用于评估骨折风险的方法和设备的制作方法

专利名称：用于评估骨折风险的方法和设备的制作方法
用于评估骨折风险的方法和设备相关申请的交叉引用
本申请要求2005年5月5日提交的美国临时申请No. 60/678,830的优先权，在此引入该临时申请作为参考。背景发明领域
本发明涉及用于评价人和动物骨强度的新方法和设备。 相关领域
近来对骨的材料性能的测量证实，这些性能随变老严重劣 化。例如，NaIIa, Kruzic, Kinney， & Ritchie已经表明，启动骨中裂纹所需 的应力，即初始韧性，即使没有诊断出骨病，在人骨中从40到IOO年的 60年内也下降40%。更引人注目的是，在相同年龄范围内裂纹-生长韧性 被有效地消除[l]。近来的研究扩展并支持了早期的研究，表明另一种材 料性能即断裂韧性随变老明显劣化[2-11]。这些测量揭示，除了骨矿密度 降低和微结构劣化的公知因素之外，由于变老或疾病使骨材料性能劣化 也会在骨折风险中起作用。
现在经常通过各种技术(包括双能量x-射线吸光测量法、定 量超声法等)测量骨矿密度(BMD)来评估骨折风险。这些技术均测量骨的 性能，而没有引发任何长度级别的断裂。它们通常被认为是抗断裂性的 不完全量度。对于年轻的健康人如新兵，尤其如此，在他们中，发现骨 折风险的这些常规量度对于在基本训练中评估骨折风险无效[12]。此外， 已知的是尽管这些测量很有价值，但不能完全表征出老年患者或患有骨 关节炎、骨质疏松症或其他骨病的患者中的骨折风险。
根据世界健康组织(WHO)，骨质疏松症是一种主要的公众健 康问题[13]。尽管世界范围内有50,000,000妇女患有疾病，但骨质疏松症 和骨质缺乏症(低骨质)经常与年龄增大相关，而且这两种疾病都影响着生 命每一阶段的人群，对于人的劳动力有巨大影响。预计到2050年，骨质 疏松症的经济负担将达到$1315亿[14]。对于骨质疏松症相关的治疗，美 国现在的保健成本每年超过$150亿[15]。
骨质缺乏症和骨质疏松症经常是无症状的，并且经常直到己 经发生骨折或直到已经测定出低骨矿密度(BMD)，才能确定诊断。骨质 疏松症的最显著并发症是骨折，经常由极低程度的外伤引起[16]。大体上， 骨折可以指移动性和生命质量损失并且死亡的风险增加。许多干预已经 显示降低了这种人群中的骨折风险；然而，尽管绝大部分患者属于骨折 风险类别，但是用于评价的设施仍不充分，并且仅有被评价为最高风险 的那些人群得以充分地测试和治疗。由于成本原因，大部分风险人群仍 未被评价[17]。
最初，对大部分患者进行评估设备检测，试图识别低骨矿密 度风险的人群，OST(骨质疏松症自评估工具)、SCORE (简单计算的骨质 疏松症风险评价)、SOFSURF(骨质疏松骨折的研究)和OSIRIS (骨质疏松 症风险指数)是这些中的代表性设备，经常被医务人员用于测定大部分需 要BMD测量的那些病例，同时提高患者的风险因素意识。基于体重、年 龄和几种额外的因素进行测试。尽管这些测试具有高灵敏度(达到90%), 但是在对于特定个体的精确度方面有许多限制[18]。
目前有许多诊断设备用于评估患者的骨折风险，集中于骨矿 密度的降低和微结构的劣化。双能量x-射线吸光测量法(DEXA)已被用于 临床上测量这些因素。骨矿密度目前仍是骨折风险最广泛被接受的指标， 并且也用于骨质疏松症的正确诊断。DEXA是常用最可接受的设备选择， 并且在评价风险中起决定性作用，但是也已经观察到许多缺点和限制。 设备间的差异可能对患者的诊断和治疗有严重影响[19]。此外，具有正常 BMD的患者可能经历骨折，而具有低BMD的患者可能是低风险的[18]。 基于世界健康组织的推荐设立标准，T-Scores(T-分)表现出依据评估位置 的差异。尽管提出推荐的DEXA来评价髋骨，但是据报道在绝经期之前 10年和绝经期后不久，在脊骨中发生比髋骨中更大的骨损失[20]。已经 提出用于评价BMD的改进功能，包括骨发展的明显周期性青春期、成 年稳定性和随变老降低[21]。 BMD结果经常不能充分地诊断具有高骨折风险的儿童。
已经研究了定量超声法(QUS)来确定其作为BMD诊断工具 的用途。这种设备比DEXA便宜，并且无辐射。骨质疏松症和超声法研 究招募年龄55 79的妇女。在DEXA和QUS之间作比较。结果表明，在 预测低外伤骨折进一步影响方面具有良好相关性[22]。尽管这种设备可用 于健康儿童和绝经后的妇女，但是结果中的精度误差和大差异性的高比 率归因于跟骨区域的直径变化，从而使其应用产生问题[23]。在另一种研 究中，骨质疏松患者比对照组具有更低的QUS，但各值有较大重叠[24]。 跟骨超声法可以提供一种评估患有骨质缺乏症和具有脆性骨折的儿童的 方法。K.T. Fielding的研究表明，Z分与使用DEXA获得的那些相似，但 仅具有适度相关性[25]。
已经研究了外周骨定量计算机断层扫描法(pQCT)，希望找 到一种确立骨折风险的有用工具，发现比DEXA更不灵敏，其被确定作 为识别骨折患者的较差评估工具[26]。在另一种研究中，pQCT似乎是计 算骨钙浓度的可靠工具[2 7 ]。
研究了形态测量X-射线吸光测量法的发展，用于确定椎骨 畸形。利用操作人员之间的评估确定分析中的高度可变性，分析精确相 对于椎骨形状的复杂度下降[28]。
己经测试了常用在控制患有远前臂骨折的患者中的X-射线 放射测量法，作为测定BMD的手段，并且发现在这些情况下可以作为 DEXA的选择，不需要进一步的放射[29]，但不被认为是用于备用诊断的 DEXA的选择。
除了量化钙含量以及BMD的pOCT和DEXA之外，这些设备中的每一个均试图仅量化骨矿密度。尽管在骨强度指标中这是有价值 的工具，但是其忽略了骨的许多其他方面，而这些在测定抗断裂性方面 也同样重要。组织质量以及骨的尺寸、形状和结构均影响强度和脆性因 素[30,31]。
血液测试有时用于评价影响骨强度的其他条件。这些包括从 碱性磷酸酶和甲状腺刺激激素到维生素D和钙水平的各种作用。这些测 试中的多种可以有益于诊断和确定治疗方案[32]。
近年来，己经实现了压痕技术在研究生物材料(包括骨、牙 本质和软骨)的机械性能中的价值[5，16,33-42]。内在韧性表征了矿化的组 织对破裂和断裂的抵抗性。压痕技术提供了量化生物材料的韧性和硬度 的手段[l]。检查牙齿的牙本质-牙釉质连接处进一步确实了压痕技术用于 理解裂纹扩展和断裂机械学的价值。使用Vickers压痕设备，Imbeni等人 能够表征裂纹怎样扩展和在哪里出现止裂壁垒。量化了牙釉质、牙本质 和其间界面的韧性和硬度因素[43]。然而，Vickers压痕测试难于对活着 的患者进行，因为需要对压痕和从压痕角部扩展的裂纹以高分辨率成像。
目前己经有了被设计用于手术条件下的压痕设备。一种这类 设备被设计成通过关节镜手术控制来测量软骨的硬度[44,45]。关节软骨 中的生物机械性能变化是组织恶化的更早指标。关节软骨的抗压硬度的 下降主要与蛋白多糖含量的降低有关，并且早期检测提供了治疗可能性， 从而终止导致恶化过程的条件[44]。相似设计的设备被用于测量接近马科 物种的掌骨存在的软骨的结构性能，结果与组织中的糖胺聚糖水平正性 相关[46]。关节镜软骨压痕计近来已被用于检测软骨软化，因为恶化的早 期机械迹象用眼睛看不到[47]。
另一种设备，骨穿透仪(Osteopenetrometer)，被设计用于在 手术过程中在体内测试小梁骨。研发这种设备以表征小梁骨的机械性能， 从而获得与降低植入物松开、然后总膝盖关节造形术的问题相关的信息 [48]。骨穿透仪包括在手术过程中，在植入物位置的直径中穿透8毫米长 度和几毫米宽度。其目标是具有足够大的穿透，以平均小梁骨内部的多 个小梁。
尽管技术和诊断设备的这些进步对于精确诊断骨脆性和骨 质疏松症获得了有意义和有价值的数据，但它们仍需要熟练的技术人员。 可用设备用于评估成长、变老人群有所限制并且在用于诊断时费用高， 使得这些工具对于许多高骨折风险患者的应用受到限制。就我们所知， 没有设备能够在临床上在活着的受试者中测量与骨折风险相关的骨的材
料性能，而不需要手术露出骨，包括除去骨膜。显然，需要用于在临床 环境内评估骨折风险的便宜的诊断工具。尽管许多研究者仍在试图设定 评价BMD的标准，但是许多研究者也知道其有限性；例如，对于还没有 到达峰值骨质的人群的应用不确定度和需要基于解剖位置、骨几何形状 和种族背景调整结果。强烈需求一种低成本、低劳动要求的诊断设备， 其能够通过微裂纹诱导直接测定骨折风险的指标，从而使大部分"风险" 患者在骨折之前接受预防性治疗。发明内容
本发明通过与测试探针接触评价骨的材料性能克服了上述 缺点。在特定实施方案中，人们可以测量实际的抗骨折性。提供一种新 设备，其通过测量骨如何抵抗通过皮肤或其他软组织和骨膜插入骨的测 试探针造成的微观断裂，评估宏观骨折风险。微观断裂很小，以致于它们造成的健康风险可以忽略在本实施方案中，损伤的骨体积可以为0.01立方毫米或更小。骨对这些微观断裂的抵抗是骨对宏观断裂的抵抗的良 好指标。因此，通过在骨中产生微观断裂来评估骨折风险。所述设备的 优点在于，其使用极快和便宜的测试，给出不能从任何现有设备得到的 关于骨折风险的信息。这种新的诊断信息可以单独使用，或者可用于补 充常规诊断如骨矿密度的结果。
总体上，本发明提供用于评估受试者中骨折风险的方法和设 备，包括通过受试者的骨膜和/或软组织插入测试探针，使得所述测试探 针接触所述受试者的骨，和测定测试骨对所述测试探针造成的微观断裂 的抵抗性。所述受试者可以是临床环境中的活着的人或动物，其中所述 测试探针通过皮肤插入，或在露出骨膜的手术中通过骨膜直接插入，或 通过皮肤和骨膜、或通过软组织或仅通过骨膜而插进死骨中，这取决于 实验的性质。相似地，如果骨的内表面经手术露出，那么所述设备可以 穿入骨内膜。所述设备还可以在经手术露出的骨表面上直接测量。所述 设备还可以在从受试者切下的骨块上直接测量，不论是否仍被骨膜或骨 内膜覆盖。所述测试探针在骨中插入微观距离，以在骨中产生一处或多 处微观断裂。可以通过测定穿入程度评估骨折风险，或可以通过测定骨
对所述测试探针穿入的抵抗性进行评估。
在优选的实施方案中，所述方法还包括相似地插入参考探 针，以在所述参考探针没有明显穿入骨的情况下接触受试者的骨，用作 用于测定所述测试探针的尖端插入程度的参考。所述测试探针可以形成 为棒，所述参考探针可以是在其中放置所述测试探针的护套形式，用作 所述参考的所述护套的端部接近所述测试探针尖端。所述测试探针和所 述参考探针均可以为不对称尖锐型，以使所述测试探针尖端和所述参考 探针尖端之间的横向偏移最小。
在其他实施方案中，所述测试探针充分坚固，以在穿入骨时抵制变形，而在其他实施方案中，所述测试探针在穿入弱骨时抵制变形， 但被健康骨变形。高变形表明抗骨折性的骨，低变形表明有骨折风险的 骨。所述测试探针可以包括用于防止穿入骨超出预定距离的停止面，用 于加快变形的定量。
所述测试探针可以是在患者使用后弃去的 一 次性使用的湖ij 试探针，或由医师用作参考探针。所述测试探针和所述参考探针均可以 是经消毒的。制造商可以供应由无菌包中的经消毒的测试探针与经消毒 的参考探针构成的一次性使用的组合。
在其他实施方案中，当从骨中拉出所述测试探针时，抵制所 述测试探针向后移动，并且抵抗力的程度被测定为骨对断裂的抵抗性的 量度。可选择地或此外，通过测定在骨中插入所述测试探针所需的力评 估骨折风险，可以产生力对距离参数并且该参数与骨折风险相关。
在特定实施方案中，提供一种评估受试者中骨折风险的诊断 设备，包括壳体，其用于支撑通过受试者骨上的骨膜或者通过软组织或 其他皮肤插入的测试探针，用于接触所述受试者的骨；和用于通过与所 述测试探针的接触评价骨的材料性能的装置。通过所述诊断设备评价的 材料性能是以下中的 一 种或多种(a) 骨的机械性能；(b) 骨对所述测试探针造成的微观断裂的抵抗性； (C)骨中的压痕深度对所需力的曲线；
(d) 固定力下骨的压痕；(e) 固定冲击能下骨的压痕；(f) 骨的硬度；(g) 骨的弹性模量；(h) 骨对疲劳断裂的抵抗性；(i) 对螺丝穿入骨中的抵抗性； (j)骨的旋转摩擦；(k)压痕深度对冲击后时间的曲线； (1)力对冲击设定距离后时间的曲线； (m)压痕深度对反复冲击时间的曲线； (n)力对反复冲击吋间的曲线；或 (o)骨对一系列或上述测量组合的反应。
将所述测试探针在骨中插入微观距离，以在骨中产生一处或多处微观断裂，从而能够测定以下中的一种或多种(a) 所述测试探针的穿入端插入骨中的程度；(b) 骨对所述测试探针穿入的抵抗性；或(c) 在其穿入骨后，骨对除去所述测试探针的抵抗性。
所述诊断设备可以包括经骨膜和任何皮肤或其他软组织插 入的参考探针，以在所述参考探针没有明显穿入骨的情况下接触骨，用 作用于测定所述测试探针的尖端插入程度的参考。所述参考探针可以是 在其中放置所述测试探针的护套形式，用作参考的参考探针的端部接近 所述测试探针尖端。所述测试探针可以形成为棒，所述棒的尖端超出所 述参考探针的端部延伸最大预定距离。所述测试探针可以由工具钢或不 锈钢形成(其中所述测试探针的尖端由与所述测试探针杆相同的材料形 成，或由另一种材料如金刚石、碳化硅或硬化钢形成)，所述参考探针可 以由注射针形成，它们均为不对称锥形，从而使所述测试探针尖端和所 述参考探针尖端之间的横向偏移最小，并足够尖锐，以穿入骨膜和任何
皮肤或其他软组织。
所述诊断设备可以将第一大小的固定力施加至所述测试探 针以测定所述测试探针相对于所述参考探针的起始位置；将第二大小的 固定力施加至所述测试探针；测量所述测试探针相对于所述参考探针的 位置变化；将固定力减到第一大小；和记录所述测试探针相对于所述参 考探针的位置变化。所述诊断设备还可以对于所述插入的测试探针测定 力对距离参数，通过测定在骨中插入所述测试探针预定距离所需的力和/ 或在预定力下将所述测试探针插入骨中的距离。
例如，所述诊断设备可以包括与所述测试探针连接、用于测 定插入所述测试探针所述预定距离所需的力的测压元件。为产生在骨中 插入所述测试探针预定距离所需的力，螺线管可以电磁连接至安装销， 其中所述测试探针连接至所述安装销的端部，用于产生力。可以配置一 根或多根弹簧以抵抗所述螺线管的作用。
所述诊断设备可以包括用于测定在预定力下所述测试探针 插入骨中的距离的线性可变感应式传感器，其具有连接所述测试探针的 磁芯。还可以使用其他距离传感器。对于本实施方案，优选的是所述距 离传感器具有1)灵敏度，下限大约l微米，2)范围，达到约lmm和 3)响应时间，优选几毫米或更快。具有这些特性的距离传感器包括光学 距离传感器和电容传感器。
为插入所述测试探针，可以包括旋转凸轮和从动销，所述凸 轮具有在所述从动销上操作的表面，所述从动销的一端与所述凸轮表面 滑动接触，所述从动销的另一端连接至所述测试探针。插入所述测试探 针的具有旋转电动机的其他机构包括电动机驱动的滚珠丝杠或Acme丝 杠(锥齿丝杠)，用于将所述电动机的旋转运动转化成线性运动。Acme丝 杠的优点在于，其能够在动力关闭状态固持负载，从而能够在固定深度 的压痕之后测量力松弛对时间。为在没有逆转所述电动机方向的情况下 重复循环，可以使用旋转-线性运动机构，如活塞机构。还可以使用其他 线性运动产生器。对于这种测试探针几何结构，所述线性运动产生器应 在达到lmm的运动范围内供应达到IO牛顿的力。更尖锐或更小直径的 测试探针可以使用更小的力。测量一些屈服前机械参数如弹性模量可以 使用更小的力，下降到毫牛顿范围。然而，使用更小的力和压痕深度的 缺点在于，更小体积的骨的性能被探针。至今为止的测试表明，需要足 够的体积以平均至少几种骨单位，其典型直径为0.2mm，以降低测得数 据中的分散。
所述测试探针和所述参考探针的引导件可以安装在所述壳 体的下端，所述引导件和所述参考探针形成可拆卸的相互连接，形成有 对齐的通道，所述测试探针通过所述通道延伸。所述参考探针本身可以 可拆卸地安装在所述引导件上。例如，所述引导件可以形成有从其下端 延伸的外螺纹颈部，所述参考探针形成有绕其通道的内螺纹开口，用于 螺旋地安装到所述引导件的颈部。在特定实施方案中，所述测试探针是 一次性使用、可更换的探针。在另一种特定实施方案中，所述测试探针 和所述参考探针均是一次性使用、可更换的探针。
可以提供测试探针和参考探针的组合，作为一次性、可更换 的并且任选消毒的部件，所述探针引导件也如此。
本发明的诊断设备不同于之前的设备。其被设计成可在不需 要手术露出骨表面的情况下使用。小直径探针组件通过骨膜和任何皮肤 或其他软组织插入骨。不必须露出或显现出骨表面。其也不同于Rice University的Liebschner研发的OsteoSonictm (骨超声)，其中使用声波测 量骨的结构完整性，而没有使用任何类型的探针穿入皮肤。本发明的诊 断设备被设计成不仅探测屈服前参数如弹性模量，而且通过在骨的小探 测体积中实际产生屈服可以探测屈服后参数如韧性。
除了缓慢变化或静力之外，还可以使用振荡力操作本发明的 诊断设备。这可以通过例如提供用于使用振荡电流加上缓慢变化的电流 或静电流而将电流转化成机械力的在永久磁场中诸如用于扩音器或其他 装置等的螺线管、活动线圈来实现。所得到的振荡力可以从力传感器如 测压元件读取。振荡距离可以从距离传感器如LVDT读取。对于更高频 率的响应，可以使用更快的距离传感器，例如光学传感器，如MTI- 2000 Fotonic传感器。所述传感器的光纤探针可以连接至所述设备的主体，并 可以读取距连接至所述测试探针的标签的距离。可以作为频率的函数和 作为缓慢变化的力或静力的函数来研究振荡距离的振幅或相位，从而增 加诊断差别。
使用螺线管加弹簧系统供应力，在作为电流的函数的力中存 在非线性和滞后，因为力不仅是电流的函数，而且是所述螺线管中磁芯 位置的函数。刚好在来自所述螺线管的电流产生的力变得大于弹簧力之 后，非线性和滞后使力急剧增大(增大时间1毫秒)。力的这种急剧增大对 骨产生冲击。可选择地，可以使用在永久磁场中诸如用于扩音器等的与 所述测试探针连接的活动线圈产生冲击。由于这种冲击使所述测试探针 在骨中移动的距离对时间图是诊断性的。例如，如果电流由静电流加上 频率1 Hz和振幅足以在l Hz频率下产生冲击的电流的三角波构成，那么在一些测试中，刚好在冲击后的距离对时间图的斜率可以区分烘烤的 骨与未烘烤的骨。在冲击后的数十毫秒中，对于所述未烘烤的骨冲击后距离对时间图的斜率明显较小超过5倍。这表明，在这些测试中，与烘烤的骨相比，未烘烤的骨能更好地阻止所述探针的重复插入。对于这种类型的测量，需要使用具有比典型LVDT更快的时间分辨率的距离传 感器。因此，在测试中使用光学传感器，MTI- 2000 Fotonic传感器。可 以使用具有以下要求的任何其他快速距离传感器1)灵敏度，下限大约 l微米，2)范围，达到约lmm和3)响应时间，优选几毫米或更快。这 种传感器的其他例子包括光杠杆传感器和电容传感器。
最后，我们注意到，所述的设备可用于表征骨之外的材料。 其可用于表征其他组织如软骨和皮肤。其可用于测量诸如铝合金和铜合 金等金属、诸如聚甲基丙烯酸甲酯和Teflon等塑料、木材和陶瓷的材料 性能。其优点在于，其可用作手持设备在测试实验室之外测量材料性能。 例如，其可用于测量飞机翼的材料性能以检测疲劳或管道上的焊接以检 测脆性。测试探针和参考探针的较窄组合允许其在其他测试设备如硬度 计不能到达的表面上进行测量。此外，使用尖锐型测试探针和参考探针， 可以穿入软涂层，如锈层或灰层或聚合物涂层或腐蚀层或海运有机沉积 物，以测量下面材料的性能。其可以测试埋入管道的地道。附图简述
图la、图lb和图lc显示了在本发明实施方案的三个阶段
中使用的测试探针和参考探针组件；
图2示意性显示了本发明优选实施方案的通用诊断设备；
图3a、图3b和图3c分别显示了图2的通用诊断设备的具 体实施方案的主视图、侧视图和后视图4a-图4e显示了分别从未烘烤和烘烤的牛骨样品得到的力 对距离曲线(图4a和图4b)，分别从未烘烤和烘烤的牛骨样品得到的距离 对时间曲线(图4c和图4d)，以及从未烘烤和烘烤的牛骨样品得到的距离 对循环次数曲线(图4e)，其中都使用了图3的诊断设备；
图5a和图5b显示了分别从19岁的人骨和59岁的人骨样品 得到的力与距离曲线(图5a和图5b)，其中使用了图3的诊断设备；
图6a-图6d显示了通过软组织分别从烘烤的牛骨和未烘烤 的牛骨样品得到的多力对距离曲线(图6a和图6b)，以及通过软组织分别 从烘烤的牛骨和未烘烤的牛骨样品再次得到的在固定距离内的力对循环 次数曲线(图6c和图6d)，其中使用了图3的诊断设备；
图7为本发明另一个实施方案的测试探针和参考探针组合 的截面图8为图2的实施方案中使用的诊断设备的截面图；
图9a-图9g显示了可以用于本发明的各种测试探针的穿入^山 顺；


图10a和图10b显示了可以用于本发明的其他测试探针的穿 入端；
图11显示了可以用于本发明的另一种测试探针的穿入端；
图12a-图12d显示了可以用于本发明的诊断设备实施方案 的各种支撑件；
图13a-图13d显示了可以用于本发明的诊断设备的力产生 器的实施方案；
图14显示了本发明另一个实施方案；
图15显示了用于图14实施方案的滑轨和互接凸缘 (interconnecting flange)的俯视图16为用于图14实施方案的测试探针虎钳的平面图；以及
图17显示了用于操作图2的一些诊断设备的电子器件。发明详细说明
下面将首先描述优选实施方案，然后再描述几个替换实施方 案，其中都使用了本发明的基本原理。优选实施方案
本发明的基本特征是测试探针，其通过骨膜和通过任何皮肤 或其他软组织插入，以接触骨表面。参见图la-图lc，本发明诊断设备的 设计构思是将由测试探针100和参考探针102构成的探针组件通过活 着的人、动物或尸体的骨膜和任何皮肤或其他软组织插入，使其停留在 骨表面上。图la-图lc显示了测试探针100和参考探针102的示例性组 件的三个阶段。该测试探针被插入骨中以测量材料性能。利用尖锐型测 试探针(例如，削尖成11。的半角)，可以测量屈服后性能，并检测力对距 离曲线的不可逆变化。可以处理力对距离曲线，以提供如下参数1)最 大插入距离，2)获得的最大力，以及3)这些值在多次插入循环后的变 化。
如图la-图lc所示，测试探针和参考探针任选被不对称地削 尖，以使测试探针100的尖端与参考探针102的尖端之间的横向偏移最 小。这将使因骨表面与探针组件的轴不完全垂直引起的力对距离曲线中 的零偏移最小。可选择地，当距离的零偏移不重要时，例如，当在固定 最大力下而不是在固定最大距离内循环时，或者当感测在固定阈值力下 的距离、然后插入超出与固定阈值力相应距离的恒定距离时，可以照常 使用不对称的尖锐型探针。在这种情况下，测试探针100可以由直径为 0.5 mm、尖端为5°~90°锥形的工具钢棒形成。该测试探针在#21注射器 内部滑动，并且特殊尖锐型端部作为参考探针102。
示例性组件由作为测试探针100的尖锐型高速钢棒和作为 参考探针102的尖锐型22规格注射针构成。图la显示了刚好在测试探 针插入之前的骨表面上的探针组件。应当注意，参考探针102的尖端已 被研磨成其尖端接近于测试探针100的尖端。
相对于参考探针102在骨表面上的位置，测量测试探针100 插入骨中的距离。还测量插入和收回测试探针100的力。如果测试探针 足够深地循环地插入骨中(通常超过几微米)，那么将出现可以在随后循环 中采样的屈服后损坏，在图lc中，屈服后损坏作为收回测试探针之后保 留在骨中的孔104。
图2显示了当前优选实施方案的通用诊断设备。测试探针 200经由轴206连接至任选的扭矩和角度位移传感器208，然后连接至任 选的扭矩产生器210，然后连接至任选的线性位移传感器212，然后连接 至任选的力传感器214，最后连接至任选的力产生器216。任选的参考探 针202连接至用于固持传感器和产生器的壳体218上。壳体218可以在 测试时由支撑物支撑并置于样品上。这不排除测量和操作的可能性。例 如，还可以包括任选的线性位移产生器，例如图3所示，用于收集图6 中的数据。作为另一个例子，螺线管和固定阻挡件可以用于在固定距离 内插入测试探针200。插入之后的力对时间会具有关于插入之后如何使骨 松弛的信息。在这种情况下，螺线管将产生力，但是只要力大于在固定 距离内插入测试探针200所需的力，那么螺线管的作用就如同位移产生 器产生固定位移。图3中也存在这种功能。因此，力产生器与距离产 生器之间的区别并不总是很清楚。其他附件可以包括缠绕在轴206周围 用于加热探针的加热器。
图3显示了图2所示的通用诊断设备的增强示例。除了图2 提及的部件以外，任选的位移产生器320包括电动机322、旋转的水平 凸轮324以及利用两根弹簧328与凸轮324接触固持的从动销326。可以 利用螺钉344使电动机横向平移并利用螺钉346向下锁定以调节运动范 围电动机322的轴线越接近从动销326的轴线，运动范围越小。不使 用弹簧的情况构成了其他实施方案。例如，可以使用滚珠丝杠或Acme 丝杠将电动机的旋转运动转换成线性运动。Acme丝杠的优点在于，其能 够在动力关闭状态中固持负载，从而能够在固定深度的压痕之后测量力 松弛对时间的函数。为在没有逆转电动机方向的情况下重复循环，可以 使用旋转-线性运动机构，如活塞机构。可以利用作为任选的力传感器330 的测压元件Futek型号LSB200感测力，以及可以利用作为任选的距离传 感器332的线性可变感应式传感器(LVDT)， Macro Sensors型号CD 375 感测距离。诊断设备还具有任选的力产生器，其利用由螺线管334与两 根弹簧328组合产生的力重复使测试探针300进出骨。当螺线管334产 生的力超过两根弹簧328产生的力时，这种组合提供用于插入的正向力， 当螺线管产生的力小于两根弹簧产生的力时，这种组合提供用于将测试 探针从骨中拉出的负向力。两个可调的阻挡件348 (即，螺钉)防止螺线管 将测试探针过深地插入骨中。如果需要研究骨对力的响应，那么这些螺 钉348只用作保险装置，即仅在充分超过实际探测范围时，调节它们以 阻挡测试探针300。可选择地，1)可以调节这些螺钉以给出固定的压痕 深度，并且2)在阻挡件348阻挡所有被测试样品的压痕之前，调节螺线 管的电流使其始终足以插入测试探针300。然后，可以监测所有样品对相 同压痕的响应。在特定实施方案中，可以取消力驱动或取消距离驱动， 仅用一种致动系统操作设备。任选的位移产生器320包括电动机322、旋 转的水平凸轮324以及利用两根弹簧328与凸轮324接触固持的从动销 326，该位移产生器也可适合其他用途。对于随后的利用诸如螺线管334 等力产生器216进行的测量而言，该位移产生器可以用于调节测试探针 300相对于参考探针302的初始位置。如果电动机322是一种步进式电动 机，那么可以更精确地进行这种调节，因而可以更容易地使凸轮324旋 转到精确位置，并且使从动销326和所连接的测试探针300精确地移动 到相对于参考探针302的所需位置。可选择地，在只具有电磁致动系统 的诊断设备中，可以利用推动从动销326的螺钉或测微计调节测试探针 300相对于参考探针302的位置。螺钉或测微计可以安装在将要安装电动 机322的位置；并且取代电动机322和凸轮324。
力传感器330可以是任何适当的市售力传感器，比如顶端与 从动销326连接并且底端与连接器335连接、然后连接至测试探针300 的s-型测压元件。LVDT 332的顶端连接至从动销326的底端。LVDT 332 的底端经由连接销336连接至测试探针。
对于图3a-图3c的实施方案而言，从骨中拉出尖锐型测试探 针300的力超过1牛顿，可以用夹头338将测试探针300夹在连接销336 上。然后，测试探针300经过可以拧入并拧出设备主体的引导件340，以 调节测试探针300相对于参考探针302的突出。参考探针302安装在引 导件340端部形成的配合颈部342上。
图3所示的诊断设备可以用于两种不同的测量模式(1)可 控制的力，或者(2)可控制的距离。在第一种模式中，测试探针插入骨， 直到达到预设力为止，并且被测量的参数是得到的插入距离。在第二种 模式中，增加插入力，直到测试探针插入预设距离为止。与这两种模式 相对应的是，诊断设备可以利用两种不同的致动系统重复使测试探针进 出骨。 一种系统基于螺线管，最便于固定力的循环。为此，由0-2A的可 控电压的电源向螺线管提供电流。由于固定力的作用，电源提供增加到 固定的最大电流。另一种系统基于电动机和凸轮，最便于固定距离的循 环。如下面的实施例所示，图4和图5显示了螺线管系统的使用。图6 显示了电动机和凸轮系统的使用。
除了利用缓慢变化力或静力之外，还可以使用振荡力操作图 3所示的诊断设备。这可以通过例如使用振荡电流加上缓慢变化的电流或 静电流馈送给螺线管334来实现。所得到的振荡力可以从力传感器如测 压元件330读取。振荡距离可以从距离传感器332如LVDT读取。对于 更高频率的响应，可以使用更快的距离传感器，例如光学传感器，如MTI -2000 Fotonic传感器。传感器350的光纤探针可以连接至设备主体，并 且可以读取距连接至测试探针300的标签352的距离。可以作为频率的 函数和作为缓慢变化的力或静力的函数来研究振荡距离的振幅或相位， 从而增加诊断差别。
例如在图13的实施方案中，使用螺线管1351加弹簧系统 1352供应力，在作为电流的函数的力中存在非线性和滞后，因为力不仅 是电流的函数，而且是螺线管中磁芯位置的函数。刚好在来自螺线管的 电流产生的力变得大于弹簧力之后，非线性和滞后性使力急剧增大(增大 时间l毫秒)。力的这种急剧增大对骨产生冲击。由于这种冲击使探针在 骨中移动的距离对时间图是诊断性的。例如，如果电流由静电流加上频
率l Hz和振幅足以在l Hz频率下产生冲击的电流的三角波构成，那么 刚好在冲击后的距离对时间图的斜率可以容易地区分烘烤的骨与未烘烤 的骨。在冲击后的数十毫秒中，对于未烘烤的骨距离对时间图的斜率明 显较小超过5倍。这表明，与烘烤的骨相比，未烘烤的骨能更好地阻 止探针的重复插入。对于这种类型的测量，需要使用具有比典型LVDT 更快的时间分辨率的距离传感器。因此，在测试中使用光学传感器，MTI -2000 Fotonic传感器。可以使用具有以下要求的任何其他快速距离传感 器1)灵敏度，下限大约l微米，2)范围，达到约1 mm和3)响应时 间，优选几毫秒或更快。这种传感器的其他例子包括光杠杆传感器和电 容传感器。实施例1
图4a-图4e显示了本发明的可以区分烘烤的牛骨与未烘烤的 对照牛骨的诊断设备。这种烘烤的骨对未烘烤的骨的模型系统十分有用， 因为烘烤是一种降低其抗断裂性的容易方法。对于在250°C烘烤2.5小 时的骨而言，断裂性能的差异变得明显[4,49]。将骨固持在玻璃碗中的技 术人员的小型虎钳中，该玻璃碗置于升降台的简锡弹簧秤上。升降台用 于提升弹簧秤、玻璃碗、虎钳和骨，直到骨接触诊断设备的探针组件为 止。可以通过连续提升升降台直到在弹簧秤上读取到所需的力为止，来 设置所施加的使参考探针接触骨的预加载力。这种作用力将设置在测试 循环过程中可以使用的最大力。如果作用力过大，那么参考探针会离开 骨。
未烘烤的对照骨越好地阻止测试探针穿入测试探针在固定 力下穿入的距离越小。未烘烤的对照骨还能更好地经受住循环，即以固 定力重复加载。对于未烘烤的对照骨而言，每次循环的最大穿入达到极 限，而对于烘烤的骨而言，最大穿入持续增加。应注意到，尤其对于烘 烤的骨而言，每次循环的最大力略微增加。这是因为使用了刚好使电流 循环到固定最大值的开路电子器件。然而，螺线管产生的力不仅取决于 电流，而且还取决于螺线管线圈中铁磁芯的位置。随着穿入距离的增加， 磁芯的位置变为向相同电流提供略微更大的力的位置。在控制电流的闭
合回路系统中，对被测量力进行反馈，可以使电流稳定。 实施例2
图5a和图5b表明，诊断设备可以区分两种个体人类的骨材 料性能，因为年轻者为19岁、年老者为59岁，所以基于之前研究 [1,4，50,51]，可以预期它们具有不同的断裂性能。年轻个体的骨显示，在 收回探针之后逐渐恢复，并且需要更大的力重复穿入相同深度。此外， 对于年轻个体的骨而言，每次循环的最大穿入距离达到极限，而对于年 老个体的骨而言，最大穿入距离持续增加，即使年轻个体的骨被循环到 较大的固定力(7对5.5牛顿)。这表明，年老个体的骨不能抵抗损害积累。 微裂纹形式的损害积累与增加的骨折风险有关[52-55]。然而，由于样品 数量小，因此无法在统计学上推定出年轻个体骨与年老个体的骨的骨材 料性能之间表现出明显差异。实施例3
图6a-图6d表明了使用带有替换的致动系统的诊断设备，其 中该致动系统包括电动机和凸轮，而不是在图4和图5的实验中使用的 螺线管。在这种情况下，用电动机控制穿入距离，并且用测压元件测量 力。使测试探针插入固定距离所需的力随着骨的损坏而减小。对于未烘 烤的牛骨而言，图6a-图6d还表明了诊断设备穿入软组织甚至覆盖骨表 面的坚韧骨膜的能力，并且仍然在骨上进行测量。应注意到，图6b的曲 线与图4的未烘烤的牛骨曲线非常相似，其中使用包括骨膜在内的软组 织覆盖的未烘烤的骨测得图6b的曲线，在图4的未烘烤的牛骨曲线中已 经从骨表面去除了包括骨膜在内的所有软组织。替换实施方案
在一类替换实施方案中，使用尖锐型测试探针在骨中形成小 压痕，该测试探针足够坚固，不会因穿入骨而变形。这类测试探针的例 子包括具有金刚石、碳化硅或硬化不锈钢尖端的测试探针。骨对穿入这 种尖锐型测试探针的抵抗性和/或在去除尖锐型测试探针时的反应，即抵
抗性，是微观尺度上的骨折风险的指标，而这种指标又与宏观尺度上的 骨折风险有关。
在本发明的不同实施方案中，测量不同的参数。例如，在完 全仪器化的方案中，与使用现有的宏观机械测试、纳米级压痕、微米级 压痕或AFM压痕设备进行的测量相比，使用通过皮肤插入以接触骨的尖锐型测试探针测量力对距离曲线。在这种方案中，可以使用充分制定的 协议和标准评价硬度和弹性模量，其中使用现有的宏观机械测试、纳米级压痕、微米级压痕或AFM压痕设备对材料测试制定协议和标准。图9 显示了用于此目的的测试探针尖端。在一些实施例中，尖锐型测试探针 上的护套与骨表面接触，并且用于限定参考位置。然后，相对于护套测 量尖锐型测试探针在骨中的穿入。根据力对穿入距离的测量结果，可以 提取出关于材料的常规压痕测试的参数。具体地说，这种方法可以用于 测量骨对重复压痕的恢复性能。这样提供了有关骨抗疲劳性的信息，这 方面目前还不能用其他设备测量。本发明的有价值特征在于，可以在活 着的患者上以最小的冲击和可忽视的健康风险来完成。对于疼痛敏感型 患者，可以在被测部位注射，进行局部麻醉。
在本发明的其他实施方案中， 一次性使用的测试探针可以包 括好坏指示器，并且适用于医务室之外的个体使用，以评估其自身的骨 折风险。例如，在本发明的具体实施方案中，测试探针尖端超过停留在 骨表面的护套延伸固定距离。弹簧或弹性体阻挡测试探针杆向后进入护 套的运动，同时指示器测量测试探针杆向后进入护套的运动。因为在接 触骨表面之前护套被推动，所以测试探针尖端必定进入骨或者测试探针 杆必定被向后推入护套。测试探针杆向后推入护套的量是骨对穿入和断 裂抵抗性的量度；更大的骨抗断裂性将由测试探针杆向后进入护套的更 多移动表示，而不是由测试探针尖端在骨中的穿入表示。
设备的另一种实施方案使用了特殊材料的测试探针尖端，其 硬度足以使脆弱骨而不是健康骨形成压痕。例如，可以使用可控孔隙度 的陶瓷或者金属合金或者聚合物。如果用可控力(例如，10~1000毫牛顿) 插入测试探针，那么在收回后，可以量化特殊材料的变形高变形表明 抗骨折性的骨；低变形表明有骨折风险的骨。
可选择地，可以插入测试探针直至阻挡件，例如在测试探针 上在尖端后固定距离的宽肩部，并且量化特殊材料的变形。
参见图7，其中显示了测试探针700,该测试探针通过参考 探针702的内部并且与安装销704连接，该安装销通过定位板705并且 与安装在固持器707中的磁体706连接，该固持器拧到与诊断设备(图8 和图2)连接的轴708中。参考探针702安装在参考探针固持器710中， 例如用于注射针的Luer (鲁尔)锁。参考探针固持器710锁定到与诊断设 备连接的配合插座712上。
由测试探针700、其安装销704、参考探针702和参考探针 固持器70构成的探针组件714可以是一次性并且消毒的。探针组件714 可以快速地在诊断设备上安装和拆卸。在安装过程中，安装销与磁体706 咬合接触，同时参考探针固持器710安装在配合插座712上。当拆卸参 考探针固持器时，与限制阻挡件718组合的任选测试探针阻挡件716可 以通过使安装销704脱离磁体706来简单地拆卸。然后，整个探针组件 714立即卸下，不需要在拆除参考探针702和参考探针固持器710之后单 独地拆除测试探针700和其安装销704。在附图中，为在具体实施例中清 楚起见，探针组件的子部件被标以单独的附图标记。更一般地说，使用 短语"测试探针与参考探针的组合"表示准备安装在诊断设备上的全部探 针组件。测试探针与参考探针的这种组合可以是消毒的和一次性使用的。
图8显示了优选实施方案的诊断设备。测试探针800经安装 销804、定位板805、磁体806和固持器807连接至距离传感器813的轴 808。在本实施方案中，距离传感器包括市售的电子数字指示器，范围大 约0-125 mm，读数下限0.001 mm。相对于经部件803禾卩809连接至距离 传感器813的参考探针802，测量测试探针的位置。
力或冲击经过从距离传感器813伸出的轴808传递至该传感 器。在当前优选实施方案中，拧在轴808顶部上的冲击板814受到因重 力和/或任选的弹簧816的力而加速的物块815的冲击。利用分度销818 与物块815连接的分度轴817使这种冲击可以重复，其中该分度销穿过 顶盖819。该顶盖拧到冲击装置820的本体上，该冲击装置拧到距离传感 器813上。分度轴817通过直线轴承821保持居中。
图8中的诊断设备是图2所示的更一般诊断设备的具体实施 例。对于图8中的诊断设备，省略了任选的扭矩和角度位移传感器208 以及任选的扭矩产生器210。任选的线性位移传感器212是数字度盘式指 示器813。省略了任选的力传感器214。任选的力产生器216是部件 814-820的组件。
参见图9，测试探针900和参考探针902，在图7中分别为 700和702，在图2中分别为200和202，在图1中分别为100和102， 可以具有各种形状并且可以由各种材料制成。图9显示了各种不同的可 能性。为测试抗骨折性而设计的测试探针900a具有锥形的端部。在优选 实施方案中，6=卯，并且测试探针为工具钢。测试探针900d/c在用于一 些Rockwell和Brinell硬度测试中的压痕计之后形成图案，并且具有与钢 柄900c接合的碳化钨半球900b。测试探针900d/e在用于Knoop硬度测 试中的金刚石压痕计上形成图案。该测试探针具有约130°和170°顶角的 棱锥形金刚石900d，安装在碳化钨柄900e上。测试探针900f/g具有基 于正方形的棱锥形状的金刚石卯Of，其对边以136。角相交于顶点，如用 于金属和陶瓷的Vickers硬度测试的金刚石，安装在陶瓷轴卯0g上。测 试探针900h是一种管子，该管子可以旋转以测量骨表面上的摩擦。测试 探针900i为 一种圆盘，该圆盘可以旋转以测量0=0时的摩擦，或者在0=0 或0)>0时骨表面附近的组织粘度，如常规粘度测量。测试探针900j是一 种螺钉，该螺钉可以通过测量将其从参考探针902a内部拧入骨中所需的 扭矩来测试骨。
参考探针902a设计成穿入皮肤和软组织，然后置于骨表面 上。参考探针902b和902c设计成用于任选的外部注射器(图11)，使得 它们不需要为穿入组织而是尖锐的。参考探针902d/e设计成使用尖锐端 卯2d穿入包括骨表面上的坚韧软组织在内的软组织，其中该尖锐端由诸 如软铝合金或塑料等材料制成，这些材料能够穿入软组织，但是当撞击 骨时会变平，并安装在诸如不锈钢902e等较刚性材料的管子上。可能存 在测试探针900和参考探针902的其他配对，比如测试探针卯Ob与参考 探针902e/d。
如图10所示，参考探针不必是圆柱形对称的管子。参考探针可以是带有缝隙的管子1002f，以允许软组织从测试探针与参考探针之间流出。参考探针可以是终止于端部1002g的棒1002h。参考探针还可以是带有任选的重新研磨的尖端的皮下注射器，如图l所示。
如图11所示，任选的外部注射器1122可以使用诸如蜡或软 塑料等粘合剂1123可逆地锁定在参考探针1102上，其中粘合剂设计成 经过软组织时保持完整，但是当注射器1122撞击骨时破碎，因此允许测 试探针1100和参考探针1102接触骨。可选择地，在插入过程中，外部 注射器1122可以通过活动销1124连接在参考探针1102上。在卸下活动 销1124之后，参考探针1102和测试探针IIOO可以滑动接触待测试的骨。 在测试骨之前，外部注射器1122可以任选地从软组织向后滑动。
图12a-图12d显示了诊断设备的各种支撑件。在图12a中， 诊断设备通过置于皮肤1226上的引导件1225滑动。测试探针1201和参 考探针1202穿入皮肤1226和软组织1227直到骨1228。引导件1225使测试探针保持与皮肤和下面的骨近似垂直。
在图12b中，诊断设备是手持的。在测试过程中，用拇指环 1229拔出分度销1218以启动冲击。被测试的骨1231固持在虎钳1232 中，该虎钳位于盛放在容器1234中的流体1233下。当不使用引导件1225 时，诊断设备也可以是手持的，用于测试身体区域的骨。
在图12c中，诊断设备固持在夹子1235中，该夹子通过杆 1236与支撑板1237连接(如图旋转90。)，该支撑板置于升降台1238上， 该升降台可以升降以适应不同高度的样品，比如在位于"V"形台架1241 中的支架1240内部的骨1239。支撑板1237在升降台1238顶部自由移动， 以调节测试探针的横向位置。在杆1236上的气泡水平仪1242引导升降 台1238的调节，以使测试探针1200保持垂直。
在图12d中，诊断设备经x， y， z力传感器1242与x， y， z转换器1243连接。转换器1243控制测试探针在被测试区域正上方的横 向定位，然后以可控制的速度使测试探针下降。在插入测试探针过程中， x， y， z力传感器1242可以用于监控垂直的z轴力，并且当达到指定的 预设力时，x， y， z转换器1243停止测试探针的下降。此外，x， y， z
力传感器1242可以用于反馈系统中，以在插入测试探针过程中，通过利 用x， y， z转换器1243的x轴转换器和y轴转换器对诊断设备进行定位 来保持横向的x和y的力低于预设容差。
图13a-图13d显示了图2的力产生器216的各种实施方案。 图13a是图8所示的力产生器在没有任选的弹簧816或分度销818情况 下的示意性方案。在操作中，重物1315被带有刻度的轴1317提升，所 以它可以提升精确量。在下降时，它可以在重力下加速，并且撞击轴1308 上的冲击板1314。
在图13b中，磁芯1350被线圈1351向下拉，从而在轴1308 上施加力。磁芯1350的底部与轴1308的顶部之间存在任选的间隙1352: 对于冲击而言，间隙1352是非零的，从而允许磁芯1350在冲击轴1308 之前加速。对于更为逐步增加的稳定力而言，间隙1352开始为零经过 线圈1351的电流决定了力。弹簧1353控制磁芯1350的起始位置，并且 在通过使电流经过线圏1351而施加冲击或缓慢变化的力之后返回到起始 位置。这种力产生器特别适合骨的抗疲劳断裂性的测量，因为其易于使 用电子脉冲产生器或其他重复波形产生器来施加一系列冲击或力循环， 以测量作为冲击或力循环次数的函数的压痕深度。
还使用这种类型的力产生器将第一大小的固定力施加至测 试探针以测定测试探针相对于参考探针的起始位置；任选地向测试探针 施加冲击；将第二大小的固定力施加至测试探针；测量测试探针相对于 参考探针的位置变化；将固定力减到第一大小；和记录测试探针相对于 参考探针的位置变化。在这种情况下，弹簧施加第一大小的力，该弹簧 包括在所使用的距离传感器813 (图8)，即Grizzly Digital Indicator之内， 该第一大小的力由围绕轴807的任选外部弹簧(图中未示)和在固持器807 与轴808之间的垫圈(图中未示)上的推动力来进行补充。所使用的第一大 小的力为0.1-0.8磅。通过向线圈1351施加0.42-1.25安培的电流，所使 用的第二大小的力为l-3磅。所使用的用于提供冲击的间隙1352大约1/4 英寸。
在这种情况下，典型步骤为 (1) 将设备的全部重量(大约4磅)放置在硬表面上，所以推动测试探 针800的尖端与参考探针802的端部齐平，使该设备归零，然后使距离 传感器813归零。(2) 将测试探针800和参考探针802通过软组织插入骨中，测试探 针800延伸超出参考探针802大约0.02英寸并在那里由弹簧固持。根据 可接受误差为零(通常可接受误差小于IO微米)的距离传感器813的读数 所示，当接触骨时，通过将设备的全部重量(大约4磅)放置在骨表面上来 迫使测试探针800向后进入参考探针802，直到测试探针800与参考探针 802的端部齐平为止。此时，测试探针将第一大小的力施加至骨使用 0.8磅。(3) 使用电源和脚踏开关使线圈1351接通电流，所使用的电流为 1.25安培。距离传感器的读数记录有仍在流向线圈1351的电流。(4) 通过释放脚踏开关使电流停止流向线圈，同时获得第二读数。 第一读数为抵抗测试探针穿入的量度通常为100微米，并且数值越小 表示骨越坚固。第一读数与第二读数之差为骨弹性恢复的量度通常为 15微米，并且数值越大表示骨越坚固。
在图13c中，诸如Tokin型号AE1010D44H40等多层压电致 动器1354产生力。这些致动器显示为推拉结构。在轴1308上向下推， 中心的两个致动器会扩张，同时外部的四个致动器会收縮。这些致动器 通过使用环氧树脂粘合的接合板1355连接到顶部。按此方式，可以产生 超过2,000N的力，同时位移达到160pm。使用图7所示的探针组件足以 进行骨压痕实验。
在图13d中，诸如数字步进式电动机等电动机1356驱动旋 转螺钉1357与螺母1358。这种螺钉可以任选地是滚珠丝杠或Acme丝杠。 Acme丝杠的优点在于，其能够在动力关闭状态固持负载，从而能够在固 定深度的压痕之后测量力松弛对时间。这样压縮被强制未旋转的弹簧 1359。弹簧1359向轴1308顶部的板1360施加力。
图14显示了本发明的替换实施方案。装置框架1410与支撑 台1407连接，用于使用Velcro条1409将患者的肢体固定在稳固泡沫衬 垫1408上。
滑轨1412连接在该框架上。滑动凸缘1414固持着诊断设备， 在图14中该诊断设备由使用测试探针虎钳1406、经轴1416与力和张力 测量仪1403连接的测试探针1400构成。诸如图2、图3和图8所示的诊 断设备的其他例子可选择地安装在滑动凸缘1414上。滑动凸缘1414和 诊断设备的组件可以1)从固定高度下落以释放固定冲击，或者2)逐 渐下降以施加与滑动凸缘和诊断设备的组件的重量近似相等的力。
如果滑动凸缘1414和诊断设备的组件下落以释放冲击，那 么力和张力测量仪1403记录执行压痕的力，并且可以同时测量从骨释放 测试探针1400所需的张力。
如果滑动凸缘1414和诊断设备的组件逐渐下降以施加与滑 动凸缘和诊断设备的组件的重量近似相等的力，那么该诊断设备可以参 见图2、图3和图8按上述进行操作。
在下落或逐渐下降的任一种情况下，诊断设备都可以经过y 转换器1404和x转换器1405与滑动凸缘连接，滑动凸缘可以用于使诊 断设备横向移动，以在患者肢体上正确地定位，其中使用Velcro条1409 将患者肢体固定在稳固泡沫衬垫1408上。
图15显示了滑轨1510和互接凸缘1512的俯视图。
参见图16，测试探针虎钳1616直接连接至例如图14所示 的力和张力测量仪上，并且具有紧固环，用于夹紧固持一次性测试探针 1600的钳夹。
图17显示了操作一些诊断设备(图2)所需的电子器件。需要 测量和控制电子器件1710，以读取来自任选的扭矩和角度位移传感器 208、任选的线性位移传感器212以及任选的力传感器214的信号，并且 提供用于驱动任选的扭矩产生器210和任选的力产生器216以及任选的 x， y， z力传感器1742和任选的x， y， z转换器1743的信号。需要任选 的计算机1711，使用诸如Labview或自定义软件等程序执行复杂和/或自 动化的测试指令序列。
例如，自动化的测试指令序列可以包括以下步骤
在计算机1711的控制下，使用x， y， z转换器1743在样品1739和 1740上定位测试探针200;然后，根据x， y， z力传感器1742上增加的z轴力所感测的，并且 根据测量和控制电子器件1710所测量的，诊断设备下降，直到参考探针 202穿入组织到达骨1739为止；当达到z轴力的预设值时，计算机1711停止x， y， z转换器1743;然后，计算机1711通过测量和控制电子器件1710发送信号，以使 用力产生器216产生具体的力指令序列；测试探针200相对于参考探针202的合位移由线性位移传感器212 感测、由测量和控制电子器件1710测量并由计算机1711记录；以及然后，计算机1711通过测量及控制电子器件1710向x， y， z转换 器发送信号，以从样品中提升测试探针200。
作为最后的实施例，对于与接受并固持整形修复用的螺钉有 关的、用于测量骨机械性能的诊断设备而言，测试探针200具有如图9 中的900j所示的螺钉形状。省略任选的参考探针。诸如National Instruments RTS系列或S. Himmelstein MCRT系列等扭矩传感器208与 诸如电动机等扭矩产生器210 —起使用。位移传感器212是诸如P3 America型号EDCL等线性可变差动变压器(LVDT)，或者诸如P3 America 型号MM 10等线性运动电位计。力传感器214是诸如National Instruments SLB系列或Sentran ZA系列等测压元件。力产生器216是驱动如图13d 所示的弹簧-螺钉结构的数字步进式电动机。按照图17所示的方式支撑 整个诊断设备。对于力产生器216提供的固定力而言，随着螺钉拧入骨 中，使测试探针卯0j拧入骨中所需的扭矩由扭矩和角度位移传感器208 测量。在螺钉拧入骨中之后，任选地使用力传感器216测量拉出螺钉的 力。这种相同的诊断设备可以与测试探针200和任选的参考探针202 — 起使用，以测量具有形状卯Oi、 900b、 900h或其他形状的测试探针200 在骨表面上的旋转摩擦。已经观察到，由于表面上的脂肪沉积物， 一些 骨质疏松的骨的摩擦下降。因此，这种旋转摩擦对于一些类型的骨质疏 松症是诊断性的。 参考文献在本文中参考以下的文献1. NaIIa, R.K., Kruzic, J丄，Kinney, J.H. & Ritchie, R.O. Effect of aging on the toughness of human cortical bone: evaluation by R-curves.35, 1240-1246 (2004).2. Bonfield， W.， Behiri， J. C. & Charalamides， C. Orientation and age-related dependence of the fracture toughness of cortical bone, in Biomechanics: Cw/re打/1 /wtorfo一w"^y i ^yefl/r// (eds Perren， S.M. & Schneider, E.) 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权利要求
1.一种评估骨的方法，包括通过受试者骨上的骨膜和/或软组织插入测试探针，使得所述测试探针接触所述受试者的骨；和通过与所述测试探针的接触评价骨的材料性能。
2. 如权利要求l所述的方法，用于评估受试者的骨折风险。
3. 如权利要求l所述的方法，其中所述材料性能是以下中的一种或 多种(a) 骨的机械性能；(b) 骨对所述测试探针造成的微观断裂的抵抗性；(c) 骨中的压痕深度对所需力的曲线；(d) 固定力下骨的压痕；(e) 固定冲击能下骨的压痕；(f) 骨的硬度；(g) 骨的弹性模量；(h) 骨对疲劳断裂的抵抗性；(i) 对螺丝穿入骨中的抵抗性； CD骨的旋转摩擦；(k)压痕深度对冲击后时间的曲线； (1)力对冲击设定距离后时间的曲线； (m)压痕深度对反复冲击时间的曲线； 0)力对反复冲击时间的曲线；或 (0)骨对一系列或上述测量组合的反应。
4. 如权利要求l所述的方法，其中所述测试探针通过受试者的皮肤 插入。
5. 如权利要求l所述的方法，其中插入所述测试探针的步骤是循环 步骤的一部分，其中所述测试探针在同一位置多次插入骨中。
6. 如权利要求l所述的方法，包括将所述测试探针在骨中插入微观 距离，以在骨中产生一处或多处微观断裂。
7. 如权利要求2所述的方法，其中用于评价骨的材料性能的装置测 定以下中的一种或多种(a) 所述测试探针的穿入端插入骨中的程度；(b) 骨对所述测试探针穿入的抵抗性；或(C)在其穿入骨后，骨对除去所述测试探针的抵抗性。
8. 如权利要求7所述的方法，还包括经骨膜和/或软组织插入参考探 针，以在所述参考探针没有明显穿入骨的情况下接触骨，用作用于测定 所述测试探针的尖端插入程度的参考。
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述参考探针是在其中放置所述 测试探针的护套形式，用作所述参考的参考探针的端部接近所述测试探 针尖端。
10. 如权利要求9所述的方法，其中所述测试探针形成为棒，所述 棒的尖端超出所述参考探针的端部延伸最大预定距离。
11. 如权利要求9所述的方法，其中所述测试探针和所述参考探针 均为不对称锥形，从而使所述测试探针尖端和所述参考探针尖端之间的 横向偏移最小。
12. 如权利要求8所述的方法，其中当从骨中拉出所述测试探针时， 抵制所述测试探针向后移动，并且抵抗力的程度被测定为骨对断裂或其 他骨材料性能的量度。
13. 如权利要求8所述的方法，其中所述测试探针和所述参考探针 足够尖锐，以穿入受试者的骨膜和皮肤。
14. 如权利要求13所述的方法，其中所述测试探针由工具钢形成。
15. 如权利要求8所述的方法，其中所述骨的材料性能按以下步骤评价将第一大小的第一力施加至所述测试探针，以测定所述测试探针相 对于所述参考探针的起始位置；将第二大小的第二力施加至所述测试探针； 测量所述测试探针相对于所述参考探针的位置变化； 将第二力减到第-大小；和记录所述测试探针相对于所述参考探针的位置变化。
16. 如权利要求6所述的方法，包括测定力对距离参数，通过测定(a) 在骨中插入所述测试探针预定距离所需的力或作为距离的函数； 和/或(b) 在预定力卜-将所述测试探针插入骨中的距离或作为力的函数。
17. 如权利要求16所述的方法，其中骨折风险与力对距离参数相关。
18. 如权利要求16所述的方法，其中使用连接所述测试探针的测压 元件测定力。
19. 如权利要求16所述的方法，其中使用线性差动变压器测压元件 测定距离，其具有连接所述测试探针的磁芯。
20. 如权利要求16所述的方法，其中通过电磁连接至安装销的螺线 管产生力，所述测试探针连接至其端部。
21. 如权利要求16所述的方法，其中所述螺线管的作用是弹簧平衡的。
22. 如权利要求16所述的方法，其中使用光学传感器或电容传感器 测定距离。
23. 如权利要求1所述的方法，其中所述测试探针充分坚固，以在穿入弱骨时抵制变形，但被健康骨变形。
24. 如权利要求23所述的方法，其中测定变形程度，高变形表明抗 骨折性的骨，低变形表明有骨折风险的骨。
25. 如权利要求23所述的方法，其中所述测试探针包括用于防止穿 入骨超出预定距离的停止面，用于加快变形的定量。
26. 如权利要求1所述的方法，其中所述测试探针是一次性使用、 可更换的测试探针。
27. 如权利要求8所述的方法，其中所述测试探针和所述参考探针 是一次性使用、可更换的探针。
28. —种评估骨的诊断设备，包括通过受试者骨上的骨膜和/或软组织插入的测试探针，用于接触所述 受试者的骨；和用于通过与所述测试探针的接触评价骨的材料性能的装置。
29. 如权利要求28所述的诊断设备，用于评估受试者的骨折风险。
30. 如权利要求28所述的诊断设备，其中所述材料性能是以下中的 一种或多种(a) 骨的机械性能；(b) 骨对所述测试探针造成的微观断裂的抵抗性； (C)骨中的压痕深度对所需力的曲线；(d) 固定力下骨的压痕；(e) 固定冲击能下骨的压痕；(f) 骨的硬度；(g) 骨的弹性模量；(h) 骨对疲劳断裂的抵抗性；(i) 对螺丝穿入骨中的抵抗性； (D骨的旋转摩擦；(k)压痕深度对冲击后时间的曲线； (1)力对冲击设定距离后时间的曲线； (m)压痕深度对反复冲击时间的曲线； (n)力对反复冲击时间的曲线；或 (o)骨对一系列或上述测量组合的反应。
31. 如权利要求28所述的诊断设备，其中所述测试探针通过受试者的皮肤插入。
32. 如权利要求28所述的诊断设备，其中将所述测试探针以微观距 离插入骨中，以在骨中产生一处或多处微观断裂。
33. 如权利要求32所述的诊断设备，其中用于评价骨的材料性能的 装置测定以下中的一种或多种(a) 所述测试探针的穿入端插入骨中的程度；(b) 骨对所述测试探针穿入的抵抗性；或(c) 在其穿入骨后，骨对除去所述测试探针的抵抗性。
34. 如权利要求33所述的诊断设备，包括经骨膜和/或软组织插入的 参考探针，以在所述参考探针没有明显穿入骨的情况下接触骨，用作用 于测定所述测试探针的尖端插入程度的参考。
35. 如权利要求34所述的诊断设备，其中所述参考探针是在其中放 置所述测试探针的护套形式，用作所述参考的参考探针的端部接近所述测试探针尖端。
36. 如权利要求35所述的诊断设备，其中所述测试探针形成为棒，所述棒的尖端超出所述参考探针的端部延伸最大预定距离。
37. 如权利要求35所述的诊断设备，其中所述测试探针和所述参考 探针均为不对称锥形，从而使所述测试探针尖端和所述参考探针尖端之 间的横向偏移最小。
38. 如权利要求34所述的诊断设备，包括用于当从骨中拉出所述测 试探针时抵制所述测试探针向后移动的装置，并且抵抗力的程度被测定 为骨对断裂或其他骨材料性能的量度。
39. 如权利要求34所述的诊断设备，其中所述测试探针和所述参考 探针足够尖锐，以穿入受试者的骨膜和皮肤。
40. 如权利要求39所述的诊断设备，其中所述测试探针由工具钢形成。
41. 如权利要求34所述的诊断设备，还包括用于将第一大小的固定力施加至所述测试探针以测定所述测试探针 相对于所述参考探针的起始位置的装置；用于将第二大小的固定力施加至所述测试探针的装置； 用于测量所述测试探针相对于所述参考探针的位置变化的装置； 用于将固定力减到第一大小的装置；和用于记录所述测试探针相对于所述参考探针的位置变化的装置； 由此能够评价骨的材料性能。
42. 如权利要求34所述的诊断设备，还包括用于对于所述插入的测试探针测定力对距离参数的装置，通过测定 (a)在骨中插入所述测试探针预定距离所需的力或作为距离的函数； 禾口/或(b)在预定力下将所述测试探针插入骨中的距离或作为力的函数。
43. 如权利要求42所述的诊断设备，包括与所述测试探针连接、用于测定插入所述测试探针所述预定距离所需的力的测压元件。
44. 如权利要求42所述的诊断设备，包括用于测定在预定力下所述 测试探针插入骨中的距离的线性可变感应式传感器，其具有连接所述测 试探针的磁芯。
45. 如权利要求42所述的诊断设备，包括螺线管和安装销，所述螺 线管电磁连接至所述安装销，所述测试探针连接至所述安装销的端部， 用于产生在骨中插入所述测试探针所述预定距离所需的力。
46. 如权利要求45所述的诊断设备，包括用于抵抗所述螺线管作用 的至少一根弹簧。
47. 如权利要求42所述的诊断设备，包括用于测量所述测试探针插 入骨中距离的光学传感器或电容传感器。
48. 如权利要求34所述的诊断设备，包括具有上端和下端的壳体， 用于在所述壳体的下端安装所述测试探针和所述参考探针的引导件，所 述引导件的下端和所述参考探针形成可拆卸的相互连接，所述参考探针 和所述引导件形成有对齐的通道，所述测试探针通过所述通道延伸。
49. 如权利要求48所述的诊断设备，其中所述参考探针可拆卸地安 装在所述引导件上。
50. 如权利要求49所述的诊断设备，其中所述引导件形成有从其下 端延伸的外螺纹颈部，所述参考探针形成有绕其通道的内螺纹开口，用 于螺旋地安装到所述引导件的颈部。
51. 如权利要求28所述的诊断设备，其中所述测试探针是一次性使 用、可更换的测试探针。
52. 如权利要求34所述的诊断设备，其中所述测试探针和所述参考 探针是一次性使用、可更换的探针。
53. —种评估骨的诊断设备，包括 具有上端和下端的壳体； 用于插入骨中的测试探针；参考探针，用于在所述参考探针没有明显穿入骨的情况下接触骨， 用作用于测定所述测试探针的尖端插入程度的参考；用于在所述壳体的下端安装所述测试探针和所述参考探针的引导 件，所述引导件的下端和所述参考探针形成可拆卸的相互连接，所述参 考探针和所述引导件形成有对齐的通道，所述测试探针通过所述通道延 伸；螺线管和安装销，所述螺线管电磁连接至所述安装销，所述测试探 针连接至所述安装销的端部，用于产生在骨中插入所述测试探针所述预 定距离所需的力；用于测定在所述螺线管产生的力下所述测试探针插入骨中的距离的 线性可变感应式传感器，其具有连接所述测试探针的磁芯和/或光纤探 针；禾口与所述测试探针连接、用于测定插入所述测试探针所述预定距离所 需的力的测压元件。
54. 如权利要求28所述的诊断设备，其中所述测试探针充分坚固， 以在穿入弱骨时抵制变形，但被健康骨变形。
55. 如权利要求54所述的诊断设备，其中所述测试探针的尖端由金 刚石、碳化硅或硬化钢形成。
56. 如权利要求54所述的诊断设备，其中所述测试探针包括用于防止穿入骨超出预定距离的停止面，用于加快变形的定量。
57. —种评估骨的诊断设备用的测试探针和参考探针的组合，所述 参考探针形成通道，所述测试探针通过所述通道延伸。
58. 如权利要求54所述的组合，用于评估受试者的骨折风险。
59. 如权利要求54所述的组合，其中所述参考探针形成有用于安装 到所述诊断设备上的装置。
60. 如权利要求59所述的组合，其中用于安装到所述诊断设备上的 装置包括在所述参考探针的一端绕其通道的螺纹开口。
61. 如权利要求54所述的组合，包括用于在所述诊断设备的上端可 调节地安装所述测试探针和所述参考探针的引导件，所述引导件的下端 和所述参考探针形成可拆卸的相互连接，所述参考探针和所述引导件形 成有对齐的通道，所述测试探针通过所述通道延伸。
62. 如权利要求61所述的诊断设备，其中所述参考探针可拆卸地安 装在所述引导件上。
63. 如权利要求62所述的组合，其中所述引导件形成有从其下端延 伸的外螺纹颈部，所述参考探针形成有绕其通道的内螺纹开口，用于螺 旋地安装到所述引导件的颈部。
64. 如权利要求62所述的组合，其中所述引导件形成有从其下端延 伸的Luer锥形的颈部，所述参考探针形成有绕其通道的Luer锥形的开 口，用于可逆地安装到所述引导件的颈部。
65. 如权利要求54所述的组合，其中所述测试探针和所述参考探针 是经消毒的。
66. 如权利要求54所述的组合，其中所述测试探针和所述参考探针是一次性的。
67. —种用于测定一种或多种材料性能的测试设备，包括 用于插入所述材料中的测试探针；参考探针，用于在所述参考探针没有明显穿入材料的情况下穿入层 并接触所述材料，用作用于测定所述测试探针的尖端在所述材料中插入 程度的参考；用于在所述材料中插入所述测试探针的装置；用于测定所述测试探针插入所述材料中的距离的装置和/或用于测 定插入所述测试探针预定距离所需的力的装置。
68. -种用于测定 一 种或多种材料性能的测试设备用的测试探针和 参考探针的组合，所述参考探针形成通道，所述测试探针通过所述通道 延伸并被设计成穿入层和接触所述材料。
全文摘要
一种评估受试者的骨例如骨折风险的方法和设备，其中通过受试者的皮肤插入测试探针，使得该测试探针接触受试者的骨，并测定测试骨对该测试探针造成的微观断裂的抵抗性。通过测量骨对该测试探针造成的微观断裂的抵抗性，评估宏观骨折风险。微观断裂很小，以致于它们造成的健康风险可以忽略。该设备也可用于表征其他材料，特别是在必须穿入层以到达待表征的材料的情况。
文档编号A61B5/103GK101166464SQ200680014461
公开日2008年4月23日 申请日期2006年5月3日 优先权日2005年5月5日
发明者乔治·范塔纳, 保罗·汗斯曼, 帕特里夏·特纳, 道格拉斯·雷恩 申请人:加利福尼亚大学董事会