用于远侧目标确定的对齐装置的制作方法

本申请是申请号为201280006648.9、国际申请日为2012年1月17日的同名的发明专利申请的分案申请。

优先权声明

本专利申请要求提交于2011年1月28日且名称为“alignmentdevicefordistaltargeting”的美国临时申请序列号61/437,182的优先权，其全部公开内容以引用方式并入本文中。

本发明涉及用于使瞄准装置的瞄准孔与髓内钉的锁定孔对齐的装置。

背景技术：

髓内钉常常被插入长骨的髓管中并经由锁紧螺钉固定于其中以治疗骨折，所述锁紧螺钉穿过所述钉的锁定孔插入。可在插入之前将包括瞄准孔的瞄准装置附接到髓内钉，使得所述瞄准装置的瞄准孔与锁定孔基本上对齐，以将钻头和/或锁紧螺钉引导至锁定孔。然而，将髓内钉插入骨中常常导致髓内钉变形，从而使锁定孔运动而不再与瞄准孔对齐。目前，外科医生或其他使用者可利用x射线图像来确定使瞄准装置的瞄准孔与髓内钉的锁定孔对齐所需的调整。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于使瞄准装置的瞄准孔与髓内钉的锁定孔对齐的装置。所述装置包括感测单元，所述感测单元的尺寸和形状被设定成穿过瞄准装置的瞄准孔插入，所述瞄准装置能够附接到髓内钉。所述感测单元检测由磁铁产生的磁场并基于相对于所述磁铁的第一位置和第二位置处的磁场参数来输出对齐信号。

附图说明

图1显示根据本发明的示例性实施例的系统的透视图；

图2显示图1所示系统的另一个透视图；

图3显示图1所示系统的又一个透视图；

图4显示髓内钉在插入骨中时发生的变形；

图5显示根据图1所示系统联接到髓内钉的瞄准装置；

图6显示图1所示系统的横截面侧视图；

图7显示图1所示系统的感测单元的透视图；

图8显示曲线图，该曲线图示出了由图7所示的传感器感测到的示例性差分电压；

图9显示根据本发明的替代实施例的感测单元的透视图；

图10显示根据本发明的又一个替代实施例的感测单元的透视图；

图11显示根据本发明的另一个示例性实施例的系统的透视图；

图12显示图11所示系统的剖面图；

图13显示根据图11所示系统的具有对称场的差分信号的图表；

图14显示根据图11所示系统的具有非对称场畸变的差分信号的图表；

图15显示图11所示系统的感测单元的替代实施例；并且

图16显示根据本发明的示例性实施例的感测单元的另一个实施例。

具体实施方式

结合以下说明和附图可进一步理解本发明。在附图中，相似的元件由相同的附图标号标示。本发明涉及用于治疗骨的装置，具体地涉及确保使瞄准装置的一个或多个瞄准孔与髓内钉的相应锁定孔对齐的装置。本发明的示例性实施例描述了插入髓内钉中的磁铁和至少一个传感器，所述至少一个传感器用于检测由磁铁产生的磁场，以确定所述传感器相对于所述磁铁的位移。随后利用所述位移来调整瞄准装置，使得瞄准装置的瞄准孔与锁定孔对齐。应该指出的是，本文所用的术语“近侧”和“远侧”是指朝向(近侧)和远离(远侧)装置的使用者的方向。

如图1-9所示，根据本发明的示例性实施例的系统100包括对齐引导装置102，该对齐引导装置用于使瞄准装置106的瞄准孔104与髓内钉110的锁定孔108对齐。锁定孔108横向延伸穿过例如髓内钉110的远侧部分，并且其尺寸和形状被设定成容纳穿过其中的骨固定元件。瞄准装置106联接到髓内钉110，使得瞄准孔104与锁定孔108基本上对齐(即，瞄准孔104的中心轴线与锁定孔108的中心轴线同轴)，使得钻头和/或骨固定元件可经由例如导向套管130被引导至锁定孔108中。然而，当将髓内钉110插入骨的髓管中时，髓内钉110可能变形，使得锁定孔108的中心轴线不再与瞄准孔104的中心轴线对齐，如图4所示。如图1-2所示，对齐引导装置102包括第一组件112和第二组件114，该第一组件包括磁铁116，该磁铁紧邻锁定孔108插入髓内钉110的纵向槽128中，该第二组件包括感测单元118，该感测单元穿过瞄准孔104和/或导向套管130插入以确定瞄准孔104相对于锁定孔108的位移。对齐引导装置102指示瞄准孔104与锁定孔108的对齐和/或使瞄准孔104与锁定孔108对齐所需的对瞄准装置106进行的调整。如图5所示，例如可通过相对于瞄准装置106的近侧部分122枢转其远侧部分120来调整瞄准装置106，该远侧部分包括延伸穿过其中的瞄准孔104。可使远侧部分120运动，直到对齐引导装置102指示瞄准孔104与锁定孔108已准确地再次对齐。本领域的技术人员应当理解，瞄准装置106可包括任何数目的瞄准孔104，每一瞄准孔均可利用对齐引导装置102与髓内钉110中的相应的锁定孔108对齐，以下将更详细地对此进行说明。

如图1-3所示，对齐引导装置102的第一组件112包括棒124，该棒从近端(未示出)纵向延伸至远端126并附接到磁铁116。磁铁116和棒124的尺寸和形状被设定成穿过髓内钉110的槽128滑动并且被定位成在所选择的一个锁定孔108中或紧邻所选择的一个锁定孔108。磁铁116被定位在槽128内并例如与所选择的锁定孔108的中心轴线相交(例如，定位在所选择的锁定孔108的位于钉110相对的两侧上的开口之间)。作为另外一种选择，磁铁116可被定位成靠近锁定孔108，紧邻限定锁定孔108的开口或位于所述开口的远侧。在优选的实施例中，磁铁116被定位成紧邻锁定孔108，使得在外科医生穿过骨和锁定孔108钻孔之前无需移除磁铁116。磁铁116可为例如条形磁铁，所述条形磁铁取向为磁极与棒124的纵向轴线轴向对齐。在一个示例性实施例中，磁铁116可为大约10mm长和4mm宽。然而，本领域的技术人员应当理解，磁铁116可为多种形状和尺寸中的任一种，只要磁铁116可穿过髓内钉110的槽128插入即可。将棒124的长度选择成对应于髓内钉110的长度，使得当第一组件112插入钉110中时，磁铁116可被插入槽128中并到达对应于锁定孔108的一个或多个期望位置。在另一个实施例中，棒124可沿其长度包括标记，以指示棒124为到达相对于锁定孔108的期望位置应插入钉110中的长度。

第二组件114包括探针132，该探针从近端134纵向延伸至远端136并且包括感测单元118。例如，可将感测单元118安装到固定于探针132内的印刷电路板(pcb)133。第二组件114还可包括在探针132的近端134处的指示器138。探针132的尺寸和形状被设定成穿过导向套管130插入，该导向套管穿过瞄准装置106的瞄准孔104插入。导向套管130例如可为在对骨钻孔和/或将骨固定元件插入钉110中期间使用的钻头套管或保护套管。可穿过患者的皮肤和软组织推动导向套管130，直到该导向套管的远端接触骨。将探针132的长度选择成使得在手术位置中，探针132的远端136邻近导向套管130的远端或朝远侧延伸超过所述远端，使得当导向套管130抵靠骨定位时，感测单元118尽可能地靠近钉110内的磁铁116。例如，探针132的长度可为大约160mm。将探针132的宽度选择成允许探针132可滑动地穿过导向套管130插入，同时确保探针132的纵向轴线与导向套管130的纵向轴线同轴。例如，探针132可具有大约8mm的宽度(例如直径)。然而，本领域的技术人员应当理解，探针132可具有多种长度和宽度中的任一种，只要探针132可同轴地穿过瞄准孔104和/或导向套管130插入即可。

指示器138包括输入装置和显示器140，所述输入装置从感测单元118接收对齐信息，所述显示器显示瞄准孔104相对于锁定孔108的对齐和/或不对齐。例如，显示器140可包括两个方向指示器和对齐指示器。方向指示器可为指针或箭头，其指示瞄准装置106为使瞄准孔104与锁定孔110对齐而应运动的方向。对齐指示器可为例如当瞄准孔104与锁定孔108实现对齐时进行指示的形状或符号。显示器140可从输入装置接收对齐信息，以例如照亮方向指示器或对齐指示器中的一者，以显示是否需要调整瞄准装置106且如果需要的话应沿哪个方向移动瞄准装置108。尽管将显示器140描述成包括可照明指示器，然而本领域的技术人员将会理解，可使用多种显示结构中的任一种，只要显示器140能够指示瞄准孔104与锁定孔108之间的对齐即可。

如图6所示，感测单元118检测由磁铁116生成的磁场。感测单元118可按多种方式中的任一种布置在探针132中。在一个示例性实施例中，如图7所示，感测单元118包括用于提供对齐信息的相应的第一传感器118a和第二传感器118b、以及用于识别是否存在异常的第三传感器118c。第一传感器118a和第二传感器118b在探针132的相对的两侧上且在纵向上沿探针132的相同纵向位置处在探针132的远端136处形成感测对。例如，可在相同的纵向位置处在pcb133的相对的两侧上将第一传感器118a和第二传感器118b焊接到pcb133。可将pcb133固定在探针132内，使得感测单元118被定位在探针132的远端136处。第三传感器118c可在第一传感器118a和第二传感器118b的近侧定位在pcb133上。第三传感器118c被定为成使其中心轴线与pcb133的中心轴线对齐。

第一传感器118a和第二传感器118b被配置成在不同位置处感测由磁铁116生成的磁场的参数(例如场矢量或场强)。传感器118a,118b可为一维传感器、二维传感器、三维传感器、或它们的任何组合。第一传感器118a和第二传感器118b被设置成以二维方式或三维方式输出对应于磁场参数的信号。来自传感器118a,118b的这些信号由指示器138的输入装置接收并被分析以确定瞄准装置106为实现与所选择的锁定孔108的期望对齐所需进行的调整。该信息随后可被显示在显示器140上。感测空间中或附近的能够干扰髓内钉110中的磁铁116所产生磁场的异常或磁性工件可对第三传感器118c造成影响。第三传感器118c输出对应于磁场参数(例如磁场强度)的信号。在不存在异常的第一情形中，当传感器118a,118b已实现期望的对齐时，第三传感器输出指示达到期望水平参数(例如最大场强)的信号。在存在异常的第二情形中，当传感器118a,118b指示已实现期望的对齐时，第三传感器118c可指示尚未达到期望水平的参数。在第二情形中，瞄准装置106可输出指示存在异常的信号，这是因为期望的对齐信号与期望的水平信号之间存在差异。因此，第三传感器118c为用于确定是否可能实现可靠感测的指示器。例如，当第三传感器118c识别出存在异常时，可确定无法实现可靠的感测。

图8显示由第一传感器118a和第二传感器118b所检测到的场分量的示例性差值。根据指示器138的指导来调整瞄准装置106，直到传感器118a,118b中的每一者检测到如下磁场：所述磁场在指示与磁铁116对齐(即，瞄准孔104与锁定孔108的对齐)的相对方向上具有相同矢量或强度。因此，当第一传感器118a与第二传感器118b输出的信号间的差值基本上为零(即，小于预定的阈值水平)时，可指示对齐。然而，可根据需要通过例如对第一传感器118a和第二传感器118b的信号相加、相乘、相除来执行其他分析。

在另一个实施例中，如图9所示，感测单元118'包括第一传感器118a'和第二传感器118b'，第一传感器118a'和第二传感器118b'可按基本上类似的方式布置在探针132'的远端136'处。具体地，第一传感器118a'和第二传感器118b'在沿pcb133'相同的纵向位置处布置在pcb133'的相对的两侧上。pcb133'被固定在探针132'内。然而，第一传感器118a'和第二传感器118b'是一维传感器，使得传感器118a'和118b'测量场分量相对于探针132'的远端136'的距离。差分电压指示方向和该方向的恰当对齐。

在另一个实施例中，如图10所示，感测单元包括位于探针132"的远端136"中的单个传感器118"。由于仅存在一个传感器118"，因此无法生成差分信号(例如差分电压)。因此，在此实施例中，使瞄准装置106(包括探针132"和穿过瞄准孔104插入的传感器118")运动，直到指示器138指示瞄准孔104与锁定孔108对齐。当探针132"运动时，根据时间单位不连续地跟踪差分信号，以确定正确对齐。

根据使用系统100的示例性外科技术，将瞄准装置106附接到髓内钉110，使得瞄准孔104与锁定孔108基本上对齐。随后将髓内钉110插入骨的髓管中。本领域的技术人员将会理解，髓内钉110在插入骨中时可变形，使得锁定孔108不再与瞄准孔104对齐。必须调整瞄准装置106来补偿任何变形。为确定瞄准装置106所需的调整，将对齐引导装置102的第一组件112插入髓内钉110的槽128中，使得磁铁116紧邻锁定孔108定位，如上所述。随后穿过导向套管130插入第二组件114的探针132，直到感测单元118紧邻导向套管130的远端定位，其中导向套管130已穿过瞄准孔104插入，并且所述远端邻近靠近锁定孔108期望位置的皮肤。感测单元118可为上述传感器构型中的任一种。

感测单元118从体内检测磁铁116所产生的磁场，以确定感测单元118是否与磁铁116对齐，即瞄准孔104是否与锁定孔108对齐。指示器138向使用者指示瞄准孔104与锁定孔108是否对齐。如果瞄准孔104与锁定孔108未对齐，则使用者可相对于髓内钉110而使瞄准装置106的至少一部分运动，直到实现期望的对齐。例如，使用者可通过以下方式相对于近侧部分122来使瞄准装置106的远侧部分120运动：松开旋钮142以围绕旋钮142的销部分枢转远侧部分120，其中旋钮142将远侧部分120联接到近侧部分122。使瞄准装置106运动，直到指示器138指示瞄准孔104与锁定孔108对齐。随后可紧固旋钮142，以保持瞄准装置106相对于髓内钉110的对齐位置。

如图11-12所示，根据本发明的另一个示例性实施例的系统200可基本上类似于系统100，系统200包括对齐引导装置202，以用于使瞄准装置的瞄准孔和/或导向套管的内腔与髓内钉210的锁定孔208对齐。所述瞄准装置和导向套管可基本上类似于上文中关于系统100所述的瞄准装置106和导向套管130。对齐引导装置202也可基本上类似于对齐引导装置102，对齐引导装置202包括第一组件212和第二组件214，该第一组件包括磁铁216，该磁铁紧邻锁定孔208插入髓内钉210的纵向槽228中，该第二组件包括感测单元218，该感测单元穿过瞄准孔和/或导向套管插入，以确定瞄准孔相对于锁定孔208的位移。然而，感测单元218包括四个传感器218a-218d。第一传感器218a和第二传感器218b在探针232的相对的两侧上在沿探针232的基本上相同的纵向位置处被布置在探针232的远端236处。例如，第一传感器218a和第二传感器218b可被固定到pcb233，该pcb固定在探针232内。第三传感器218c和第四传感器218d沿pcb233在相对于彼此基本上相同的纵向位置处被定位在第一传感器218a和第二传感器218b的近侧。第三传感器218c与第一传感器218a被定位在同一侧上，而第四传感器218d与第二传感器218b被定位在同一侧上。第三传感器218c和第四传感器218d的中心可被定位成与第一传感器218a和第二传感器218b的中心沿pcb233的长度相距大约5-20mm。

探针232的尺寸和形状被设定成适于穿过瞄准孔和/或导向套管。探针232可例如具有大约8mm的直径。可将第一传感器218a和第二传感器218b安装在固定于探针232内的pcb233的相对的两侧上，使得传感器单元218被布置在探针的远端236处。pcb233可具有介于1.6mm至5.0mm之间的宽度。在一个示例性实施例中，例如探针具有3.2mm的宽度。换句话讲，第一传感器218a与第二传感器218b之间的横向距离对应于pcb233的宽度，第一传感器218a和第二传感器218b沿该pcb安装。如图11和12所示，pcb233的宽度可为恒定的，使得第一传感器218a与第二传感器218b之间的横向距离等于第三传感器218c与第四传感器218d之间的横向距离。然而，本领域的技术人员应当理解，pcb233的宽度可沿其长度变化，使得第一传感器218a与第二传感器218b之间的横向距离不等于第三传感器218c与第四传感器218d之间的横向距离。例如，如图15所示，pcb233的上面安装有第一传感器218a和第二传感器218b的部分的宽度可小于pcb233的上面安装有第三传感器218c和第四传感器218d的部分的宽度，使得其间的横向距离不同。本领域的技术人员应当理解，第一传感器218a与第二传感器218b之间的横向距离以及第三传感器218c与第四传感器218d之间的横向距离可发生变化，只要在其间延伸的中心平面(例如，穿过探针232的中心沿其长度延伸的中心平面)保持相同即可。本领域的技术人员应当理解，传感器218a-218d的灵敏度一般来讲随着横向距离的增大而增大。

第一传感器218a和218b被配置成以与第一传感器118a和第二传感器118b的操作相似的方式感测由磁铁216生成的磁场的参数。第三传感器218c和第四传感器218d检测磁场的畸变。如上文中关于感测单元118所述，传感器218a-218d可为1d、2d和3d传感器的任意组合。在一个示例性实施例中，采用3d传感器使得传感器218a-218d并不仅限于1个场分量，并且可获得更大的工作容积。传感器218a-218d可包括例如3d磁阻传感器(例如hmc1043传感器)、1d传感器(例如a1395传感器)和/或1d传感器(例如as5510)。当第一传感器218a与第二传感器218b平衡且第三传感器218c与第四传感器218d平衡时，系统指示探针232与锁定孔208对齐。具体地，如图12所示，当探针232与磁铁216的z轴对齐且第一传感器218a和第二传感器218b以及第三传感器218c和第四传感器218d沿磁铁216的y轴对称分布(例如，第一传感器218a的y位点与第二传感器218b的y位点之差＝0且第三传感器218c的y位点与第四传感器218d的y位点之差＝0)时，系统指示探针232以及穿过其中插入的导向套管和/或瞄准孔与锁定孔208对齐。例如，如图13的图表所示，第一传感器218a和第二传感器218b的差分信号与第三传感器218c和第四传感器218d的差分信号在y＝0处相交，以告知使用者已实现恰当的对齐。可在例如附接到探针232近端的显示器上指示所述对齐。

然而，当第一传感器218a与第二传感器218b平衡而第三传感器218c和第四传感器218d不平衡时，系统指示存在异常使得无法适当地感测对齐。例如，如图14的图表所示，第一传感器218a和第二传感器218b的差分信号与第三传感器218c和第四传感器218d的差分信号之间的零点不在相同的y位置处，其表示存在异常。可通过警报信号(例如显示器上的闪烁led)告知使用者检测到异常。随后使用者可尝试移除异常，直到不再显示警报信号。一旦移除异常，使用者便可继续尝试利用上述技术找到适当的对齐。

可按与上文中关于系统100所述的基本上相似的方式来确定探针232与锁定孔208的对齐。具体地，确定磁场对于所有四个传感器218a-218d的y分量。随后计算第一传感器218a与第二传感器218b之间的第一信号差值(例如第一传感器218a的y分量与第二传感器218b的y分量之间的差值)以及第三传感器218c与第四传感器218d之间的第二信号差值(例如第三传感器218c的y分量与第四传感器218d的y分量之间的差值)。如果第一传感器218a与第二传感器218b之间的信号差值在第一阈值范围之外，则附接到探针232近端的显示器指示应使插入探针232时所穿过的瞄准装置和/或导向套管运动，并且指示装置为减小差值而应运动的方向。如果信号差值大于所述范围的上限(即，差值是范围外的正值)，则显示器指示装置应运动的第一方向，而当差值小于所述范围的下限(即，差值是范围外的负值)时，显示器指示瞄准装置和/或导向套管应沿第二方向运动。

如果第一传感器218a与第二传感器218b之间的信号差值处于第一阈值范围内，并且第三传感器218c与第四传感器218d之间的信号差值处于第二阈值范围内，则系统指示探针232和瞄准装置和/或导向套管与锁定孔208适当地对齐。然而，如果第一传感器218a与第二传感器218b之间的信号差值处于第一阈值范围内，而第三传感器218c与第四传感器218d之间的信号差值不处于第二阈值范围内，则显示器可通过例如显示器上的警报信号指示可能存在异常。第一阈值范围和第二阈值范围表示目标范围。本领域的技术人员应当理解，由于信号差值的大小取决于传感器-磁铁的距离，因此第一阈值范围和第二阈值范围不是恒定的。更确切地，第一阈值范围和第二阈值范围可为取决于磁场信号强度的函数。本领域的技术人员应当理解，尽管示例性实施例具体地阐述利用y分量计算信号差值，然而也可实现多种其他构型，只要传感器单元218能够检测与锁定孔208的对齐和/或干扰即可。

尽管传感器单元218被具体地阐述成包括四个传感器218a-218d，然而本领域的技术人员应当理解，传感器单元218可包括多于四个的传感器。例如，如图16所示，传感器单元318可包括六个传感器318a-318f。传感器318a-318d可基本上类似于上文中关于系统200所述的传感器218a-218d。然而，传感器单元318包括第五传感器318e和第六传感器318f，第五传感器318e和第六传感器318f在固定于探针332内的pcb333的相对的两侧上相同的纵向位置处被定位在第三传感器318c和第四传感器318d的近侧。本领域的技术人员应当理解，传感器单元318可包括任何数目的更多的传感器。本领域的技术人员还应当理解，更多的传感器将提高确定对齐的精确度。

对于本领域的技术人员将显而易见的是，可在不脱离本发明精神或范围的前提下对本发明的结构和方法作出多种修改和变型。因此，要达到的目的是使本发明涵盖落入所附权利要求书或其等效内容范围内的本发明的各种修改形式和变型。