)로부터 전류를 생성하고 싱크(sink)한다. 전류원(1902)는 전류(I)를 생성한다. 전류원(1904)은 전류(2I) 즉 전류원(1902)에 의해 제공된 전류의 2배의 전류를 싱크한다. 스위치(1910)는 접지에 연결시 전류원(1904)이 전류를 싱크할 수 있도록 한다. 비교기(1906)는 커패시터(1802)에 연결된 양의 입력부, 스위치(1908)에 연결된 음의 입력부, 및 출력부를 포함한다. 비교기(1906)의 출력부는 스위치 제어부(1912)에 연결된다. 스위치 제어부(1912)는 스위치들(1908 및 1910)에 연결되어 스위칭 위치를 제어한다. 비교기(1906)의 출력은 스위치 제어부(1912)를 스위칭하기 위한 제어신호이다.
일반적으로, 전류원들(1902 및 1904)은 각각 커패시터(1802)를 충전 및 방전한다. 커패시터(1802)는, 커패시터(1906)의 출력이 로우(low) 상태에 있는 경우 전류원(1902)에 의해 충전된다. 스위치 제어부(1912)는 스위치(1910)을 개방하고, 기준 전압(Vref)은 비교기(1906)의 출력이 로우 상태로 천이되는 경우 스위치(1908)에 의해 비교기(1906)의 음의 입력부에 연결된다. 전류원(1902)로부터의 전류(I)가 커패시턴스를 충전함에 따라 커패시터(1802) 상의 전압은 상승한다. 커패시터 상의 전압 변화의 슬루율(slew rate)은 커패시터(1802)의 커패시턴스 및 전류(I)와 관련된다. 커패시터(1802) 상의 전압이 기준 전압(Vref) 이상일 때 비교기(1906)의 출력이 로우 상태에서 하이 상태로 천이된다. 스위치 제어부(1912)는 스위치(1910)를 폐쇄하고, 기준 전압(Vref/2)은 비교기(1906)의 출력이 하이 상태로 천이되는 경우 스위치(1908)에 의해 비교기(1906)의 음의 입력부에 연결된다. 전류원(1904)의 싱크 전류는 2I, 즉 전류원(1902)에 의해 생성된 전류의 2배 만큼 큰 전류이다. 전류원(1904)는 커패시터(1802)로부터 전류(I)를 싱크하며, 전류원(1902)로부터 동일한 전류를 싱크한다. 전하를 제거 시 커패시터(1802) 상의 전압은 떨어진다. 커패시터 상의 전압이 기준 전압(Vref/2) 이상일 때 비교기의 출력이 하이 상태에서 로우 상태로 변한다. 실시예에서, 커패시터(1802) 상의 전압이 기준 전압들(Vref 및 Vref/2) 사이에서 천이될 것이다. 커패시터 전압의 라이징 에지 및 폴링 에지의 슬루율은 대칭적이다. 시퀀스가 종료할 때가지 발진기(1900)에 의해 반복되는 톱니 패턴이 발생한다. 단일의 삼각형 파형을 발생하기 위해 측정 사이클은 시간에 대응한다. 삼각형 파형은 시간을 구성하여 커패시터(1802) 상의 전압을 Vref/2에서 Vref로 그리고 Vref에서 Vref/2로 천이한다. 측정 사이클이 커패시터(1802)의 커패시턴스에 관련된다는 것을 주목해야 한다. 대응하도록 커패시터(1802)의 커패시턴스를 증가시킴으로써 측정 사이클을 증가시킨다. 역으로, 대응하도록 커패시터(1802)의 커패시턴스를 감소시킴으로써 측정 사이클을 감소시킨다. 커패시터(1906)의 출력부에서의 신호는 또한 신호(1816)에 대응한다. 따라서, 발진기(1900)에서 출력된 신호 대 커패시터(1802)의 커패시턴스의 관계가 수립된다.
간략히 도1을 참조하면, 센서(100)는 근골격계에 연결된다. 실시예에서, 보철 슬관절이 예시되며 센서(100)는 무릎 영역에 연결된다. 센서(100)는 근골격계에 연결된 커패시터(1802)일 수 있다. 커패시터(1802)는 보철 슬관절의 관절면에 연결되어 힘, 압력 또는 하중을 측정할 수 있다. 일 구현예에서, 관절면에 인가된 힘, 압력 또는 하중은 커패시터(1802)에 연결됨으로써, 커패시턴스는 인가된 힘, 압력 또는 하중에 따라 변한다. 슬관절이 도시되지는 않았지만, 도 18의 커패시터(1802) 및 시스템(1800)은 커패시터(1802)의 커패시턴스에 영향을 주는 파라미터들을 측정하기 위해 의료용 장치, 도구, 설비, 및 보철 부품에 사용될 수 있다. 유사하에, 슬관절이 예로서 기술되었지만, 커패시터(1802)는 인가된 힘,압력 또는 하중을 측정하기 위하여 근골격 의료용 장치, 도구, 설비 및 보철 부품들에 통합될 수 있다. 또한, 도 18의 커패시터(1802) 및 시스템(1800)은 무릎에 한정되지 않으며, 뼈, 조직, 어깨, 발목, 고관절, 무릎, 척추, 팔꿈치, 손 및 발과 같이 파라미터 측정용 보철 부품들 내로 통합될 수 있다.
도 18 및 19를 다시 참조하면, 신호 발생기(1804)는 커패시터(1802)의 커패시턴스에 대응하는 반복 ㅍ형을 출력한다. 발진기(1900)는 반복 파형을 발진하거나 발생하는 신호 발생기(1804)의 구현예이다. 실시예에서, 발진기(1900)는 대칭되는 라이징 및 폴링 에지들을 가지는 반복형 톱니파형을 출력한다. 파형의 측정 사이클은 Vref/2에서 Vref로 천이하고 다시 Vref/2로 천이하는 데 필요한 시간이다. 측정 사이클의 시간은 커패시터의 커패시턴스에 대응한다. 커패시터(1802)의 커패시턴스가 측정 시퀀스 동안에 일정하게 남아 있는 경우 각 측정 사이클의 사건은 실질적으로 동일할 것이다. 일 구현예에서, 카운터 레지스터(1812)는 소정의 카운터로 로딩된다. 측정 시컨스는 파형의 소정의 지점에서 개시될 수 있다. 예를 들어, 전압(Vref/2)은 측정 시컨스를 시작하기 위해 파형 상에서 시작되도록 감지될 수 있다. 전압(Vref/2)이 감지되는 각 후속 시간에서 디지털 카운터(1808)이 감소된다. 측정 시컨스는 디지털 카운터가 영(zero)으로 감소하는 경우 종료된다. 디지털 타이머(1810)은 톱니파형의 측정 시퀀스의 소정의 카운트에 대응하는 소정의 시퀀스의 경과 시간을 측정한다. 대안적으로, 비교기(1906)의 출력은 발진 또는 반복 파형으로서 사용될 수 있다. 비교기(1906)의 출력의 라이징 또는 폴링 에지는 디지털 카운터(1808)을 개시하고 감소하기 위해 사용될 수 있다. 측정 시퀀스는 측정될 파라미터 및 관계식에 의해 커패시터(1802)의 커패시턴스가 실질적으로 일정한 기간 동안에 개시되도록 구성된다. 공정은 소정의 카운트와 동일한 횟수만큼 커패시턴스(1802)를 측정한다. 측정의 변화는 많은 소정의 카운트를 가짐으로써 평균화될 수 있다. 공정은 또한 매우 정확하게 측정될 커패시턴스의 미소 변화를 가능하게 한다. 측정의 정확도는 측정 사이클의 소정의 카운트를 높임으로써 향상될 수 있다. 일 구현예에서, 측정된 커패시턴스는 측정 사이클의 측정된 경과 시간과 소정의 카운트의 카운트에 의해 측정된 평균이다. 측정된 커패시턴스는 힘, 압력 또는 하중으로서 측정되는 파라미터로 변환될 수 있다. 데이터 레지스터(1814)는 파라미터 측정 또는 파라미터 측정에 대응하는 수를 저장하도록 구성될 수 있다.
도 20은 힘, 압력 또는 하중을 측정하기 위한 방법(2000)을 개시한다. 방법에 대한 설명은 도 1, 4, 6, 8, 12, 13, 및 19와 관련되며 이 도면들을 참조할 수 있다. 본원에 개시된 실시예는 보철 부품 구현을 이용하지만, 방법(2000)은 임의의 다른 적절한 시스템 또는 장치에서 실행될 수 있다. 방법(2000)의 단계들은 개시된 순서에 제한되지 않는다. 또한, 방법(2000)은 보여진 단계의 수보다 더 많거나 적을 수 있다.
단계(2002)에서, 힘, 압력 또는 하중이 커패시터에 인가된다. 힘, 압력 또는 하중의 변화는 커패시터의 커패시턴스의 해당하는 변화를 초래한다. 단계(2004)에서, 반복 신호가 생성된다. 반복 신호의 단일 파형의 시간 주기는 측정 사이클이다. 측정 사이클의 시간 주기는 커패시터의 커패시턴스에 대응된다. 단계(2006)에서, 파형 또는 신호는 소정의 횟수만큼 반복된다. 측정 시퀀스는 소정의 횟수에 대한 반복 파형을 포함한다. 단계(2008)에서, 측정 시퀀스의 경과 시간이 측정된다. 경과시간은 소정의 수의 파형들을 생성하는 데 필요한 시간이다. 단계(2010)에서, 측정 시퀀스 중 힘, 압력, 또는 하중은 유지된다. 일반적으로, 커패시터에 연결된 힘, 압력 또는 하중은 측정 시퀀스 중에 일정해야 한다. 단계(2012)에서, 측정된 경과시간은 힘, 압력, 하중 측정과 상관된다. 일반적으로, 측정 범위는 커패시터에 인가된 힘, 압력 또는 하중에 대해 공지되어 있다. 사용된 커패시터 또는 커패시터 유형은 사용 전에 측정 범위 전체에 걸쳐 알고 있는 힘, 압력 또는 하중을 이용하여 특정될 수 있다. 따라서, 커패시턴스와 힘, 압력 또는 하중 간의 상관관계는 공지이다. 예를 들어, 커패시턴스와 힘, 압력 또는 하중은 룩업 테이블에 또는 수학식에 의해 저장될 수 있다. 일 구현예에서, 커패시터는 측정 범위 전체에 걸쳐 대략 선형적으로 응답한다. 커패시터의 평균 커패시턴스는 측정된 경과 시간을 이용하여 산출되어 측정 시퀀스 동안에 소정 수의 파형들을 생성할 수 있다. 그런 다음, 힘, 압력 또는 하중은 사전의 특징으로부터 결정될 수 있다. 추가 미세 조정이 커패시터의 최종 시험 중에 교정 기술을 이용하여 달성될 수 있다. 커패시터에 대한 교정 데이터는 힘, 압력 또는 하중의 산출 시에 사용되어 추가로 측정 오류를 감소시킬 수 있다. 단계(2014)에서, 소정 수의 파형들은 측정 정확도를 높이기 위해 증가될 수 있다. 측정 해상도는, 힘, 압력 또는 하중이 소정 수의 파형들의 증가된 수에 걸쳐 실질적으로 일정하다면 이러한 기술에 의해 증가될 수 있다. 또한, 해상도는, 커패시턴스 변화가 힘, 압력 또는 하중 측정 범위에 걸쳐 상대적으로 적은 측정을 지원한다.
도 21은 예시적 구현예에 따른 커패시터(2100)을 나타낸다. 일반적으로, 의료 환경에 사용되는 센서는 정확하고, 신뢰성 있으면, 저 비용이고, 응용품에 적합한 폼 팩터를 가진다. 전기 신호를 생성하는 센서들은, 측정 데이터를 수신하고, 분석하고 제공하기 위해 전자 회로로의 유선 또는 무선 배선이 요구된다. 커패시터(2100)는 상기 리스트된 요구 사항들을 만족한다. 커패시터(2100)는 상이한 의료용 파라미터들을 측정하기 위한 의료용 장치, 도구 및 설비에 사용될 수 있다. 실시예에서, 커패시터(2100)는 근골격계의 파라미터들을 측정하기 위해 장치, 공구, 설비 및 보철 부품들로 통합될 수 있다. 커패시터는 수술 중에 그리고 설치된 구조물의 설치와 장기간의 측정을 지원하는 이식가능한 보철 부품들에 적합하다.
커패시터(2100)는 유전막(2102), 유전막(2104) 및 유전막(2106)을 포함한다. 커패시터(2100)는 셋 이상의 기계적으로 직렬 연결된 커패시터들을 포함한다. 일 구현예에서, 커패시터(2100)는 기계적으로 직렬인 세 개의 커패시터들을 포함한다. 간략히 도 22를 참조하면, 도 21의 커패시터(2100)는 커패시터들(2206, 2204 및 2208)을 포함한다. 커패시터들(2206, 2204 및 2208)은 기계적으로 직렬 연결된다. 압척성 힘, 압력 또는 하중(2202)이 직렬 연결된 커패시터들(2206, 2204 및 2208)에 인가된다. 다시 도 21을 참조하면, 제1 커패시터는 전도성 영역(2108), 유전막(2102) 및 전도성 영역(2110)을 포함한다. 제1 커패시터는 도 22의 커패시터(2204)에 대응한다. 도전성 영역들(2108 및 2110)은 소정의 면적, 유전막(2102)의 유전 상수 및 유전막(2102)의 두께가 커패시터(2204)의 커패시턴스를 결정?도록 소정의 면적을 갖는다. 일 구현예에서, 도전막(2108)은 도전막(2110) 상부에 놓이며, 실질적으로 동일한 면적을 가지며, 도전막(2110)에 정렬된다.
제2 커패시터는 전도성 영역(2108), 유전막(2104) 및 전도성 영역(2112)을 포함한다. 제2 커패시터는 도 22의 커패시터(2206)에 대응한다. 일 구현예에서, 전도성 영역(2112)은 전도성 영역(2108) 상부에 놓이고, 대략 동일한 면적을 가지며, 전도성 영역(2108)에 정렬된다. 하중 패드(2114)는 전도성 영역(2112) 상부에 놓이도록 형성된다. 하중 패드(2114)는 커패시터(2100)에 인가되는 힘, 압력 또는 하중으로 인해 도전막(2112)에 대한 손상을 보호하고 방지한다.
제3 커패시터는 전도성 영역(2110), 유전막(2106) 및 전도성 영역(2116)을 포함한다. 제3 커패시터는 도 22의 커패시터(2208)에 대응한다. 일 구현예에서, 전도성 영역(2116)은 전도성 영역(2110) 상부에 놓이고, 대략 동일한 면적을 가지며, 전도성 영역(2110)에 정렬된다. 하중 패드(2118)는 전도성 영역(2116) 상부에 놓이도록 형성된다. 하중 패드(2118)는 커패시터(2116)에 인가되는 힘, 압력 또는 하중으로 인해 도전막(2112)에 대한 손상을 보호하고 방지한다. 일반적으로, 하중 패드들(2114 및 2118)은 비압축성 물질을 포함한다. 하중 패드들(2114 및 2218)은 금속, 복합 재료, 또는 고분자를 포함할 수 있다.
커패시터(2100)는 도 18에 개시된 바와 같이 전자 회로에 연결된다. 커패시터(2100)는 병렬 연결된 둘 이상의 커패시터를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 전도성 영역들(2108 및 2110)은 공통으로 연결될 수 있다. 실시예에서, 도전성 영역들(2108 및 2110)은 도전성 비아(2120)에 의해 공통으로 연결된다. 도전성 영역들(2112 및 2116)은 또한 공통으로 연결되거나 공통 전압 포텐셜에 연결될 수 있다. 일 구현예에서, 도전성 영역들(2112 및 2116)은 접지에 연결되어 차폐부를 형성한다. 간략히 도 23을 참조하면, 커패시터(2100)는 커패시터들(2206 및 2208)을 포함한다. 커패시터들(2206 및 2208)은 전기적으로 병렬로 연결되어 접지에 연결된 단자 및 공통으로 연결된 전도성 영역들(2108 및 2110)을 포함하는 단자를 구비한다. 커패시터(2204)의 전도성 영역들은 함께 단락되어 있으므로 커패시터(2204)는 커패시터(2100)의 전기등가회로에는 나타내지 않았다. 도 21을 참조하면, 커패시터(2206) 및 커패시터(2209)는 실질적으로 동일한 커패시턴스를 가지도록 형성될 수 있다. 따라서, 커패시터(2100)는 기계적으로 직렬로 된 둘 이상의 커패시터를 포함하며, 또한 전기적으로 병렬로 연결된 둘 이상의 커패시터를 포함한다.
실시예에서, 커패시터(2100)는 근골격계용 힘, 압력 또는 하중 센서로서 사용될 수 있다. 커패시터(2100)는 보철 부품으로 통합되어 근골격계에 의해 인가되는 힘, 압력 또는 하중을 측정할 수 있다. 측정은 보철 부품의 설치를 지원하며 이식된 시스템 상에서 장기적인 데이터 수집을 위해 사용될 수 있다. 커패시터(2100)의 크기 및 형상은 생물학적 감지 응용품에 유익하다. 커패시터(2100)의 폼 팩터(form factor)는 매우 적게 만들어질 수 있다. 또한, 커패시터(2100)는 얇게 만들어질 수 있으며, 이는 통상적인 센서로는 달성할 수 없는 본체의 영역 들에서의 통합 및 배치를 지원한다. 커패시터(2100)에 대해서 2.5 밀리미터 미만의 두께 및 일반적으로 1 밀리미터 미만의 두께로 만들어질 수 있다.
일 구현예에서, 다층 배선이 커패시터(2100)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 다층 배선은 교번하는 도전막들 및 유전막들을 포함한다. 도전막들은 패터닝되어 전도성 영역들 및 배선을 형성한다. 힘, 압력 또는 하중을 다층 배선에 인가함으로써 유전막들을 변형시킬 수 있다. 적은 변형들에 대해서는 자극이 제거되는 경우 배선의 유전막들이 탄성적으로 되돌아올 것이라는 것을 알게 되었다. 유전막의 변형은 커패시터(2100)의 유전체 두께 및 커패시턴스 값을 변화시킨다. 도 18의 시스템(1800)은 커패시터(2100)의 사용이 실행가능하도록 하는 커패시턴스의 작은 변화의 고해상도를 지원한다.
일반적으로, 배선용 유전 물질은 고분자, 폴리에스테르, 아라미드, 접착제, 실리콘, 유리, 또는 복합 물질을 포함할 수 있다. 커패시터(2100)은 폴리이미드를 포함하는 적어도 1종의 유전막을 포함한다. 일 실시예에서, 유전막들(2102, 2104, 및 2106)은 폴리이미드를 포함한다. 대안적으로, 막(2102)은 커패시터들(2206 및 2208)을 함께 연결하는 접착층일 수 있다. 시험 중, 폴리이미드가 보철 부품 하중 측정에 일반적인 하중 값들 하에서는 탄성 압축을 보여주었다. 일반적으로, 커패시터(2100)는 각 커패시터의 두께를 20% 미만으로 압축하여 유전체의 탄성 영역에서의 작동을 유지한다. 일 구현예에서, 커패시터(2100)의 유전체는 작동 영역에 걸쳐 유전체 두께의 10% 미만으로 압축된다. 예를 들어, 폴리이미드막은 대략 0.0254 밀리미터 두께일 수 있다. 폴리이미드의 압축은 보철 무릎 응용품에 대해서는 전체 하중 측정 영역에 걸쳐 0.0022 밀리미터 보다 작을 수 있다. 배선은 신축성이 있어 비평탄 영역에 배치될 수 있다. 또한, 커패시터(2100)는 필요하다면 상이한 표면 형상들을 따를 수 있다. 대안적으로, 커패시터(2100)는 가요성이 아니거나 순응하지 않는 압축성 구조물로서 형성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 커패시터(2100)는 도 18에 개시된 것과 같은 전자 회로에 연결된다. 배선을 이용하여 커패시터(2100)를 형성함으로써 전자 회로에 연결하는 배선으로 커패시터(2100)를 통합할 수 있는 추가적인 이점을 제공한다. 이렇게 함으로써, 단일 구조물로 형성되어, 센서 및 배선 사이의 연결부를 제거한다. 통합 커패시터 및 배선은 또한 센서 신뢰도를 향상시키며, 원가를 낮추며 조립을 단순화한다.
도 24를 참조하면, 상면도는 유전막(2104) 상부에 놓이도록 형성된 전도성 영역(2112)을 나타낸다. 일반적으로, 힘, 압력 또는 하중은 센서 커패시터의 전도성 영역 상에 균일하게 인가된다. 하중 패드는 전체 전도성 영역에 걸쳐 힘, 압력 또는 하중의 배분을 지원할 수 있다. 전도성 영역의 면적은 전체 힘, 압력 또는 하중 인가 영역에 걸쳐 유전 물질의 탄성 압축을 유지하기에 충분한 크기이다. 전도성 영역들의 면적은 단위 면적 당 힘, 압력 또는 하중을 감소시키기 위해 증가되어, 신뢰도 향상을 위해 측정 범위에 걸쳐 유전체 압축을 낮출 수 있다. 무릎 보철 부품의 실시예에서, 전도성 영역(2112)는 원형 형상을 가질 수 있다. 전도성 영역(2112)의 면적은 측정된 힘, 압력 또는 하중의 함수이다. 전도성 영역(2112)의 직경은 무릎 응용품용 센서에 대해서 대략 2.0 밀리미터이다. 파선은 전도성 영역(2112)의 아래에 놓인 전도성 영역(2108)의 주변을 나타낸다. 실시예에서, 전도성 영역(2108)은 대략 2.2 밀리미터의 직경을 가진다. 둘 이상의 센서들이 무릎 보철 부품 내에 끼워진다. 배선(2124)은 전도성 영역(2112)에 연결된다. 배선(2124)은 전도성 영역(2112)으로서 동일 층 상에 형성될 수 있다. 도 21을 다시 참조하면, 전도성 영역(2116)은 전도성 영역(2112)과 유사한 원형 형상을 가질 수 있다. 전도성 영역(2116)의 직경은 무릎 응용품용 센서에 대해서 대략 2.0 밀리미터이다. 전도성 영역(2112) 상부에 놓인 전도성 영역(2110)은 직경이 대략 2.2 밀리미터이다. 배선(2126)은 폴리이미드막(2106) 상부에 놓이도록 형성되고 전도성 영역(2116)에 연결될 수 있다.
실시예에서, 힘, 압력 또는 하중은 근골격계에 의해 하중 패드들(2114 및 2118)에 인가된다. 힘, 압력 또는 하중은, 커패시터(2100)를 포함하는 기계적으로 직렬 연결된커패시터들(2206, 2204 및 2208)을 압축한다. 유전막들(2202, 2204 및 2206)은 힘, 압력 또는 하중 하에 압축한다. 커패시터(2204)의 플레이트들은 공통 연결되며 커패시터(2100)의 커패시턴스에는 기여하지 않는다. 커패시터(2100)의 구조는 기생 커패시턴스의 영향을 최소화한다. 전도성 영역들(2112 및 2116)은 접지에 연결된다. 전도성 영역들(2112 및 2116)은 각각 전도성 영역들(2108 및 2110)의 상부 및 하부에 놓여, 접지 차폐부로서 역할을 한다. 차폐부는, 측정 정확도에 영향을 줄 수 있는, 전도성 영역들(2112 및 2116)과 발생할 수 있는 외부 용량성 상호작용을 최소화하거나 차단한다.
간략히 도 25을 참조하면, 예시적 구현예에서 배선(2122, 2124 및 2126)의 단면도가 제공된다. 위에서 설명한 바와 같이, 도전성 영역들(2108 및 2110)은 도전성 비아(2120)에 의해 공통으로 연결된다. 배선(2122)는 전도성 영역들(2108 및 2110)에 연결된다. 배선(2122, 2124 및 2126)은 커패시터(2100)를 도 18의 시스템(1800)에 연결할 수 있다. 배선(2124 및 2126)은 접지에 연결된다. 배선(2124 및 2126)은 배선(2122)의 상부 및 하부에 놓여 차폐부로서 역할을 한다. 일 구현예에서, 배선(2122)은 배선들(2124 및 2126) 보다 작은 폭을 가진다. 배선(2122)이 도 18의 시스템(1800)에 라우팅되고 연결되므로 배선들(2124 및 2126)은 배선(2122)과의 잠재적인 용량성 상호작용을 차폐하고 차단한다.
도 21을 다시 참조하면, 커패시터(2100)와 관련된 기생 커패시턴스는 전체파라미터 측정 범위에 걸쳐 실질적으로 일정하게 남아 있다. 제1 기생 커패시턴스는 배선(2124), 유전막(2104) 및 배선(2122)을 포함한다. 제2 기생 커패시턴스는 배선(2126), 유전막(2106) 및 배선(2122)을 포함한다. 제1 및 제2 기생 커패시턴스들은 서로 합쳐져 커패시터(2100)의 커패시턴스를 증가시킨다. 힘, 압력 또는 하중은 제1 및 제2 기생 커패시턴스들에 적용되지 않아 측정 중 일정하게 남아 있다. 따라서, 커패시터(2100)의 커패시턴스 변화는, 기생 커패시턴스의 변화에 의한 2차적 영향은 최소화한 상태에서, 본원에서 개시된 방법을 이용하여 힘, 압력 또는 하중 범위에 걸쳐 시스템(1800)에 의해 측정될 수 있다.
도 26은 힘, 압력 또는 하중을 측정하기 위한 방법(2600)을 개시한다. 방법에 대한 설명은 도 1, 4, 6, 8, 12, 13, 19 및 21 내지 25와 관련되며 이 도면들을 참조할 수 있다. 방법(2600)의 단계들은 개시된 순서에 제한되지 않는다. 또한, 방법(2600)은 보여진 단계의 수보다 더 많거나 적을 수 있다. 단계(2602)에서, 직렬 연결된 둘 이상의 커패시터가 압축된다. 센서 커패시터는 직렬 연결된 둘 이상의 커패시터를 포함할 수 있다. 힘, 압력 또는 하중은 직렬 연결된 커패시터들에 걸쳐 인가된다. 단계(2604)에서, 병렬 연결된 둘 이상의 커패시터의 커패시턴스가 측정된다. 센서 커패시터는 전기적으로 병렬 연결된 둘 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.
단계(2606)에서, 병렬 연결된 둘 이상의 커패시터의 커패시턴스에 대응하는 측정 사이클을 가지는 반복 신호가 생성된다. 일 구현예에서, 병렬 연결된 둘 이상의 커패시터는 신호 발생기 회로에 연결된다. 병렬로 된 둘 이상의 커패시터에 연결된 신호 발생기 회로는 발진하도록 구성된다. 반복 신호는 반복 측정 사이클을 포함한다. 신호 발생기에 의해 발생된 각 측정 사이클의 시간은 병렬 연결된 둘 이상의 커패시턴스에 대응한다.
단계(2608)에서, 반복 신호의 경과시간이 측정된다. 일 구현예에서, 반복 신호는 소정의 횟수만큼 반복된다. 다시 말하면, 측정 사이클은 소정의 횟수만큼 반복되며 측정 사이클의 소정의 횟수의 경과 시간이 측정된다. 단계(2610)에서, 경과 시간은 병렬 연결된 둘 이상의 커패시터의 커패시턴스에 상관된다. 본원에서 개시된 바와 같이, 병렬 연결된 둘 이상의 커패시터의 커패시턴스는 인가된 힘, 압력 또는 하중에 대응된다. 인가된 힘, 압력 또는 하중이 실질적으로 일정한 동안 많은 수의 측정 사이클들을 측정함으로써 커패시턴스와 힘, 압력 또는 하중 간의 정확한 상관관계를 지원한다.
도 27은 예시적 구현예에 따른 다수의 센서들을 가지는 의료용 장치를 나타낸다. 일반적으로 본 발명의 구현예들은 대략적으로 물리적 파라미터들의 측정에 관한 것이다. 의료용 장치는 의학적 파라미터들을 측정하도록 구성되며 근골격계의 측정과 관련된 실시예에서의 전기기계 시스템을 포함한다. 물리적 시스템이나 신체 내부에서의 관심 있는 많은 물리적 파라미터들은 크기, 가격, 시간 또는 측정 정밀도로 인해 현재 측정되지 않고 있다. 예를 들어, 무릎, 고관절, 척추, 어깨 및 발목 이식과 같은 관절 이식들은 수술 중 제자리에서(in-situ) 이루어진 측정으로부터 실질적으로 혜택을 받아서, 보철 시스템의 설치 및 미세 조정 시 외과의사를 보조할 것이다. 측정은 외과의사의 주관적 피드백을 보충하여 최적의 설치를 보장할 수 있다. 최종 보철 부품 내의 영구 센서는 사용 중인 이식물의 상태에 관한 주기적 데이터를 제공할 수 있다. 외과적 설치를 위한 파라미터 범위를 결정하고 보철 부품들을 보다 향상시키기 위해 수술 중 수집된 데이터 및 오랜 기간이 이용될 수 있다.
관심 있는 물리적 파리미터(들)은 하중, 힘, 압력, 위치, 변위, 밀도, 점도, pH, 스퓨리어스(spurious) 가속, 및 국부 온도의 측정을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 흔히, 측정된 파라미터는 다른 측정 파라미터와 함께 사용되어 질적 평가를 한다. 관절 복원 시, 근골격계의 일부들은 보철 부품들을 수용하기 위해 준비된다. 준비는 하나 이상의 보철물과 교합하기 위한 뼈 절단 또는 뼈 형성을 포함한다. 파라미터들은, 신체 상에 또는 내부에 위치하는 무선 감지 모듈들 또는 장치들, 기구, 응용품, 차량, 설비 또는 기타 물리적 시스템에 의해, 축이나 축들의 조합을 따라서 이동, 회전 또는 가속하는 것뿐만 아니라 배향, 정렬, 방향, 변위 또는 위치에 대하여 평가될 수 있다.
본 발명에서, 파라미터들은 통합된 무선 감지 모듈이나 장치로 측정되는 데, 이러한 모듈이나 장치는 i) 센서들 및 접촉면들을 지지하는 봉지 구조물, 및 ii) 전원 공급장치, 감지 요소, 가속도계, 안테나, 측정 시퀀스를 제어하고 처리하는 전자 회로, 및 무선 통신 회로를 통합하는 전자 조립체를 포함한다. 실시간으로 관심 있는 파라미터들을 감지하고 통신하기 위해, 무선 감지 모듈 또는 장치는 동물이나 인체뿐만 아니라 설비, 장치, 응용품, 차량, 설비 또는 다른 물리적 시스템을 비제한적으로 포함하는 다양한 물리적 시스템들 상에 또는 그 내부에 위치하거나, 결합되거나, 그 상에 또는 내부에 부착 또는 접착될 수 있다.
파라미터에 따라 변동하는 커패시턴스를 가지는 커패시터와 같이 간접적으로 파라미터를 측정할 수 있는 센서들을 개시한다. 커패시턴스 또는 관련 인자(예, 시간)는 측정된 후 파라미터로 변환된다. 측정 시스템은 폼 팩터, 가용 전력, 및 인체 역학에 적합한 물질을 가진다. 관심 있는 물리적 파리미터(들)은 하중, 힘, 압력, 변위, 밀도, 점도, pH, 거리, 부피, 통증, 감염, 스퓨리어스(spurious) 가속, 및 국부 온도의 측정을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 이러한 파라미터들은, 신체 상에 또는 내부에 위치하는 무선 감지 모듈들 또는 장치들, 기구, 응용품, 차량, 설비 또는 기타 물리적 시스템에 의해, 축이나 축들의 조합을 따라서 이동, 회전 또는 가속하는 것뿐만 아니라 센서 측정, 정렬, 방향, 또는 위치에 의하여 평가될 수 있다.
실시예에서, 삽입물(2700)은 근골계 파라미터를 측정하기 위한 의료용 센서를 구비하는 장치를 나타낸다. 보철 삽입물(2700)은 근골격계의 관절 이음을 가능하게 하는 관절 교체 시스템의 부품이다. 보철 삽입물(2700)은 관절 교체 시스템의 마모 부품이다. 보철 삽입물(2700)은 관절 이음을 가능하게 하는 하나 이상의 관절면을 가진다. 관절 교체 시, 보철 부품은 삽입물(2700)의 관절면에 연결된 면을 가진다. 관절면은 마찰이 적으며 상황이나 위치에 기초하여 자연스럽게 발생하는 하중을 흡수할 수 있다. 관절 이음된 관절의 면들 사이의 접촉면은 동작 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 삽입물(2700)의 관절면은, 관절이 움직이는 동안 관절면에 접한 보철 부품에 의해 생성되는 마찰로 인해 시간이 경과함에 따라 마모될 것이다. 인대, 근육, 및 힘줄은 관절을 함께 유지하며 동작 범위 전체에 걸쳐 관절을 움직이도록 할 것이다.
보철물(2700)은 보철 부품의 본체 내부에 전원(2702), 전자 회로(2704), 하중 패드들(2722), 전송 능력, 및 센서들을 가지는 능동형 장치다. 전자 화로(2704)는 도 18 및 도 19의 회로를 포함한다. 실시예에서, 센서들은 하중 패드들(2722) 아래에 놓인다. 센서들은 전자회로(2704)에 연결되는 배선(2718)에 형성된 커패시터들이다. 배선(2718)은 신축성이 있으며 대퇴골두 형상들을 따를 수 있다. 일 구현예에서, 삽입물(2700)은 근골격계 파라미터들을 측정하여 하나 이상의 보철 부품들의 설치를 보조하기 위하여 수술 중에 사용된다. 아래에 개시될 바와 같이, 삽입물(2700)의 작동은 하중 및 밸런스와 같은 파라미터의 작동 및 측정을 예시하기 위하여 무릎 삽입물로서 나타내었다. 간략히 도 1을 참조하면, 통상적인 슬관절 교체 시스템은 삽입물, 대퇴부 보철 부품(104), 및 경골 보철 부품(106)을 포함한다. 센서 커패시터들은 삽입물 내에 수용되긴 하지만, 대퇴부 보철 부품(104) 또는 경골 보철 부품(106) 내에 수용되거나 이에 결합될 수도 있다. 도 27을 참조하면, 삽입물(2700)은 고관절, 척추, 어깨, 발목 등과 같은 관절면들을 가지는 다른 보철 관절들에 사용하기 위해 구성될 수 있다. 대안적으로, 삽입물(2700)은 이식물의 생애에 걸쳐 파라미터 측정을 하기 위해 사용될 수 있는 영구적인 능동형 장치일 수 있다. 감지 시스템은 보철 부품의 예에 한정되지는 않는다. 또한 시스템은 의료용 도구, 장치 및 설비에서 구현될 수 있다.
삽입물(2700)은 수동형 최종 보철 삽입물과 치수가 실질적으로 동일하다. 실질적으로 동일한 치수는 삽입물(2700)이 경골 보철 부품 내의 수동형 최종 보철 삽입물과 실질적으로 동일하게 끼워질 수 있는 크기와 형상과 일치한다. 수술 중의 예에서, 삽입물(2700)을 시험 삽입물로서 이용하는 측정된 하중 및 밸런스는 동일한 조건 하에서 최종 수동형 삽입물에 의해 보여지는 하중 및 밸런스와 실질적으로 동일할 것이다. 수술 중의 측정을 위한 삽입물(2700)은 형상이 다를 수 있으며 수술 중 시험에 유용하지 않은 누락된 특징부들을 가질 수 있다는 것을 주목해야 한다. 삽입물(2700)은 최종 삽입물과 동일한 동작 범위 전체에 걸쳐 위치상 안정해야한다.
삽입물(2700)의 외부 구조는 두 개의 구성요소들을 포함한다. 보여진 구현예에서, 삽입물(2700)은 지지 구조물(2706) 및 지지 구조물(2708)을 포함한다. 지지 구조물들(2706 및 2706)은 근골격계에 의해 로딩되는 주 지지면들을 구비한다. 앞서 언급한 바와 같이, 삽입물(2700)은 일반적인 개념을 예시하기 위해 무릎 삽입물로 나타내었지만 이러한 구성에 제한되지 않는다. 지지 구조물(2706)은 관절면(2710) 및 관절면(2712)를 가진다. 대퇴부 보철 부품의 관절구는 면들(2710 및 2712)로 관절을 잇는다. 보철 슬관절 상의 하중은 관절면들(2710 및 2712)의 접촉 면적 위에서 분배된다. 지지 구조물(2708)은 하중 지지면(2724)을 가진다. 하중 지지면(2724)은 경골 보철 부품에 연결된다. 하중 지지면(2724) 상의 하중은, 힘, 압력 또는 하중을 분배하기 위한 보다큰 표면적으로 인해 관절면들에 인가된 것 보다는 훨씬 작다.
지지 구조물(2706)의 영역(2714)은 언로딩되거나 동작 범위에 걸쳐 가볍게 로딩된다. 영역(2714)은 관절면들(2710 및 2712) 사이에 위치한다. 관절 성능을 유지하면서 마모를 최소화하기 위하여 관절면들(2710 및 2712) 상에는 최소 접촉 면적이 있음을 주목해야 한다. 접촉 위치 및 접촉 면적 크기는 근골격계의 위치에 따라 변할 수 있다. 접촉 면적이 동작 범위에 걸쳐 관절면들(2710 및 2712) 내에서 소정의 면적 범위 밖에 있는 경우에는 문제가 발생할 수 있다. 일 구현예에서, 하중이 관절면들(2710 및 2712) 상에 인가되는 위치는 감지 시스템에 의해 결정될 수 있다. 이는 외과의사가 현재 하중이 인가된 정량적 정보를 가지고 있기 때문에 유용하다. 이후, 외과의사는 감지 시스템으로부터의 실시간 피드백을 이용하여 소정의 영역 내에서 인가된 하중의 위치를 이동시켜 각각의 보정 결과를 추적하는 조정들을 실시할 수 있다.
지지 구조체(2708)은 삽입물(2700)의 각 관절면 상의 하중을 측정하는 센서들 및 전자회로(2704)를 지지하도록 형성될 수 있다. 하중 플레이트(2716)은 관절면(2710) 하부에 놓인다. 유사하게, 하중 플레이트(2720)는 관절면(2712) 하부에 놓인다. 배선(2718)은 하중 플레이트(2720) 하부에 놓인다. 커패시터 센서들은 지지 구조물(2708)에 있는 삼각형 모양의 배선(2718)의 꼭짓점들 내의 하중 패드들(2722) 하부에 놓인다. 일 구현예에서, 커패시터들은 배선(2718) 내에 형성된다. 배선(2718)은 센서들을 전자 회로(2704)에 연결한다. 차폐부는 기생 커패시턴스 및 결합을 최소화하여 측정 범위에 걸쳐 정확도를 보장하는 배선(2718) 내에 형성된다. 하중 플레이트(2720)는 하중 패드(2722)를 통해 커패시터 센서들에 연결된다. 하중 플레이트(2720)는 관절면(2712)에 인가된 하중을 삽입물(2700) 내의 소정 위치의 커패시터 센서들에 분배한다. 관절면2712) 하부에 놓인 세 개의 센서들로부터의 측정을 이용하여 삽입물(2700)에 인가된 하중의 위치를 결정할 수 있다. 하중 플레이트(2716)는 관절면(2710) 하부에서 유사하게 작동한다. 예시된 하중 플레이트들(2716 및 2720)의 면은 평탄하지만, 비평탄면을 따르는 센서들과는 평탄하지 않을 수 있다. 유사하게, 커패시터 센서들은 대퇴골두 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
근골격계에 의해 인가된 힘, 압력 또는 하중은, 플레이트들(2716 및 2720)에 각각 연결되는 보철 부품 삽입물(2700)의 관절면들(2710 및 2712)에 연결된다. 일 구현예에서, 각 커패시터는 힘, 압력 또는 하중으로 인해 탄성 압축한다. 전자 회로(2704)는 하중 플레이트들(2716 및 2720) 하부에 놓인 커패시터 센서들에 작동되게 연결된다. 측정된 커패시터의 커패시턴스에 대응하는 신호가 발생한다. 신호는 소정의 횟수 또는 소정의 카운트 동안 반복된다. 소정의 카운트의 경과 시간이 측정된다. 경과 시간은 커패시터의 커패시턴스에 대응된다. 커패시턴스와 힘, 압력 또는 하중 간의 관계는 공지이며, 이 관계를 이용하여 측정 값을 결정한다. 또한 측정 데이터는 처리되어 표시 및 분석을 위해 삽입물(2700) 외부의 수신기에 전송될 수 있다.
일 구현예에서, 센서들 및 전자 회로(2704)의 물리적 위치는 삽입물(2700)에 수용됨으로써, 능동형 부품을 외부 환경으로부터 보호한다. 전자 회로(2704)는 지지 구조물(2700)의 영역(2714)의 아래에 놓인 관절면들(2710 및 2712) 사이에 위치할 수 있다. 전자 회로(2704)를 수용하기 위한 공동은 영역(2714) 하부에 놓일 수 있다. 지지 구조물(2708)은 전자 회로(2701)를 공동 내에 위치시키고 유지하기 위하여 공동으로부터 연장되는 유지용 특징부들을 가지는 면을 공동 내에 구비할 수 있다. 영역(2714)은 삽입물(2700)의 언로딩된 영역 또는 가볍게 로딩된 영역이어서, 수술 중의 높은 압력 때문에 또는 관절이 환자에 의해 사용되기 때문에 전자 회로(2704)가 손상될 가능성을 줄여준다. 일 구현예에서, 배터리, 커패시터, 인덕터, 또는 기타 저장매체와 같은 임시 전원이 삽입물(2700) 내에 위치하여 센서들 및 전자 회로(2704)에 전원을 공급한다.
지지 구조물(2706)은 지지 구조물(2708)에 부착하여 삽입 케이싱 또는 하우징을 형성한다. 일 구현예에서, 지지 구조물들(2706 및 2708)의 내면들은 함께 교합한다. 또한, 지지 구조물들(2706 및 2708)의 내면들은 감지 시스템의 구성요소들을 수용하고 유지하기 위하여 공동 및 연장부를 가질 수 있다. 외부에서, 지지 구조물들(2706 및 2708)은 하중 베어링 및 관절의 다른보철 부품들에 인터페이스하는 관절면들을 제공한다. 지지 구조물(2708)의 하중 지지면(2724)은 경골 보철 부품에 연결된다. 하중 지지면(2724)은 경골 보철 부품으로의 연결을 지지하는 하나 이상의특징 또는 형상을 가질 수 있다.
지지 구조물들(2706 및 2708)은 일시적으로 또는 영구적으로 연결, 부착, 고정될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 삽입물(2700)은 분해되어 지지 구조물들(2706 및 2708)을 분리한다. 씰(seal)이 지지 구조물(2708)의 내면 상에서 주위에 위치할 수 있다. 일 구현예에서, 씰은 탄성이며 압축성인 물질을 포함하는 오링일 수 있다. 오링은, 함께 부착시 지지 구조물들(2706 및 2708)의 내면에 대하여 압축되어 씰을 형성한다. 지지 구조물들(2706 및 2708)은 하우징을 형성함으로써, 씰의 경계 내의 공동 또는 오목부들은 외부 환경으로부터 격리된다. 일 구현예에서, 오링이 충분히 압축되어 고정 요소들에 맞물리는 경우 지지 구조물들(2706 및 2708)은 함께 연결된다. 지지 구조물들(2706 및 2708)은 오링 또는 스프링과 같은 다른 수단에 의해 제공된 힘 또는 압력 하에서 고정 요소에 의해 함께 유지된다.
일 구현예에서, 지지 구조물(2700)은 수동형 삽입물에 흔히 사용되는 물질을 포함한다. 예를 들어, 초고분자량 폴리에틸렌이 사용될 수 있다. 물질은 성형되거나, 형성되거나, 기계가공되어 최종 삽입물에 대해 적절한 지지 및 관절면 두께를 제공할 수 있다. 대안적으로, 지지 구조물들(2706 및 2708)은 시험 적용을 위해 충분한 강도을 가진 금속, 플라스틱 또는 고분자 물질로 제조될 수 있다. 수술 중의 예에서, 지지 구조물들(2706 및 2708)은 폴라카보네이트로 형성될 수 있다. 관절면들의 장기간 마모는 관절 설치의 짧은 기간 동안에는 문제가 덜하다. 폴리카보네이트 관절면을 가지고 동작 범위 전체에 걸쳐 이동되는 경우 관절은 유사하게 최종 삽입물로 이동한다. 지지 구조물들(2706 및 2708)은, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 베어링 물질이 감지 시스템을 수술 중에 그리고 최종 삽입물로서 모두 사용될 수 있도록 하는 복합 물질의 일부인, 복합체로서 형성될 수 있다.
도 28은 예시적 구현에 따른 비평탄면에 연결되며 이를 따르는 센서들을 가지는 하나 이상의 보철 부품들을 나타낸다. 고관절 보철 부품들은 비평탄면 센서들을 예시하기 위해 예로서 사용된다. 고관절 보철은 비구 컵(acetabular cup)(2806), 삽입물(2808) 및 대퇴부 보철 부품(2810)을 포함한다. 비구 컵(2806)은 골반에 연결된다. 컵(2806)은 골반(2802)에 접합되어 대퇴부 보철 부품(2810)을 수용하기 위해 영속 공간 방향으로 보철 부품을 고정한다. 삽입물(2808)은 노출된 관절면을 가지는 비구 컵(2806)에 삽입된다. 대퇴부 보철 부품(2810)의 대퇴골두는 삽입물(2808) 내로 배치될 수 있다. 삽입물(2808)은 대퇴골두를 유지한다. 삽입물(2808)의 관절면은 관절이 회전할 수 있도록 대퇴부 보철 부품(2810)의 대퇴골두에 연결된다. 하중은, 다리 위치에 따라 변하는 삽입물(2808)의 관절면의 면적에 걸쳐 분배된다. 대퇴부 보철 부품(2810)의 축은 대퇴골(2804)에 연결된다. 시멘트를 사용하여 대퇴부 보철 부품(2810)의 축을 대퇴골(2804)에 연결할 수 있다. 힘줄, 인대 및 근욕과 같은 조직이 골반(2802) 및 대퇴골(2804)에 연결되어 고관절의 움직임을 유지하고 지지한다. 본원에서 개시된 센서들 및 전자 회로는 보철 고관절 부품들에 한정되지 않으며, 비제한적으로 근골격게, 뼈, 장기, 두개골, 무릎, 어깨, 척추, 팔꿈치, 손 및 발을 포함하는 해부학적 구조의 다른 부분들에 유사하게 적용될 수 있다.
일 구현예에서, 대퇴부 보철 부품(2810)은 전자 회로(2812)를 수용해서 외부 환경으로부터 활성 부품을 보호할 수 있다. 전자 회로(2812)는 도 18 및 도 19에 개시된 소자를 포함해서 커패시터 센서의 용량을 측정할 수 있다. 전자 회로(2812)는 전원, 전력 관리 소자, 변환 소자, 디지털 로직, 프로세서, 다수의 입력/출력 소자, 및 통신 소자를 더 포함할 수 있다. 전자 회로(2812)는 보철 부품 내에 들어맞을 수 있는 폼 팩터를 갖는 모듈일 수 있다. 유사하게, 전자 회로(2812)는 도구, 장치, 또는 설비와 통합될 수 있다. 대안적으로, 전자 회로(2812)는 유선 또는 무선 연결부를 통해 센서와 결합하는 별도의 부품일 수 있다.
보철 부품(2810)의 대퇴골두는 모양이 구면체이다. 커패시터(2814)는 대퇴골두의 곡면을 따르는 그리고 이 곡면과 결합하는 센서이다. 제1 구현예에서, 커패시터(2814)는 대퇴골두의 외면 아래에 놓일 수 있다. 대퇴골두에 가해진 힘, 압력 또는 하중은 커패시터(2814)와 결합해서 이 커패시터를 탄성적으로 압축할 수 있다. 커패시터(2814) 및 전자 회로(2812)가 외부 환경으로부터 보호되어, 보철 부품이 관절의 장기 모니터링에 적합하다. 제2 구현예에서, 커패시터(2814)는 대퇴골두의 구면체 모양을 따르는 표면의 복수 부분 상에 노출될 수 있다. 제3 구현예에서, 커패시터(2814)는 비-평면 모양을 갖고 형성될 수 있다. 커패시터(2814)는 한 번 사용 후에 처분되는 실험용 보철 부품일 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 커패시터(2814)는 도 21 내지 도 25에 개시된 바와 같은 배선으로 형성될 수 있다. 배선은 신축성이 있을 수 있으며 비평탄면을 따를 수 있다. 이 실시예에서, 커패시터(2814)는 배선으로 형성되는데, 이 배선은 전자 회로(2812)와 결합해서 측정 데이터를 수신 및 처리한다. 이 배선 및 더 상세하게는, 커패시터(2814)는 구면체인 대퇴골두 표면 내에 위치 지정되고 이 표면과 결합해서, 힘, 압력 또는 하중이 소정의 위치에서 측정될 수 있다. 따라서, 센서 시스템이 완전히 보철 부품 안에 수용될 수 있다. 유사하게, 센서는 비구컵(2806)과 삽입물(2808) 위, 안 또는 사이에 위치될 수 있다. 일 실시예로서, 커패시터(2816)는 비구컵(2806)과 삽입물(2808) 사이에 위치된 것으로 도시된다. 커패시터(2816)는 또한 삽입물(2808)의 비구면의 일부의 아래에 놓이거나 이 부분을 포함할 수 있다. 유사하게, 커패시터(2816)는 비구컵(2806)의 곡면의 일부의 아래에 놓이거나 이 부분을 포함할 수 있다. 커패시터(2816)는 삽입물(2808)의 비구면의 상이한 부분에 가해진 힘, 압력, 또는 하중을 측정하기 위해 구성될 수 있다. 커패시터(2816)와 결합된 전자 회로는 비구컵(2806) 또는 삽입물(2808)과 근접해 있을 수 있거나 이 안에 수용될 수 있다. 뼈에 대한 힘, 압력 또는 하중 측정은 시스템에 의해 지원될 수 있다. 커패시터(2822)는 골반(2802)과 같은 뼈 안에 내장되어 이 뼈에 가해진 압력을 측정할 수 있다.
이 실시예에서, 커패시터(2814)는 대퇴부 보철 부품(2810)의 대퇴골두의 소정의 위치에 위치될 수 있다. 커패시터(2814)의 용량은 근골격계에 의해 대퇴골두에 가해진 힘, 압력 또는 하중과 관계있으며, 이로써 대퇴골두의 상이한 위치에서 측정 데이터를 제공한다. 일 구현예에서, 커패시터(2814)로부터의 측정 데이터가 실시간으로 원격 시스템(2818)에 무선으로 송신될 수 있다. 원격 시스템(2818)은 측정 데이터를 디스플레이하도록 구성된 디스플레이(2820)을 포함한다. 원격 시스템(2818)은 측정 데이터를 더 처리하는 컴퓨터일 수 있다. 측정 데이터는 가청의, 시각적인, 촉각적인 포맷으로 제공될 수 있는데 이 포맷은 사용자가 정보에 신속하게 액세스하게 한다. 이동 범위에 걸쳐서 다리를 회전 및 이동시키는 것은 하중인가가 설치용 고관절의 이동 범위에 걸쳐 어떻게 변하는지에 대한 정량적 데이터를 제공할 수 있다. 다리 이동은 커패시터(2814)를 삽입물(2808)의 관절면의 상이한 영역과 연결시킨다. 커패시터(2814)는 다리가 일정 평면 안에서 이동될 때 호를 그리며 이동한다. 측정 데이터는 하중 인가에서의 변동을 나타낼 수 있는데, 이는 관절 설치에 대한 수정을 필요로 할 수 있다. 설치는 원격 시스템(2818)에 의해 지원되는 작업흐름 단계로 행해진다. 외과의사는 실제 측정된 정량적 데이터 및 환자 설치로부터의 주관적 피드백에 기초해서 설치를 더 미세 조정할 수 있다.
도 29는 예시적인 구현예에 따라 비평탄면과 결합된 하나 이상의 차폐된 센서를 구비하는 도구를 예시한다. 리머(2902)는 하나 이상의 센서를 구비하는 의료 장치, 도구, 설비 또는 부품의 실시예로서 사용된다. 리머(2902)는 골반(2908) 내의 뼈를 제거하기 위한 고관절 보철 부품 관절 치환 수술에서 사용되어 반구컵과 같은 보철 부품을 수용할 수 있다. 리머(2902)는 반구 영역(2910) 내의 뼈를 제거하기 위한 칼날 또는 연마재를 구비하는 구면체 모양의 표면(2904)을 구비한다. 리머(2902)의 절단 헤드는 치수가 반구컵과 실질적으로 동일한 반구 영역(2910)을 절단하도록 크기 지정되어, 이 영역 안에 들어맞게 된다.
일 구현예에서, 두 개 이상의 센서가 리머(2902)의 절단 헤드와 결합될 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 센서는 힘, 압력 또는 하중을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 더 상세하게는, 센서는 절단 헤드의 표면(2904) 상의 위치에 대응해서 위치지정될 수 있다. 센서는 표면(2904)과 결합되나 리머(2902)의 절단 헤드 내에 있다. 힘, 압력 또는 하중이 표면(2904)에서 센서까지 결합된다. 센서는 표면(2904)의 상이한 위치에 가해진 힘, 압력, 또는 하중에 대한 정량적 데이터를 제공한다. 정량적 데이터는 반구컵의 최적 맞춤을 위한 물질 제거 공정에 대한 피드백으로서 사용될 수 있다. 예컨대, 한 방향으로 너무 많은 힘을 주는 것은 하나의 위치에서 너무 많은 물질이 제거되게 해서, 뼈 절단부의 모양에 영향을 줄 수 있다.
커패시터(2906)는 힘, 압력, 또는 하중을 측정하기 위한 센서의 예이다. 커패시터(2906)는 리머(2902)의 측정가능 범위에 걸쳐 탄성적으로 압축가능하다. 더 상세하게는, 커패시터(2906)를 포함하는 절연 물질이 가해진 힘, 압력 또는 하중 하에서 압축한다. 절연 물질이 힘, 압력 또는 하중으로 인해 두께가 감소함에 따라 커패시터의 용량은 증가한다. 반대로, 커패시터에 가해진 힘, 압력, 또는 하중이 줄어들고 이로써 용량값을 감소시킴에 따라 절연 물질은 두께가 증가한다. 커패시터(2906)는 리머(2902)의 절단 헤드의 표면(2904)의 상이한 위치에 결합된다. 커패시터(2906)는 표면(2904)을 가로질러 분포되어 힘, 압력 또는 하중 크기 및 차동적인 힘, 압력, 또는 하중 크기를 물질 제거 공정 동안에 상이한 표면 영역에 제공한다. 커패시터(2906)에 의해 측정되는 표면 영역은 리머(2902)의 궤적과 함께 변할 것이다. 측정 데이터는 최적의 보철 부품 맞춤을 위한 뼈 리밍 공정을 지원하기 위해 사용될 수 있다.
일 구현예에서, 커패시터(2906)는 도 21 내지 도 25에 개시된 바와 같은 배선 내에 형성될 수 있다. 배선은 폴리이미드를 포함하는 하나 이상의 절연막 또는 기판을 포함할 수 있다. 폴리이미드막은 신축성이 있거나, 비평탄면을 따를 수 있거나 소정의 모양을 갖고 형성될 수 있다. 커패시터(2906)는 장치와의 용량성 결합을 줄이도록 하나 이상의 차폐물을 포함할 수 있다. 차폐물은 접지에 연결될 수 있으며 물리적으로는 커패시터(2906)의 전도 영역과 배선의 외부 환경 사이에 있을 수 있다. 차폐물은 커패시터의 전도 영역일 수 있다. 일 구현예에서, 제1 차폐물은 커패시터의 전도성 영역 위에 놓여서 형성되며 제2 차폐물은 커패시터의 전도성 영역의 아래에 놓여 형성된다. 차폐물은 커패시터(2906)의 용량값을 바꿀 수 있는 기생 용량을 최소화한다.
배선은 커패시터(2906)의 전도성 영역과 결합되는 하나 이상의 폴리이미드막 상에 형성될 수 있다. 배선은 각각의 커패시터의 용량에 대응하는 신호를 생성하기 위한 전자 회로(미도시)에 커패시터(2906)를 결합할 수 있다. 커패시터(2906)는 리머(2902)의 절단 헤드의 표면(2904)와 결합된다. 실시예에서, 커패시터(2906)는 표면(2904)의 모양에 대응하는 곡면 또는 비평탄면을 따를 수 있다. 일 구현예에서, 배선 및 커패시터(2906)는 절단 헤드 내에 있으며, 이로써 외부 환경으로부터 격리된다. 배선은 커패시터(2906)의 용량을 측정하기 위한 전자 회로와 결합된다. 이 전자 회로는 리머(2902)의 절단 헤드 또는 핸들 내에 수용될 수 있다. 전자 회로는 배터리, 유도성 전원, 슈퍼 커패시터 또는 그 밖의 저장 매체와 같은 전원을 포함할 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 커패시터(2906)의 용량은 인가된 힘, 압력 또는 하중과 관계있을 수 있다. 실시예에서, 전자 회로는 용량값과 관계 있는 복수의 커패시터(2906)의 각각의 커패시터를 위한 신호를 생성한다. 전자 회로는 커패시터(2906)로부터 측정 데이터를 보내기 위한 송신 및 수신 소자를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 측정 데이터는 원격 시스템(2818)에 송신된다. 원격 시스템(2818)은 측정 데이터를 보여주기 위한 디스플레이(2820)을 포함할 수 있다. 데이터 처리가 원격 시스템(2818)에 의해 수행되어 측정 데이터를 힘, 압력, 또는 하중으로 변환할 수 있다. 궤적 데이터 및 힘, 압력, 또는 하중 측정치는 정보의 신속한 평가를 허용하는 시각적 포맷으로 제공될 수 있다. 사용자가 작동 영역에 대한 직접 시청을 요구할 때 가청 피드백이 디스플레이(2820)를 보충하기 위해 제공될 수 있다. 원격 시스템(2818)이 정량적 측정 데이터를 분석해서 정보를 리머(2902)에 송신할 수 있는데, 사용자에 의해 지시된 대로 궤적 또는 힘, 압력 또는 하중에 장치에 촉각 또는 그 밖의 타입의 피드백을 리머가 제공한다. 리머(2902)에 의해 제공된 정량적 데이터가 실시간으로 제공되어, 이 변화가 디스플레이(2820) 상의 골반(2908) 상에서 뼈 제거에 어떻게 영향을 미치는지를 사용자가 보게 한다.
도 30은 힘, 압력, 또는 하중을 측정하기 위한 방법을 개시한다. 이 방법에 대한 설명은 도 1, 도 4, 도 6, 도 8, 도12, 도 13, 도 19, 도 21 내지 도 25, 및 도 27 내지 도 29와 관계있으며 이 도면들을 참조할 수 있다. 방법(3000)의 단계는 개시된 순서로 제한되지 않는다. 더욱이, 방법(3000)은 또한 도시된 것 보다 더 많은 수의 단계 또는 더 적은 수의 단계를 구비할 수 있다. 단계(3002)에서, 힘, 압력, 또는 하중이 커패시터에 인가된다. 힘, 압력, 하중에서의 변화는 커패시터의 용량에서의 대응하는 변화를 초래한다. 일 구현예에서, 커패시터는 배선 위에 또는 안에 형성된다. 커패시터의 절연 물질은 탄성적으로 압축가능하다. 단계(3004)에서, 커패시터의 적어도 하나의 전도성 영역은 차폐되어 용량성 결합을 줄인다. 일 구현예에서, 차페물은 커패시터의 플레이트인 커패시터의 전도성 영역을 포함할 수 있다. 대안적으로, 차폐물은 별도의 구조물일 수 있다. 차폐물은 접지되어 커패시터에 대한 기생 용량 또는 결합을 최소화할 수 있다. 차폐물은 커패시터의 외부 환경과 차폐되는 커패시터의 활성 전도 영역 또는 플레이트 사이에 있을 수 있다. 나아가, 차폐물은 측정 정확도에 영향을 줄 수 있는 가변적인 기생 용량을 줄일 수 있다. 접지된 전도 영역은 활성 전도 영역과 외부 환경 사이에 있을 수 있다. 단계(3006)에서, 커패시터를 전자 회로와 결합시키는 배선이 용량성 결합을 더 줄이기 위해 차폐된다. 차폐물은 커패시터의 배선일 수 있다. 예컨대, 접지된 배선은 신호를 나르는 배선과 외부 배선 사이에 위치되어, 외부 환경에서 소자로부터의 용량성 결합을 예방한다. 대안적으로, 차폐물은 별도의 구조물일 수 있다. 커패시터와 배선을 위한 차폐는 매우 작은 용량?의 측정을 지원한다. 측정된 용량에서의 변화가 총 용량과 비교해서 작을 수 있다. 차폐는 총 용량이 변하는 것을 예방하며, 이로써 10pF 미만의 용량 변화가 측정되게 한다.
따라서, 작은 용량값 및 용량에서의 작은 변화를 측정하기 위해 본 명세서에서 하나의 시스템이 제공된다. 이 시스템은 작은 폼 팩터, 높은 신뢰도, 측정 정확도, 및 저 비용을 지원한다. 힘, 압력 및 하중 측정용 커패시터는 이 커패시터를 전자 회로와 결합하기 위해 사용된 배선 내에 형성될 수 있다. 커패시터는 절연 물질의 실질적으로 탄성 압축성 영역 내에서 작동된다. 배선 내에 커패시터를 형성하는 것은 시스템 복잡도를 줄이고, 신뢰도를 개선하며, 일관성을 초래하며, 조립 단계를 줄인다.
힘, 압력 또는 하중 하에서 커패시터의 용량에 대응해서 하나의 신호가 생성된다. 이 신호는 소정의 횟수 동안 반복된다. 다수의 측정 사이클의 경과 시간을 측정하는 것이 사용되어 측정 사이클의 평균 시간 기간을 생성할 수 있는데, 이는 측정되는 파라미터에서의 변화가 생리적 변화와 관련해서 천천히 발생할 때, 이를테면, 근골격계 내에서 발생할 때이다. 측정 데이터가 분석되어 정확하고, 반복적이고, 높은 정밀도 및 높은-해상도 측정을 달성할 수 있다. 본 명세서에 개시된 시스템은 포착된 데이터의 정밀도 또는 해상도의 수준의 설정이 감지 및 데이터 처리 동작의 대역폭을 포함하는, 주파수와 측정 해상도 사이의 절충을 최적화하는 것을 가능하며, 따라서, 감지 모듈 또는 장치가 측정치의 해상도를 손상시키지 않고 자신의 최적 동작점에서 작동하게 한다. 이는 다수의 개별적인 여기 및 수송 사이클의 수송 시간을 평균내는 대신에 다수의 여기 및 수송 시간 사이클의 누적에 의해 달성된다. 그 결과는 물리계에서 관심있는 파라미터의 정확하고, 반복적이고, 높은 정밀도 및 높은-해상도 측정치이다.
탄성 압축성 커패시터를 사용한 측정은 높은 감도 및 높은 신호대 잡음비를 가능하게 한다. 시간 기반 측정치는 대부분의 오류원에 대체로 둔감한데, 이 오류는 전압 또는 전류 구동 감지 방법 및 장치에 영향을 줄 수 있다. 동작의 수송 시간에서의 결과적인 변화는 신속히 측정될 수 있으며 높은 해상도를 갖는 주파수에 대응한다. 이는 필요한 측정 정확도 및 정밀도를 달성하며 따라서, 관심있는 물리 파라미터에서의 변화를 포착하고, 이 파라미터의 동적 및 정적 거동에 대한 분석을 가능하게 한다.
나아가, 평균 측정값 데이터 값을 추정하기 위해 나누기 전에 개별적인 용량성 측정치를 합산하는 것이 동일한 수의 샘플을 평균내는 것보다 더 우수한 결과를 초래한다. 디지털 카운터로부터 수집된 횟수 데이터의 해상도는 카운터 내의 최하위 비트 (least significant bit: LSB)에 의해 제한된다. 일련의 횟수를 포착해서 이 횟수를 평균내는 것은 단일 횟수의 정밀도인 이 LSB보다 더 큰 정밀도를 낳지 않는다. 개별적인 측정치 사이에 임의 변동이 있는 경우, 평균내기는 최종 추정치의 임의성을 줄인다. 누적 횟수를 획득하기 위해 다수의 측정 사이클의 횟수를 합산한 후에 전체 측정 기간에 거쳐 평균을 계산하는 것은 카운터의 LSB보다 더 작은 측청치의 성분을 보간함으로써 측정치의 정밀도를 개선시킨다. 이 절차에 의해 얻은 정밀도는 합산된 측정 사이클의 수에 의해 나누어진 카운터의 LSB의 해상도와 유사하다.
도 31는 일 구현예에 따른 복수의 센서를 구비하는 보철 부품(3100)을 예시한다. 일반적으로, 보철 관절 및 보철 부품의 설치를 지원하는 단기의 수술 중 감지되는 보철 부품에 대한 요구가 있다. 유사하게, 보철 관절이 장기간 관절을 모니터링할 센서를 포함하는 것에 대한 요구가 있다. 보철 부품(3100)은 실험 보철 부품으로서 또는 신체 내에서의 장기간 사용을 위한 영구적인 보철 부품으로서 사용될 수 있다. 보철 부품(3100)은 이 실시예에서 경골 보철 부품으로서 예시된다. 보철 부품(3100)은 고관절, 무릎, 어깨, 척추, 발목, 팔꿈치, 발가락, 손, 또는 뼈 이식에서의 사용을 위해 구성될 수 있다. 보철 부품(3100)은 구조물(3102), 구조물(3104), 배선(3106), 하중 패드(3108), 및 전자 회로(3110)를 포함한다.
보철 부품(3100)은 통상적으로, 티타늄, 티타늄 합금, 코발트, 코발트 합금, 강, 강 합금과 같은 금속을 포함한다. 이 물질은 관절 상의 근골격계에 의해 생긴 하중을 취급하는데 적합하다. 대안적으로, 보철 부품(3100)은 고분자 물질로 형성될 수 있다. 하나의 이러한 적합한 물질은 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)이다. PEEK는 높은 인장 강도를 갖는 반결정 열가소성 수지이며 열적, 물관련, 또는 생물학적 열화에 잘 견딘다. PEEK는 보철 부품에 필요한 복잡한 모양을 형성하기 위해 성형될 수 있다. PEEK는 경량이며 접착에 의해 뼈에 고정될 수 있다. 복수의 PEEK 부품이 기밀한 밀봉을 형성하기 위해 함께 용접될 수 있다. PEEK는 통신에 또는 센서 검출에 사용된 신호를 전달하는 추가적인 혜택이 있다.
구조물(3102)은 적어도 하나의 지지면을 포함한다. 도시된 바와 같이, 구조물(3102)은 지지면(3112) 및 지지면(3114)을 포함한다. 지지면(3112 및 3114)은 삽입물(3116)을 수용한다. 삽입물(3116)은 관절면(3118) 및 관절면(3120)을 포함하는데, 이 관절면들은 관절의 이동을 지원한다. 관절면(3118 및 3120)은 각각 지지면(3112 및 3114) 위에 놓인다. 관절면(3118 및 3120)에 가해진 힘, 압력 또는 하중은 대응하는 힘, 압력 또는 하중을 지지면(3112 및 3114)에 가한다. 가볍게 하중 인가된 영역은 지지면(3112)과 지지면(3114) 사이에 상주한다. 일 구현예에서, 하우징(3122)이 가볍게 하중인가된 영역 내의 구조물(3102) 내에 형성된다. 하우징(3122)은 보철 부품(3100)의 측정 활동을 제어하는 전자 회로(3110)을 수용하기 위한 공동을 포함한다.
구조물(3104)은 뼈와 결합되는 적어도 하나의 특징부를 포함한다. 이 실시예에서, 경골의 근위부가 구조물(3104)를 수용하도록 준비된다. 손잡이부(3124)가 경골의 수질관 안으로 삽입될 수 있다. 손잡이부(3124)는 구조물(3104)을 경골에 대해 정렬해서 지지한다. 구조물(3104)은 보철 부품(3100)을 제 자리에 단단히 고정하기 위해 경골에 접착될 수 있다. 대안적으로, PEEK를 포함하는 구조물(3104) 또는 금속 구조물은 뼈 성장을 지원하는 지점을 포함할 수 있다. 구조물(3104)은 뼈를 고정하는 그리고 뼈 성장 호르몬을 제공하는 특징부를 포함한다. 뼈는 구조물(3104)을 경골과 융합시키는 보철 부품 안에 그리고 그 주위에 성장할 수 있다. 고정을 위해 뼈 성장을 활용하는 것은 또한 접착제 또는 그 밖의 결합제와 함께 사용될 수 있다.
일 구현예에서, 세 개의 센서는 센서 어레이를 포함한다. 각각의 무릎 부분을 위한 센서 어레이가 존재한다. 각각의 센서 어레이는 무릎 부분의 하중 및 이 하중의 위치를 측정하기 위해 사용된다. 삽입물(3116)의 관절면(3118)은 보철 부품(3100)의 제1 무릎 부분에 대응한다. 유사하게, 삽입물(3116)의 관절면(3120)은 보철 부품(3100)의 제2 무릎 부분에 대응한다. 관절면(3118 및 3120)에 가해진 힘, 압력 또는 하중은 각각 구조물(3102)의 지지면(3112) 및 지지면(3114)에 인가된다. 구조면(3112 및 3114)은 이 힘, 압력 또는 하중을 대응하는 센서 어레이에 전달한다. 하중 패드(3108)는 관절면(3118 및 3120)에 대응하는 소정의 위치에 있다. 하중 패드(3108)는 소정의 위치에서의 이 힘, 압력 또는 하중을 측정용의 하부 센서에 전달한다. 따라서, 인가된 힘, 압력, 또는 하중의 힘, 압력 또는 하중 크기 및 위치가 제1 및 제2 무릎 부분에서 세 개의 센서에 의한 측정치로부터 계산될 수 있다. 하중의 위치는 관절면(3118 및 3120) 상의 위치로 다시 옮겨질 수 있다. 센서는 구조물(3104)의 지지면(3126) 및 지지면(3128) 위에 놓인다. 지지면(3126 및 3128)은 각각 제1 및 제2 무릎 부분과 대응할 수 있다. 일 구현예에서, 지지면(3126 및 3128)은 하중인가 하에서 단단하다.
하중을 측정하기 위한 센서는 초음파 도파로, 압전 저항 센서, MEMS 센서, 응력 게이지, 고분자 센서, 역학적 센서, 및 용량성 센서와 같은 장치일 수 있다. 이 실시예에서, 보철 부품(3100)의 폼 팩터는 센서의 높이를 제한한다. 수동 보철 부품(예컨대, 센서를 구비하지 않음)에서, 구조물은 단일 장치로서 형성된다. 지지면의 두께는 대략 2mm이다. 일반적으로, 지지면(3126 및 3128)과 결합된 지지면(3112 및 3114)의 조합 두께는 그 사이의 센서와 함께 2mm 이하에서 유지될 수 있다. 따라서, 이 센서는 실질적으로 2mm 미만 두께인 폼 팩터를 필요로 한다. 일 구현예에서, 센서는 탄성 압축성 용량성 센서이다. 센서의 영역은 측정될 하중 범위 및 센서가 탄성으로 남아있는 압축가능한 범위에 의해 결정된다. 위에서 개시된 바와 같이, 하나의 측정 기법이 적용될 수 있는데, 이 기법은 용량에서의 작은 변화에 민감하며, 이는 측정 정확도, 정밀도 및 반복성을 허용한다. 일 구현예에서, 탄성 압축성 커패시터는 배선(3106) 내에 형성된다.
전자 회로(3110)는 구조물(3102)의 하우징(3122)에 의해 형성된 공동 내에 들어맞을 수 있다. 일 구현예에서, 공동은 보철 부품(3100)의 하적된 또는 가볍게 하중인가된 영역 내에 형성된다. 하우징(3122)의 하적된 또는 가볍게 하중인가된 영역은 지지면(3112)과 지지면(3114) 사이이다. 따라서, 전자 회로(3110)는 관절의 정상 동작 하에서 발생하는 충격력 및 하중으로부터 보호된다. 배선(3106) 및 그 안에 있는 센서는 전자 회로(3110)와 결합된다. 배선(3106)은 센서를 전자 회로(3110)와 결합하는 배선을 포함한다. 공동이 구조물(3104)의 표면 상에 형성된다. 공동(3130)은 구조물(3104)의 지지면(3126 및 3128)에서 전자 회로(3110)까지 결합하는 배선(3106)을 지지한다. 공동(3130)은 배선(3106)용 길을 하우징(3122)에 제공한다.
일반적으로, 구조물(3102)은 구조물(3104)과 결합해서 보철 부품(3100)을 형성한다. 일 구현예에서, 구조물(3102 및 3104)은 주변부 주위에서 함께 용접되어 기밀한 밀봉을 형성한다. 전자 회로(3110), 센서, 및 배선(3106)은 보철 부품(3100) 내에 수용되어 외부 환경으로부터 기밀하게 밀봉된다. 대안적으로, 구조물(3102 및 3104)은 접착되거나 기계적으로 함께 고정되어 기밀성을 유지한다. 구조물(3102 및 3104)은 가스, 액체 또는 고체의 유입 또는 유출을 예방하는 밀봉부 또는 오링(O-ring)을 더 포함할 수 있다.
배선(3106)은 각각 구조물(3104)의 지지면(3126 및 3128)과 결합한다. 이전에 언급된 바와 같이, 하중 패드(3108)는 각각의 센서를 지지면(3112) 및 지지면(3114) 상의 제각각의 위치에 결합한다. 이 실시예에서, 하중 패드(3108)는 삽입물(3116)의 관절면(3118 및 3120)에 대응하는 각각의 무릎 부분 내의 영역을 경계짓는다. 관절면(3118 및 3120)에 가해진 힘, 압력 또는 하중이 각각 구조물(3102)의 지지면(3112 및 3114)에 전달된다. 표면(3112)과 표면(3114)은 유연하며 단단하지 않다는 것이 주목되어야 한다. 각각의 표면은 하부 센서가 압축하게 하는 충분한 유연성을 갖는다. 일 구현예에서, 표면(3112 및 3114)은 얇으며 유연성을 달성하도록 얇게 만들어진다. 구조물(3102)의 표면(3112 또는 3114)과 구조물(3104)의 표면(3126 또는 3128)의 조합 두께는 대략 2mm일 수 있다. 구조물(3102)의 표면(3112 및 3114)은 유연하게 만들어지도록 1mm 미만 두께일 수 있다. 대안적으로, 지지 구조물(3112 및 3114)은 고분자 물질과 같은 유연한 물질을 포함할 수 있다.
이 실시예에서, 각각의 센서에 가해진 하중이 계산될 수 있다. 하중 크기는 세 개의 개별적인 측정치의 조합에 대응한다. 가해진 하중의 위치가 센서의 고정된 위치에서 측정된 하중 크기로부터 계산될 수 있다. 전자 회로(3110)는 입력/ 출력 소자, 타이밍 소자, 변환 소자, 로직 소자, 전력 관리 소자, 송신 및 수신 소자의 다수 채널을 포함한다. 전자 회로(3110)는 측정 공정을 작동 또는 제어할 소프트웨어 프로그램을 저장하기 위한 메모리를 더 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 저 전력 해법으로 아날로그와 디지털 소자를 조합하기 위해 ASIC이 사용된다. ASIC는 전자 회로(3110)의 폼 팩터를 줄여서, 이 소자가 구조물(3102)의 하우징(3122) 내에 들어맞게 한다. 전자 회로(3110)는 본 명세서에서 그리고 참고문헌으로 병합된 개시물에 설명된 소자를 포함할 수 있다. 전자 회로(3110)는 송신 소자 및 데이터를 센서에서 원격 시스템으로 송신하기 위한 안테나를 포함한다. 전자 회로(3110)는 원격 시스템으로부터 정보 및 프로그램 명령어를 수신하도록 수신 소자를 더 포함할 수 있다. 원격 시스템은 데이터를 보고하기 위한 디스플레이를 구비하는 휴대용 장치일 수 있다. 원격 시스템은 추가적인 검토 및 분석을 위해 데이터를 데이터베이스에 송신할 수 있다.
도 32은 예시적인 구현예에 따른 구조물(3102)의 횡단면도를 예시한다. 횡단면도는 제1 및 제2 무릎 부분 사이의 가볍게 하중인가된 영역에 대한 것이다. 이 도면은 전자 회로(3110) 아래에 놓인 하우징(3122)의 부분을 포함한다. 하우징(3122)은 전자 회로를 외부 환경으로부터 보호 및 격리한다.
도 33은 예시적인 구현예에 따른 보철 부품(3100) 및 삽입물(3116)을 예시한다. 구조물(3102)은 구조물(3104)과 결합된다. 일 구현예에서, 기밀한 밀봉부(3302)가 형성되는데 이 밀봉부는 구조물(3102 및 3104)을 연결시킨다. 구조물(3102 및 3104)은 조립을 지원하는 위치 및 정렬 특징부를 구비할 수 있다. 구조물(3102 및 3104)의 주변부는 전체 둘레 주위에서 서로 근접해 있을 수 있다. 일 구현예에서, 구조물(3102 및 3104)은 강 또는 티타늄의 합금을 포함한다. 기밀한 밀봉부(3302)는 구조물(3102)을 구조물(3104)에 용접함으로써 형성된다. 용접은 보철 부품(3100) 주변을 둘러싸서, 외부 환경으로부터 센서 및 전자 회로를 밀봉시킨다. 용접은 구조물(3102)의 금속을 구조물(3104)와 연결해서 인접한 구조물을 형성한다. 센서 및 전자 회로(3110)는 외부 환경으로부터 격리되어, 보철 부품(3100) 내에서 완전히 에워싸인다. 이 용접이 형성되어 작은 압력 또는 무압력이 센서에 인가된다. 구조물(3102 및 3104)을 결합하는 것으로 인한 임의의 오프셋이 장치 교정 동안에 보상될 수 있다. 보철 부품(3100)은 관절 상태에 대한 정기적인 데이터를 제공하기 위한 장기간 이식으로서의 사용에 적합하다. 구조물이 PEEK로 형성되는 경우, 유사한 접근법이 수행될 수 있다. 대안적으로, 접착제, 역학적 결합, 및 밀봉부를 사용하는 그 밖의 접근법이 구조물(3102 및 3104)를 함께 연결하기 위해 사용되어 기밀한 밀봉부를 형성할 수 있다.
삽입물(3116)이 보철 부품의 트레이에 끼워진다. 보철 부품(3100)의 트레이는 삽입물(3116)을 보유하기 위한 하나 이상의 특징부를 구비할 수 있다. 삽입물(3116)은 통상적으로, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 고분자 물질을 포함한다. 관절면(3118 및 3120)은 관절의 또 다른 보철 부품(미도시)과 접속한다. 이 실시예에서, 관절면(3118 및 3120)은 대퇴부 보철 부품의 관절구 표면과 접속한다. 근육, 힘줄 및 인대는 보철 관절이 움직이게 해서, 관절면(3118 및 3120)은 서로에 대해 부품의 이동을 허용한다. 삽입물(3116)은 수동 부품일 수 있거나 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다.
도 34는 예시적인 구현예에 따른 배선(3106)과 결합된 전자 회로(3110)를 예시한다. 전자 회로(3110)는 배선(3106)과 결합하기 위한 하나 이상의 커넥터를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 센서는 탄성 압축성 용량성 센서이다. 커패시터는 배선(3106) 내의 하중 패드(3108) 아래에 놓여서 형성된다. 하중 패드(3108)는 비-전도성 물질 또는 전동성 물질을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 하중 패드(3108)는 단단하고 비-압축성이어서, 힘, 압력 또는 하중을 하부 커패시터에 전달한다. 비-전도성 하중 패드는 고분자 물질을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 하중 패드(3108)는 구리 또는 구리 합금과 같은 전도성 금속을 포함하는데, 이 구리 또는 구리 합금은 배선(3106)의 표면 위에 도금된다. 이 전도성 하중 패드(3108)는 커패시터의 하부 플레이트와 전기적으로 결합된다.
일 구현예에서, 커패시터는 신축성있는 폴리이미드 기판 위에 또는 안에 형성될 수 있다. 하중 패드, 커패시터, 및 배선은 리소그래피 기법을 사용해서 정확히 그리고 반복가능하게 형성될 수 있다. 폴리이미드 기판은 보철 부품 내에 들어맞는데 적합하게 매우 얇게 만들어질 수 있다. 커패시터는 탄성적으로 압축가능한 범위 내에서 작동된다. 하중 패드(3108) 아래 놓인 각각의 커패시터는 도 21의 커패시터(2100)와 유사하다. 커패시터(2100)는 기계적으로 직렬로 3개의 커패시터를 그리고 전기적으로 병렬로 2개의 커패시터를 포함한다. 힘, 압력 또는 하중이 커패시터(2204, 2206, 및 2208)를 가로질러 인가된다. 일 구현예에서, 커패시터(2204)는 전기적으로 회로 내에 있지 않는데, 그 이유는 커패시터(2204)의 두 개의 플레이트가 공통으로 연결되기 때문이다. 전기적으로, 센서 커패시터는 전기적으로 병렬로 결합되는 커패시터(2206 및 2208)을 포함한다. 일 구현예에서, 커패시터(2206)의 플레이트와 커패시터(2208)의 플레이트가 접지에 연결된다. 접지된 플레이트(2112 및 2116)은 각각 배선의 외부 환경과 플레이트(2108 및 2110) 사이에 있다. 유사하게, 커패시터(2100)에서 전자 회로까지의 배선은 유사한 토폴로지를 갖는다. 접지된 배선(2124 및 2126)은 외부 환경과 신호 전달 배선(2122) 사이에 있는데, 이 배선은 플레이트(2108 및 2110)을 연결시킨다. 따라서, 기생 용량이 이 차폐물에 의해 최소화된다. 나아가, 임의의 기생 용량은 일정하며 가변적이지 않다.
용량 크기 및 크기에서의 변화는 도 18 및 도 19에서 개시된 소자 및 방법을 사용해서 정확히 측정될 수 있다. 도 33 및 도 34를 간단히 참조하면, 힘, 압력 또는 하중이 관절면(3118 및 3120)에 인가된다. 힘, 압력 또는 하중은 관절면(3118 및 3120)으로부터 각각 지지면(3112 및 3114)으로 전달된다. 이전에 언급된 바와 같이, 지지면(3112 및 3114)은 유연해서, 힘, 압력 또는 하중이 하중 패드(3108)를 통해 하부 센서에 전달된다. 이 센서는 지지면(3126 및 3128)에 의해 지지되는데, 이 지지면은 단단하고 유연하지 않다. 센서 커패시터에 가해진 힘, 압력 또는 하중은 구조물을 압축한다. 커패시터 플레이트 사이의 절연막이 압축된다. 센서 커패시터의 용량값은 절연막의 두께와 관계있다. 따라서, 용량 및 용량에서의 변화를 측정하는 것은 인가된 힘, 압력 또는 하중과 관계있을 수 있다.
반복적인 신호가 센서 커패시터에 인가된다. 일반적으로, 이 센서는 시간 기간 내에 소정의 전압 수준 사이에서 충전 및 방전된다. 반복적인 신호의 단일 파형의 시간 기간은 측정 사이클이다. 측정 사이클의 시간 기간은 커패시터의 용량에 대응한다. 파형 또는 신호가 소정의 횟수만큼 반복된다. 측정 시퀀스는 소정의 횟수 동안 반복된 파형을 포함한다. 측정 시퀀스의 경과 시간이 측정된다. 경과 시간은 소정의 수의 파형을 생성하는데 필요한 시간이다. 힘, 압력 또는 하중은 이 측정 시퀀스 동안 유지된다. 센서 커패시터의 측정된 경과 시간은 힘, 압력, 또는 하중 측정치와 상관관계가 있다. 커패시턴스와 힘, 압력 또는 하중 사이의 관계는 알려져 있다. 일 구현예에서, 각각의 용량성 센서는 보철 부품의 조립 후에 알려진 힘, 압력 또는 하중값과 비교될 수 있다. 측정치는 보철 부품 내에 수용된 전자 회로의 일부인 메모리 내에 저장될 수 있다. 절연체의 비-선형 압축과 측정치 사이의 보간을 고려할 수 있는 각각의 커패시터의 최종 시험 동안에 교정 기법 또는 알고리즘을 이용해서 추가적인 개량이 달성될 수 있다. 미측정 해상도가 이 기법에 의해 증가될 수 있는데, 이는 힘, 압력 또는 하중이 증가된 수의 소정의 파형에 걸쳐서 실질적으로 일정한 경우이다. 더욱이, 용량 변화가 힘, 압력 또는 하중 측정 범위에 걸쳐 비교적 작은 측정을 해상도는 지원한다.
도 35은 예시적인 구현예에 따른 조립된 보철 부품(3100)을 예시한다. 보철 부품(3100)은 구조물(3104)에 결합된 구조물(3102)을 포함한다. 보철 부품(3100)은 전자 회로 및 센서를 수용한다. 기밀한 밀봉부(3302)는 구조물(3102)을 구조물(3104)과 연결시킨다. 일 구현예에서, 기밀한 밀봉부(3302)는 주변부 주위의 인접한 용접부이다. 언급된 바와 같이, 용접은 지지면 아래에 놓인 센서에 하중을 가하지 않거나 가볍게 인가한다. 이 실시예에서, 보철 부품(3100)은 경골 보철 부품이다. 구조물(3102)은 적어도 하나의 관절면을 구비하는 삽입물을 수용하기 위한 트레이를 포함한다. 경골 보철 부품은 단일의 또는 이중의 부품 장치일 수 있다. 구조물(3104)은 뼈와 결합하기 위한 손잡이부(3124)를 포함한다. 이 실시예에서, 손잡이부(3124)는 경골과 결합된다.
도 36은 예시적인 구현예에 따른 보철 부품(3100)의 부분적인 횡단면도를 예시한다. 횡단면도는 기밀한 밀봉부(3302)가 구조물(3102 및 3104)를 함께 결합하는 주변부 주위의 영역 내이다. 이 실시예에서, 센서(2100)가 포함된다. 센서(2100)는 배선(3106) 내에 형성된다. 하중 패드(3108)는 센서(2100) 상에 형성된다. 신호 결합 및 기생 용량을 최소화하도록 배선(3106)은 센서의 차폐를 더 예시한다.
횡단면도는 하중 감지를 위한 보철 부품(3100)의 센서(2100)의 배치를 예시한다. 구조면(3104)의 지지면(3128)은 센서(2100)를 지지한다. 이 실시예에서, 지지면(3128)은 단단하다. 전도성 영역(2116)은 배선(3106) 내에 형성된 커패시터의 플레이트다. 배선(2126)은 전도성 영역(2116)을 전자 회로(3110)와 연결시킨다. 전도성 영역(2116) 및 배선(2126)은 지지면(3128)과 결합된다. 이 실시예에서, 전도성 영역(2116) 및 배선(2126)은 접지에 연결된다. 전도성 영역(2116)은 센서(2100)의 전도성 영역(2110 및 2108)과의 신호 또는 기생 결합을 예방하기 위한 차폐물로서 작용한다. 유사하게, 배선(2126)은 신호 또는 기생 결합을 예방하도록 배선(2124)을 위한 차폐물로서 작용한다. 일 구현예에서, 지지면(3128)은 금속과 같은 전도성 물질을 포함한다. 따라서, 구조물(3104)은 전도성 영역(2116) 및 배선(2126)을 통해 접지에 연결된다. 구조물(3104)은 용량성 센서와의 신호 또는 기생 결합을 예방하기 위한 차폐물로서 작용한다.
구조물(3102)의 지지면(3114)은 하중 패드(3108) 및 센서(2100)에 의해 지지된다. 하중 패드(3108)는 하중을 센서(2100)에 분산시킨다. 지지면(3114)은 그 위에 위치된 하중에 유연하다. 일 구현예에서, 지지면(3114)은 구부러짐을 허용하도록 얇게 만들어진다. 일반적으로, 지지면(3114)은 전체 하중 범위에 걸쳐 단거리를 편향한다. 센서(2100)는 총 절연 두께의 대략 20%를 탄성적으로 압축할 수 있다. 일 구현예에서, 센서(2100)의 압축률은 총 절연 두께의 10% 이하로 제한된다. 예컨대, 본 명세서에 개시된 바와 같은 커패시터는 통상적인 보철 부품 하중 센서의 하중 범위에 걸쳐서 대략 0.00254mm를 압축할 수 있다. 일 구현예에서, 직렬의 적층된 세 개의 용량성 센서, 적층 물질, 및 절연 물질은 대략 0.0076mm의 최대 하중 하에서 총 압축률을 산출한다. 따라서, 지지면(3112 또는 3114)은 전체 하중 범위에 걸쳐 상당히 구부러지지 않는다. 하중 패드(3108)는 지지면(3114) 상의 알려진 위치와 결합된다. 알려진 위치 또한 삽입물의 관절면 상의 지점과 관계 있다. 측정된 하중 크기를 비교함으로써 하중이 관절면과 결합되는 곳을 판단하기 위해 센서 각각의 알려진 위치는 사용된다. 단일 센서가 도시되나, 배선(3106) 내에 형성된 그 밖의 센서가 구조물(3102 및 3104)에 유사하게 결합된다. 기밀한 밀봉부(3302)는 구조물(3102 및 3104)를 함께 연결시킨다. 기밀한 밀봉부(3302)는 구조물(3102 및 3104)의 물질을 녹이고 연결하는 용접부일 수 있다.
전도성 영역(2112)은 배선(3106) 내에 형성된 커패시터의 플레이트다. 배선(2124)은 전도성 영역(2112)을 전자 회로(3110)와 연결시킨다. 이 실시예에서, 전도성 영역(2112) 및 배선(2124)은 접지에 연결된다. 전도성 영역(2108) 및 전도성 영역(2110)은 배선(3106) 내에 형성된 커패시터의 플레이트다. 센서(2100)의 전도성 영역(2108 및 2110)배선(2124)은 비어(2120)에 의해 공통으로 연결된다. 배선(2122)은 전도성 영역(2108 및 2110)을 전자 회로와 연결시킨다. 배선(2122)은 신호를 전자 회로로부터 센서(2100)로 전달해서 커패시터를 측정한다. 전도성 영역(2112)은 절연막(2104)에 의해 전도성 영역(2108)로부터 분리된다. 유사하게, 전도성 영역(2116)은 절연막(2016)에 의해 전도성 영역(2110)으로부터 분리된다. 전도성 영역(2108 및 2110)은 절연막(2102)에 의해 분리되나 이전에 언급된 바와 같이 공통으로 연결된다. 일 구현예에서, 절연막(2102, 2104 및2106)은 폴리이미드를 포함한다. 이산화 규소, 질화 규소, 마일러, 및 그 밖의 고분자와 같은 그 밖의 절연체가 사용될 수 있다. 배선(3106) 및 센서(2100)는 증착, 도금, 및 리소그래피 기법에 의해 기판 상에 형성될 수 있다.
센서(2100)의 커패시터는 세 개의 커패시터를 기계적으로 직렬로 포함한다. 지지면(3114)에 가해진 힘, 압력 또는 하중은 세 개의 커패시터를 압축한다. 제1 커패시터는 전도성 영역(2112), 절연막(2104), 및 전도성 영역(2108)을 포함한다. 제2 커패시터는 전도성 영역(2108), 절연막(2102), 및 전도성 영역(2110)을 포함한다. 제3 커패시터는 전도성 영역(2108), 절연막(2106), 및 전도성 영역(2116)을 포함한다. 전기적으로, 센서(2100)의 커패시터는 병렬로 결합된 제1 및 제3 커패시터를 포함한다. 제1 및 제3 커패시터는 공통으로 연결된 전도성 영역(2108 및 2110)을 구비한다. 유사하게, 제1 및 제3 커패시터의 전도성 영역(2112 및 2116)은 접지에 연결된다. 전도성 영역(2112 및 2116)은 각각 배선(3106) 외부의 결합 및 기생 용량으로부터 전도성 영역(2108 및 2110)을 차폐시킨다. 유사하게, 배선(2124 및 2126)은 배선(3106) 외부의 신호 결합 및 기생 용량으로부터 배선(2122)을 차폐시킨다.
구조물(3102 및 3104)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 티타늄, 코발트, 및 강 합금이 보철 부품(3100)을 제조하는데 사용된 전도성 물질이다. 배선(3106)을 지지면(3128) 위에 위치시키는 것은 전도성 영역(2116) 및 배선(2126)을 구조물(3104)과 연결시킨다. 전도성 영역(2116) 및 지지면(3128)은 공통으로 접지에 연결된다. 유사하게, 하중 패드(3108)는 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 구리 또는 구리 합금과 같은 물질이 배선(3106)의 표면에 증착 또는 도금될 수 있다. 하중 패드(3108)는 전도성 영역(2112) 및 배선(2124)에 결합된다. 지지면(3114)이 하중 패드(3108)에 의해 전도성 영역(2112) 및 배선(2124)에 결합된다. 이전에 언급된 바와 같이, 전도성 영역(2112) 및 배선(2124)은 접지에 연결된다. 따라서, 구조물(3102 및 3104)이 접지에 연결된다. 대안적으로, 구조물(3102 및 3104)은 센서(2100) 이외의 대체 경로를 통해 접지에 연결된다. 일 구현예에서, 전자 회로 및 센서(2100)는 보철 부품(3100) 내에 수용된다. 구조물(3102 및 3104)은 차폐물을 형성하는데, 이 차폐물은 외부 환경 내의 기생 결합 및 기생 용량으로부터 전자 회로(3110) 및 센서(2100)를 격리한다. 이 설계는 커패시터에 구축된 차폐물을 더 포함하는데, 이는 배선(3106) 외부의 기생 결합 및 기생 용량을 예방 또는 최소화시킨다. 커패시터 센서가 이 실시예에서 사용되나, 보철 부품(3100) 내의 하중 센서는 응력 게이지, MEMS 장치, 압전 저항 센서, 역학적 센서, 고분자 센서 및 초음파 센서 중 하나를 포함할 수 있다.
도 37은 예시적인 구현예에 따른 구조물(3102)을 예시한다. 환자의 관절 영역 내에 설치될 때 보철 부품(3100)의 구조물(3102)은 관절 외부에 노출되는 적어도 하나의 영역을 포함한다. 이 도면은 투과 영역(3702)을 포함하는 구조물(3102)의 하우징(3122)을 도시한다. 일 구현예에서, 투과 영역(3702)은 유리, PEEK, 플라스틱 또는 고분자를 포함한다. 투과 영역(3702)은 강 합금, 티타늄, 코발트, 합금, 또는 금속을 포함하는 하우징(3122)의 벽 내의 개구부에 접합될 수 있다. 일 구현예에서, 하우징(3122)은 전자 회로를 수용한다. 대안적으로, 구조물(3102)의 일부 또는 전부는 PEEK와 같은 고분자를 포함할 수 있는데, 이 고분자는 스펙트럼 중 일부에 대해 투과성이다. 일 구현예에서, 투과 영역(3702)은 센서 신호 및 통신 신호에 대해 투과성이다. 예컨대, 구조물(3102)이 전도성 물질을 포함하고 전도성 물질이 접지될 때 신호는 차단될 수 있다. 보철 부품(3100)은 장치 내에 수용된 전자 회로 및 센서에 대한 차폐물로서 작용한다. 투과 영역(3702)은 음향, 초음파, 무선 주파수, 적외선, 및 빛과 같은 신호에 대해 투과성일 수 있다. 투과 영역(3702)은 관절 영역 주위의 그리고 이에 인접한 영역에 노출된다. 일 구현예에서, 관절 내에 그리고 주위에 상주하는 윤활액을 모니터링하기 위해 창(3702)이 사용될 수 있다.
센서는 또한 투과 영역(3702)에 또는 근처에 위치될 수 있다. 센서는 전자 회로(3110)와 함께 실장될 수 있다. 전자 회로(3110)는 배선 및 커넥터를 구비하는 하나 이상의 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있다. 집적 회로, ASIC 장치, 전원, 통신 소자, 디지털 로직, 변환기, 전력 관리, 및 그 밖의 시스템이 작은 폼 팩터 안에 함께 결합될 수 있다. 일 구현예에서, ASIC은 폼 팩터를 최소화하기 위해 그리고 전력 소비를 낮추기 위해 많은 특징부를 조합한다. 센서 및 통신 소자는 신호의 송신 및 수신을 허용하는 투과 영역(3122)에 인접한 전자 회로(3110) 상에 위치된다. 배향성 안테나가 투과 영역(3702)에 인접해서 위치되어 정보를 원격 시스템에 보내고 수신할 수 있다.
일반적으로, 센서는 관절 영역에 인접해 있는 윤활액을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 윤활액은 근골격 관절에서 발견되는 자연윤활유이다. 윤활액은 팔꿈치, 무릎, 어깨, 고관절 및 그 밖의 부분과 같은 관절에서 발견된다. 윤활액은 뮤신, 알부민, 지방, 상피, 및 백혈구를 포함한다. 윤활유는 또한 관절 반구 연골에 영양분을 공급한다. 윤활액은 관절 충격을 완화하고 뼈 및 연골이 이동 범위에 걸쳐 서로 접촉할 때 마찰을 줄인다. 윤활액은 또한 산소 및 그 밖의 영양소를 연골 및 관절의 그 밖의 영역에 전달할 수 있다. 유사하게, 윤활액은 관절 영역으로부터 폐기물을 제거하기 위한 수송 방법으로서 작용한다. 윤활액은 관절 내에 그리고 주위에 남아있는다. 윤활액은 윤활유를 제자리에 유지시키는 윤활막에 의해 보유된다.
관절 건강과 윤활액의 상태 사이에 강한 상관관계가 존재한다. 온도, 수소이온농도(pH), 색깔, 탁도, 점도, 포도당, 및 단백질을 측정하는 센서가 윤활액을 분석하기 위해 사용될 수 있다. 센서들은 관절 건강을 판단하기 위해 개별적으로 또는 서로 협력해서 사용될 수 있다. 보철 부품(3100)은 관절을 모니터링하기 위한 센서들 중 하나 이상을 포함한다. 이 실시예에서, 관절은 감염에 대해 모니터링된다. 새로 이식된 관절 내의 감염은 중요한 문제이다. 관절 이식을 받은 환자는 자신이 감염되었는지를 판단하기는 것이 종종 어렵다. 수술 자체 및 관절 재활치료는 감염의 초기 증상을 감출 수 있다. 보철 관절은 감염이 완화없이 성장하기에 이상적인 장소이다. 격리되는 그러나 박테리아를 번식시킬 수 있고 발육을 도울 수 있는 영양소를 구비하는 보철 관철 내의 영역들이 존재한다. 감염은 상당한 건강 위험, 항생제 치료, 증가한 재활 치료, 장기간 입원, 및 상당한 비용으로 이끌 수 있다. 감염이 상당한 경우, 보철 관절의 제거를 필요로 하는 시나리오가 존재한다. 감염이 진정되고 그후 새 보철 관절이 이식될 때까지 환자는 움직이지 못한다. 이러한 상황 하에서 환자 트라우마는 상당할 수 있다. 보철 관절(3100)은 관절에 국부적인 감염을 검출하거나, 의사 또는 의료인에게 알리거나 적절한 행동을 시기 적절하게 취할 수 있다.
일 구현예에서, 온도가 모니터링될 수 있다. 온도 센서(3704)가 투과 영역(3702)에 인접해서 실장될 수 있다. 온도 센서(3704)는 온도 데이터를 수신하기 위한 전자 회로(3110)에 결합된다. 일 구현예에서, 전자 회로(3110)는 센서와 결합하기 위한 다수의 입출력 채널을 구비한다. 온도 센서(3704)는 관절의 온도를 모니터링한다. 일 구현예에서, 온도 센서(3704)는 윤활액의 온도를 측정한다. 윤활액의 측정은 주기적으로 발생할 수 있다.
온도 차이가 건강한 무릎과 감염된 무릎 사이에서 검출될 수 있다. 이 실시예에서, 온도 센서(3704)는 윤활액의 정상 온도로 교정된다. 교정은 주기적으로 발생할 수 있는데, 그 이유는 정상 온도가 환자 상태에 따라 변하기 때문이다. 절대 온도 및 온도에서의 변화가 모니터링된다. 정상으로부터 온도에서의 변화는 감염의 조짐일 수 있다. 이 실시예에서, 온도 센서는 MEMS 센서, 열전대, 서미스터 또는 그 밖의 온도 측정 장치일 수 있다.
일 구현예에서, 수소이온농도지수(pH)가 모니터링될 수 있다. pH 센서(3706)가 투과 영역(3702)에 인접해서 실장되어, pH 데이터를 수신하기 위한 전자 회로(3110)에 결합될 수 있다. 온도와 유사하게, pH 센서(3706)는 정상 pH로 초기에 교정되어 주기적으로 재-교정될 수 있다. 정상보다 더 낮은 pH는 감염의 존재를 나타낼 수 있다. 절대 pH 및 시간에 따른 차동 pH의 측정이 사용되어 박테리아 증가를 검출할 수 있다. 일반적으로, 건강한 무릎은 대략 7.23의 pH를 갖는다. 감염된 무릎은 대략 7.06의 pH를 갖는다. 이 장치는 개별 환자의 특징을 위해 교정된다. pH 센서는 MEMS pH 센서, 이식가능한 pH 마이크로센서, 정전기 pH 센서, 또는 그 밖의 pH 측정 장치일 수 있다.
일 구현예에서, 탁도 및 색깔이 모니터링될 수 있다. 탁도는 유체 내의 입자의 부유로 인한 흐림 또는 희부연 상태의 척도이다. 예컨대, 윤활액은 감염이 증가함에 따라 탁해진다. 박테리아, 박테리아 폐기물, 및 백혈구가 존재하나 윤활액 내에 부유될 수 있는 미립자 중 일부이다. 증가한 박테리아 성장으로 인해 감염이 악화됨에 따라 탁도는 증가한다. 유사하게, 윤활액의 색깔은 감염이 증가함에 따라 변한다. 예컨대, 건강한 윤활액은 비교적 맑은 유체이다. 관절 상태가 건강함에서 비염증성으로, 비염증성에서 염증성으로, 그리고 염증성에서 패혈성으로 바뀜에 따라 윤활액은 색깔을 바꾼다. 비염증성 윤활액은 노란 맑은 유체로서, 이 유체는 골관절염과 같은 관절 관련 문제를 나타낸다. 윤활액은 자신의 윤활 및 감쇠 특성을 보유하면서 점성을 보일 것이다. 염증성 윤활액은 색깔이 노랗다. 염증성 윤활액은 희부옇고 맑지 않다. 또한 옅은 농도(watery consistency)를 갖는 점성 특성 중 일부를 잃을 것이다. 염증성 윤활액은 류마티스성 관절염 또는 감염과 같은 문제를 나타낼 수 있다. 패혈성 윤활액은 색깔이 어두운 노랑 내지 빨강일 수 있다. 더욱이, 패혈성 윤활액은 불투명하다. 윤활액은 많은 개수의 박테리아, 곰팡이, 백혈구 및 적혈구를 함유할 수 있다. 색깔, 탁도, 또는 이 둘의 조합을 측정하는 것은 관절 건강을 판단하기 위해 사용될 수 있다.
이 실시예에서, 발광 다이오드(LED, 3708) 및 포토다이오드 어레이(3710)와 같은 광학 센서가 색깔 및 탁도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 일 구현예에서, LED(3708) 및 포토다이오드 어레이(3710)는 투과 영역(3702) 내에 위치지정된다. LED(3708) 및 포토다이오드 어레이(3710)는 보철 부품(3100) 내에 수용되며 전자 회로(3110)의 일부와 결합되거나 그 일부일 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 투과 영역(3702)은 빛에 대해 투과성인 유리일 수 있다. LED(3708)는 백색광을 포토다이오드로 직접 송신할 수 있다. 포토다이오드는 포토다이오드 어레이(3710)의 일부이거나 별도의 장치일 수 있다. 포토다이오드는 LED(3708)의 교정을 위해 그리고 이 장치에 의해 출력된 빛 또는 세기에서의 변화를 검출하기 위해 사용될 수 있다. LED(3708)는 또한 윤활액의 샘플을 비춘다. 도시된 바와 같이, LED(3708)에 의해 방출된 빛이 보철 부품(3100)에 인접한 윤활액에 투과 영역(3702)를 통해 송신된다. 일 구현예에서, 빨간색, 녹색, 및 청색 광학 필터를 각각 구비하는 세 개의 포토다이오드가 윤활액을 통해 송신된 빛을 검출한다. 각각의 포토다이오드는 빨간색, 녹색 및 청색의 상대적인 기여도를 측정한다. 이 기여도는 교정 포토다이오드에 의한 측정치에 대응하는 교정값과 비율계량 방식으로 비교된다. 교정값은 흰색 빛의 적색, 녹색, 및 청색 성분에 대응한다. 두 개 이상의 투과 영역이 빛을 보내고 수신하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 하나 이상의 장벽 또는 투과 영역이 사용되어 빛을 윤활액으로 방향지정해서, LED(3708)로부터의 직접적인 빛이 포토다이오드 어레이(3710)로 방사하는 것을 예방할 수 있다.
측정용 방정식은 다음과 같을 수 있다:
r = 적색, g = 녹색, b = 청색, c = 교정
색깔 = [r, g, b] / (r + g + b)
탁도 = (r + g + b) / 3c
포토다이오드 어레이(3710)에 의해 측정된 색깔이 알려진 감염 색깔 데이터와 비교될 수 있다. 유사하게, 포토다이오드 어레이(3710)에 의해 측정된 탁도가 알려진 탁도 색깔 데이터와 비교될 수 있다. 색깔 및 탁도 측정 둘 다는 보철 부품(3100)에 의해 취해질 수 있다. 조합에서 이 두 가지 측정을 사용하는 것은 진단의 추가적인 개량을 허용하는 데이터를 제공할 수 있으며, 따라서 더 우수한 평가 및 치료 방법론을 제공할 수 있다. 나아가, 주기적인 측정을 취하고 색깔 및 탁도 측정치를 비교하는 것은 변화율을 나을 수 있다. 감염이 증가하거나 감소하는지를 판단하기 위해 이 변화율이 사용될 수 있다. 감염 치료가 성공적인지를 판단하기 위해 시간에 따라 측정치를 비교하는 것이 사용될 수 있다. 센서를 보철 부품 내에 위치시키는 것은 감염을 예방하는데 있어서 상당한 혜택을 갖는다. 통계적으로, 대부분의 감염은 관절 이식 직후에 또는 수술 후 처음 몇 달 내에 발생한다. 수술 상처가 낫고 관절의 재활치료가 발생한 후에 감염은 덜 발생한다. 수술로 인한 그리고 재활치료 동안의 고통이 또한 감염 증상을 감출 수 있다. 감염이 발생하면, 이는 관절에 인접한 국부적 감염으로서 시작할 것이다. 감염이 몸 전체에 확산되기 전에 관절에 국부적인 감염을 보철 부품(3100)이 식별할 수 있다는 것이 제1 혜택이다. 감염 치료가 관절 영역에 국부적일 수 있다는 것이 제2 혜택이다. 관절에 인접해서 방출될 수 있는 항생제를 보철 부품(3100)이 또한 포함할 수 있다는 것이 제3 혜택이다. 보철 부품(3100)이 원격 시스템 및 데이터베이스와 통신할 수 있다는 것이 제4 혜택이다. 원격 시스템은 의사를 만나도록 환자에게 알림을 제공할 수 있다. 원격 시스템은 또한 분석 및 치료를 위해 의사에게 데이터를 제공할 수 있다.
장기간 관절 모니터링 방법이 보철 부품(3100)을 사용해서 개시된다. 이 방법은 도시된 단계보다 더 많거나 적은 단계들과 함께 실시될 수 있으며, 도시된 단계의 순서로 제한되지 않는다. 이 방법은 예시적인 경골 보철 부품의 예로 제한되지 않으며 고관절, 어깨, 발목, 팔꿈치, 척추, 손, 발, 및 뼈에 사용될 수 있다. 제1 단계에서, 전자 회로 및 하나 이상의 센서가 보철 부품 내에 수용된다. 제2 단계에서, 보철 부품에 인접한 윤활액의 특징이 주기적으로 측정된다. 이 특징은 감염 또는 그 밖의 문제의 존재를 판단하기 위해 사용될 수 있다. 측정된 특징의 실시예는 온도, pH, 색깔, 탁도, 점도, 포도당 레벨, 및 단백질이다. 제3 단계에서, 측정치가 비교된다. 일 구현예에서, 변화가 발생했는지를 판단하기 위해 측정치가 하나 이상과 비교된다. 나아가, 시간에 따라 만들어진 다수의 측정치는 추세를 나타낼 수 있다. 또 다른 구현예에서, 감염 또는 식별되는 그 밖의 문제와 관계 있는 알려진 또는 소정의 값과 측정된 특징이 비교될 수 있다.
제4 단계에서, 윤활액의 색깔이 측정된다. 제5 단계에서, 윤활액의 색깔이 알려진 색깔 범위와 비교된다. 제6 단계에서, 감염이 존재하는지가 판단될 수 있다. 일 구현예에서, 이 비교는 알려진 윤활액 색깔과 유사한 색깔을 초래한다. 예컨대, 맑은 윤활액은 정상이다. 맑은 노란 윤활액은 염증 및 그 밖의 문제를 나타낼 수 있다. 희부연 노란 윤활액은 박테리아 및 그 밖의 문제의 존재를 나타낼 수 있다. 빨간 색조를 갖는 윤활액은 패혈증 및 윤활액 내의 혈액을 나타낼 수 있다.
제7 단계에서, 빨간색, 녹색 및 청색의 상대적인 기여도가 측정된다. 제 8단계에서, 각각의 색깔의 기여도는 상대적인 기여도의 합과 비율계량방식으로 비교된다. 윤활액의 색깔은 빨간색, 녹색 및 청색의 기여도를 평가함으로써 판단될 수 있다. 제9 단계에서, 색깔에서의 변화율이 판단된다. 감염 상태를 판단하기 위해 색깔에서의 이 변화율이 사용될 수 있다. 예컨대, 일단 감염이 검출되면, 이 변화율은 감염에서의 감소 또는 증가에 대응한다. 치료의 유효성을 판단하기 위해 이 변화율이 또한 사용될 수 있다. 치료 후에, 이 변화율은 감염에서의 감소를 나타내야 한다.
장기간 관절 모니터링 방법이 보철 부품(3100)을 사용해서 개시된다. 이 방법은 도시된 단계보다 더 많거나 적은 단계들과 함께 실시될 수 있으며, 도시된 단계의 순서로 제한되지 않는다. 이 방법은 예시적인 경골 보철 부품의 예로 제한되지 않으며 고관절, 어깨, 발목, 팔꿈치, 척추, 손, 발, 및 뼈에 사용될 수 있다. 제1 단계에서, 전자 회로 및 하나 이상의 센서가 보철 부품 내에 수용된다. 제2 단계에서, 보철 부품에 인접한 윤활액의 탁도가 주기적으로 측정된다. 이 탁도는 감염 또는 그 밖의 문제의 존재를 판단하기 위해 사용될 수 있다. 그 밖의 측정된 특징의 실시예는 온도, pH, 색깔, 탁도, 점도, 포도당 레벨, 및 단백질이다. 제3 단계에서, 탁도 측정치는 알려진 탁도 측정치 또는 소정의 탁도 범위와 비교된다. 일 구현예에서, 변화가 발생했는지를 판단하기 위해 주기적인 측정치가 비교된다. 나아가, 시간에 따라 취해진 다수의 탁도 측정치는 추세를 나타낼 수 있다. 또 다른 구현예에서, 측정된 특징이 감염 또는 식별되는 그 밖의 문제와 관계 있는 알려진 또는 소정의 탁도값과 비교될 수 있다. 제4 단계에서, 감염이 존재하는지가 판단될 수 있다. 탁도는 물질의 흐림 또는 희부연 상태의 척도이다. 예컨대, 건강한 윤활액은 맑다. 반대로, 감염된 윤활액은 박테리아의 존재로 인해 희부옇거나 흐리다. 더욱이, 감염의 심각성은 윤활액 내의 미립자의 수와 관계있을 수 있다. 미립자의 수가 많을수록, 감염이 더 심할 수 있다.
제5 단계에서, 탁도는 이전 탁도 측정치와 비교된다. 제6 단계에서, 탁도에서의 변화율이 판단된다. 일반적으로, 탁도가 증가하면, 감염 또는 문제가 악화되는데, 그 이유는 건강한 윤활액은 맑기 때문이다. 대안적으로, 치료가 제공되어 시간에 따른 탁도가 감소하면, 환자 건강이 개선된다. 제7 단계에서, 데이터가 원격 시스템에 무선으로 송신된다. 일 구현예에서, 원격 시스템은 제한된 송신 범위로 인해 보철 부품에 인접해 있다. 원격 시스템은 프로세서 및 그래픽 프로세서를 포함할 수 있다. 제8 단계에서, 빛이 보철 부품의 투과 영역을 통해 수신된다. 빛은 보철 부품에 인접한 윤활액으로 송신된다. 빛은 포토다이오드 어레이에 의해 검출되는 윤활액을 비춘다. 포토다이오드 어레이의 각각의 다이오드는 보철 부품의 투과 영역을 통해 유입광을 필터링하기 위한 필터를 구비할 수 있다.
도 38은 예시적인 구현예에 따른 보철 부품(3100) 및 원격 시스템(3802)을 예시한다. 원격 시스템(3802)은 설비, 도구, 컴퓨터, 노트 패드, 휴대폰, 스마트폰, 또는 의료 기기일 수 있다. 보철 부품(3100)으로부터 송신된 데이터가 원격 시스템(3802)에 의해 수신된다. 유사하게, 동작 및 센서 측정을 지원하는 보철 부품(3100)에 원격 시스템(3802)은 정보를 송신할 수 있다. 원격 시스템(3802)은 로직 소자, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 원격 시스템(3802)은 디스플레이를 구비하는 랩탑 컴퓨터이다. 원격 시스템(3802)은 보철 부품(3100)으로부터의 정량적 측정 데이터를 분석하기 위한 그리고 평가용 정보를 디스플레이하기 위한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 원격 시스템(3802)은 보철 부품(3100)의 전자 회로(3110)와의 결합을 위해 송신 소자, 수신 소자, 또는 둘 다를 포함한다. 유사하게, 전자 회로(3110)는 송신 소자, 수신 소자 또는 둘 다를 포함한다. 이 실시예에서, 전자 회로는 송신 및 수신 소자를 구비하는 ASIC을 포함한다. 일 구현예에서, 송신 및 수신 소자는 송신 영역(3702)을 통해 송신한다. 대안적으로, 그 밖의 송신 영역이 안테나 배치를 지원하기 위해 보철 부품(3100)에 추가될 수 있다. 또한, 보철 부품(3100)은 PEEk와 같은 고분자로 만들어질 수 있는데, 이 고분자는 신호의 송신 및 수신을 허용한다. 일 구현예에서, 원격 시스템(3802)으로의 데이터 송신은 짧은 거리이다. 송신 거리는 통상적으로 10m 미만이다. 설치된 보철 부품에서, RF 송신이 조직을 통해 이루어진다. 짧은 송신 거리는 인가되지 않은 데이터 수신을 줄인다. 일 구현예에서, 데이터 송신은 보안을 위해 암호화된다. 데이터는 원격 시스템(3802)에 의해 해독될 수 있다.
이 실시예에서, 하우징(3122)은 전자 회로(3110) 및 창(3702)을 포함한다. 창(3702)은 음향, 초음파, 무선 주파수, 적외선, 및 빛과 같은 신호에 대해 투과성일 수 있다. 보철 부품의 강, 티타늄, 코발트, 합금, 또는 금속에 접합되는 유리를 창(3702)은 포함할 수 있다. 대안적으로, 구조물(3102)의 일부 또는 전부는 플라스틱 또는 PEEK와 같은 고분자를 포함할 수 있는데, 이 고분자는 스펙트럼 중 일부에 대해 투과성이다. 창(3702)은 보철 관절의 그 밖의 부품에 의해 차단되지 않으며 관절 영역 주위의 그리고 이 영역에 인접한 영역에 노출된다. 일 구현예에서, 보철 관절에 인접한 영역을 모니터링하기 위해 창(3702)이 사용될 수 있다. 유사하게, 센서는 구조물(3102 또는 3104)에 고정되어 이 영역에 노출될 수 있다. 창(3702)은 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위해 사용될 수 있는데, 이 파라미터는 윤활액의 건강과 관계있다. 이 실시예에서, 광학 센서가 사용되어 색깔 및 탁도를 측정한다. 전자 회로(3110)가 복수의 센서 각각과 결합된다. 일 구현예에서, 채널이 각 센서에 할당된다. 이 채널은 직렬로 또는 병렬로 작동될 수 있다. 전자 회로(3110) 내의 로직 소자는 측정이 취해질 때를 제어한다. 측정 데이터는 송신될 때까지 전자 회로(3110) 상의 메모리 내에 저장될 수 있다. 측정 데이터는 디지털 포맷으로 변환될 수 있다. 복수의 정량적 파라미터 측정이 개별적으로 또는 조합해서 사용되어 건강 문제를 판단할 수 있다.
장기간 관절 모니터링 방법이 보철 부품(3100)을 사용해서 개시된다. 이 방법은 도시된 단계보다 더 많거나 적은 단계들과 함께 실시될 수 있으며, 도시된 단계의 순서로 제한되지 않는다. 이 방법은 예시적인 경골 보철 부품의 예로 제한되지 않으며 고관절, 어깨, 발목, 팔꿈치, 척추, 손, 발, 및 뼈에 사용될 수 있다. 제1 단계에서, 전자 회로 및 하나 이상의 센서가 보철 부품 내에 수용된다. 제2 단계에서, 보철 부품에 인접한 윤활액이 모니터링된다. 제3 단계에서, 윤활액의 특징이 측정된다. 측정된 특징의 실시예는 온도, pH, 색깔, 탁도, 점도, 포도당 레벨, 및 단백질이다. 제4 단계에서, 데이터가 원격 시스템에 보내진다. 이 데이터는 보철 부품으로부터 원격 시스템으로 무선으로 송신될 수 있다. 원격 시스템은 디지털 로직, 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 그래픽 프로세서, 통신 소자, 또는 아날로그 소자를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 신호의 전력 제약 및 신호가 이동하는 매체로 인해 송신은 10m 미만일 수 있다. 예컨대, 송신은 보철 부품과 외부 환경 사이에서 다수의 조직막을 통해 보내져야 한다.
제4 단계에서, 보철 부품에 의해 보내진 데이터가 분석될 수 있다. 데이터는 원격 시스템에 의해 분석될 수 있다. 데이터는 또한 그 밖의 설비, 장치, 컴퓨터, 또는 데이터베이스로 보내질 수 있다. 관절 또는 보철 시스템의 연구와 관련된 임상 데이터베이스를 생성하도록 데이터는 그 밖의 정보 또는 데이터와 조합될 수 있다. 제5 단계에서, 보고내용이 생성된다. 이 보고내용은 보철 부품 내의 센서에 의해 제공된 정량적 데이터에 기초한다. 제6 단계에서, 보고내용이 적어도 하나의 개체로 보내진다. 일반적으로, 이 보고내용은 보철 부품 내의 센서에 의해 생성된 정량적 데이터를 사용한다. 이 실시예에서, 센서 데이터는 관절에 인접한 윤활액의 분석일 수 있다. 이 보고내용은 행동이 취해지게 할 수 있다. 예컨대, 감염 또는 관절염과 같은 상태를 검출하는 것은 치료로 이끌 수 있다. 치료의 진척을 모니터링하기 위해 센서가 사용될 수 있다. 제7 단계에서, 윤활액의 온도가 측정될 수 있다. 제8 단계에서, 윤활액의 pH가 측정될 수 있다. 제9 단계에서, 윤활액의 색깔 또는 탁도가 측정될 수 있다. 보고내용은 환자로의 센서 데이터에 대한 상태 갱신만큼 간단하거나 의사, 외과의사 또는 병원과 같은 의료인에게 보내진 데이터의 측정된 모든 파라미터, 추세, 및 분석에 대한 상세한 목록일 수 있다. 이 개체는 이 정보를 사용할 권리가 있는 어떤 것 또는 누구나로 넓게 해석될 수 있다. 이 보고내용은 정보의 프라이버시를 유지하기 위해 암호화될 수 있다. 유사하게, 센서 데이터 또한 하중 데이터의 하중 및 위치를 포함할 수 있다. 관절에 대한 그리고 환자가 어떻게 보철에 적응하는지에 대한 운동학적 사안을 다루기 위해 이 센서 데이터가 사용될 수 있다.
도 39는 예시적인 구현예에 따른 전자 회로(3110) 및 구조물(3104)을 예시한다. 구조물(3104)은 본 명세서에 개시된 보철 부품(3100)의 부품이다. 구조물(3104)은 전자 회로(3110)를 수용하기 위한 공동(3902)을 포함할 수 있다. 공동(3902)은 구조물(3104)의 손잡이부(3124)로 연장한다. 일반적으로, 전자 회로는 구조물(3102), 구조물(3104), 또는 둘 다에 수용될 수 있다.
도 40은 예시적인 구현예에 따른 전자 회로(3110) 및 구조물(3104)을 예시한다. 구조물(3104)은 전자 회로(3110)를 수용하기 위한 공동(4002)을 포함할 수 있다. 전자 회로(3110)는 공동(4002)에 수평으로 배치된다. 공동(4002)은 보철 부품(3100)의 가볍게 하중인가된 영역 내의 배선(3106) 사이에 중심이 있다. 온도, pH, 광학, 포도당, 및 기타와 같은 센서가 하우징(3122) 내에 실장되어 전자 회로(3110)와 결합될 수 있다. 공동(4002)은 하우징(3122) 밑에 놓이며, 보철 부품(3100)에 인접해서 측정하기 위해 센서를 수용하도록 공간을 제공한다. 배선(3106)은 지지면(3126 및 3128) 위에 놓인다. 각각의 배선(3106)은 센서 어레이를 포함하며 무릎의 부분에 대응한다. 센서는 힘, 압력, 또는 하중을 측정하기 위해 배선(3016)의 하중 패드(3108) 아래에 놓인다. 전자 회로(3110)는 관절의 위치 정보를 제공하기 위해 가속도계를 포함할 수 있다.
도 41은 시스템(4100)의 형태로 기계의 예시적이고 도식적인 표현을 묘사하는데, 이 시스템 내에서 명령어 세트는, 실행될 때, 기계로 하여금 위에서 논의된 방법론 중 하나 이상을 수행하게 할 수 있다. 일 구현예에서, 기계는 독립형 장치로서 작동한다. 일부 구현예에서, 기계는 그 밖의 기계에 (예컨대, 네트워크를 사용해서) 연결될 수 있다. 네트워크 배치에서, 이 기계는 서버-클라이언트 사용자 네트워크 환경 내의 서버 또는 클라이언트 사용자 기계의 능력 내에서 또는 피어-투-피어 (또는 분산형) 네트워크 환경 내의 피어 기계로서 작동할 수 있다.
이 기계는 서버 컴퓨터, 클라이언트 사용자 컴퓨터, 개인용 컴퓨터 (PC), 태블릿 PC, 랩탑 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 제어 시스템, 로직 소자, 센서 시스템, ASIC, 집적 회로, 네트워크 라우터, 스위치 또는 브릿지, 또는 임의의 기계를 포함할 수 있는데, 이 임의의 기계는 해당 기계에 의해 취해질 행동을 명시하는 (순차적인 또는 다른방식의) 명령어 세트를 실행할 수 있다. 본 개시물의 장치는 넓게는, 음성, 화성 또는 데이터 통신을 제공하는 임의의 전자 장치를 포함한다는 것이 이해될 것이다. 나아가, 단일 기계가 예시되나, "기계"라는 용어는 또한 임의의 기계 모음을 포함하도록 취해질 것인데, 이 기계 모음은 본 명세서에 개시된 방법론 중 하나 이상을 수행하도록 명령어 세트(들)을 개별적으로 또는 협력해서 실행한다.
시스템(4100)은 프로세서(4102)(예컨대, 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 장치(GPU) 또는 둘 다), 메인 메모리(4104), 및 정적 메모리(4106)를 포함할 수 있는데, 이들은 버스(4108)를 통해 서로 통신한다. 시스템(4100)은 비디오 디스플레이 장치(4110)(예컨대, 액정 디스플레이(LCD)), 평판 패널, 고체 상태 디스플레이, 또는 음극선관(CRT)를 더 포함할 수 있다.
시스템(4100)은 입력 장치(4112)(예컨대, 키보드), 커서 제어 장치(4114)(예컨대, 마우스), 디스크 드라이브 장치(4116), 신호 발생 장치(4118)(예컨대, 스피커 또는 원격 제어기) 및 네트워크 인터페이스 장치(4120)을 포함할 수 있다.
디스크 드라이브 장치(4116)는 플래시 메모리와 같은 그 밖의 타입의 메모리일 수 있으며 기계-판독가능 매체(4122)를 포함할 수 있는데, 이 매체에 하나 이상의 명령어(예컨대, 소프트웨어(4124))가 저장되며, 이 명령어는 위에서 예시된 방법들을 포함하는 본 명세서에서 설명된 방법론 또는 기능 중 하나 이상을 구현한다. 명령어(4124)는 또한 메인 메모리(4104), 정적 메모리(4106) 내에 및/또는 시스템(4100)에 의한 실행 동안에는 프로세서(4102) 내에 완전히 또는 적어도 부분적으로 상주할 수 있다. 메인 메모리(4104) 및 프로세서(4102)는 또한 기계 판독가능 매체를 구성할 수 있다.
애플리케이션 특정 회로, 프로그래머블 로직 어레이 및 그 밖의 하드웨어 장치를 포함하나 이에 제한되지 않는 전용 하드웨어 실현예가 마찬가지로, 본 명세서에 설명된 방법을 실현하기 위해 구성될 수 있다. 다양한 구현예의 장치 및 시스템을 포함할 수 있는 응용예가 넓게는, 다양한 전자 및 컴퓨터 시스템을 포함한다. 일부 구현예는, 모듈 사이에서 그리고 이를 통해 전달되는 관련된 제어 및 데이터 신호를 가지고 두 개 이상의 특정 배선된 하드웨어 모듈 또는 장치에서 또는 어플리케이션 특정 집적 회로의 부분들로서 기능을 실현한다. 따라서, 예시적인 시스템은 소프트웨어, 펌웨어, 및 하드웨어 실현예에 적용가능하다.
본 개시물의 다양한 구현예에 따르면, 본 명세서에 설명된 방법은 컴퓨터 프로세서 상에서 작동하는 소프트웨어 프로그램으로서의 동작을 위해 의도된다. 나아가, 소프트웨어 실현예는 제한 없이 분산 처리를 포함하거나 부품/객체 분산 처리, 병렬 처리, 또는 가상 기계 처리가 또한 본 명세서에 설명된 방법을 실현하기 위해 구성될 수 있다.
본 개시물은 명령어(4124)를 담는 기계 판독가능 매체, 또는 전달된 신호로부터 명령어(4124)를 수신 및 실행할 수 있는 매체를 예견하는데, 이로써 네트워크 환경(4126)에 연결된 장치가 명령어(4124)를 사용해서 네트워크(4126)을 통해 통신하도록 음성, 화상 또는 데이터를 보내거나 수신할 수 있다. 명령어(4124)는 네트워크 인터페이스 장치(4120)을 통해 네트워크(4126) 상에서 추가로 송신 또는 수신될 수 있다.
기계 판독가능 매체(4122)가 단일 매체로서 예시적인 구현예에서 도시되나, "기계 판독가능 매체”라는 용어는 한 세트 이상의 명령어를 저장하는 단일 매체 또는 다수 매체(예컨대, 집중형 또는 분산형 데이터베이스, 및/또는 연관된 캐시 및 서버)를 포함하도록 취해져야 한다. "기계 판독가능 매체”라는 용어는 또한 임의의 매체를 포함하도록 취해져야 할 것인데, 이 매체는 기계에 의한 실행을 위한 명령어 세트를 저장, 인코딩 또는 전달할 수 있으며 기계로 하여금 본 개시물의 방법론 중 하나 이상을 수행하게 한다.
“기계 판독가능 매체”라는 용어는 이로써, 제한 없이 다음을 포함하도록 취해져야 한다: 하나 이상의 판독 전용 (비휘발성) 메모리, 램(RAM), 또는 그 밖의 재기록가능한 (휘발성) 메모리를 수용하는 그 밖의 패키지 또는 메모리 카드와 같은 고체 상태 메모리; 디스크 또는 테이프와 같은 광자기 또는 광학 매체; 및 송신 매체 내에 컴퓨터 명령어를 구현하는 신호와 같은 반송파 신호; 및/또는 유형의 저장 매체와 동등한 배포 매체로 고려되는 이메일 또는 그 밖의 자립적인 정보 보관소 또는 보관소 세트에 대한 디지털 파일 첨부물. 이로써, 개시물은, 본 명세서에 나열된 바와 같은 그리고 기술분야에서 인식되는 등가물 및 승계 매체를 포함하는, 기계 판독가능 매체 또는 분산 매체 중 하나 이상을 포함하는 것으로 고려되는데, 이 매체 안에 소프트웨어 실현예가 저장된다.
본 명세서가 구체적인 표준 및 프로토콜을 참조해서 구현예에서 실현되는 부품 및 기능을 설명하나, 본 개시물은 이러한 표준 및 프로토콜로 제한되지 않는다. 인터넷 및 그 밖의 패킷 교환형 네트워크 송신을 위한 표준(예컨대, TCP/IP, UDP/IP, HTML, HTTP) 각각은 최신 기술의 실시예를 나타낸다. 이러한 표준은 본질적으로 동일한 기능을 갖는 더 빠른 또는 더 효과적인 등가물에 의해 주기적으로 대체된다. 이로써, 동일한 기능을 갖는 대체 표준 및 프로토콜이 등가물로 고려된다.
도 42은 예시적인 구현예에 따른 측정 및 보고를 위한 통신 네트워크(4200)를 예시한다. 간단히, 통신 네트워크(4200)는 넓은 데이터 연결성을 그 밖의 장치 또는 서비스로 확장한다. 예시된 바와 같이, 측정 및 보고 시스템(4255)은 통신 네트워크 및 임의의 연관 시스템 또는 서비스와 통신관련 결합된다.
하나의 실시예로서, 측정 시스템(4255)은 관심있는 파라미터(예컨대, 각도, 하중, 균형, 거리, 정렬, 변위, 이동, 회전, 및 가속)을 예컨대 원격 서비스 또는 제공업자와 공유해서, 수술 상태 또는 결과에 대해 분석 또는 보고할 수 있다. 이 데이터는 예컨대, 진척을 모니터링하기 위해 서비스 제공업자와 또는 수술 모니터링 목적 또는 효험 연구를 위해 계획 관리자와 공유될 수 있다. 통신 네트워크(4200)은 전자 의료 기록(EMR) 시스템과 더 결부되어 건강 정보 기술 실습을 실현할 수 있다. 그 밖의 구현예에서, 통신 네트워크(4200)는 병원 정보 시스템(HIS), 병원 정보 기술(HIT) 및 병원 정보 관리(HIM), 전자 건강 기록(EHR), 처방 전달 시스템(CPOE) 및 지능형 진료 의사 결정 시스템(CDSS)에 통신관련 결합될 수 있다. 이는 상이한 정보 기술 시스템 및 소프트웨어 어플리케이션의 능력을 제공해서 데이터를 정확하게, 효과적으로, 그리고 일관되게 전달 및 교환하게 하고 교환된 데이터를 사용하게 한다.
이 통신 네트워크(4200)는 랜(LAN, 4201), 무선 랜(WLAN, 4205), 셀룰러 네트워크(4214), 및/또는 그 밖의 무선 주파수(RF) 시스템(도 4 참조)을 통해서 유선 또는 무선 연결성을 제공할 수있다. LAN(4201) 및 WLAN(4205)는 본사를 통해 예컨대, 인터넷(4220)에 통신관련 결합될 수 있다. 본사는 원격통신 서비스를 보급하기 위해 공통 네트워크 교환 설비를 수용할 수 있다. 원격통신 서비스는 재래식 전화 서비스(Plain Old Telephone Service: POTS), 및 케이블, HDTV, DSL, 인터넷 전화(VoIP), 인터넷 프로토콜 텔레비전(IPTV), 인터넷 서비스 등과 같은 광대역 서비스를 포함할 수 있다.
통신 네트워크(4200)는 공통 컴퓨팅 및 통신 기술을 활용해서 회선-교환 및/또는 패킷-교환 통신을 지원할 수 있다. 인터넷 및 그 밖의 패킷 교환형 네트워크 송신을 위한 표준(예컨대, TCP/IP, UDP/IP, HTML, HTTP, RTP, MMS, SMS) 각각은 최신 기술의 실시예를 나타낸다. 이러한 표준은 본질적으로 동일한 기능을 갖는 더 빠른 또는 더 효과적인 등가물에 의해 주기적으로 대체된다. 이로써, 동일한 기능을 갖는 대체 표준 및 프로토콜이 등가물로 고려된다.
셀룰러 네트워크(4214)는 GSM-GPRS, EDGE, CDMA, UMTS, WiMAX, 2G, 3G, WAP, 소프트웨어 정의 무선(SDR), 및 그 밖의 알려진 기술과 같은 다수의 접속 기술을 통해 음성 및 데이터 서비스를 지원할 수 있다. 셀룰러 네트워크(4214)는 이동 기기(4202)와 통신하기 위한 주파수-재사용 계획하에서 기본 수신기(4210)와 결합될 수 있다.
기본 수신기(4210)는 차례로, 이동 기기(4202)를 패킷 교환 링크를 통해 인터넷(4220)에 연결할 수 있다. 인터넷(4220)은 측정 시스템(4255)으로부터 이동 기기(4202)로 데이터를 배포하기 위해 어플리케이션 서비스 및 서비스 층을 지원할 수 있다. 이동 기기(4202)는 또한 무선 통신 채널을 사용해서 인터넷(4220)을 통해 그 밖의 통신 장치에 연결할 수 있다.
이동 기기(4202)는 또한 WLAN(4205)를 통해서 네트워크(4220)에 연결할 수 있다. WLAN은 국부적인 지리 영역 내에서 무선 접속을 제공한다. WLAN은 통상적으로, 기지국으로도 알려진 액세스 포인트(AP) 클러스터로 구성된다. 측정 시스템(4255)은 기지국 영역 내에서 랩탑(4203)과 같은 그 밖의 WLAN국과 통신할 수 있다. 통상적인 WLAN 실현예에서, 물리층은 802.11b 또는 802.11g WLAN 기술과 같은 다양한 기술을 사용한다. 물리층은 2.4GHz 대역 내에서 적외선, 주파수 호핑 확산 스펙트럼을, 2.4GHz 대역 내에서 직접 시퀀스 확산 스펙트럼을, 또는 예컨대, 5.8GHz ISM 대역 또는 더 높은 ISM 대역(예컨대, 24GHz 등) 내에서 그 밖의 접속 기술을 사용할 수 있다.
통신 네트워크(4200)을 통해, 측정 시스템(4255)은 데이터 교환을 위해 네트워크 상의 원격 서버(4230)과 또는 그 밖의 이동 기기와 연결을 확립할 수 있다. 원격 서버(4230)는 데이터베이스(4240)에 접속할 수 있는데, 이 데이터베이스는 국부적으로 또는 원격으로 저장되며 어플리케이션 특정 데이터를 담고 있을 수 있다. 원격 서버(4230)는 또한 어플리케이션 서비스를 직접 또는 인터넷(4220)을 통해 관리할 수 있다.
매우 적은 데이터가 이식된 정형외과 기기 상에 존재한다는 것이 주목되어야 한다. 데이터 대부분은 정형외과 기기를 분석함으로써 경험적으로 획득되는데, 이 장치는 인간을 대상으로 해서 또는 모의 사용시에 사용된다. 마모 패턴, 물질 문제, 및 실패 메커니즘이 연구된다. 정보가 이러한 타입의 연구를 통해 획득될 수 있으나, 측정 관점으로부터 초기 설치, 수술후 사용, 및 장기간 사용에 대한 실질적인 데이터를 초래한다. 각각의 사람이 상이한 것처럼, 각각의 장치 설치는 초기 하중, 균형 및 정렬에서 변동이 있어서 상이하다. 측정된 데이터를 갖고 정형외과 기기를 설치하기 위해 이 데이터를 이용하는 것은 이식 절차의 일관성을 꽤 증가시킬 것이며, 이로써 재작업을 줄이고 기기의 수명을 최대화한다. 적어도 하나의 예시적인 구현예에서, 측정된 데이터는 저장 및 분석될 수 있는 데이터베이스에 수집될 수 있다. 예컨대, 일단 측정된 데이터의 관련 샘플이 수집되면, 이식된 정형외과 기기의 수명 및 사용가능성을 최대화하기 위해 최적의 초기 측정된 설정치, 기하학적 구조, 및 정렬을 정의하기 위해 이 샘플이 사용될 수 있다.
본 발명은 주파수 보상, 물리계의 제어 또는 이를 위한 알람; 또는 관심있는 물리 파라미터를 모니터링하는 것 또는 측정하는 것을 제한 없이 포함하는 넓은 범위의 의료 및 비의료 응용예에 적용가능하다. 매우 작은 감지 모듈 또는 장치에서 획득가능한 정확도 및 반복가능성의 수준이 인체 전체에서 생리학적 파라미터를 모니터 또는 측정하는 많은 의료 응용예에 적용가능한데, 이 파라미터는 골밀도, 이동, 점도, 및 다양한 유체의 압력, 국부적인 온도 등을 제한없이 포함하며, 관, 림프, 호흡기, 소화계, 근육, 뼈, 및 관절, 그 밖의 연한 조직 영역, 및 간질액에서 응용예를 갖는다.
본 발명이 구체적인 구현예를 참조해서 설명되었으나, 많은 변경이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 이 구현예 및 자명한 변형예 각각은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 예견된다.

Claims (78)

  1. 근골격계의 파라미터를 측정하기 위한 시스템으로서,
    뼈와 결합하도록 구성된 적어도 하나의 특징부 및 투과 영역을 구비하는 보철 부품;
    전자 회로; 및
    상기 근골격계의 상기 파라미터를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 센서로서, 상기 전자 회로는 상기 적어도 하나의 센서에 결합되고 상기 보철 부품은 상기 전자 회로 및 상기 적어도 하나의 센서를 수용하는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보철 부품은 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 투과 영역은 유리를 포함하는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품은 상기 투과 영역 전체에 걸쳐 무선으로 데이터를 송신하도록 구성되는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품의 상기 투과 영역은 윤활액에 인접해서 위치되도록 구성되는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 근골격계는 상기 윤활액을 포함하는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 윤활액을 모니터링하도록 구성되는 광학 센서를 더 포함하는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 광학 센서는 상기 윤활액의 색깔을 모니터링하도록 구성되는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 광학 센서는 상기 윤활액의 탁도를 모니터링하도록 구성되는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윤활액의 수소이온농도지수(pH)를 측정하도록 구성된 pH센서를 더 포함하는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윤활액의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 더 포함하는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과 영역은 상기 보철 부품의 벽의 적어도 일부를 포함하는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품은 PEEK를 포함하는, 근골격계 파라미터 측정 시스템.
  14. 적어도 하나의 센서를 구비하는 보철 부품으로서, 상기 적어도 하나의 센서는 상기 보철 부품에 인접한 윤활액을 모니터링하도록 구성되는, 보철 부품; 및
    상기 적어도 하나의 센서와 결합되도록 구성된 전자 회로로서, 상기 적어도 하나의 센서 및 상기 전자 회로는 상기 보철 부품 내에 수용되는, 전자 회로를 포함하는, 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 보철 부품은 투과 영역을 포함하는, 시스템.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 광학 센서, pH 센서, 초음파 센서, 또는 온도 센서 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 투과 영역은 유리를 포함하는, 시스템.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품의 지지면에 인가된 힘, 압력 또는 하중 중 적어도 하나를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 더 포함하는, 시스템.
  18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품은 PEEK를 포함하는, 시스템.
  19. 적어도 하나의 센서로서, 상기 경골 보철 부품에 인접한 윤활액을 모니터링하도록 구성되는, 적어도 하나의 센서; 및
    상기 적어도 하나의 센서와 결합되도록 구성된 전자 회로로서, 상기 적어도 하나의 센서 및 상기 전자 회로는 상기 경골 보철 부품 내에 수용되는, 경골 보철 부품.
  20. 제19항에 있어서, 상기 경골 보철 부품의 지지면에 인가된 힘, 압력 또는 하중 중 적어도 하나를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 더 포함하는, 경골 보철 부품.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 경골 보철 부품은 PEEK 중 적어도 하나를 포함하는, 경골 보철 부품.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경골 보철 부품은 금속 또는 금속 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 경골 보철 부품.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경골 보철 부품은 투과 영역을 포함하는, 경골 보철 부품.
  24. 제23항에 있어서, 상기 투과 영역은 유리를 포함하는, 경골 보철 부품.
  25. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 광학 센서, pH 센서, 초음파 센서, 또는 온도 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 경골 보철 부품.
  26. 적어도 하나의 광학 센서; 및
    상기 광학 센서에 결합된 전자 회로로서, 상기 전자 회로는 상기 보철 부품 내에 수용되고, 상기 적어도 하나의 광학 센서 및 전자 회로는 상기 보철 부품에 인접해서 위치된 윤활액을 모니터링하도록 구성되는, 전자 회로를 포함하는, 보철 부품.
  27. 제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는,
    적어도 하나의 발광 다이오드; 및
    포토다이오드 어레이를 포함하는, 보철 부품.
  28. 제27항에 있어서, 상기 발광 다이오드로부터의 빛은 포토다이오드에 의해 수신되도록 구성되는, 보철 부품.
  29. 제28항에 있어서, 상기 포토다이오드 어레이는 상기 포토다이오드를 포함하는, 보철 부품.
  30. 제27항에 있어서, 상기 발광 다이오드로부터의 빛은 상기 보철 부품에 인접해서 위치된 윤활액을 비추도록 구성되는, 보철 부품.
  31. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 윤활액의 색깔을 측정하도록 구성되는, 보철 부품.
  32. 제26항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 센서는 빨간색, 녹색, 및 청색의 상대적인 기여도를 측정하도록 구성되는, 보철 부품.
  33. 제32항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 센서는 빨간색, 녹색, 및 청색의 각각의 색깔 기여도를 교정값의 합과 비율계량방식으로 비교하도록 구성되는, 보철 부품.
  34. 제33항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 센서는 빨간색, 녹색, 및 청색의 상대적인 기여도의 합을 상기 교정값의 세 배와 비율계량방식으로 비교하도록 구성되는, 보철 부품.
  35. 제26항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 센서는 윤활액의 탁도를 측정하도록 구성되는, 보철 부품.
  36. 전자 회로 및 하나 이상의 센서를 보철 부품 내에 수용하는 단계;
    상기 보철 부품에 인접해서 위치된 윤활액의 특징을 주기적으로 측정하는 단계; 및
    상기 윤활액의 측정치를 비교하는 단계를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 윤활액의 색깔을 측정하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 윤활액의 상기 색깔을 알려진 색깔 범위와 비교하는 단계; 및
    감염이 존재하는지를 판단하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  39. 제36항 내지 제38 항 중 어느 한 항에 있어서,
    빨간색, 녹색 및 청색의 상대적인 기여도를 측정하는 단계; 및
    각각의 색깔 기여도를 상기 상대적인 기여도의 합과 비율계량방식으로 비교하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  40. 제37항 또는 제38항에 있어서, 상기 색깔에서의 변화율을 판단하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  41. 제36항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윤활액의 온도 또는 pH 중 적어도 하나를 측정하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  42. 제36항 내지 제41 항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터를 원격 시스템에 무선으로 송신하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  43. 제42항에 있어서, 상기 데이터는 상기 윤활액의 상기 특징을 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  44. 제36항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품의 투과 영역을 통해 빛을 수신하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  45. 전자 회로 및 하나 이상의 센서를 보철 부품 내에 수용하는 단계; 및
    상기 보철 부품에 인접해서 위치된 윤활액의 탁도를 주기적으로 측정하는 단계를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 윤활액의 상기 탁도를 소정의 탁도 범위와 비교하는 단계; 및
    감염이 존재하는지를 판단하는 단계를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  47. 제46항 또는 제47 항에 있어서,
    상기 윤활액의 상기 탁도를 상기 윤활액의 이전 탁도 측정치와 비교하는 단계; 및
    상기 윤활액의 탁도에서의 변화율을 판단하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  48. 제45항 내지 제47 항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터를 원격 시스템에 무선으로 송신하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  49. 제48항에 있어서, 상기 데이터는 상기 윤활액의 상기 탁도의 측정치를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  50. 제45항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품의 투과 영역을 통해 빛을 수신하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  51. 제45항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윤활액의 온도 또는 pH 중 적어도 하나를 측정하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  52. 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에 결합된 전자 회로로서, 상기 전자 회로는 상기 보철 부품 내에 수용되고, 상기 온도 센서 및 전자 회로는 상기 보철 부품에 인접한 온도를 모니터링하도록 구성되는, 전자 회로를 포함하는, 보철 부품.
  53. 제52항에 있어서, 상기 전자 회로는 윤활액의 온도를 주기적으로 측정하도록 구성되는, 보철 부품.
  54. 제52항에 있어서, 상기 윤활액은 상기 보철 부품에 인접해서 위치되는, 보철 부품.
  55. 제52항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 회로는 건강한 관절의 온도로 교정하도록 구성되는, 보철 부품.
  56. 제52항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 센서는 MEMS 센서, 열전대 또는 서미스터 중 적어도 하나를 포함하는, 보철 부품.
  57. 제52항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 회로는 온도 데이터를 원격 시스템으로 보내도록 구성되는, 보철 부품.
  58. 제57항에 있어서, 상기 원격 시스템은 상기 보철 부품으로부터 데이터를 수신해서 분석하도록 구성되는, 보철 부품.
  59. 제52항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품은 상기 전자 회로에 결합된 적어도 하나의 하중 센서를 포함하는, 보철 부품.
  60. 제52항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품은 상기 전자 회로에 결합된 pH 센서 또는 광학 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 보철 부품.
  61. pH 센서; 및
    상기 pH 센서에 결합된 전자 회로로서, 상기 전자 회로는 상기 보철 부품 내에 수용되고, 상기 pH 센서 및 전자 회로는 상기 보철 부품에 인접한 pH를 측정하도록 구성되는, 전자 회로를 포함하는, 보철 부품.
  62. 제61항에 있어서, 상기 전자 회로는 윤활액의 pH를 주기적으로 측정하도록 구성되는, 보철 부품.
  63. 제62항에 있어서, 상기 윤활액은 상기 보철 부품에 인접해서 위치되는, 보철 부품.
  64. 제61항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 회로는 건강한 관절의 pH로 교정하도록 구성되는, 보철 부품.
  65. 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 pH 센서는 MEMS pH 센서, 이식가능한 pH 센서 또는 정전기 pH 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 보철 부품.
  66. 제61항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 회로는 pH 데이터를 원격 시스템으로 보내도록 구성되는, 보철 부품.
  67. 제66항에 있어서, 상기 원격 시스템은 상기 보철 부품으로부터 데이터를 수신해서 분석하도록 구성되는, 보철 부품.
  68. 제61항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품은 상기 전자 회로에 결합된 적어도 하나의 하중 센서를 포함하는, 보철 부품.
  69. 제61항 내지 제68항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보철 부품은 상기 전자 회로에 결합된 온도 센서 또는 광학 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 보철 부품.
  70. 전자 회로 및 하나 이상의 센서를 보철 부품 내에 수용하는 단계;
    상기 보철 부품에 인접해서 위치된 윤활액을 주기적으로 모니터링하는 단계;
    상기 윤활액의 특징을 측정하는 단계; 및
    데이터를 원격 시스템으로 보내는 단계를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  71. 제70항에 있어서,
    상기 데이터를 분석하는 단계;
    보고내용을 생성하는 단계; 및
    상기 보고내용을 적어도 하나의 개체에 보내는 단계를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  72. 제71항에 있어서, 상기 보고내용을 상기 적어도 하나의 개체에 보내는 단계는 상기 보고내용을 환자 또는 의사 중 적어도 하나에게 보내는 단계를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  73. 제70항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윤활액의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  74. 제73항에 있어서, 상기 데이터는 상기 온도를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  75. 제70항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윤활액의 pH를 측정하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  76. 제75항에 있어서, 상기 데이터는 상기 pH를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  77. 제70항 내지 제76항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윤활액의 색깔 또는 탁도 중 적어도 하나를 측정하는 단계를 더 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
  78. 제77항에 있어서,
    상기 데이터는 상기 색깔 또는 상기 탁도 중 적어도 하나를 포함하는, 장기간 관절 모니터링 방법.
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