TWI547257B - Methods and systems for assessing alignment of orthopedic implants with adjustable adaptive pressure sensors - Google Patents

Description

利用可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位的方法與系統

本發明係一種用於人工關節之骨科植入物的對位方法與系統，尤指一種利用可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位的方法與系統。

退化性關節炎是全世界最常見的關節疾病，退化性關節炎最終可能是需要手術治療的，此手術一般稱之為關節置換手術，該關節置換手術已成為臨床上非常普遍的手術，主要是以人工假體取代退化的人體關節，但手術的成功與否是取決於醫生的技術、經驗以及人工假體的合適性等。

近年來，隨著醫學影像與電腦的蓬勃發展，應用於關節置換手術的導航系統已越來越成熟。在關節置換手術中，導航系統可以幫助外科醫生對位與校準該人工假體，其使用手術前所拍攝的圖像與手術中的追蹤機制而能有效地評估自然的骨頭與人工假體關節部位之間彼此吻合的狀況，而且可以提高手術的安全性、準確性、減少人為造成的失誤以及大幅減少年輕醫生的學習時間，由此可知導航系統在關節置換手術中是非常重要的，然建置導航系統需要複雜的設備，因而產生很高的建置成本與訓練操作人力等問題。

如前揭所述，現有關節置換手術以導航系統輔助具有安全性與準確性高的優點，不過導航系統需要較高的建置成本而不易普及，因此本發明主要目的在提供一利用可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位的方法與系統，利用可調適性之壓力感應陣列偵測骨科植入物的壓力分佈，以判斷對位是否正確，具有成本低、準確率高與容易操作，解決現有關節置換手術以導航系統輔助之建置成本過高的問題。

為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述利用可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位系統，包含有： 　　一壓力感測陣列，其包含有多數壓力感測器； 　　一無線傳感器，其與壓力感測陣列電連接，該無線傳感器係接收壓力感測陣列之各壓力感測器的壓力訊號並轉換為一壓力分佈訊號以向外部傳輸； 　　一接收裝置，其接收無線傳感器的壓力分佈訊號，並顯示該壓力分佈訊號； 　　藉此，將前述壓力感測陣列置於一人工關節中，以感測該人工關節之骨科植入物的壓力分佈狀況，且顯示於接收裝置以判斷是否正確對位。

為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述利用可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位方法，包含有： 　　係於人工關節的一近端假體組件暫時性地設有一壓力感測陣列與一無線傳感器； 　　將人工關節的一遠端假體組件接合於前述近端假體組件，該遠端假體組件係抵靠於壓力感測陣列； 　　由無線傳感器接收壓力感測陣列之壓力訊號並向外部傳輸； 　　根據該壓力訊號計算遠端假體組件與近端假體組件之間的壓力分佈狀態； 　　若壓力分佈不均，則調整遠端假體組件，使遠端假體組件與近端假體組件可互相對位吻合； 　　若壓力分佈符合設定，則取出該壓力感測陣列與無線傳感器。

利用前述元件組成的利用可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位的方法與系統，主要係於進行關節置換手術時，於人工關節的近端假體組件(如髖臼)暫時性地設有壓力感測陣列，該壓力感測陣列具有可調適性以貼合於近端假體組件的表面，再將遠端假體組件(如股骨)接合於近端假體組件中，使該壓力感測陣列偵測遠端假體組件與近端假體組件之間的壓力分佈，若壓力分佈符合設定，代表遠端假體組件與近端假體組件對位正確，之後再取出壓力感測陣列與無線傳感器。由於本發明係利用微機電元件製成的壓力感測陣列與無線傳感器具有成本低、準確率高與容易操作，解決現有關節置換手術以導航系統輔助會有建置成本過高的問題。

關於本發明的較佳實施例，請參閱圖1所示，其包含有一壓力感測陣列10、一無線傳感器20與一接收裝置30，該無線傳感器20是與壓力感測陣列10電連接，又該無線傳感器20是以無線方式傳輸壓力感測陣列10偵測之壓力分佈訊號至接收裝置30，該接收裝置30連接有一顯示器31，該顯示器31用以顯示接收裝置30取得之壓力分佈訊號，以供使用者判斷該壓力感測陣列10之壓力訊號的狀況。

請配合參閱圖2與3所示，該壓力感測陣列10具有可調適性以貼合於一人工關節假體40的凹槽內並偵測所受接觸壓力，該壓力感測陣列10包含有多數壓力感測器11，該等壓力感測器11係呈規則狀排列，如圖3所示，該壓力感測陣列10是以10個壓力感測器11乘10個壓力感測器11的方式排列而呈矩形，但使用者可依人工關節假體40之凹槽的面積大小，選擇對應之壓力感測器11的數量與排列方式，例如排列為梯形或星形，本發明在此並不加以限制。

該無線傳感器20是分別與壓力感測陣列10之各壓力感測器11電連接，該無線傳感器20係接收壓力感測陣列10之各壓力感測器11偵測的壓力訊號並轉換為一壓力分佈訊號，且該無線傳感器20是透過無線方式向外部傳輸該壓力分佈訊號。於本較佳實施例中，該壓力感測陣列10與無線傳感器20可嵌入軟質聚合物中，該軟質聚合物為柔軟而有彈性的物質，如矽膠、橡膠、聚二甲基矽氧烷（PDMS）或其它聚合物(如高密度聚乙烯HDPS)等，並可配合人工關節假體40的曲線或弧度設計成不同的形狀和尺寸。該壓力感測陣列10可利用下列方式製成，如:MEMS之微機電元件、有機FETs材質之人工皮膚、奈米矩陣微結構或印在柔性基板上，該柔性基板係如橡膠介質(PDMS)(Mannsfeld et al, 2010; Takei et al, 2010)。

該接收裝置30具有一無線接收器(圖中未示)，該接收裝置30是接收無線傳感器20的壓力分佈訊號，並由前述顯示器31顯示該壓力分佈訊號。於本較佳實施例中，該接收裝置30是一個可以計算與顯示壓力分佈信號的電腦或行動運算系統。

請參閱圖4至6所示，係將壓力感測陣列10與無線傳感器20置於人工關節假體40中，該人工關節假體40包含有一遠端假體組件41與一近端假體組件42，於本較佳實施例中，是以髖關節(hip prosthesis)作說明但不限於此，該近端假體組件42是靠近人體髖骨的一端，而遠端假體組件41是指靠近大腿骨的一端，該近端假體組件42包含有一人工髖臼杯421與一陶瓷人工襯墊422，該人工髖臼杯421與陶瓷人工襯墊422皆呈半球狀並形成有開口，該人工髖臼杯421是固定於人體的一髖臼51處，該陶瓷人工襯墊422是接合於人工髖臼杯421的開口中；該遠端假體組件41包含有一陶瓷人工股骨球頭411與一人工股骨柄412，該陶瓷人工股骨球頭411是呈球狀以套入陶瓷人工襯墊422的開口中，該陶瓷人工股骨球頭411另具有一連接面，該連接面是與人工股骨柄412的一端連接，又人工股骨柄412的另端是固定於一股骨52中。

欲判斷人工關節假體40之遠端假體組件41與近端假體組件42是否正確對位吻合，是將該壓力感測陣列10以黏著劑暫時貼附於陶瓷人工襯墊422的凹槽中，當陶瓷人工股骨球頭411置入陶瓷人工襯墊422的凹槽中時，壓力感測陣列10之各壓力感測器11即會產生壓力訊號，當對位吻合之後，記錄髖臼51與股骨52的相對位置，並於股骨52標示記號，然後將髖臼51與股骨52短暫分離取出壓力感測陣列10與和無線傳感器20，最後再將髖臼51與股骨52結合，使其對齊符合標示的記號，以確保原來對位吻合的位置。請參閱圖7A與7B所示，前述對位吻合是指位置上的正確對應，壓力感測陣列10會將有壓力的位置由顯示器31顯示出來，如圖7A所示，該顯示器31顯示的畫面是對應該壓力感測陣列10的排列方式，例如該壓力感測陣列10是以10個壓力感測器11乘10個壓力感測器11排列而呈矩形，該顯示器31顯示的畫面亦是如此排列；使用時，原先預設的期望目標是在該壓力感測陣列10的中心處顯示陶瓷人工襯墊422的接觸壓力，但實際上該壓力感測陣列10的偵測壓力結果卻是顯示集中在右下角(如圖中灑點區塊)，如此，即需將陶瓷人工股骨球頭411與人工股骨柄412往左上方移動各一段區間，使其如圖7B所示，使該壓力感測陣列10的偵測壓力結果移至與預設的期望目標相符(顯示在壓力感測陣列10的中心處)，而可視為對位吻合。

由上述可知，本發明是於人工關節假體40的近端假體組件42暫時性地設有該壓力感測陣列10，使該壓力感測陣列10偵測遠端假體組件41與近端假體組件42之間的壓力分佈，調整至壓力分佈符合設定值，即完成對位吻合。本發明利用微機電元件製成的壓力感測陣列10與無線傳感器20具有成本低、準確率高與容易操作，解決現有關節置換手術以導航系統輔助之建置成本過高的問題。

10‧‧‧壓力感測陣列
11‧‧‧壓力感測器
20‧‧‧無線傳感器
30‧‧‧接收裝置
31‧‧‧顯示器
40‧‧‧人工關節假體
41‧‧‧遠端假體組件
411‧‧‧陶瓷人工股骨球頭
412‧‧‧人工股骨柄
42‧‧‧近端假體組件
421‧‧‧人工髖臼杯
422‧‧‧陶瓷人工襯墊
51‧‧‧髖臼
52‧‧‧股骨

圖1是本發明較佳實施例的電路方塊圖。 圖2是本發明較佳實施例之近端假體組件、壓力感測陣列與無線傳感器的立體圖。 圖3是本發明較佳實施例之近端假體組件、壓力感測陣列與無線傳感器的前視圖。 圖4是本發明較佳實施例之近端假體組件與遠端假體組件的組合示意圖。 圖5是本發明較佳實施例之近端假體組件與遠端假體組件的分解示意圖(一)。 圖6是本發明較佳實施例之近端假體組件與遠端假體組件的分解示意圖(二)。 圖7A是本發明較佳實施例之壓力感測陣列的異常壓力分佈顯示示意圖。 圖7B是本發明較佳實施例之壓力感測陣列的正常壓力分佈顯示示意圖。

10‧‧‧壓力感測陣列

20‧‧‧無線傳感器

30‧‧‧接收裝置

31‧‧‧顯示器

Claims (6)

1. 一種可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位系統，包含有：一壓力感測陣列，其包含有多數壓力感測器；一無線傳感器，其與該壓力感測陣列電連接，該無線傳感器係接收該壓力感測陣列之各該壓力感測器的訊號並轉換為一壓力分佈訊號以向外部傳輸；其中該壓力感測陣列和該無線傳感器是嵌入一軟質聚合物中，該軟質聚合物為矽膠、橡膠、聚二甲基矽氧烷(PDMS)或高密度聚乙烯製成，並可形成不同的形狀和尺寸；一接收裝置，其接收該無線傳感器的該壓力分佈訊號，並顯示該壓力分佈訊號；藉此，將該壓力感測陣列置於一人工關節中，以感測該人工關節之骨科植入物的壓力分佈狀況，且顯示於該接收裝置以判斷是否正確對位。
2. 如請求項1所述之可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位系統，其中該接收裝置連接有一顯示器，該顯示器用以顯示該接收裝置取得之該壓力分佈訊號。
3. 如請求項2所述之可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位系統，其中該等壓力感測器係呈規則狀排列且該接收裝置係將該壓力分佈訊號以對應該等壓力感測器之排列圖形顯示於該顯示器。
4. 如請求項1至3中任一項所述之可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位系統，其中該壓力感測陣列係為MEMS之微機電元件、有機FETs材質之人工皮膚、奈米矩陣微結構或以橡膠介質(PDMS)印在柔性基板上。
5. 一種利用可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位方法，包含有：係於人工關節的一近端假體組件暫時性地設有一壓力感測陣列與一無線傳 感器；將一人工關節的一遠端假體組件接合於前述近端假體組件，該遠端假體組件係抵靠於該壓力感測陣列；由該無線傳感器接收該壓力感測陣列之壓力訊號並向外部傳輸；根據該壓力訊號計算遠端假體組件與近端假體組件之間的壓力分佈狀態；若壓力分佈不均，則調整遠端假體組件，使遠端假體組件與近端假體組件可互相對位吻合；若壓力分佈符合設定，則取出該壓力感測陣列與該無線傳感器。
6. 如請求項5所述之利用可調適性壓力傳感器評估骨科植入物對位方法，其中該計算壓力分佈狀態之結果是顯示於一顯示器上。