TWI547258B - 感測式骨頭固定元件 - Google Patents

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TWI547258B TW104134807A TW104134807A TWI547258B TW I547258 B TWI547258 B TW I547258B TW 104134807 A TW104134807 A TW 104134807A TW 104134807 A TW104134807 A TW 104134807A TW I547258 B TWI547258 B TW I547258B
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孫晟軒
吳松岳
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Description

感測式骨頭固定元件
本發明是有關於一種骨頭固定元件，且特別是有關於一種感測式骨頭固定元件。
在骨科醫療領域中，椎弓根螺釘(pedicle screw)是用來固定脊椎骨，以加強骨質疏鬆病人的脊椎強度。若椎弓根螺釘於手術時或手術後復健期間因外力影響而鬆動，則會減弱脊椎骨固定效果，而使脊椎融合的成效降低。
目前術後的檢測方法，僅能透過X光照射患部影像來觀察椎弓根螺絲固定狀況。然而，上述的方法在短期內檢測並不精確，且也不適合密集多次檢測，否則會使病人接受過多的輻射劑量。
本發明提供一種感測式骨頭固定元件，可以以非輻射式的方式得知固定元件與骨頭之間的鬆緊度。
本發明的感測式骨頭固定元件，其包括一固定部、一鎖附部、一電容結構以及一線圈。鎖附部固定於固定部且適於鎖附於一骨頭內。鎖附部貫穿電容結構，而電容結構具有一電容值且包括一第一導電層、一第二導電層以及一彈性介電層。第一導電層抵接固定部。第二導電層抵接骨頭。彈性介電層位於第一導電層與第二導電層之間。線圈具有一電感值，且線圈的兩端分別連接第一導電層以及第二導電層。線圈接收一偵測射頻訊號後，依據電感值以及電容值的改變而產生一回應射頻訊號。
在本發明的一實施例中，上述的彈性介電層的一厚度與第一導電層以及第二導電層之間的一距離呈正相關。
在本發明的一實施例中，上述的回應射頻訊號的一頻率與第一導電層以及第二導電層之間的一距離呈正相關。
在本發明的一實施例中，上述的當固定部施加於電容結構上的應力減小時，彈性介電層產生形變，而使得第一導電層與第二導電層之間的一距離增加。
在本發明的一實施例中，上述的線圈位於第一導電層與第二導電層之間，而線圈具有一開口，且彈性介電層位於開口內。
在本發明的一實施例中，上述的線圈位於固定部相對遠離鎖附部的一側上。
在本發明的一實施例中，上述的線圈以無線方式接收一感測元件的偵測射頻訊號。
在本發明的一實施例中，上述的線圈的電感值為一固定電感值。
在本發明的一實施例中，上述的固定部與鎖固部定義出一椎弓根螺釘(pedicle screw)。
在本發明的一實施例中，上述的電容結構的材質為生物相容性材料。
在本發明的一實施例中，上述的線圈的材質為生物相容性材料。
在本發明的一實施例中，上述的電容結構的厚度介於0.1公釐至10公釐之間。
基於上述，由於本發明的感測式骨頭固定元件具有電容結構與線圈，因此當線圈接收偵測射頻訊號後，可依據線圈的電感值以及電容結構的電容值的改變而產生一回應射頻訊號，進而可推算出感測式骨頭固定元件相對於骨頭之間的鬆緊度的變化量。相對於習知透過X光照射患部影像來觀察椎弓根螺絲的固定狀況而言，本發明可透過非輻射的方式來偵測感測式骨頭固定元件與骨頭之間的鬆緊度的變化量，具有快速且方便檢測以及準確率高的優勢。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A繪示為本發明的一實施例的一種感測式骨頭固定元件鎖固於骨頭內的示意圖。圖1B繪示為圖1A的感測式骨頭固定元件的電容結構與線圈的分解示意圖。圖1C繪示為圖1A的感測式骨頭固定元件與一感測元件的電路示意圖。請同時參考圖1A、圖1B與圖1C，本實施例的感測式骨頭固定元件100a包括一固定部110、一鎖附部120、一電容結構130以及一線圈140。鎖附部120固定於固定部110且適於鎖附於一骨頭10內。鎖附部120貫穿電容結構130，而電容結構130具有一電容值C且包括一第一導電層132、一第二導電層134以及一彈性介電層136。第一導電層132抵接固定部110，而第二導電層134抵接骨頭10，且彈性介電層136位於第一導電層132與第二導電層134之間。線圈140具有一電感值L，且線圈140的兩端142、144分別連接第一導電層132以及第二導電層134。線圈140接收一偵測射頻訊號S1後，依據電感值L以及電容值C的變化而產生一回應射頻訊號S2。
詳細來說，在本實施例中，固定部110與鎖固部120可定義出一椎弓根螺釘，其中鎖固部120適於鎖附於骨頭10（例如是脊椎骨，但並不以此為限）內。電容結構130的材質例如是生物相容性材料，舉例來說，金屬導電材料，如鈦、金、鉑或上述金屬之氧化物；非金屬導電材料，如氧化銥或石墨；以及非導電材料，如聚二甲基矽氧烷(PDMS)。特別是，由於本實施例的電容結構130具有彈性介電層136，因此第一導電層132與第二導電層134之間的距離D並不是一個定值，而是會隨著彈性介電層136的形變（如壓縮或伸長）而改變。換言之，本實施例的電容結構130的電容值C為一可變電容值，可隨著第一導電層132與第二導電層134之間的距離D而改變。較佳地，電容結構130的厚度H例如是介於0.1公釐(mm)至10公釐(mm)之間。
本實施例的線圈140的材質例如是生物相容性材料，舉例來說，金屬導電材料，如鈦、金、鉑或上述金屬之氧化物；非金屬導電材料，如氧化銥或石墨。此處，線圈140的圈數是固定的，因此線圈140的電感值L為一固定電感值。線圈140的兩端142、144可透過生物相容性材料包覆固定的方式與第一導電層132以及第二導電層134相連接。如圖1A與圖1B所示，線圈140是位於第一導電層132與第二導電層134之間，而線圈140具有一開口146，且彈性介電層136位於開口146內。也就是說，線圈140是夾持於電容結構130的第一導電層132與第二導電層134內，但並不以為限。於另一實施例中，請參考圖1D，感測式骨頭固定元件100b的線圈140b是位於固定部110相對遠離鎖附部120的一側上，其中線圈140b被二固定件150a、150b相夾持並抵靠固定部110，且透過固定件150c而將線圈140b、固件件150a、150b三者固定住。也就是說，固定端110是位於線圈140b與電容結構130之間，換言之，線圈140b較接近人體外，可更輕易地接收偵測射頻訊號S1。
值得一提的是，本發明並不限定第一導電層132與第二導電層134的大小。如圖1A與圖1B中的第一導電層132與第二導電層134的大小實質上相同；或者是，如圖1D中的第一導電層132的大小(如面積)實質上小於與第二導電層134的大小(如面積)；或者是，於其他未繪示的實施例中，第一導電層132的大小(如面積)實質上大於與第二導電層134的大小(如面積)，以上皆屬於本發明所欲保護的範圍。
請再參考圖1A與圖1C，手術時，可將感測式骨頭固定元件100a鎖附於骨頭10內。也就是說，固定部110會施加一壓力於電容結構130上，以使電容結構130的第一導電層132抵接固定部110，第二導電層134抵接於骨頭10，而位於第一導電層132與第二導電層134之間的彈性介電層136因為壓力而產生形變(即壓縮) 。此時，彈性介電層136的厚度定義為鎖緊時的厚度T，而第一導電層132與第二導電層134之間的距離D定義為一初始距離。請同時參考圖1A、圖1C與圖2，手術後復健過程中的不適當動作或骨頭10本質的鬆動，而使得固定部110施加於電容結構130上的應力減小時，彈性介電層136會產生形變(即伸長)，即彈性介電層136的厚度由鎖緊時的厚度T變成鬆開後的厚度T’，即第一導電層132與第二導電層134之間的距離D以由原來的初始距離變成距離D’。這時，醫療人員可透過一感測元件20來發射偵測射頻訊號S1，而位於人體內的線圈140可以透過無線的方式接收人體外的感測元件20的偵測射頻訊號S1，且在接收到偵測射頻訊號S1後，再依據線圈140的電感值L以及電容結構130的電容值C的變化而產生回應射頻訊號S2至感測元件20。此時，感測元件20內的一感應天線22在接收回應射頻訊號S2後，會經由一頻譜分析儀24的分析而可獲得一頻率。將所獲得的頻率與螺絲鬆緊度的量化表進行比對，即可得知感測式骨頭固定元件100a與骨頭10之間的已呈現鬆動。
更進一步來說，由於本實施例的線圈140的電感值L為一固定值，因此當電容結構130的電容值C減小時（即彈性介電層136的厚度由鎖緊時的厚度T變成鬆開後的厚度T’）（即第一導電層132與第二導電層134之間的距離D由原來的初始距離變成距離D’），回應射頻訊號S2的頻率因依據 的公式而呈現增加的情形，請參考圖3。換言之，彈性介電層136的厚度T與第一導電層132以及第二導電層134之間的距離D呈正相關，而回應射頻訊號S2的頻率與第一導電層132以及第二導電層134之間的距離D呈正相關。由於本實施例的感測式骨頭固定元件100a具有電容結構130與線圈140，因此當線圈140接收偵測射頻訊號S1後，可依據線圈140的電感值L以及電容結構130的電容值C的變化而產生回應射頻訊號S2，進而可推算出感測式骨頭固定元件100a相對於骨頭10之間的鬆緊度的變化量。相對於習知透過X光照射患部影像來觀察椎弓根螺絲的固定狀況而言，本實施例可透過非輻射且被動的方式來偵測感測式骨頭固定元件100a與骨頭10之間的鬆緊度的變化量，具有快速且方便檢測且準確性高的優勢。
圖4A繪示為多個圖1A的感測式骨頭固定元件鎖固於人體的示意圖。圖4B繪示為圖4A的線圈所產生的回應射頻訊號的頻率與相位的曲線示意圖。請同時參考圖4A與圖4B，在本實施例中，是將多個感測式骨頭固定元件100a1、100a2、100a3鎖固於骨頭10’上，其中感測式骨頭固定元件100a1、100a2、100a3與圖1A的感測試骨頭固定元件100a相似，差異之處僅在於感測式骨頭固定元件100a1、100a2、100a3的線圈140(請參考圖1A)的電感值與電容結構130(請參考圖1A)的電容值。透過改變感測式骨頭固定元件100a1、100a2、100a3的線圈140的電感值L(請參考圖1C)或電容結構130的電容值C(請參考1C)，而將感測式骨頭固定元件100a1、100a2、100a3的頻寬Δf1、Δf2、Δf3設計成分開且不重疊，如此一來，可同時檢測設置於不同位置的感測式骨頭固定元件100a1、100a2、100a3與骨頭10’之間的鬆緊度的變化量。
綜上所述，由於本發明的感測式骨頭固定元件具有電容結構與線圈，因此當線圈接收偵測射頻訊號後，可依據線圈的電感值以及電容結構的電容值的改變而產生一回應射頻訊號，進而可推算出感測式骨頭固定元件相對於骨頭之間的鬆緊度的變化量。相對於習知透過X光照射患部影像來觀察椎弓根螺絲的固定狀況而言，本發明可透過非輻射且被動的方式來偵測感測式骨頭固定元件與骨頭之間的鬆緊度的變化量，具有方便檢測且準確性高的優勢。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、10’‧‧‧骨頭
20‧‧‧感測元件
22‧‧‧感應天線
24‧‧‧頻譜分析儀
100a、100a1、100a2、100a3、100b‧‧‧感測式骨頭固定元件
110‧‧‧固定部
120‧‧‧鎖附部
130‧‧‧電容結構
132‧‧‧第一導電層
134‧‧‧第二導電層
136‧‧‧彈性介電層
140、140b‧‧‧線圈
142、144‧‧‧兩端
146‧‧‧開口
150a、150b、150c‧‧‧固定件
C‧‧‧電容值
D、D’‧‧‧距離
Δf1、Δf2、Δf3‧‧‧頻寬
L‧‧‧電感值
H、T、T’‧‧‧厚度
S1‧‧‧偵測射頻訊號
S2‧‧‧回應射頻訊號
圖1A繪示為本發明的一實施例的一種感測式骨頭固定元件鎖固於骨頭內的示意圖。 圖1B繪示為圖1A的感測式骨頭固定元件的電容結構與線圈的分解示意圖。 圖1C繪示為圖1A的感測式骨頭固定元件與一感測元件的電路示意圖。 圖1D繪示為本發明的另一實施例的一種感測式骨頭固定元件的示意圖。 圖2繪示為圖1A的感測式骨頭固定元件鬆開骨頭的示意圖。 圖3繪示為感測式骨頭固定元件鎖固於骨頭上的鎖固力與共振頻率的曲線示意圖。 圖4A繪示為多個感測式骨頭固定元件鎖固於人體的示意圖。 圖4B繪示為圖4A的線圈所產生的回應射頻訊號的頻率與相位的曲線示意圖。
10‧‧‧骨頭
100a‧‧‧感測式骨頭固定元件
110‧‧‧固定部
120‧‧‧鎖附部
130‧‧‧電容結構
132‧‧‧第一導電層
134‧‧‧第二導電層
136‧‧‧彈性介電層
140‧‧‧線圈
D‧‧‧距離
T、H‧‧‧厚度

Claims (12)

  1. 一種感測式骨頭固定元件，包括： 一固定部； 一鎖附部，固定於該固定部且適於鎖附於一骨頭內； 一電容結構，該鎖附部貫穿該電容結構，且具有一電容值，該電容結構包括：     一第一導電層，抵接該固定部；     一第二導電層，抵接該骨頭；     一彈性介電層，位於該第一導電層與該第二導電層之間；以及 一線圈，具有一電感值，且該線圈的兩端分別連接該第一導電層以及該第二導電層，其中該線圈接收一偵測射頻訊號後，依據該電感值以及該電容值的改變而產生一回應射頻訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該彈性介電層的一厚度與該第一導電層以及該第二導電層之間的一距離呈正相關。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該回應射頻訊號的一頻率與該第一導電層以及該第二導電層之間的一距離呈正相關。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中當該固定部施加於該電容結構上的應力減小時，該彈性介電層產生形變，而使得該第一導電層與該第二導電層之間的一距離增加。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該線圈位於該第一導電層與該第二導電層之間，而該線圈具有一開口，且該彈性介電層位於該開口內。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該線圈位於該固定部相對遠離該鎖附部的一側上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該線圈以無線方式接收一感測元件的該偵測射頻訊號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該線圈的該電感值為一固定電感值。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該固定部與該鎖固部定義出一椎弓根螺釘。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該電容結構的材質為生物相容性材料。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該線圈的材質為生物相容性材料。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的感測式骨頭固定元件，其中該電容結構的厚度介於0.1公釐至10公釐之間。
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