用于测量与人工骨科关节相关的性能参数的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于测量与骨科关节相关联的性能参数的关节监测系统，所述关节监测系统包括力感测模块和一个或多个惯性测量单元。所述感测模块包括壳体，所述壳体与具有内侧部分和外侧部分的关节表面接合。所述感测模块还包括设置在所述壳体内的第一组传感器和第二组传感器。所述第一组传感器机械联接至所述关节表面的所述内侧部分并且被配置成检测指示施加到所述关节表面的所述内侧部分上的第一力的信息。所述第二组传感器机械联接至所述关节表面的所述外侧部分并且被配置成检测指示施加到所述关节表面的所述外侧部分上的第二力的信息。所述惯性测量单元被配置成检测指示膝关节的第一骨和第二骨中至少一者的取向的信息。

System and method for measuring performance parameters associated with an artificial Department of orthopedics

The present invention provides a joint monitoring system for measuring the performance parameters associated with the Department of orthopedics joint, which comprises a force sensing module and one or more inertial measurement units. The sensing module includes a housing with a joint surface having an inner portion and an outer portion. The sensing module also includes a first set of sensors and second sets of sensors disposed in the housing. The first set of sensors is mechanically coupled to the inner side of the joint surface and is configured to detect information indicative of a first force applied to the medial portion of the joint surface. The second sets of sensors are mechanically coupled to the outer side of the joint surface and are configured to detect information indicative of a force applied to the outer portion of the joint surface. The inertial measurement unit is configured to detect information indicating the orientation of at least one of the first and second bones of the knee joint.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关专利申请的交叉引用本申请要求2014年6月19日提交的美国临时申请No.62/014,431的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
本公开整体涉及人工骨科关节，并且更具体地讲，涉及用于测量与关节假体相关的性能参数的系统和方法。
技术介绍
在美国，每年总共要进行超过800,000例膝关节和髋关节置换手术。这个数字有望在2030年增加至超过4,000,000。关节置换的这一增加趋势是因为生命质量得到了改善，而改善生命质量通常是此类手术以及在普通人群中增加手术接受度的结果。其他原因包括：患有关节炎的老龄化人群需要关节置换；增加的肥胖发生率会对膝关节和臀关节施加过度的应力；人们要在生命后期保持体力活动的趋势也同样对关节提出了要求。在10-20年间，关节置换的失效率为介于10％至20％之间。磨损、松动、排列不齐、错位和感染是产生失效的典型原因。失效通常会导致修正手术，与原来的手术相比，所述修正手术在技术上更具挑战性，并且相应地具有更多风险。因此，失效对患者来说是毁灭性的，令外科医生受挫，并且对于医疗系统来说价格昂贵。鉴于上述情况，存在改善关节植入物性能并延长其保质期的需求。术后关节性能参数的监测可实现对潜在问题的早期监测，从而为外科医生提供机会以便能够在关节恶化到只有大型修正手术是唯一选择的程度之前采取预防措施。此类预防措施可包括无创/微创介入、物理疗法、药物治疗和改变患者生活方式。目前用于监测关节状况的方法是不精确、不及时的，因为它们大多涉及基于疼痛的诊断、放射摄影成像和物理检查，而不对膝关节植入物的生物力学进行直接测量。关节性能参数的监测和趋势分析诸如关节负荷分布、磨损和温度可提供松动、排列不齐和修正需求的早期指示。目前公开的用于在骨科关节成形术中对关节性能参数进行术后跟踪的系统和方法旨在克服上述问题中的一个或多个和/或本
中的其他问题。
技术实现思路
根据一个方面，本公开涉及一种用于跟踪与骨科关节相关联的参数的计算机实现的方法，该方法包括在与计算机相关联的处理器处接收指示在患者的第一骨与第二骨之间的关节界面测得的力的第一信息，以及在处理器处接收指示第一骨和第二骨中的至少一个的取向的第二信息。该方法还可包括由处理器估计与第一骨和第二骨中的至少一个相关联的相对于基准轴线的取向角度，该取向角度至少部分地基于第二信息。该方法还可包括在与计算机相关联的处理器处接收指示关节支承表面的磨损的第三信息。该方法还可包括在与计算机相关联的处理器处接收指示关节内部温度的第四信息。根据另一个方面，本公开涉及一种用于测量与骨科关节相关联的性能参数的可植入感测模块。感测模块包括第一组力传感器，所述第一组力传感器被机械联接至关节表面的内侧部分，并且被配置成检测指示施加到关节表面的内侧部分上的第一力的信息。感测模块还可包括第二组力传感器，所述第二组力传感器被机械联接至关节表面的外侧部分，并且被配置成检测指示施加到关节表面的外侧部分上的第二力的信息。感测模块还可包括一个或多个磨损传感器，所述一个或多个磨损传感器被配置成测量关节支承表面的磨损。传感器模块还可包括温度传感器，该温度传感器被配置成测量可指示感染或其他异常情况的关节内部温度。根据另一个方面，本公开涉及一种用于跟踪与骨科关节相关联的性能参数的关节监测系统，所述骨科关节包括第一骨与第二骨之间的界面。关节监测系统包括被配置成植入到假体骨科关节内的感测模块。感测模块可被配置成检测指示施加到关节的关节表面的至少一部分上的至少一个力的信息。感测模块还可被配置成测量支承表面的磨损以及关节的内部温度。感测模块还可包括用于跟踪骨科关节的三维角度的至少一个惯性测量单元。关节监测系统还可包括与感测模块通信的处理设备。处理设备可被配置成估计至少一个力相对于关节表面的位置，所述估计的位置至少部分地基于指示施加到感测模块的关节表面的至少一部分上的力的信息。处理设备还可被配置成估计与第一骨和第二骨中的至少一个相关联的相对于基准轴线的取向角度，该取向角度至少部分地基于指示第一骨和第二骨中的至少一个的取向的信息。根据另一个方面，本公开涉及一种用于测量与假体骨科关节相关联的性能参数的可植入感测模块。感测模块可包括被设置于在胫骨植入物表面上形成的凹陷部内的多个传感器。所述多个传感器可机械联接至关节表面，并且被配置成检测指示施加到关节的关节表面上的力、植入假体的取向、关节的内部温度和/或支承表面的磨损的信息。感测模块还可包括处理设备，该处理设备与多个传感器中的每一个通信，并且被配置成接收上述信息。处理设备还被配置成估计力中心相对于与关节表面相关联的边界的位置，并且估计在所估计的力中心位置处的力大小。附图说明图1提供了示例性关节监测系统的图解视图。图2示出了具有感测模块的示例性重建的膝关节的放大视图。图3提供了与关节监测系统(诸如图1所示的关节监测系统)相关联的示例性部件的示意图。图4提供了示例性感测模块的分解透视图。图5A提供了示例性压电俘能器的电路图。图5B提供了示例性压电俘能器的另选电路图。图5C提供了示例性射频(RF)俘能器的电路图。图5D提供了示例性RF采集器的另选电路图。图6A提供了图6A所示的示例性感测换能器的示意图。图6B提供了示例性电容器型力检测换能器的示意图。图6C提供了力检测换能器的另一个示例性电容器型设计的示意图。图7示出了用户界面的一个实施例，该用户界面可设置在用于实时显示监测到的关节性能参数的监测器或输出设备上。图8提供了示例性屏幕截图，该屏幕截图显示在患者的整个步态周期中3D关节角度旁的内侧和外侧的负荷大小。图9提供了趋势的示例性屏幕截图，该屏幕截图显示在步行过程中内侧的过量负荷值，并通过视频提示、音频提示或音视频提示警告外科医生。图10提供了趋势的示例性屏幕截图，该屏幕截图显示过量负荷值，并通过视频提示、音频提示或音视频提示警告外科医生。图11提供示出了与图7中用户界面相关联的示例性过程的流程图，所述示例性过程将通过与监测系统相关联的一个或多个处理设备来执行。具体实施方式图1提供了示例性关节监测系统100的图解说明，该示例性关节监测系统用于术后检测、监测和跟踪骨科关节(例如，腿110的膝关节120)的性能参数。例如，根据图1所示的示例性实施例，关节监测系统100可体现一种用于在完全或部分的膝关节置换手术之后对膝关节120处的性能参数进行术后收集、分析、跟踪和趋势分析的系统。关节性能参数可包括或体现用于对骨科关节的行为或性能进行定性的任何参数。关节性能参数的非限制性例子包括指示力、压力、温度、支承表面的磨损、屈曲和/或伸展角度、扭矩、内翻/外翻位移、力中心位置、旋转轴线、胫骨和股骨的相对旋转、胫骨部件旋转、运动范围或取向的任何信息。关节监测系统100可被配置成监测这些示例性性能参数中的一种或多种，随时间推移跟踪参数(和/或活动或运动的范围)，并且为外科医生或医疗专业人员实时显示监测到和/或跟踪到的数据和/或以纵向趋势的形式显示这些数据。因此，关节监测系统100可提供同时有助于若干关节性能参数的术后评价的平台。如图1所示，关节监测系统100可包括感测模块130(示于图2中)、处理设备(例如，处理系统150(或用于处理感测模块130所接收的数据的其他计算机设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于跟踪与骨科关节相关联的性能参数的计算机实现的方法，所述方法包括：在与计算机相关联的处理器处接收第一信息，所述第一信息指示在患者的第一骨和第二骨之间的关节界面处所检测到的力；在所述处理器处接收第二信息，所述第二信息指示所述第一骨和所述第二骨中至少一者的取向；由所述处理器估计所述力相对于所述关节界面的表面的位置，所述估计的位置至少部分地基于所述第一信息；由所述处理器估计与所述第一骨和所述第二骨中至少一者相关联的相对于基准轴线的取向角度，其中所述取向角度至少部分地基于所述第二信息；以及由所述处理器提供第三信息，所述第三信息指示以下信息中的至少一者：所述力相对于所述关节界面的所述表面的所述估计的位置，或与所述第一骨和所述第二骨相关联的相对于所述基准轴线的所述取向角度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.19 US 62/014,4311.一种用于跟踪与骨科关节相关联的性能参数的计算机实现的方法，所述方法包括：在与计算机相关联的处理器处接收第一信息，所述第一信息指示在患者的第一骨和第二骨之间的关节界面处所检测到的力；在所述处理器处接收第二信息，所述第二信息指示所述第一骨和所述第二骨中至少一者的取向；由所述处理器估计所述力相对于所述关节界面的表面的位置，所述估计的位置至少部分地基于所述第一信息；由所述处理器估计与所述第一骨和所述第二骨中至少一者相关联的相对于基准轴线的取向角度，其中所述取向角度至少部分地基于所述第二信息；以及由所述处理器提供第三信息，所述第三信息指示以下信息中的至少一者：所述力相对于所述关节界面的所述表面的所述估计的位置，或与所述第一骨和所述第二骨相关联的相对于所述基准轴线的所述取向角度。2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：由所述处理器估计在所述关节界面处所检测到的所述力的所述位置处的大小，其中所述大小至少部分地基于所述第一信息；其中所述第三信息还指示在所述关节表面处所检测到的所述力的大小。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中接收指示在患者的所述第一骨和所述第二骨之间的所述关节界面处所检测到的力的第一信息包括：接收指示施加到所述关节界面的所述表面的内侧部分的第一力的信息；以及接收指示施加到所述关节界面的所述表面的外侧部分的第二力的信息，并且其中所述第三信息指示以下信息中的至少一者：与所述第一力和所述第二力中每一者相关联的相应大小、所述第一力相对于所述关节界面的所述表面的所述内侧部分的位置、所述第二力相对于所述关节界面的所述表面的所述外侧部分的位置以及与所述第一骨和所述第二骨中至少一者相关联的取向角度。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中提供第三信息包括致使显示指示与所述第一力和所述第二力中每一者相关联的相应大小、所述第一力相对于所述关节界面的所述表面的所述内侧部分的位置以及所述第二力相对于所述关节界面的所述表面的所述外侧部分的位置的信息。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中致使显示指示与所述第一力和所述第二力中每一者相关联的相应大小的信息还包括致使显示指示与所述第一力和所述第二力中每一者相关联的相应大小的信息，所述相应大小作为与所述第一骨和所述第二骨中至少一者相关联的所述取向角度的函数。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中提供第三信息包括致使显示以下信息中的至少一者：所述力相对于所述关节界面的所述表面的所述估计的位置，或与所述第一骨和所述第二骨中至少一者相关联的相对于所述基准轴线的所述取向角度。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中接收指示所述第一骨和所述第二骨中至少一者的所述取向的第二信息包括接收指示所述第一骨和所述第二骨中至少一者的角转速的信息和指示所述第一骨和所述第二骨中至少一者的线性加速度的信息，其中估计与所述第一骨和所述第二骨中至少一者相关联的相对于基准轴线的所述取向角度至少部分地基于指示所述转速的所述信息和指示所述加速度的所述信息。8.一种用于跟踪与骨科关节相关联的性能参数的计算机实现的方法，所述骨科关节包括具有支承表面的轴承，所述方法包括：在与计算机相关联的处理器处接收第一信息，所述第一信息指示在患者的第一骨和第二骨之间的关节界面处所检测到的所述支承表面的磨损；在与计算机相关联的处理器处接收第二信息，所述第二信息指示所述患者接收所述骨科关节和所述第一信息的每个实例之间的时间；由所述处理器至少部分地基于所述第一信息和所述第二信息来估计任何给定时段内的磨损率；由所述处理器至少部分地基于所述第一信息来估计所述支承表面在任何给定时间的总磨损。9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括在用户界面上显示所述磨损率和所述支承表面的所述总磨损中的至少一者。10.一种用于跟踪与骨科关节相关联的性能参数的计算机实现的方法，所述方法包括：在与计算机相关联的处理器处接收第一信息，所述第一信息指示在患者的第一骨和第二骨之间的关节界面处所检测到的温度；在与计算机相关联的处理器处接收第二信息，所述第二信息指示所述患者接收所述骨科关节和所述第一信息的每个实例之间的时间；由所述处理器估计任何给定时段内的温度变化，所述温度变化至少部分地基于所述第一信息和所述第二信息；由所述处理器估计所述骨科关节附近在任何给定时间的温度，所述温度至少部分地基于所述第一信息。11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括在用户界面上显示所述温度变化和所述骨科关节附近的所述温度中的至少一者。12.一种用于测量与骨科关节相关联的性能参数的感测模块，所述感测模块包括：设置在壳体内的第一组传感器，所述第一组传感器机械联接至所述关节表面的所述内侧部分，并且被配置成检测指示施加到所述关节表面的所述内侧部分上的第一力的信息。设置在所述壳体内的第二组传感器，所述第二组传感器机械联接至所述关节表面的所述外侧部分，并且被配置成检测指示施加到所述关节表面的外侧部分上的第二力的信息。13.根据权利要求12所述的感测模块，所述感测模块还包括处理器，所述处理器被配置成至少部分地基于所述第一组传感器所检测到的力值来估计与施加到所述表面的所述内侧部分上的所述第一力相关联的力的大小和位置。14.根据权利要求12或13所述的感测模块，所述感测模块还包括处理器，所述处理器被配置成至少部分地基于所述第二组传感器所检测到的力值来估计与施加到所述关节表面的所述外侧部分上的所述第二力相关联的力的中心的大小和位置。15.根据权利要求12至14中任一项所述的感测模块，其中所述第一组传感器包括换能器，所述换能器包括：相应的悬臂部件，所述相应的悬臂部件的至少一部分被配置成响应于施加到所述关节表面的所述内侧部分上的所述第一力而变形；以及相应的应变仪，所述相应的应变仪联接至所述相应的悬臂部件并且被配置成测量所述相应的悬臂部件中的所述变形；其中与所述换能器相关联的每个悬臂部件的至少一部分由底座部件机械支撑在近侧端部处。16.根据权利要求12至15中任一项所述的感测模块，其中所述第二组传感器包括换能器，所述换能器包括：相应的悬臂部件，所述相应的悬臂部件的至少一部分被配置成响应于施加到所述关节表面的所述外侧部分上的所述第一力而变形；以及相应的应变仪，所述相应的应变仪联接至所述相应的悬臂部件并且被配置成测量所述相应的悬臂部件中的所述变形；其中与所述多个换能器相关联的每个悬臂部件的至少一部分由底座部件机械支撑在近侧端部处。17.根据权利要求12至16中任一项所述的感测模块，所述感测模块还包括无线收发器，所述无线收发器被配置成将指示所述第一力和所述第二力的信息无线传输至远程处理模块。18.根据权利要求12至17中任一项所述的感测模块，所述感测模块还包括至少一个惯性测量单元，所述惯性测量单元被配置成检测指示与所述感测模块相关联的取向的信息。19.根据权利要求18所述的感测模块，其中所述至少一个惯性测量单元包括陀螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：安格德·辛格，菲利普·马修·菲茨西蒙斯，
申请(专利权)人：米洛斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US