CN108135638B - 用于植入骨组织的*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将可植入设备植入骨组织的***、用于这种***的处理单元、植入可植入设备的方法，以及提供用于植入可植入设备的信息的方法。鉴于发现骨松质中的脂肪含量高于骨密质中的脂肪含量，能够通过光学手段(例如，光谱检查)而确定的脂质分数能够用于确定在健康骨中的正确螺钉放置。

Description

用于植入骨组织的***
技术领域
本发明涉及用于将可植入设备植入骨组织的***，所述可植入设备具有用于接收光学传输设备的内腔。本发明还涉及针对用于将可植入设备植入骨组织的这种***的处理单元、辅助植入可植入设备的方法、提供用于植入可植入设备的信息的方法，以及用于提供用于植入可植入设备的信息的软件产品。
背景技术
在许多医学流程和背景中，可植入设备被临时植入骨组织，以例如用于将骨组织相对于其他骨组织进行固定或者用于相对于外部环境来固定骨组织。
这种临床应用的范例包括在颈椎、胸椎和腰椎中***椎弓根螺钉、各种骨创伤中的骨折固定，以及髋关节成形术和膝关节成形术中的板定位。
椎弓根螺钉固定(例如参见R.J.Mobbs、P.Sivabalan以及J.Li的“Technique,challenges and indications for percutaneous pedicle screw fixation”(Journalof Clinical Neuroscience 18，2011年，第741-749页))是治疗脊柱退行性疾病、椎间盘疾病、脊柱创伤或脊柱畸形的主要手段。椎弓根螺钉固定提供短而坚硬的节段稳定，这允许保留运动节段并稳定脊柱。处置胸腰椎骨折的融合率和临床结果似乎优于使用其他形式的处置而实现的融合率和临床结果。根据医学护理研究与质量机构(AHRQ)的报告，在美国医院2011年的住院期间(每10000人的住院率为15.7)，共进行了约488000次脊柱融合术，占所有手术室流程的3.1％。
尽管脊柱椎弓根螺钉在全球范围内被用于增强脊柱的稳定性，但是脊柱椎弓根螺钉的器械操作的安全性和有效性仍受到质疑。关于放置椎弓根螺钉有两个主要问题：
1、准确定位椎弓根螺钉——椎弓根螺钉要么被盲目地***，要么在通常较差的荧光透视引导下进行***。最近，采用了一些导航技术，但迄今为止，临床结果有限。
2、椎弓根螺钉松动——椎弓根螺钉常常被置于患有脊柱退行性疾病的老年人中，其中，骨质疏松症是常见病症。在外科手术处置之后的两年内，约有三分之一的患者会发生螺钉松动。
发明内容
本发明的目的是提供对可植入设备在骨组织中的植入的改进，尤其是在准确性和可靠性方面。尤其地，作为这种可植入设备的范例，期望在***螺钉时提供椎弓根螺钉在人体脊柱中的准确放置，其具有感测周围组织的能力。可以及时检测到并防止靠近重要结构(脊髓、脊神经)或侧向错误放置(肌束)。本发明的目的还在于提供一种检测***，其允许在放置期间测量骨的硬度，以便判断是否应当采取额外的措施来旋拧螺钉。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于将可植入设备植入骨组织的***，所述可植入设备具有用于接收光学传输设备的内腔，所述***包括：光探测器，其被配置为当至少所述光学传输设备已经被接收在所述可植入设备的所述内腔中时被耦合到所述光学传输设备，以便接收被邻近所述可植入设备的组织反射的光和/或在邻近所述可植入设备的组织中被散射的光，并且探测被邻近所述可植入设备的组织反射的所述光和/或在邻近所述可植入设备的组织中被散射的所述光的光谱的至少部分；计算单元，其用于根据所探测的光谱来计算指示所述组织中的脂肪含量的参数；以及导航单元，其用于将指示所述脂肪含量的所计算的参数与预定值进行比较，并且输出指示所述比较的结果的信号。
例如，所述光学传输设备可以包括至少一个光波导，所述至少一个光波导被布置用于将光从所述光学传输设备的近端传输到远端以对组织进行照明，并且用于将被所述组织反射的光和/或在所述组织中被散射的光从所述光学传输设备的所述远端传输到所述近端。由此，当所述光波导已经被接收在所述可植入设备的所述内腔中时，所述设备的前部与所述波导的远端之间建立起光学连接，所述光学连接优选能连接到光探测器。因此，如在植入期间在设备的移动方向上所看到的，光探测器可以接收被可植入设备前方的组织反射的光和/或在可植入设备前方的组织中被散射的光。根据所探测的光，特别是其光谱，可以确定指示设备前方的组织的脂肪含量的参数。
而且，在本发明的第二方面中，提供了一种针对用于将可植入设备植入骨组织的***的处理单元，所述处理单元包括：计算单元，其用于根据对被所述组织中反射的光和/或在所述组织中被散射的光所探测的光谱来计算指示所述组织中的脂肪含量的参数；以及导航单元，其用于将指示所述脂肪含量的所计算的参数与预定值进行比较，并且输出指示所述比较的结果的信号。
在本发明的第三方面中，提供了一种辅助植入可植入设备的方法，所述方法包括以下步骤：在所述可植入设备的内腔中提供光波导，所述光波导被布置用于将光从光学传输设备的近端传输到远端以对组织进行照明，并且用于将被所述组织反射的光和/或在所述组织中被散射的光从所述光学传输设备的所述远端传输到所述近端，将光从所述光学传输设备的近端传输到远端以对组织进行照明，将被所述组织反射的光和/或在所述组织中被散射的光从所述光学传输设备的所述远端传输到所述近端，接收被所述组织反射的所述光和/或在所述组织中被散射的所述光并探测被所述组织反射的所述光和/或在所述组织中被散射的所述光的光谱的至少部分，根据所探测的光谱来计算指示所述组织中的脂肪含量的参数，将指示所述脂肪含量的所计算的参数与预定值进行比较，并且输出指示所述比较的结果的信号。
在本发明的另外的第四方面中，提供了一种提供用于植入可植入设备的信息的方法，所述方法包括以下步骤：探测被组织反射的光和/或在组织中被散射的光的光谱的至少部分，根据所探测的光谱来计算指示所述组织中的脂肪含量的参数，将指示所述脂肪含量的所计算的参数与预定值进行比较，并且输出指示所述比较的结果的信号。
发明人发现：骨松质(即，骨的内部的软的(或较软的)部分)中的脂肪含量高于骨密质(即，骨的外部的硬的(或较硬的)部分)中的脂肪含量。换句话说，能够通过光学手段(例如，光谱检查)确定的脂质分数能够用于确定健康骨骼中的正确螺钉放置。当确定与骨中脂质分数有关的参数时发现，当脂质分数高于某个值时，可植入设备仍处于骨松质中。当该值下降到临界值以下时，到达骨密质，并且进一步推进可植入设备可能损伤骨的周围软组织。
在优选实施例中，所述导航单元被布置用于在所述比较的所述结果指示对所述脂肪含量进行指示的所计算的参数小于所述预定值的情况下向所述***的用户输出指示到达所述骨的硬壳部分的警告。
在优选实施例中，所述***还包括：确定单元，其被布置用于基于在所述可植入设备的已知骨组织类型的位置处所探测的光谱来设定所述预定值。
需要指出，可以针对每个患者单独确定预定值，即使也可以预想到提供标准化的预定值，例如根据患者的某些参数来选择一组值。还可以提供反映了关于存在于骨的已知内部部分中的值的相对值的预定值。
探测从骨松质(软骨)到骨密质(硬骨)的转变的一种选项是基于脂肪含量下降到预定义的绝对值以下。另一种也可以与上述选项组合的选项包括当可植入设备(例如，光学通管针/螺钉的组合)处于骨松质(即，脂肪含量相对较高)中时确定脂肪含量(或指示脂肪含量的参数)。当推进可植入设备时，当设备的前部(特别是设备尖端，即，被布置在设备中的光学传输设备的视点)接近骨密质时，脂肪含量将下降。
在示例性实施例中，当邻近设备的前部的组织的脂肪含量(或指示脂肪含量的参数)与骨松质中的脂肪含量(或指示脂肪含量的参数)的值相比下降超过20％时，可植入设备的尖端被认为是靠近骨密质，并且给医生发出警告信号。在更优选的实施例中，下降超过40％。在甚至更优选的实施例中，下降超过50％。
在优选实施例中，所述***还包括：探头布置，其用于测量邻近所述可植入设备的组织的电阻抗；以及操作单元，其用于操作所述探头布置，其中，所述导航单元还被布置为根据所述操作单元的所述操作来确定所述组织的特性和/或所述组织的类型。
作为用于获得关于周围组织的信息的另外的手段，能够通过合适的探头布置来测量电阻抗。
在优选实施例中，所述可植入设备是椎弓根螺钉，并且所述***还包括：旋拧工具，其被布置用于被耦合到所述椎弓根螺钉以用于扭转所述椎弓根螺钉，其中，所述旋拧工具包括接收光波导的凹槽或通道。
更优选地，所述光波导或所述光学传输设备被布置用于以如下方式被固定到所述可植入设备：在允许所述光学传输设备或所述光波导与所述可植入设备之间的相对旋转移动的同时防止轴向移动(即，沿着可植入设备的纵轴或***组织中的方向移入和移出可植入设备)。也就是说，可植入设备可以围绕光波导自由旋转。因此，光学传输设备或光波导不必遵循与植入有关的旋拧运动的旋转方面，使得光学传输设备或光波导不会扭曲。
在优选实施例中，所述***还包括：光源，其被配置为被耦合到所述光波导以用于通过所述光波导对所述组织进行照明。
在优选实施例中，所述***还包括：液体分配单元，其被配置为与所述可植入设备耦合，其中，所述液体分配单元被布置用于将液体通过所述可植入设备分配到所述组织中。
要被分配的液体可以例如是生物相容性粘固剂，其可以用于将可植入设备进一步紧固在骨内部，并且/或者用于加强可植入设备周围的骨组织。
在优选实施例中，所述***还包括：压敏部分，其被提供在与所述光波导光学连接的所述光学传输设备的远端处，所述压敏部分形成所述可植入设备的外表面的部分，其中，所述压敏部分展现出指示被施加到所述压敏部分的压力的量的光学响应，其中，所述光探测器被布置用于探测所述光学响应，其中，所述***还包括压力确定单元，所述压力确定单元用于计算被施加到所述压敏部分的压力并输出指示所述压力的信号。
借助于压敏部分，能够导出关于可植入设备处或附近的压力的信息，该信息能够用于获得关于骨自身的信息、关于可植入设备的定位(例如，压力取决于周围组织的特性)的信息，以及关于植入的液体的固化(例如，生物相容性粘固剂)的信息。
在上述实施例的修改中，所述***还包括所述可植入设备，并且所述压敏部分是所述可植入设备的部分，并且/或者所述光学传输设备被布置为使得在将所述光学传输设备***所述可植入设备时，所述压敏部分形成所述可植入设备的外表面的部分。
所述压敏部分可以被提供为所述可植入设备的部分，并且/或者被提供为所述光学传输设备(其然后被固定在可植入设备中)的部分。
在上述实施例的另外的修改中，所述压敏部分包括压致变色材料和/或压致发光材料。
在压致发光材料的情况下，由这种材料根据压力而发射光，使得为了确定压力，甚至不必在可植入设备外部提供光源。
在本发明的另外的方面中，提出了一种用于提供用于植入可植入设备的信息的计算机程序，软件产品包括程序代码模块，所述程序代码模块用于当所述软件产品在根据本发明的处理单元上运行时使得所述处理单元执行根据本发明的用于提供信息的方法的步骤。
独立于基于指示(骨)组织的脂肪含量的参数的导航，作为本发明和本公开内容的部分，还预想到在可植入设备和/或光波导中提供压敏部分，从而允许确定原位压力。
具体而言，提供了一种可植入装置，所述可植入装置被布置用于被植入骨组织，所述可植入装置包括：光波导，其被布置用于将光从所述光波导的远端传输到所述光波导的近端；可植入设备，其具有接收所述光波导的内腔；以及压敏部分，其被提供在当植入所述可植入设备时与组织相接触的所述可植入设备的外表面部分处，其中，所述压敏部分展现出指示被施加到所述压敏部分的压力的量的光学响应，其中，所述压敏部分和所述光波导被布置为使得存在所述压敏部分与所述光波导的所述远端之间的视线。
优选地，所述压敏部分包括压致变色材料和/或压致发光材料。利用压致发光材料，即，在施加压力的情况下发光的材料，不需要来自外部的照明。
优选地，所述光波导被可移除地接收在所述内腔中。
优选地，同样在该背景中，所述可植入设备是椎弓根螺钉。
优选地，所述可植入设备包括用于将液体引入所述组织的至少一个通道。
优选地，所述光波导被布置用于将光从所述近端传输到所述远端以对组织进行照明，并且用于将从所述组织反射的光从所述远端传输到所述近端。
优选地，所述可植入装置还包括：探头布置，其用于测量邻近所述可植入设备的组织的电阻抗。
另外，提供了一种可植入设备，所述可植入设备被布置用于被植入骨组织，所述可植入设备包括：内腔，其被布置用于接收光学传输设备；以及压敏部分，其被提供在当植入所述可植入设备时与组织相接触的所述可植入设备的外表面部分处，其中，所述压敏部分展现出指示被施加到所述压敏部分的压力的量的光学响应，其中，所述内腔和所述压敏部分被布置为使得存在针对被接收在所述内腔中的光学传输设备到所述压敏部分的视线。
此外，提供了一种光学传输设备，所述光学传输设备被布置用于被接收在可植入设备的内腔中，所述可植入设备用于被植入骨组织，所述光学传输设备包括：光波导，其被布置用于将光从所述光学传输设备的远端传输到所述光学传输设备的近端；以及压敏部分，其被提供在与所述光波导光学连接的所述光学传输设备的所述远端处，其中，所述压敏部分展现出指示被施加到所述压敏部分的压力的量的光学响应，其中，所述光学传输设备被布置为使得在将所述光学传输设备***所述可植入设备时，所述压敏部分形成所述可植入设备的外表面的部分。
又另外，提供了一种用于将可植入设备植入骨组织的***，所述***包括以下中的至少一种：以上讨论的所述可植入装置；以上讨论的所述可植入设备，所述可植入设备具有光学传输设备，所述光学传输设备包括被接收在所述可植入设备的所述内腔中的光波导，使得存在针对所述光学传输设备到所述压敏部分的视线；以及以上讨论的所述光学传输设备，所述光学传输设备被接收在具有内腔的可植入设备中，所述光学传输设备被接收在所述内腔中，使得所述压敏部分形成所述可植入设备的外表面的部分，其中，所述***还包括：光探测器，其被耦合到所述光波导以用于探测所述压敏部分的光学响应；以及处理单元，其被耦合到所述光探测器以用于计算被施加到所述压敏部分的压力并输出指示所述压力的信号。
优选地，所述***包括：光源，其被耦合到所述光波导以用于通过所述光波导对所述组织进行照明。这里，尤其优选的是，所述光学探测器还被布置用于探测从得到照明的组织反射的光，其中，所述处理单元还被布置为根据由所述光学探测器所探测的反射光来确定所述组织的特性和/或所述组织的类型。
优选地，所述***还包括：探头布置，其用于测量邻近所述可植入设备的组织的电阻抗；以及操作单元，其用于操作所述探头布置，其中，所述处理单元还被布置为根据所述操作单元的所述操作来确定所述组织的特性和/或所述组织的类型。
优选地，所述可植入设备是椎弓根螺钉，并且所述***还包括：旋拧工具，其被布置用于被耦合到所述椎弓根螺钉以用于扭转所述椎弓根螺钉，其中，所述旋拧工具包括接收光波导的凹槽或通道。
另外，提供了一种辅助植入可植入设备的方法，所述方法包括以下步骤：在所述可植入设备的内腔中提供光波导，所述光波导被布置用于将光从所述光学传输设备的远端的传输到所述光学传输设备的近端，在所述光波导的远端处提供压敏部分或在所述压敏部分处提供所述光波导的远端，其中，所述部分展现出指示被施加到所述压敏部分的压力的量的光学响应，并且所述压敏部分形成所述可植入设备的外表面的部分，其中，在植入所述可植入设备期间，探测所述压敏部分的所述光学响应，并且基于所探测的响应来计算被施加到所述压敏部分的压力。
应当理解，根据权利要求1所述的用于植入的***、根据权利要求11所述的处理单元、根据权利要求12所述的辅助植入的方法、根据权利要求13所述的提供信息的方法以及根据权利要求14所述的计算机程序具有尤其是如从属权利要求中所定义的相似的和/或相同的优选实施例。
应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求或上述实施例与各自的独立权利要求的任意组合。
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。
附图说明
在以下附图中：
图1示出了椎弓根螺钉的原理概念；
图2示出了被置于椎骨中的两个椎弓根螺钉；
图3示出了根据本发明的实施例的椎弓根螺钉、光学传输设备和处理单元的组合；
图4示出了根据本发明的另一实施例的椎弓根螺钉的部分；
图5示出了根据本发明的另一实施例的用于植入可植入设备的***；
图6示出了血液、水和脂肪的吸收光谱的对数标绘图；
图7示出了针对胶原蛋白、弹性蛋白、NADH和FAD的固有荧光曲线；
图8示出了图示用于测量组织阻抗的等效电路的图；
图9示出了根据本发明的另一实施例的包括椎弓根螺钉、具有压敏部分的光学传输设备以及邻近组织的布置的部分；并且
图10示出了图示根据本发明的实施例的辅助植入可植入设备的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了椎弓根螺钉1的原理概念。椎弓根螺钉1包括主体2、颈部3和头部4。主体2被提供有具有螺距5、外径6和内径7的螺纹，使得螺纹深度是外径6与内径7之差。
图2示出了两个被置于椎骨10中的椎弓根螺钉1以及用于将螺钉1旋拧到骨中的工具11。
由于本领域技术人员熟悉椎弓根螺钉作为用于植入骨组织的可植入设备和其他这种用于骨组织的可植入设备的范例的一般概念，因此，这里对于在这种背景下常规使用的工具以及常规地将可植入设备置于骨组织中的概念将不会提供进一步的解释。
图3示出了根据本发明的实施例的椎弓根螺钉100、光学传输设备101和处理单元102的组合。
椎弓根螺钉100具有中空轴103，光学传输设备101的光学通管针104***中空轴103，使得光学通管针104延伸到螺钉100的远侧尖端。通管针104和整个光学传输设备101包含连接到能够发送和接收光的处理单元102(光学控制台)的波导(例如，光纤)。对所接收的光进行光谱分析，以允许在螺钉100的尖端处进行组织鉴别。例如能够应用漫反射光谱检查、荧光光谱检查、拉曼光谱检查、OCT等技术。
具体而言，所接收的光被用于确定指示螺钉100和光学通管针101的尖端前方的(骨)组织的脂肪含量的参数，该参数继而被用于确定骨组织是骨的(较)软部分还是骨的(较)硬部分的骨组织，从而允许在放置螺钉100时进行导航辅助。
图4示出了根据本发明的另一实施例的椎弓根螺钉110的部分。如关于图3已经讨论的，椎弓根螺钉110包括中空轴，使得在椎弓根螺钉110内部具有延伸通过椎弓根螺钉110的内腔111。光学传输设备或光波导(这里未示出)可以被***到这种内腔111中，使得能够在椎弓根螺钉110的尖端(或其他部分)进行光学测量。椎弓根螺钉110还被提供有从内腔111分支出的开口112。例如，开口112允许液体通过椎弓根螺钉110被注入到周围(骨)组织(未示出)中。
在另外的优选实施例(未示出)中，内腔111可以被提供有例如在其后部附近的缺口。在该缺口中，可以提供诸如小螺钉的固定元件。当通管针104已经被引入到内腔111中时，固定元件可以用于在轴向方向上固定通管针。然而，固定是这样的：椎弓根螺钉110仍然能够围绕通管针104进行自由旋转移动，由此避免在植入螺钉期间造成通管针104的扭曲。
图5示出了根据本发明的另一实施例的用于植入可植入设备(未示出)的***120。
探头124包含两个光导128。探头124的这些光导128连接到光学控制台121。这些光导例如被理解为光纤或其他光波导。具体而言，在本实施例中，***包括具有嵌入式遮光器的卤素宽带光源形式的光源122、要被***可植入设备(未示出)的探头124(或光学传输设备)以及光学探测器123。光学探测器123能够分辨具有基本上在波长光谱的可见光区域和红外光区域中的波长的光，例如从400nm到1700nm。光源122和探测器123的组合允许在波导128的远端前方的组织127的漫反射(DRS)和荧光测量。有关DRS测量的详细讨论，请参阅R.Nachabé、B.H.W.Hendriks、M.V.D.Voort、A.E以及H.J.C.M.Sterenborg的“Estimationof biological chromophores using diffuse optical spectroscopy:benefit ofextending the UV-VIS wavelength range to include 1000to 1600nm”(OpticsExpress，第18卷，2010年，第879-888页)以及R.Nachabe、B.H.W.Hendriks、A.E.Desjardins、M.van der Voort、M.B.van der Mark以及H.J.C.M.Sterenborg的“Estimation of lipid and water concentrations in scattering media withdiffuse optical spectroscopy from 900to 1600nm”(Journal of Biomedical Optics，第15卷，2010年5月，第037015-10页)。根据这些DRS测量结果，能够推导出组织转变，其中，具体还能够获得指示组织的脂肪含量的参数。
尽管上面描述了漫反射光谱检查以提取组织性质，但是也能够设想到其他光学方法，例如通过采用多根光纤、差分路径长度光谱检查、荧光和拉曼光谱检查来进行扩散光学层析成像。另外，能够经由与组织接触的探头或经由非接触式探头来采集光学数据。
数据存储设备125连接到的处理器125将探测器123中的测得的光谱变换成指示针对源-探测器纤维组合的组织状态的生理参数。为了确定某个组织是否位于探头(或可植入设备)前方，能够将针对源-探测器对的信号与查找表进行比较。另一种方法是将测得的参数转化成生理参数并为每种组织类型定义这些参数的范围。参考Duck,F.A.的“Physicalproperties of tissue:A comprehensive reference book”(1990年，Academic Press，Harcourt Brace Jovanovich，Publishers)，其中描述了基于分类和回归树(CART)分析的方法以用于基于这些生理参数对组织分类。
除了组织感测以外，照明纤维128部分地被压力下变色材料(未示出，参见图9)覆盖。照明纤维128中的部分光被这种变色材料反射并被控制台121接收。反射的波长取决于施加的压力。通过测量例如反射光的峰值强度所在的波长，现在能够推断出在压力下变色材料上施加的压力。以这种方式，不仅能够推断出组织性质，而且能够确定在***螺钉时在螺钉上施加的压力。除了提供在螺丝前方的组织的信息的光学光谱检查测量结果以外，该压力感测材料还提供能够被可用作额外确认的信息。当螺钉位于骨中较软的内部时，所发现的压力将低于螺钉位于骨附近或位于骨边界时的压力。此外，还能够评估骨髓的硬度。根据测得的压力，医生能够决定是否采取额外的措施，例如经由螺钉端口注入增强骨骼内部的材料(参见图4)。
提取生理参数的范例是通过使用定制的Matlab 7.9.0(Mathworks，Natick，MA)算法来拟合采集的光谱。在该算法中，实施了被广泛接受的分析模型，即，由T.J.Farrel、M.S.Patterson和B.C.Wilson的“A diffusion theory model of spatially resolved,steady-state diffuse reflectance for the non-invasive determination of tissueoptical properties,”(Med.Phys.19，1992年，第879-888页)介绍的模型，通过引用将其整体并入本文。针对Farrel等人的模型的输入自变量是吸收系数μa(λ)、减小的散射系数μ＇s(λ)以及探头尖端处的发射纤维与收集纤维之间的中心到中心的距离。有关扩散理论模型的完整描述，请参阅Farrel等人的文章。
在下文中，简要解释了该模型。这些公式主要基于上文提及的Nachabé等人的工作(R.Nachabé、B.H.W.Hendriks、M.V.D.Voort、A.E以及H.J.C.M.Sterenborg的“Estimationof biological chromophores using diffuse optical spectroscopy:benefit ofextending the UV-VIS wavelength range to include 1000 to 1600nm”(OpticsExpress，第18卷，2010年，第879-888页))，通过引用将其整体并入本文，此外，在该背景中也参考了R.Nachabe、B.H.W.Hendriks、A.E.Desjardins、M.van der Voort、M.B.van derMark以及H.J.C.M.Sterenborg的“Estimation of lipid and water concentrations inscattering media with diffuse optical spectroscopy from 900to 1600nm”(Journalof Biomedical Optics，第15卷，2010年5月，第037015-10页)，通过引用将其整体并入本文。
能够使用双幂律函数来描述对减小的散射系数的波长依赖性，其中，波长λ以nm为单位来表示并被归一化为λ0＝800nm的波长值。参数a对应于在该特定波长处的减小的散射幅度。
Figure BDA0001618084410000121
在这个公式中，减小的散射系数被表达为米氏散射与瑞利散射的总和，其中，ρMR是米氏散射对总散射的减少散射分数。米氏散射的减小的散射斜率被指代为b并且与颗粒大小有关。
针对吸收体均匀分布的情况，能够将总的光吸收系数μa(λ)计算为吸收体的消光系数与体积分数的乘积(参见图6，其示出了血液(血红蛋白(线130)、氧合血红蛋白(线131)、水(线132)和脂肪(线133)的吸收光谱的对数标绘图，其中，横坐标指示以nm为单位的波长，而纵坐标示出以cm-1为单位的μa(λ))：
Figure BDA0001618084410000122
不将吸收系数μa(λ)建模为由感兴趣的四种发色团的各自的浓度所加权的吸收系数的总和，而是将组织吸收系数表达为：
Figure BDA0001618084410000131
其中，
Figure BDA0001618084410000132
对应于血液吸收，并且
Figure BDA0001618084410000133
对应于探查的体积中的水和脂质共同的吸收。水和脂质的体积分数是vWL＝[脂质]+[水]，而v血液表示针对全血中血红蛋白浓度为150mg/ml的血液体积分数。
因子C是波长依赖性校正因子，它考虑了颜料包装的影响并改变了吸收光谱的形状。这种影响能够通过以下事实来解释：组织中的血液被局限到总体积的很小部分，即，血管。因此靠近血管中心的红细胞吸收的光比***的红细胞吸收的光少。实际上，当红细胞在组织内均匀分布时，红细胞会产生与当红细胞分布于离散血管中时实际数量会更多的红细胞的吸收相同的吸收。校正因子能够被描述为：
Figure BDA0001618084410000134
其中，R指代以cm为单位表达的平均血管半径。与血液有关的吸收系数由下式给出：
Figure BDA0001618084410000135
其中，
Figure BDA0001618084410000136
和
Figure BDA0001618084410000137
分别表示氧合血红蛋白HbO2和脱氧血红蛋白Hb的基本消光系数光谱。血红蛋白总量中的氧合血红蛋白分数记为αBL＝[HbO2]/([HbO2]+[Hb])，通常被称为血氧饱和度。测量的组织中由于水和脂质的存在而引起的吸收被定义为：
Figure BDA0001618084410000138
在这种情况下，与脂质和水的总浓度有关的脂质浓度能够被写成αWF＝[脂质]/([脂质]+[水])，其中，[脂质]和[水]分别对应于脂质浓度(密度为0.86g/ml)和水浓度。
在公式6中定义了将吸收系数的表达式中的水参数和脂质参数相关的方式，而不是单独估计与用于拟合的基本函数的协方差的最小化相对应的水体积分数和脂质体积分数，由此得到更加稳定的拟合(参见R.Nachabé等人的以上提及的论文，也为了进一步解释和验证这个定理)。
其他光学吸收体也能够被加入到该算法中，例如：番茄红素、维生素A、β-胡萝卜素、胆汁或黑焦油(或任何与吸烟有关的吸收物质)。
另一种鉴别光谱差异的方法是利用主成分分析。这种方法允许对光谱差异进行分类，由此允许鉴别组织。也可以从光谱中提取特征。
除了漫反射以外，还能够测量荧光光谱。然后，如胶原蛋白、弹性蛋白、NADH和FAD的参数也能够被测量(参见图7，其示出了针对胶原蛋白(线140)、弹性蛋白(线141)、NADH(线142)和FAD(线143)的固有荧光曲线，其中，横坐标以nm为单位提供波长，而纵坐标以任意单位给出荧光强度)。被称为光学氧化还原参数的比率NADH/FAD是令人感兴趣的，因为它是针对组织代谢状态的指标(参见M.Müller和B.H.W.Hendriks的“Recovering intrinsicfluorescence by Monte Carlo modeling”(J.Biomed.Optics，第18卷，2013年，第027009-1至027009-13页)及其中的参考文献)，这种指标也能够用于鉴别组织。
图8示出了图示用于测量组织阻抗的等效电路的图。
未知样本(例如，椎弓根、椎体、脊神经和脊髓)的介电性质(介电常数ε′和电导率σ)能够通过使用以下关系式测量探头对未知样本的阻抗来计算，其中，ε0是自由空间的介电常数：
Figure BDA0001618084410000141
Figure BDA0001618084410000142
其中，C和是探头的边缘电容和电导。探头的特性参数能够通过测量探头在空气中和在标准样本(水或盐溶液)中的阻抗分量来计算。
在生物样本的情况下，材料的介电性质是它们与电磁场相互作用的量度，并且基于组织的类型显着变化(参见基于Duck,F.A.的“Physical properties of tissue:Acomprehensive reference book”(1990Academic Press，Harcourt Brace Jovanovich，Publishers)和C.Gabriel等人的“Compilation of dielectric properties of bodytissues at RF and microwave frequencies”(Radiofrequency Radiation StandardsNATO ASI，卷号274,1995年，第187-196页)的下面的表格)。能够使用若干阻抗匹配技术(即，文氏电桥振荡器)来测量组织的频率依赖的介电特性。经适当校准的探头能够用于测量10Hz至20GHz的频率范围内的组织阻抗。这种现象相当于与电阻器串联的频率依赖的电容器(参见图8，其示出了具有与组织部件串联的恒定相位元件151的电极部件150，所述组织部件包括与以并联方式提供的另外的电阻154和另一恒定相元件155相串联的电阻器153)。两个部件都能够用频率的负幂函数来近似，即，它们的绝对值随着频率的增大而减小。
组织类型 组织导电率(S/m)
骨松质 0.07
骨髓 0.05
软骨 0.18
脑脊液 2.0
脂肪 0.04
肌肉 0.375
血液 0.7
神经 0.03
图9示出了根据本发明的另一实施例的包括椎弓根螺钉160、具有压敏部分162的光学传输设备161以及邻近组织163的布置的部分。
由于椎弓根螺钉160(仅示出其尖端)的***或植入，在光学传输设备161的压敏部分162(其被固定以防止螺钉160中的轴向移动)与邻近组织163(例如，骨)之间存在压力。
能够使用例如光子晶体利用光学信号来感测压力。光子晶体可以由至少两种类型的材料的组合形成，其中，一种材料具有高介电常数，而另一种材料具有低介电常数(例如，空气)。该材料具有折射率的周期性样式，典型的长度范围为100-1000nm，从而允许与可见光相互作用(由布拉格反射来描述)。改变这种周期性样式(例如通过压力或拉伸)将会改变这种相互作用，通过反射波长(颜色)的差异能观察到这种相互作用的改变。材料级别高度可调，因此范围和灵敏度能够根据应用的要求进行调谐(参见例如E.Yablonovitch的“Photonic Crystals:Semiconductors of Light”(Scientific American ISSN:0036-8733，第285卷，第6期，2001年，第46-55页)；C.G.
Figure BDA0001618084410000161
等人的“Reversible Light.,Thermo.,and Mechano-Responsive Elastomeric Polymer Opal Films”(Chemistry ofMaterials，2013年，第25卷，第2309-2318页)以及O.L.J.Pursiainen等人的“Nanoparticle-tuned structural color from polymer opals”(Optics Express ISSN:1094-4087，第15卷，2007年，第9553页))。
压敏光子晶体材料的范例包括：在聚合物基质中填充有空气的纳米孔，例如由加拿大公司Opalux商业化的具有高度有序样式的单分散球形纳米孔的聚(烷基-甲基丙烯酸酯)基质；以及在聚合物基质中的纳米球，例如涂覆有薄的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)间层的硬质交联聚苯乙烯(PS)球体，其将锚定由软的聚丙烯酸乙酯(PEA)构成的外壳(参见O.L.J.Pursiainen等人的“Nanoparticle-tuned structural color from polymeropals”(Optics Express ISSN:1094-4087，第15卷，2007年，第9553页))。
压力引发的变色材料也能够由液晶制成，例如由Fraunhofer研究所开发的产品(参见A.Seeboth等人的“Piezochromic Polymer Materials Displaying PressureChanges in Bar-Ranges”(American Journal of Materials Science 2011，第1卷，第139-134页))。然而，当前这种材料尚未在市场上销售。
此外，光学压力感测也能够通过使用掺杂染料的聚合物(参见Y.Sagara等人的“Mechanically induced luminescence changes in molecular assemblies”(Naturechemistry 2009，第1卷，第605-610页))或发光材料(参见M-J.Teng等人的“ReversibleTuning Luminescent Color and Emission Intensity:A Dipeptide-Based Light-Emitting Material”(Advanced materials 2012，第24卷，第1255-1261页))来完成。
在任何情况下，本领域技术人员将意识到，压敏部分162可以通过任何合适的手段来提供，包括压致变色材料和压致发光材料。
以这种方式使用压力感测包括作为优点的高度简单性(没有电子部件，没有劳动密集型电子组装)，因此可能降低成本；进一步小型化的可能性(不受电缆或互连的限制)，机械灵活性以及MR、EM和RF兼容性。
此外，还可以在介入设备上集成多种感测模式，这可能导致沿着介入设备轴的分布式感测，仅使用一个设备来感测各种参数，或者两者结合使用。
图10示出了图示根据本发明的实施例的辅助植入可植入设备的方法的流程图。
在准备步骤201中，在可植入设备的内腔中提供光波导，所述光波导被布置用于将光从所述光学传输设备的近端传输到远端以对组织进行照明，并且用于将被所述组织反射的光和/或在所述组织中被散射的光从所述光学传输设备的所述远端传输到所述近端。
在实际植入流程期间，在照明步骤203中，将光从所述光学传输设备的近端传输到远端以对组织进行照明。
在反射步骤205中，将被所述组织反射的光和/或在所述组织中被散射的光从所述光学传输设备的所述远端传输到所述近端。
在接收步骤207中，接收被所述组织反射的光和/或在所述组织中被散射的光并且探测被所述组织反射的所述光和/或在所述组织中被散射的所述光的光谱的至少部分。
基于所探测的光谱，在计算步骤209中，计算指示所述组织中的脂肪含量的参数。
在比较步骤211中，将指示所述脂肪含量的所计算的参数与预定值进行比较，并且在输出步骤213中，输出指示所述比较的结果的信号。
在该流程期间，只要需要，就重复包括步骤203至213的循环。
在提供了***或植入之后，可以将光学传输设备从植入的设备中移除。
在本发明的实施例中，至少一个光学传感器被并入(被***)能够在螺钉附近进行测量的椎弓根螺钉。该传感器与基于感测的数据的控制台进行通信，能够确定螺钉附近的组织类型。以这种方式，当螺钉前进时，组织感测允许医生避免错误放置螺钉。
在作为传感器的实施例的优选修改中，光学通管针被提供在椎弓根螺钉中心内部，包括能够向螺钉尖端发送光并接收来自螺钉尖端的光的波导，所述波导基于光学光谱检查允许对在螺钉尖端处的组织进行鉴别。在螺钉放置期间，该组织信息被提供给医生，由此能够避免错误放置螺钉。
该实施例的另外的方面在于与组织接触的纤维的远端中的至少一个被压力敏感材料覆盖，所述压力敏感材料在施加压力时变色。尖端处的材料上的压力负载引起明确定义的颜色变化，从中能够推断出压力。颜色变化由用于执行用于组织鉴别的光谱检查的光学控制台来探测。
在该实施例的另外的方面中，椎弓根螺钉包含到与椎弓根螺钉的顶部部分连接的一侧的开口。以这种方式，如生物相容性粘固剂的液体能够通过螺钉被注入周围组织。这种液体可以是在注入或固化树脂时硬化的粘固剂。固化能够通过例如加热，化学方式或光照(例如，UV硬化)来完成。由于注入液体的这种固化，能够改善螺钉的固定。在固化阶段期间，能够利用纤维尖端处受到压力的变色材料来询问可固化树脂的硬度。
在另外的修改中，感测部分能够被集成在椎弓根螺钉放置***的任何其他部分中，例如，K线。如本领域公知的，在某些流程中，可能需要首先将K线置于骨中，随后，要被植入的椎弓根螺钉可以滑过该K线，K线能够在螺钉已经被放置之后进行移除。
尤其地并且在有利实施方式的背景下，本发明涉及一种椎弓根螺钉***，所述椎弓根螺钉***包括：螺钉，其为生物相容性材料并且包含至少一个光波导；生物相容性k线，其与光波导相集成，其中，光波导的远端被定位在螺钉的尖端附近，并且波导的近端被连接到能够发送和接收光的光学控制台；压力敏感材料，其在施加至少部分涂覆在波导的远端上的压力时改变颜色；控制台，其能够在波导中发送光并且能够接收已经与变色材料和靠近螺钉顶部的组织相互作用的光；监测器，其被连接到控制台，其中，控制台能够(1)将所接收的光转化成组织特异性参数并且(2)基于变色材料的颜色将所接收的光转化成在螺钉尖端上所施加的压力的量。
在该实施例的更加优选的修改中，椎弓根螺钉具有开口以允许通过螺钉注入液体。这些液体能够例如是但不限于自硬化粘固剂或可固化树脂，例如，UV硬化树脂。
在该实施例的又另外的优选修改中，椎弓根螺钉***配备有用于组织鉴别的阻抗传感器。
在另外的实施例中，本发明提供了一种椎弓根螺钉放置设备，所述椎弓根螺钉放置设备包括：椎弓根螺钉、螺丝刀、椎弓根螺钉内的通管针(其允许在螺钉的尖端处感测组织)，以及光学控制台(其能够分析光学信号并向医生提供指示螺钉前方的组织的反馈信号)。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。
单个处理器、设备或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
诸如确定、计算、比较和输出(例如输出信号)的操作能够被实施为计算机程序的程序代码模块和/或被实施为专用硬件。
计算机程序可以被存储和/或被分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的部分供应的光学存储介质或固态介质，但是也可以被以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线的电信***。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种用于将可植入设备植入骨组织的***，所述可植入设备具有用于接收光学传输设备的内腔，所述***包括：
光探测器，其被配置为被耦合到被接收在所述可植入设备的所述内腔中的光学传输设备，以便接收被所述可植入设备前方的骨组织反射的光和/或在所述可植入设备前方的骨组织中被散射的光并探测被所述可植入设备前方的骨组织反射的所述光和/或在所述可植入设备前方的骨组织中被散射的所述光的光谱的至少部分；
计算单元，其用于根据所探测的光谱来计算指示所述骨组织中的脂肪含量的参数；以及
导航单元，其用于将指示所述脂肪含量的所计算的参数与预定值进行比较以用于确定所述骨组织是松质骨还是密质骨，并且输出指示所述比较的结果的信号。
2.根据权利要求1所述的***，
其中，所述导航单元被布置用于在所述比较的所述结果指示对所述脂肪含量进行指示的所计算的参数小于所述预定值的情况下向所述***的用户输出指示到达所述骨的硬壳部分的警告。
3.根据权利要求1所述的***，还包括：
确定单元，其被布置用于基于在所述可植入设备的已知骨组织类型的位置处所探测的光谱来设定所述预定值。
4.根据权利要求1所述的***，还包括：
探头布置，其用于测量邻近所述可植入设备的组织的电阻抗，以及
操作单元，其用于操作所述探头布置，
其中，所述导航单元还被布置为根据所述操作单元的所述操作来确定所述组织的特性和/或所述组织的类型。
5.根据权利要求1所述的***，
其中，所述可植入设备是椎弓根螺钉，并且所述***还包括：
旋拧工具，其被布置用于被耦合到所述椎弓根螺钉以用于扭转所述椎弓根螺钉，
其中，所述旋拧工具包括接收光波导的凹槽或通道。
6.根据权利要求1所述的***，其中，所述光学传输设备包括光波导，所述***还包括：
光源，其被耦合到所述光波导以用于通过所述光波导对所述组织进行照明。
7.根据权利要求1所述的***，还包括：
液体分配单元，其用于与所述可植入设备耦合，其中，所述液体分配单元被布置用于将液体通过所述可植入设备分配到所述组织中。
8.根据权利要求1所述的***，其中，所述光学传输设备包括光波导，所述***还包括：
压敏部分，其被提供在与所述光波导光学连接的所述光学传输设备的远端处，所述压敏部分形成所述可植入设备的外表面的部分，
其中，所述压敏部分展现出指示被施加到所述压敏部分的压力的量的光学响应，
其中，所述光探测器被布置用于探测所述光学响应，
其中，所述***还包括压力确定单元，所述压力确定单元用于计算被施加到所述压敏部分的压力并输出指示所述压力的信号。
9.根据权利要求8所述的***，
其中，所述***还包括所述可植入设备，并且所述压敏部分是所述可植入设备的部分，并且/或者
其中，所述光学传输设备被布置为使得在将所述光学传输设备***所述可植入设备时，所述压敏部分形成所述可植入设备的外表面的部分。
10.根据权利要求8所述的***，
其中，所述压敏部分包括压致变色材料和/或压致发光材料。
11.一种针对用于将可植入设备植入骨组织的***的处理单元，所述处理单元包括：
计算单元，其用于根据对被骨组织反射的光和/或在骨组织中被散射的光所探测的光谱的至少部分来计算指示所述骨组织中的脂肪含量的参数；以及
导航单元，其用于将指示所述脂肪含量的所计算的参数与预定值进行比较以用于确定所述骨组织是松质骨还是密质骨，并且输出指示所述比较的结果的信号。
12.一种确定关于骨组织的信息的方法，所述方法包括以下步骤：
根据对被骨组织反射的光和/或在骨组织中被散射的光所探测的光谱的至少部分来计算指示所述骨组织中的脂肪含量的参数，
将指示所述脂肪含量的所计算的参数与预定值进行比较以用于确定所述骨组织是松质骨还是密质骨，并且
输出指示所述比较的结果的信号。
13.一种计算机可读介质，其上存储有程序代码模块，所述程序代码模块当在根据权利要求11所述的处理单元上运行时使得所述处理单元执行根据权利要求12所述的方法的步骤。
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