JP2015502766A - 椎骨の荷重および場所の検知のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

全体的な脊椎位置合わせとともに椎骨に対する荷重力を評価するための荷重平衡および位置合わせシステムが提供される。このシステムは、電子アセンブリおよびセンサ付きヘッドを有する脊椎機器を含む。センサ付きヘッドは、椎骨の間に挿入され、力、圧力、向きおよび端部荷重などの椎骨条件を報告し得る。脊椎機器が椎間腔に設置される際、脊椎機器が椎体に対してどこに位置決めされるかを示すＧＵＩが提供される。このシステムは、任意選択の向き、回転および決定された挿入軌道に沿った挿入角度を含む、検知された荷重および場所のパラメータを考慮して、最適な装具のサイズおよび設置を報告することができる。

Description

本発明は、概して、外科用エレクトロニクスに関し、特に、脊椎手術および長期の移植の間の位置合わせおよび外科的移植パラメータを評価するための方法およびデバイスに関する。

脊椎は、筋肉および靱帯によって結合される、椎骨と呼ばれる多くの個々の骨から構成されている。軟質の椎間板は、各椎骨を次の椎骨と隔て、緩衝となる。椎骨は分離しているため、脊椎は柔軟で曲がることができる。椎骨、椎間板、神経、筋肉、および靱帯が一緒に、脊柱または脊椎を構成する。脊椎は、大きさおよび形状が様々であり、環境要因、健康、および老化により生じ得る変化を伴う。正常な脊椎は、前から後ろに向かう湾曲を有するが、通常の頸椎前弯、胸椎後弯、および腰椎前弯の病態による変形は、疼痛、不快感、および運動障害を引き起こし得る。これらの病態は、神経を圧迫し得る椎間板ヘルニアによって悪化され得る。

異常な脊椎湾曲の多くの様々な原因および治療から手術までの様々な治療選択肢がある。手術の目的は、通常、脊椎の湾曲部分の固定癒合（ｓｏｌｉｄ ｆｕｓｉｏｎ）である。脊椎において手術し、骨移植片を加え、椎骨および骨移植片をゆっくりと癒着させて、骨の固体塊を形成することによって、癒合が行われる。あるいは、椎骨を、間隔を空けて癒合するために骨移植片を入れる脊椎ケージが一般的に使用される。骨移植片は、骨バンクあるいは患者自身の寛骨に由来し得る。脊椎は、機器を搭載した器具および技術によって、金属製の棒およびフック、ワイヤまたはねじを用いてほぼ真っ直ぐにされ得る。棒あるいは場合により装具（ｂｒａｃｅ）またはギプス（ｃａｓｔ）が、癒合が治癒する見込みを得るまで、脊椎を所定の位置に保持する。

システムの様々な特徴が、特に、添付の特許請求の範囲によって記載される。本明細書の実施形態は、添付の図面とともに理解される、以下の説明を参照することによって理解され得る。

実施形態例に係る脊椎位置合わせシステムを示す。 実施形態例に係る脊椎位置合わせおよび投影図を示すユーザインターフェースを示す。 実施形態例に係る脊椎位置合わせシステムのワンドおよび受信機を示す。 実施形態例に係る脊椎位置合わせを決定するための複数のセンサ化（ｓｅｎｓｏｒｉｚｅｄ）デバイスを示す。 実施形態例に係る、脊椎のパラメータを決定するためのセンサ化された設置を示す。 実施形態例に係る、脊椎の状態を決定するための複数のセンサの設置を示す。 実施形態例に係るセンサ化脊椎用機器を示す。 実施形態例に係る集積化されたセンサ化脊椎用機器を示す。 非限定的な例の椎骨構成要素を備えた挿入機器を示す。 実施形態例に係る、パラメータ検知のために脊椎の椎骨間に位置決めされる脊椎用機器を示す。 実施形態例に係る、図１０のセンサ化脊椎用機器の斜視図を示すユーザインターフェースを示す。 実施形態例に係る、椎間の位置および力の検知のために、脊椎の椎骨の間に位置決めされるセンサ化脊椎用機器を示す。 実施形態例に係る、図１２のセンサ化脊椎用機器を示すユーザインターフェースの斜視図を示す。 実施形態例に係る、脊椎ケージの設置のためのセンサ化脊椎挿入機器を示す。 実施形態例に係る、図１４のセンサ化脊椎挿入機器を示すユーザインターフェースの斜視図を示す。 実施形態例に係る脊椎用機器の構成要素のブロック図である。 実施形態例に係る、近距離テレメトリ（ｓｈｏｒｔ−ｒａｎｇｅ ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ）のための例示的な通信システムの略図である。 実施形態例に係る、測定および報告のための通信ネットワークを示す。 コンピュータシステムの形態の機械の例示的な概略図を示し、コンピュータシステム内では、命令集合が、実行されると、本明細書に開示される方法のうちのいずれか１つまたは複数を機械に実行させ得る。

本明細書は、新規なものとみなされる本発明の実施形態の特徴を規定する特許請求の範囲で締めくくられるが、方法、システム、および他の実施形態が、参照符号が繰り越される図面とともに以下の説明を考慮することからよりよく理解されるものと考えられる。

必要に応じて、本発明の方法およびシステムの詳細な実施形態が、本明細書に開示される。しかしながら、開示される実施形態は例示に過ぎず、様々な形態で実施され得ることを理解されたい。したがって、本明細書に開示される特定の構造的および機能的詳細は、限定的なものと解釈されるものではなく、単に、特許請求の範囲のための根拠として、および実質的にあらゆる適切に詳細な構造で本発明の実施形態を様々に用いるように当業者に教示するための、代表的な根拠として解釈されるものである。さらに、本明細書において使用される用語および語句は、限定的であることは意図されず、本明細書の実施形態の理解可能な説明を提供することが意図される。

大まかに述べると、本発明の実施形態は、椎骨の荷重および場所の検知のためのシステムおよび方法に関する。脊椎測定システムは、位置情報を視覚的に示すリモートディスプレイに結合される受信機および複数のワンドを含む。ワンドは、椎骨に設置され、またはそれに接触されて、脊椎位置合わせの様々な側面を報告することができる。位置情報は、ワンドおよび脊椎の対応する椎骨の向きおよび場所を特定する。システムは、全体的な位置合わせに加えて、外科手術中の椎骨の移動を追跡する能力を提供する。システムは、手技中に捕捉された位置情報、および手術前の脊椎の状態に関する予め記録された位置データに応じた手術中の脊椎の矯正を提供し、それを示し得る。

脊椎測定システムは、全体的な脊椎位置合わせをともに、椎骨に対する荷重力を評価するための荷重平衡および位置合わせシステムをさらに含む。システムは、椎骨腔内に連結し得る電子アセンブリおよびセンサ付きヘッドアセンブリを有する脊椎機器を含む。センサ付きヘッドは、椎骨の間に挿入され、力、圧力、向きおよび端部荷重などの椎骨条件を報告し得る。ＧＵＩが、それとともに使用されて、機器が外科手術中に椎間腔に設置される際に、脊椎機器が椎体に対してどこに位置決めされるかを示す。このシステムは、任意選択の向き、回転および決定された挿入軌道に沿った挿入角度を含む、検知された荷重および場所のパラメータを考慮して、最適な装具のサイズおよび設置を報告することができる。

脊椎ケージまたは椎弓根ねじなどの椎骨構成要素を挿入するために、荷重平衡および位置合わせシステムとともに挿入機器も本明細書において提供される。このシステムは、既に捕捉されたパラメータ測定を考慮して、機器が挿入中に端部荷重であるかどうかを検査し、報告することができる。このシステムは、椎骨構成要素による挿入機器の追跡を示し、位置および荷重検知パラメータに基づいて、視覚的誘導およびフィードバックを提供する。このシステムは、向きおよび位置が３Ｄでもモデル化される１つまたは複数の椎体に対する挿入機器の三次元（３Ｄ）追跡を示す。

図１は、非限定的な例の脊椎位置合わせシステム１００を示す。システム１００は、リモートシステム１０５に通信可能に結合され得るワンド１０３および受信機１０１を含む。一般に、１つまたは複数のワンドが、受信機１０１と通信して、脊椎領域の向き、回転、角度、および場所のうちの１つを含む位置情報を決定する。受信機１０１は、ワンド１０３に関する位置情報またはデータ１１７を、リモートシステム１０５に送信する。位置情報は、脊椎１１２の位置合わせ（または所定の曲率）を評価するのに使用される向きおよび移動データを含む。リモートシステム１０５は、グラフィカルユーザインターフェース（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）（ＧＵＩ）１０７を示すラップトップまたはモバイルワークステーションであり得る。ＧＵＩ１０７は、脊椎１１２を示し、かつ位置情報を考慮して脊椎位置合わせを報告するワークフローを含む。一例として、ユーザインターフェースは、手術後の目標の位置合わせ１１３に対する、脊椎の椎骨の現在の位置合わせ１１４を示すことができる。

位置合わせシステム１００は、手術前、または手術中に捕捉される三次元（３Ｄ）画像化（例えば、軟組織）および３Ｄモデル（例えば、骨）を提供するために、サーバ１２５などのデータベース１２３システムに通信可能に結合され得る。３Ｄ画像化およびモデルは、相対的な場所および向きを確立するために、位置情報とともに使用され得る。サーバ１２５は、近くの範囲内のローカルサーバであるか、またはインターネット１２１上で遠隔から利用され得る。一例として、サーバ１２５は、３Ｄ脊椎および椎骨モデルを提供する。ＣＡＴスキャナ（図示せず）が、身体の選択された部分の一連の断面Ｘ線画像を生成するのに用いられ得る。コンピュータが、スキャナを操作し、得られた画像は、身体のスライス画像である。サーバ１２５は、スライス画像から三次元（３Ｄ）モデルを生成する。サーバ１２５は、磁気共鳴画像診断（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）（ＭＲＩ）スキャナ（図示せず）から生成される３Ｄモデルも提供することができる。サーバ１２５は、Ｘ線源（図示せず）および蛍光スクリーンの使用によって、位置合わせシステム１００デバイスに対する、患者の内部構造のリアルタイム動画を提供するために、蛍光透視画像化も支持し得る。

脊椎位置合わせシステム１００は、全体的な位置合わせおよび機器（例えば、ワンド１０３および受信機１０１）の向きに加えて、分離された椎骨の移動を追跡する能力を報告する。受信機１０１は、位置情報を決定するために、特定の椎骨で、および脊椎１１２に沿って、ワンド１０３の場所を正確に追跡する。受信機１０１は、仙骨に結合されて（例えば、留められ、ねじ留めされ、固定されて）示される。しかしながら、受信機１０１は、脊椎の椎骨に沿ってどこにでも位置することができる。あるいは、受信機１０１は、脊椎１１２の近くの台に取り付けられ得る。ワンド１０３および受信機１０１は、それらの位置を、超音波、光学式、または電磁検知によって送信し得るセンサ化デバイスである。この例では、ワンド１０３および受信機１０２は、超音波トランスデューサを用い、見通し線（ＬＯＳ）デバイスである。センサは、ワンド先端から離れて、または場合によっては、ワンド先端内で、ワンド１０３に外部から取り付けられ得る。ワンド１０３は、手の中に保持されるか、または機械的アセンブリによって脊椎に固定され得る。一実施形態において、全ての位置合わせ測定を生成するための構成要素（例えば受信機１０１およびワンド１０３）は、手術室の滅菌野１０９内に存在する。滅菌野１０９は、手術野とも呼ばれ得る。典型的に、リモートシステム１０５は、手術室の滅菌野１０９の外部にある。滅菌野１０９内で使用される構成要素は、単回の使用のために設計され得る。この例では、ワンド１０３、受信機１０２、またはその両方は、手術中に使用された後、廃棄される。

超音波検知デバイスの一例が、２００７年３月７日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｅｎｓｉｎｇ」という発明の名称の米国特許出願第１１／６８３，４１０号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。光学式検知の一例は、光学追跡のための受信機１０１における対応する高速カメラ要素、あるいは入射光ビームの角度およびその後三角形のワンド位置を検出するための高速のフォトダイオード要素とともにワンド１０３における３つまたは４つの能動ＩＲ反射器を含む。電磁検知の一例は、ワンドにおける金属球を含み、その空間的位置が、受信機１０３における生成される磁場強度の変化を評価することによって決定される。

物理的システムまたは身体内の対象とする多くの物理的パラメータは、エネルギー波またはパルスの特性の変化を評価することによって測定され得る。一例として、変化する媒体を通って伝播するエネルギー波またはパルスの通過時間または形状の変化が、媒体に作用して変化を引き起こす力を決定するために測定され得る。媒体におけるエネルギー波またはパルスの伝搬速度は、媒体の物理的変化によって影響される。物理的パラメータまたは対象とするパラメータは、以下に限定はされないが、荷重、力、圧力、変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）、密度、粘度、および局部温度の測定を含み得る。これらのパラメータは、身体上または身体内に位置決めされた無線検知モジュールまたはデバイス、機器、装備、または他の機械的システムによって、向き、位置合わせ、方向、または位置ならびに軸または軸の組合せに沿った移動、回転、または加速度に対するエネルギーパルスまたはエネルギー波の伝播時間の変化を測定することによって評価され得る。あるいは、対象とする測定は、ほんの数例を挙げると、薄膜センサ、メカニカルセンサ、ポリマーセンサ、ｍｅｍｓデバイス、歪みゲージ、ピエゾ抵抗型構造、および容量性（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）構造を用いて取られ得る。

図２は、非限定的な例の脊椎位置合わせおよび投影図を示すシステム１００のグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）１５０を示す。投影図は、定量的測定をリアルタイムで表示しながら、外科手術および図１のシステムデバイスに三次元視覚化を提供する。各投影図は、重ねられた脊椎位置合わせ情報とともに脊椎の異なる斜視図を示すように別々に構成され得る。第１の投影図２１０は、矢状面図（すなわち、前から後ろへ）を示す。第２の投影図２３０は、冠状面図（すなわち、側面間）を示す。矢状面図および冠状面図は、２つのみの投影図を用いて脊椎位置合わせを視覚化するのに十分な空間的情報を提供する。投影図は、異なる視野角およびシーングラフのためにカスタマイズされ得る。

一例として、外科医は、ワンド１０３を保持し、例えば、脊柱側弯の症状の重症度（または補正）を決定するために、脊椎の輪郭を追跡することができる。これは、患者の姿勢および脊椎の曲率を表示するために患者を立たせたまま手術の前に行われ得る。外科医は、ワンドを保持し、脊椎の輪郭を追跡する。ＧＵＩ１０８は、追跡中にワンド１０３から捕捉された位置情報から脊椎の輪郭を視覚的に示す。次に、位置合わせ角度が、一次統計および幾何学形状（例えば、角度点Ｒ、Ｐ１およびＰ２を参照、ここで、Ｒが、基準の位置合わせであり、Ｐ１が、受信機１０１の場所であり、Ｐ２が、ワンド１０３によって位置合わせされるポイントである）から計算される。位置合わせ角度は、脊椎位置合わせのずれを示し、観測面に投影されると、矢状面および冠状面における誤差を示す。次に、ＧＵＩ１０８は、必要な補完的補正（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）を報告し得る。この例では、例えば、ＧＵＩ１０８は、線１５２と線１５４との間の角度の矢状面のずれを補正するためにディスプレイボックス１４６における＋４ｃｍ前側の必要な変位、および線１５８と線１５６との間の角度の冠状面のずれを補正するためにディスプレイボックス１４８における＋２ｃｍ右側の必要な変位を報告する。これは、外科的な位置合わせ補正を提供するのに最小限の視覚的情報を外科医に提供する。

あるいは、高速のポイント位置合わせ（ｐｏｉｎｔ−ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）方法が、脊椎位置合わせを評価するのに用いられ得る。ポイント位置合わせ方法により、外科医は、最小限の位置合わせで脊椎位置合わせを迅速に評価することができる。ユーザは、ワンドを保持し、椎骨にカーソルを合わせてクリックして、ポイント曲線を生成し、これが線に変換される。第１の工程Ａでは、受信機１０１は、固定の場所、例えば、手術台の近くの台に位置決めされる。あるいは、受信機１０１は、図１に示されるように仙骨に堅く留められ得る。第２の工程Ｂでは、外科医は、ワンド１０３の先端を用いて、仙骨における後腸骨稜または背面に沿ったポイントなどの、基準骨における３つ以上の解剖学的特徴を特定する。システム１００は、例えば、受信機１０１原点に対する＜ｘ，ｙ，ｚ＞デカルト座標系における、位置合わせされたワンド先端の空間的位置から基準骨の向きを決定する。次に、システム１００は、イメージサーバ１２５から関連する３Ｄモデル脊椎の構成要素（例えば、仙骨、椎骨など）を取り出し、基準骨の向きにしたがって適切な縮尺および向き（モーフィングおよびワーピング）でそれらをＧＵＩ１０８に表示する。３Ｄモデル位置合わせが完了したら、患者を静止させたまま、次に、外科医は、第３の工程Ｃにおいて、椎骨、例えば頸椎（Ｃ１−Ｃ７）の１つを位置合わせする。次に。システム１００は、図２に示されるように、基準骨に対する局所座標系を生成し、曲線および線分を生成し、全体的な位置合わせを報告するために、十分な位置合わせされたポイントを有する。脊椎位置合わせは、例えば、所望の（術前計画）線１５４に対する線１５２を示して、脊椎の所定の曲率または真直度を考慮して報告される。

図３は、ワンド１０３および受信機１０１の非限定的な例を示すが、図示される全ての構成要素が必要なわけではなく、必要な機能に応じてより少ない構成要素が使用され得る。受信機１０１およびワンド１０３およびその間の操作の通信モードが、１０／８／２０１０に出願された「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｙ Ｆｅｅｄｂａｃｋ」という発明の名称の米国特許出願第１２／９００，６６２号明細書に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に援用される。簡潔に述べると、この寸法は、最大で約２ｍの距離までサブミリメートルの空間精度（＜１ｍｍ）での非接触型の追跡を可能にする。いずれかのデバイスが、様々な機能を支持するように構成され得（例えば、物体に取り付けられる手持ち式）、いずれも後述される寸法に限定されない。

ワンド１０３は、約１０ｃｍの幅、２ｃｍの深さ、および１８ｃｍ〜２０ｃｍの可変の長さのサイズ寸法を有する手持ち式デバイスである。上に示されるように、ワンド１０３は、例えば、ユーザインターフェース（図１のＧＵＩ１０７を参照）に示され得る、物体または表面の輪郭に沿って、対象のポイント（ポイントＡ、Ｂ、Ｃを参照）を位置合わせすることができる。既に記載されるように、ワンド１０３および受信機１０１は、互いに対するそれらの相対的な場所および向きを決定するために、超音波、赤外線および電磁検知によって通信し得る。加速度計を組み込む他の実施形態が、さらなる位置情報を提供する。

ワンド１０３は、センサ２０１〜２０３およびワンド先端２０７を含む。センサは、超音波トランスデューサ、マイクロエレクトロメカニカル素子（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）（ＭＥＭＳ）マイクロホン、電磁石、光学素子（例えば、赤外線、レーザ）、金属製の物体または物理的移動を電圧または電流などの電気信号に変換または伝達するための他のトランスデューサであり得る。それらは、信号を送信するために自己出力型である点で能動素子であってもよく、あるいは反射型であるかまたは検出可能な磁気特性を示す点で受動素子であってもよい。

一実施形態において、ワンド１０３は、空中で超音波信号をそれぞれ送信する３つの超音波送信機２０１〜２０３、超音波信号を生成するために３つの超音波送信機２０１〜２０３に駆動信号を生成するためのコントローラ（または電子回路）２１４、近距離の位置測定および位置合わせ決定を行うためのユーザ入力を受信するユーザインターフェース２１８（例えば、ボタン）、ユーザ入力を中継し、タイミング情報を受信して、電子回路２１４を制御するための通信モジュール２１６、および電子回路２１８およびワンド１０３における関連する電子機器に電力を供給するための電池２１８を含む。コントローラ２１４は、超音波送信機２０１〜２０３に動作可能に結合される。送信機２０１〜２０３は、コントローラ２１４による指示に応答して感覚信号を送信する。ワンド１０３は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含んでいてもよく、いくつかの構成要素の機能が集積デバイスとして共有され得る。

さらなる送信機センサが、三次元検知のための過剰決定（ｏｖｅｒ−ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ）システムを提供するように含まれ得る。一例として、各超音波トランスデューサは、別個の送信および受信機能を行うことができる。超音波センサの１つのこのような例が、米国特許第７，７２５，２８８号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。超音波センサは、波形を構成し、整形するためのカスタマイズされたトランスデューサの物理的特性にしたがって、パルス整形波形を送信することができる。

ワンド先端２０７は、三次元空間における構造、例えば、アセンブリ、物体、機器またはジグの対象のポイントを特定するが、これらに限定されない。先端は、三次元空間におけるその空間的位置が、交差して（ａｔ ｃｒｏｓｓ ｅｎｄｓ）配置される３つの超音波送信機２０１〜２０３によって確立されるため、センサを必要としない。しかしながら、先端センサ２１９が、超音波機能（例えば、構造境界、深さなど）または接触に基づく検知を提供するように先端２０７に統合され得る。このような場合、先端２０７は、物理的行為、例えば、解剖学的または構造的位置への先端の接触に応答して、ポイントを位置合わせするようにタッチセンサ式であり得る。先端は、このような目的のための機械ばねまたは作動ばねアセンブリを含み得る。別の構成において、先端は、位置合わせする接触のための容量性タッチ先端または静電アセンブリを含む。ワンド先端２０７は、送信機２０１〜２０３を受信機１０１（図１を参照）との見通し線内に保ちながら、ワンド先端が解剖学的特徴を特定するのを可能にする交換可能な、着脱可能なまたはマルチヘッド型の（ｍｕｌｔｉ−ｈｅａｄｅｄ）スタイラス先端を含み得る。これらのスタイラス先端は、直角であっても、曲線状であっても、または複数のタッチ位置を指し示すのが難しいようにピックの形態の他の形状であってもよい。これにより、先端２０７によって、構造、骨またはジグにおける（解剖学的）特徴などの対象のポイントを特定するために、ワンドを手の中に保持することができる。

ユーザインターフェース２１８は、手動操作および使用（例えば、オン／オフ／リセットボタン）を可能にするための１つまたは複数のボタンおよび視覚フィードバックを提供するための照明要素を含み得る。一構成において、８つの状態の（８−ｓｔａｔｅ）ナビゲーション押しボタン２０９が、ユーザインターフェースをさらに制御または補完するための指示を通信することができる。ナビゲーション押しボタン２０９は、片手での使用を可能にするためにワンドの側面に人間工学的に配置され得る。ワンド１０３は、ユーザインターフェース２１８とともに触覚モジュールを含み得る。例として、触覚モジュールは、不適切または適切な操作を示すために振動を変化（増加／減少）させ得る。ワンド１０３は、音（例えば、超音波）および光（例えば、赤外線）を透過するが、水、血液または組織などの生体物質を透過しない、送信機２０１〜２０２のための材料カバーを含む。一構成において、透明のプラスチック製の膜（またはメッシュ）が、きつく張られ、それは、送信された周波数によって共鳴下で振動し得る。電池２１８は、無線エネルギー充電（例えば、磁気誘導コイルおよび超キャパシタ）によって充電され得る。

ワンド１０３は、構造、物体またはジグに結合するためのベース結合機構２０５を含み得る。一例として、この機構は、一時的な脱離を可能にするために固定インサート（例えば、四角形のポストヘッド）を備えた磁気アセンブリであり得る。別の例として、この機構は、ラッチインクリメント（ｌａｔｃｈｅｄ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）を備えた磁気ボール（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂａｌｌ）および継手ソケット（ｊｏｉｎｔ ｓｏｃｋｅｔ）であり得る。さらに別の例として、この機構は、整形外科用ねじへのねじ支柱またはピンであり得る。他の実施形態は、既存のノッチ、リッジまたは孔によって、摺動、移動、回転、角度付け（ａｎｇｌｉｎｇ）およびロックイン結合および解除、ならびに標準的なジグへの結合を可能にし得る。

ワンド１０３は、増幅器２１３および加速度計２１７をさらに含み得る。増幅器は、送信または受信された信号の信号対雑音比を高める。加速度計２１７は、移動中および固定したままで３軸および６軸傾斜を特定する。通信モジュール２１６は、受信機１０１に信号を伝達するための構成要素（例えば、同期クロック、無線周波数「ＲＦ」パルス、赤外線「ＩＲ」パルス、光／音響パルス）を含み得る。コントローラ２１４は、送信および受信同期の制御ならびにセンサ信号、加速度計情報、および他の構成要素のデータまたは状態の順序付け（ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ）のためのカウンタ、クロック、または他のアナログまたはデジタル論理を含み得る。電池２１８は、それぞれの回路論理および構成要素に電力を供給する。赤外線送信機２０９は、（受信機への）超音波信号の送信と同期され得る赤外線タイミング信号をパルスする。

コントローラ２１４は、Ｆｌａｓｈ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭまたはデバイスの上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置２０８とともに、マイクロプロセッサ（ｕＰ）および／またはデジタルシグナルプロセッサ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（ＤＳＰ）などの計算技術を用い得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および／またはプロセッサ内に存在し得る。入力／出力ポートは、例えば、ユニバーサルシリアルバス（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）（ＵＳＢ）によって、情報またはデータの可搬式の交換（ｐｏｒｔａｂｌｅ ｅｘｃｈａｎｇｅ）を可能にする。コントローラ２１４の電子回路は、例えば、コア信号処理アルゴリズムに特有の、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）（ＡＳＩＣ）チップまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）（ＦＰＧＡ）を含み得る。コントローラ２１４は、オペレーティングシステム（ＯＳ）の１つまたは複数のモジュールを動作させる埋め込みプラットフォームであり得る。一構成において、記憶装置は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか１つまたは複数を用いる１つまたは複数の命令集合（例えば、ソフトウェア）を保存し得る。

受信機１０１は、タイミング情報を生成し、ユーザ入力に応答してワンド１０３の指示位置を位置合わせし、受信機１０１に対する、ワンド１０３の３つ以上の指示位置からの近距離位置測定および位置合わせを決定するためのプロセッサ２３３を含む。受信機は、約２ｃｍの幅、２ｃｍの深さ、および１０ｃｍ〜２０ｃｍの長さのサイズ寸法を有する。受信機は、応答して、第１、第２および第３の超音波信号を送信するワンド１０３にタイミング情報を送信するための通信モジュール２３５を含む。超音波信号は、振幅変調、周波数変調、および位相変調の組合せから生成されるパルス波形信号であり得る。３つのマイクロホン２２１〜２２３がそれぞれ、空中で送信される第１、第２および第３のパルス波形信号を受信する。受信機１０１は、線状に構成され得るかまたはより小型の構成では、三角形の形状を有し得る。三次元検知のためのデバイスの一例が、２００７年３月７日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｅｎｓｉｎｇ」という発明の名称の米国特許出願第１１／６８３，４１０号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。

メモリ２３８は、超音波信号を保存し、超音波信号または処理された信号の履歴を生成し得る。メモリ２３８は、例えば、位置を合わせるためにユーザがボタンを押すのに応答して、ワンド先端位置を保存することもできる。無線通信インターフェース（入力／出力）２３９が、３つ以上の指示位置の位置情報および近距離位置合わせをリモートシステムに無線で伝送する。リモートシステムは、上述したように、位置情報および位置合わせ情報をリアルタイムで表示するコンピュータ、ラップトップまたは携帯機器であり得る。電池は、プロセッサ２３３および受信機１０１における関連する電子機器に電力を供給する。受信機１０１は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含んでいてもよく、いくつかの構成要素の機能が、共有されるかまたは中に集積され得る。

さらなる超音波センサが、三次元検知のための過剰決定システムを提供するように含まれ得る。超音波センサは、ＭＥＭＳマイクロホン、受信機、超音波送信機またはそれらの組合せであり得る。一例として、各超音波トランスデューサは、別個の送信および受信機能を行うことができる。超音波センサの１つのこのような例が、米国特許第７，４１４，７０５号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。受信機１０１は、ピン２５１によって、骨またはジグに結合するための結合機構２４０も含み得る。一例として、結合機構２４０は、一時的な脱離を可能にするために固定インサート（例えば、四角形のポストヘッド）を備えた磁気アセンブリであり得る。別の例として、結合機構２４０は、ラッチインクリメントを備えた磁気ボールおよび継手ソケットであり得る。

受信機１０１は、増幅器２３２、通信モジュール２３５、加速度計２３６、およびプロセッサ２３３をさらに含み得る。プロセッサ２３３は、パルス整形器（ｐｕｌｓｅ ｓｈａｐｅｒ）、位相検出器、信号コンプレッサ、および他のデジタルシグナルプロセッサコードユーティリティおよびパッケージなどのソフトウェアプログラムモジュールをホストし得る。増幅器２３２は、送信または受信された信号の信号対雑音比を高める。プロセッサ２３３は、送信および受信同期の制御ならびにセンサ信号、加速度計情報、および他の構成要素データまたは状態の順序付けのためのコントローラ、カウンタ、クロック、および他のアナログまたはデジタル論理を含み得る。加速度計２３６は、移動中および固定したままで軸傾斜（例えば、３軸および６軸）を特定し得る。電池２３４は、それぞれの回路論理および構成要素に電力を供給する。受信機は、ワンドとの無線赤外線通信を可能にするために、赤外線信号を検出し、超音波信号の送信時間を確立するためのフォトダイオード２４１を含む。

通信モジュール２３５は、（ワンド１０２への）ローカルな信号伝達のための構成要素（例えば、同期クロック、無線周波数「ＲＦ」パルス、赤外線「ＩＲ」パルス、光／音響パルス）を含み得る。通信モジュール２３５は、リモートデバイス（例えば、ラップトップ、コンピュータなど）を用いた無線通信のためのネットワークおよびデータ構成要素（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ、Ｗｉ−Ｆｉ、ＧＰＳＫ、ＦＳＫ、ＵＳＢ、ＲＳ２３２、ＩＲなど）も含み得る。ネットワークおよびデータ構成要素を介した外部通信が、本明細書において想定されるが、受信機１０１が、単独の操作を可能にするためのユーザインターフェース２３７を含み得ることに留意されたい。一例として、受信機１０１は、位置の位置合わせ状態を指し示す３つ以上のワンド先端を示すための３つのＬＥＤライト２２４を含み得る。ユーザインターフェース２３７は、位置情報および位置合わせを報告するために自身のＧＵＩとともにタッチスクリーンまたは他のインターフェースディスプレイも含み得る。

プロセッサ２３３は、Ｆｌａｓｈ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭまたは端末装置の上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置２３８とともに、マイクロプロセッサ（ｕＰ）および／またはデジタルシグナルプロセッサ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（ＤＳＰ）などの計算技術を用い得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および／またはプロセッサ内に存在し得る。入力／出力ポートは、例えば、ユニバーサルシリアルバス（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）（ＵＳＢ）によって、情報またはデータの可搬式の交換を可能にする。コントローラの電子回路は、例えば、コア信号処理アルゴリズムまたは制御論理に特有の、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）（ＡＳＩＣ）チップまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）（ＦＰＧＡ）を含み得る。プロセッサは、オペレーティングシステム（ＯＳ）の１つまたは複数のモジュールを動作させる埋め込みプラットフォームであり得る。一構成において、記憶装置２３８は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか１つまたは複数を用いる１つまたは複数の命令集合（例えば、ソフトウェア）を保存し得る。

第１の構成において、受信機１０１は、ワンド１０３につながれた電気接続（例えば、配線）を介して配線される。すなわち、ワンド１０３の通信ポートは、タイミング情報を受信するための受信機１０１の通信インターフェースに物理的に配線される。受信機１０１からのタイミング情報は、送信するタイミングをワンド１０３に通知し、パルス整形に適用され得る任意選択のパラメータを含む。受信機１０１におけるプロセッサ２３３は、このタイミング情報を用いて、基準時間ベースに対する、超音波信号伝達の場合に飛行時間（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測定を確立する。

第２の構成において、受信機１０１は、無線Ｉ／Ｏ２３９を介した無線信号伝達接続を介して、ワンド１０３に通信可能に結合される。信号伝達プロトコルが、１０／８／２０１０に出願された「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｙ Ｆｅｅｄｂａｃｋ」という発明の名称の米国特許出願第１２／９００，６６２号明細書に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に援用される。ワンド１０３における赤外線送信機２０９が、それぞれの送信されたパルス波形信号とともに赤外線タイミング信号を送信する。赤外線送信機２０９は、受信機への超音波信号の送信と同期される赤外線タイミング信号をパルスする。受信機１０１は、赤外線タイミング信号が受信されるときを決定するためのフォトダイオード２４１を含み得る。この場合、ワンド１０３の通信ポートは、赤外線送信機およびマイクロ秒の精度（１ｍｍまでの分解能）内でタイミング情報を中継するためのフォトダイオードによって、受信機１０１の通信インターフェースに無線で結合される。受信機１０１におけるプロセッサ２３３は、この赤外線タイミング情報を用いて、基準送信時間に対する第１、第２、および第３の飛行時間（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測定を確立する。

図４は、非限定的な例の脊椎位置合わせ３００を評価するための複数のセンサ化ワンドを示す。図示されるように、複数のセンサ化ワンド３０１〜３０４は、個々の椎骨の移動および／または他の追跡される椎骨に対する位置合わせを追跡するのに用いられ得る。ワンドのそれぞれは、異なるサイズおよびセンサ構成のものであり得る。ワンドは、４ｃｍ〜１２ｃｍの寸法、および１ｃｍ以下の幅に及び得る軽量の構成要素である。一般に、ワンド３０１〜３０４は、手動で容易に保持される形状因子（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）を有し、または筋肉・骨格系によって結合または支持され得る。例えば、第１のワンド３０１は、別のワンド３０３より広くて長いセンサ距離を有していてもよい。これにより、ワンド３０１〜３０４と受信機３０８との間の通信が促進され得る。各ワンドは、例えば、ワンドに特有の特徴的な低周波磁気波長として保存される、それを他のものと識別するための個別のＩＤを有し得る。システム１００は、受動的磁場を介してワンドを識別し、１つまたは複数の超音波、光学、電磁素子、または（受動／能動）センサによって位置を決定し得る。

図４の説明とともに、ワークフロー方法が、本明細書において想定される。第１のワークフロー工程３１１では、受信機３０８は、手術部位およびワンドが使用されることが予想される場所に近接して位置決めされる。上述したように、受信機３０８は、台に設置され、または仙骨（または他の骨領域）に固定されて、ワンドの向きおよび場所を追跡する。ワンドは、手の中に保持され、仙骨における解剖学的特徴を位置合わせする、例えば、ワンド先端を骨特徴に合わせてクリックするのに使用され得る。このポイント位置合わせにより、解剖学的ポイントが捕らえられ、それが次に、適切な向きおよび寸法を有する３Ｄ脊椎モデルを取り出すのに使用される。工程３１２では、次に、ワンドは、椎骨におけるポイントを位置合わせして、その椎骨の場所を評価するのに使用され得る。第１の構成において、ワンドは、ワンド先端ポイント位置合わせを行わずに、直接椎骨に固定され得る。これにより、必ずしも向きであるとは限らない、挿入ポイントにおける空間的位置（三次元情報）を評価するための１つのポイントが提供される。

第２の構成において、ワンドは、まず、椎骨の表面におけるポイントを位置合わせするのに使用され、次にその中に挿入される。位置合わせにより、解剖学的な椎骨のポイントを捕らえ、それが次に、適切な向きおよび寸法を有する３Ｄ椎骨モデルを取り出すのに使用される。これにより、ワンドがその中に挿入されるとき、システム１００は、適切な縮尺および位置で椎骨を追跡することができる。仙骨における受信機および椎骨における各ワンドの位置合わせおよび位置決めの際、システム１００は、工程３１３に示されるように、機器追跡のリアルタイムの表示を提供する。すなわち、システム１００は、脊椎の３Ｄモデル、センサ化ワンド３０１〜３０４および受信機３０８を示す仮想環境を生成する。

図５は、非限定的な例の脊椎の状態を決定するためのセンサ化された設置を示す。上述したように、ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサなどのセンサも含み得る。ワンド先端は、対象のポイントを位置合わせするのに使用されるとき、挿入部位に直接関連するバイオメトリックデータも捕捉することができる。ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサを解放し、それを接触部位に位置決めされたままにすることもできる。図５および６の説明は、ワンド先端センサの設置を示し、これは、ある構成において、その先端センサを、長期の埋め込みのためにその場で配備する。システム１００は、骨に対する荷重に似た振動パターンでのエネルギー波の伝達を可能にし、骨ミネラル量および骨密度を改善することもできる。センサは、インプラントを介してまたはインプラントにわたってエネルギー波を送り、それによって、骨折の治癒を助けることもできる。

したがって、位置および向きを含むセンサ化された設置の関数であるバイオメトリックパラメータを検出するための方法が本明細書において提供される。本方法は、バイオメトリックトランスデューサを、脊椎関節の移動構成要素上に提供する工程と、脊椎関節または脊椎の移動中に、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位に、バイオメトリックトランスデューサからのエネルギー波（例えば、超音波、光学、電磁電磁）を伝達する工程と、脊椎関節の移動中に、エネルギー波の挙動を定量的に評価する工程と、評価された挙動および脊椎関節の移動に基づいて、現在の状態または圧力、張力、せん断、荷重、トルク、骨密度および荷重重量からなる群から選択される手技部位の少なくとも１つのパラメータを決定する工程とを含む。あるいは、１つまたは複数のセンサを組み込む挿入可能なヘッドアセンブリが、対象のバイオメトリックパラメータを測定するのに使用され得る。この例では、バイオメトリックトランスデューサは、椎骨の移動および荷重に関する情報を検出し、送信することができる。一例として、センサは、例えば、脊椎関節が移動中に屈曲される際、評価された挙動の頻度または周期性を評価することによって、整形外科用関節の異常な移動を検出することができる。

図５に示される一例として、単一のセンサ３５２が、圧力、張力、せん断、骨密度および荷重重量に関連する関節機構の品質または機能などの、移動中の脊椎関節の挙動を評価するために、骨または脊椎関節の装具構成要素（例えば、椎骨）に埋め込まれ得る。この実施形態のセンサ３５２は、骨（椎骨）における固定された場所にあり、手技部位３６０に対する移動中に椎骨３５８とともに移動する。図示されるように、手技部位３６０は、椎骨３５４、椎間板３５６、および椎骨３５８を含む。手技部位３６０は、椎骨が単一のセンサを主に移動させるため、センサに対して比較的動かない。この構成の単一のセンサは、移動の結果としての手技部位における対象のパラメータ（例えば、圧力、張力、せん断、骨密度、および荷重重量）の様々な変化に曝される。一例として、センサは、移動中に関節の様々な場所に加えられる動作によって生じる様々な関節運動によって圧縮される。移動中、センサ３５２は、手技部位におけるエネルギー波を評価し、椎骨の移動（ひいてはセンサの焦点）が移動の結果として手技部位に対して変化するため、隣接部位も評価される。センサ３５２の位置も、（それにワンドが結合される場合、ワンドによって）他の椎骨に対して決定され、向き、場所および位置に関する検知されたパラメータの変化をカタログする（ｃａｔａｌｏｇ）のに使用される。

移動構成要素（例えば、椎骨、歯科用インプラント）にセンサ３５２を設置することおよびその場所および向きの知識を用いて、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位中にエネルギー波を伝達することの１つの利点は、それがセンサ３５２と手技部位との間の距離を効果的に変化させることであり、それにより、センサ３５２の分解能および焦点ならびにそれに対する力が変化される。位置情報も、検知されたパラメータの変化に対する移動の周期性を示す。一例として、切り替えられる送信および受信モードで動作するセンサ３５２は、操作の変化を生じずに、手技部位の異なる深さで測定を取ることができる。センサ３５２は、関節運動による距離の変化の結果として、例えば、インピーダンスを整合させるために、送信されたエネルギー波の周波数、振幅、または位相の変更を本来必要とし得るセンサ調整を行わずに、異なる測定を取ることができる。

一例として、バイオメトリックセンサ３５２は、超音波デバイスであり得る。定量的超音波法は、骨ミネラル量のみを測定する他の骨密度測定方法と対照的に、機械的完全性などの骨のさらなる特性を測定することができる。骨を介した超音波の伝播は、骨量、骨構造、および荷重の方向性によって影響される。骨の強度および剛性を評価する手段としての定量的超音波測定は、受信された超音波信号の処理に基づく。音および超音波の速度は、骨および軟組織を通って伝播する。装具の緩みまたは沈降、および大腿骨／脛骨／寛骨臼または装具の破砕は、骨量の減少に関連する。したがって、装具周囲の骨ミネラル量の進行する定量化できる変化の正確な評価は、治療する外科医が、修正関節形成（ｒｅｖｉｓｉｏｎ ａｒｔｈｒｏｐｌａｓｔｙ）のために骨量（ｂｏｎｅ ｓｔｏｃｋ）を保存するために介入するタイミングを決定するのを助け得る。この情報は、骨粗しょう症の骨のためのインプラントの開発に役立ち、骨粗しょう症の治療および様々なインプラントコーティングの影響の評価に役立つ。

図６は、非限定的な例の脊椎の状態を決定するための複数のセンサ化された設置を示す。上述したように、ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサなどのセンサも含み得る。ワンド先端は、対象のポイントを位置合わせするのに使用されるとき、挿入部位に直接関連するバイオメトリックデータも捕捉することができる。ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサを解放し、それを接触部位に位置決めされたままにすることもできる。

したがって、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位で第２のバイオメトリックトランスデューサを提供する工程と、脊椎関節の移動中に、第１のバイオメトリックトランスデューサおよび第２のバイオメトリックトランスデューサの相対的な分離に基づいてエネルギー波の挙動を定量的に評価する工程とを含む、バイオメトリックパラメータを検出するための方法が、本明細書において提供される。手技部位の現在の状態または少なくとも１つのパラメータが、評価された挙動および脊椎関節の移動から決定される。パラメータは、歪み、振動、運動力学、および安定性のうちの１つである。第１のバイオメトリックトランスデューサまたは第２のバイオメトリックトランスデューサは、少なくとも１つのバイオメトリックパラメータに関連するデータを、評価のための外部源に送信するための送受信機を含み得る。

図６に示されるように、センサ３５２は、骨または脊椎関節の装具構成要素（例えば、椎骨）に埋め込まれ得、センサ３６６は、移動中に、脊椎関節の挙動を評価するために、手技部位における異なる位置に位置決めされ得る。この実施形態のセンサ３５２は、骨（椎骨）における固定された場所にあり、手技部位におけるセンサ３６６に対して、関節運動中に椎骨とともに移動する。センサ３６６は、異なる骨上にあり得る。両方のセンサが移動し得るが、センサ３５２は、実際には、センサ３６６に対して移動するものとみなされ得、示されるように相対的に変位される。センサ３５２および３６６は、以下に限定はされないが、骨密度、流体粘度、温度、歪み、圧力、角状変形（ａｎｇｕｌａｒ ｄｅｆｏｒｍｉｔｙ）、振動、荷重、トルク、距離、傾斜、形状、弾性、運動などに関する、ホスト骨および組織の評価を可能にする。

図示される二重センサ構成は、骨の完全性を評価することができる。例えば、脊椎関節において、第１および第２の椎骨に結合されるセンサ３５２および３６６が、骨密度を評価する。本発明に係るセンサ３５２、センサ３６６、またはその両方によって送られる外部および内部エネルギー波が、骨折の治療および脊椎固定術の際に使用され得る。２つの配備されるセンサを用いて、センサ間の距離が、対象の領域および生成され得る電力場（ｐｏｗｅｒ ｆｉｅｌｄ）で決定され得る。エネルギー場は、超音波、無線周波数、および／または電磁場などの標準的なエネルギー源であり得る。経時的なエネルギー波の偏向は、例えば、評価される所望のパラメータの変化の検出を可能にするであろう。例として、大腿骨の遠位端に設置される第１のセンサは、椎骨の移動の際、脛骨の近位端に埋め込まれた第２のセンサからの骨密度を評価し得る。

２つ以上のセンサの１つの利点は、それらが、移動の結果として互いに対してより近くおよびより離れて移動することであり、これは、例えば、調査中のセンサの周波数特性および手技部位のインピーダンス特性により、エネルギー波の評価を向上させる動作である。また、センサ３５２および３６６の相対的な分離により、例えば、インピーダンスを整合させるために、送信されたエネルギー波の周波数、振幅、または位相の変更を本来必要とし得るセンサ調整を行わずに、異なる測定を取ることができる。この例では、骨の測定は、受信された超音波信号の処理に基づく。音速および超音波速度は両方とも、超音波が骨および軟組織を通していかに迅速に伝播するかに基づいて測定を提供する。これらの測定の特性により、迅速な三次元幾何学形状の生成が可能になり、この情報は、位置、向きおよび場所情報とともにシステム１００によって処理され得る。センサは、関節腔にわたるため、インプラント機能の変化を検出することができる。インプラント機能の例は、いくつか挙げると、軸受摩耗（ｂｅａｒｉｎｇ ｗｅａｒ）、沈降、骨の統合（ｂｏｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、通常のおよび異常な動き、熱、粘度の変化、粒状物質、運動力学を含む。

図７は、非限定的な例のセンサ化脊椎用機器４００を示す。側面図および平面図が示される。脊椎用機器４００は、ハンドル４０９、シャフト４３０、およびセンサ付きヘッド４０７を含む。ハンドル４０９は、シャフト４３０の近位端に結合され、センサ付きヘッド４０７は、シャフト４３０の遠位端に結合される。一実施形態において、ハンドル４０９、シャフト４３０、およびセンサ付きヘッド４０７は、剛性構造を形成し、この剛性構造は、脊椎領域を伸延させるかまたはそれを測定するのに使用されるときに曲がらない。脊椎用機器４００は、センサ付きヘッド４０７における１つまたは複数のセンサに動作可能に結合される電子アセンブリ４０１を含む。センサは、センサ付きヘッド４０７の移動構成要素４０４／４０５における表面４０３／４０６に結合される。電子アセンブリ４０１は、シャフト４０７の近位端に向かってまたはハンドル４０９中に配置される。図示されるように、電子アセンブリ４０１は、シャフト４０９に結合される。電子アセンブリ４０１は、論理回路、加速度計、および通信回路を含む電子回路を含む。一実施形態において、センサ付きヘッド４０７の表面４０３および４０６は、凸形状を有し得る。表面４０３および４０６の凸形状は、脊椎領域内で、より具体的には、椎骨の輪郭の間で、センサ付きヘッド４０７の設置を支持する。一実施形態において、センサ付きヘッド４０７は、ハンドル４０９の旋回運動４１１に応じて、均一に伸延したり閉じたりするジャック４０２を介して、上部構成要素４０４および底部構成要素４０５によって高さ調節可能である。ジャック４０２は、センサ付きヘッド４０７の構成要素４０４および４０５の内面に結合される。シャフト４３０は、１つまたは複数の縦方向の通路を含む。電子アセンブリ４０１がセンサ付きヘッド４０７における１つまたは複数のセンサに動作可能に結合されるように、例えば、フレキシブルワイヤインターコネクト（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｗｉｒｅ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）などのインターコネクトが、シャフト４３０の１つの縦方向の通路を通って結合し得る。同様に、ねじ棒が、ハンドル４０９をジャック４０４に結合するために、シャフト４３０の第２の通路を介して結合することができ、それによって、ハンドル４０９の回転によって、センサ付きヘッド４０７の高さ調節が可能になる。

脊椎用機器４００は、埋め込まれた加速度計によって、向きを決定することもできる。センサ付きヘッド４０７は、圧力、張力、せん断力、荷重、トルク、骨密度、および／または荷重重量（ｂｅａｒｉｎｇ ｗｅｉｇｈｔ）を含む、手技部位（例えば、椎間腔）のパラメータを決定する能力を含む多機能を支持する。一実施形態において、２つ以上の荷重センサは、センサ付きヘッド４０７内に含まれ得る。２つ以上の荷重センサは、表面４０３および４０６の所定の場所に結合され得る。２つ以上の荷重センサを有することで、センサ付きヘッド４０７が、荷重の大きさおよび表面４０３および４０６に加えられた荷重の位置を測定することができる。センサ付きヘッド４０７を用いて、椎骨構成要素を設置する前に、脊椎関節を測定し、調整し、試験することができる。以下で分かるように、位置合わせシステム１００は、椎間板荷重の検知の際の脊椎機器４００の最適な挿入角度および位置を評価し、挿入機器を用いるときに、これらの条件を再現する。

本発明において、これらのパラメータは、ｉ）センサを支持する封入構造および接触面およびｉｉ）電源、検知要素、１つまたは複数の超音波共振器または１つまたは複数の超音波トランスデューサおよび１つまたは複数の超音波導波路、１つまたは複数の付勢ばねまたは他の形態の弾性部材、加速度計、アンテナおよび測定データを処理するだけでなく、エネルギーの変換、伝播、および検出ならびに無線通信の全ての操作を制御する電子回路を統合する電子集合体（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｓｓｅｍｂｌａｇｅ）を含む統合された無線センサ付きヘッド４０７またはデバイスを用いて測定され得る。センサ付きヘッド４０７または機器４００は、対象とするパラメータをリアルタイムで検知し、通信するために、機器、電気器具（ａｐｐｌｉａｎｃｅ）、車両（ｖｅｈｉｃｌｅ）、装備、または他の物理的システムを含むがこれらに限定されない様々な物理的システムならびに動物およびヒトの身体の上またはその中に位置決めされるか、またはそれらと係合されるか、あるいはそれらにまたはそれらの中に結合または固定され得る。

脊椎用機器４００を使用する例が、脊椎ケージの図中にある。脊椎ケージは、椎間板の置換の際に椎骨の間隔を空けるのに使用される。脊椎ケージは、典型的に中空であり、固定のためのねじを有して形成され得る。可動域にわたって荷重の十分な支持および分布を得るために、２つ以上のケージが椎骨の間に設置されることが多い。一実施形態において、脊椎ケージは、軽量および強度のためにチタンで作製される。骨成長を開始させ、促進するために、ケージに骨成長材料を入れることもでき、それによって、椎間領域を長期間さらに強化する。脊椎用機器４００は、荷重および荷重の位置を測定するために、椎骨の間の間隙に挿入される。荷重の位置は、センサ付きヘッド４０７の表面４０３または４０６に荷重を加える椎骨領域または表面に対応する。脊椎用機器４００のセンサ付きヘッド４０７の挿入の角度および位置も測定することができる。荷重の大きさおよび荷重の位置の測定は、椎骨の間の埋め込み場所および埋め込み場所に対する脊椎ケージの最適なサイズを決定するために、外科医によって使用される。最適なサイズは、脊椎によって荷重をかけられるときに所定の荷重範囲内に入るケージ高さであろう。典型的に、対象の椎骨を伸延させ、対象の椎骨によって加えられる力を測定するのに使用されるセンサ付きヘッド４０７の高さは、後の工程で埋め込まれるケージ高さに等しい。センサ付きヘッド４０７を椎骨から取り外した後、脊椎ケージは、同じ領域に埋め込まれ得る。埋め込まれた脊椎ケージに対する荷重は、脊椎用機器４００によって形成され、センサヘッド４０７によって加えられる測定値にほぼ等しい。一実施形態において、挿入試験測定の角度および位置は、脊椎用機器４００またはそれに結合されたリモートシステムによって記録される。その後、角度および位置の測定は、測定プロセス中に、脊椎用機器４００と同一の経路において、脊椎の同じ領域中に脊椎ケージを導くのに使用される。

図８は、非限定的な例の集積化されたセンサ化脊椎用機器４１０を示す。特に、電子アセンブリ４０１は、集積化機器４１０の内部にある。電子アセンブリ４０１は、無線再充電操作を開始させるために、充電ユニットに近接して設置され得る外部無線エネルギー源４１４を含む。無線エネルギー源４１４は、電源、変調回路、およびデータ入力を含み得る。電源は、電池、充電デバイス、キャパシタ、電力接続、または電力を脊椎用機器４１０に伝達し得る無線電力信号を生成するための他のエネルギー源であり得る。外部無線エネルギー源４１４は、以下に限定はされないが、電磁誘導、あるいは他の電磁放射または超音波放射の形態のエネルギーを伝達することができる。少なくとも１つの例示的実施形態において、無線エネルギー源は、ごく近接して設置される場合、検知デバイスにおける誘導コイルと電磁的に結合し、作動する（例えば、電源がオンになる）コイルを含む。

電子アセンブリ４０１は、椎骨構成要素における様々なポイントで、パラメータのレベルおよび分布の視覚化を可能にするために、データ通信回路を介して、測定されたパラメータデータを受信機に送信する。データ入力はまた、有線または無線接続（例えば、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ８０２．１６など）を介したコンピュータなどの別のデータソースからの入力情報を受信するためのインターフェースまたはポートであり得る。変調回路は、入力情報を、電源によって生成される電力信号に変調することができる。センサ付きヘッド４０７は、典型的に、低摩擦ポリマー材料で作製される摩耗表面を有する。理想的に、センサ付きヘッド４０７は、椎骨の間に挿入されるとき、天然の脊椎と同様の、適切な荷重、位置合わせ、および平衡を有する。

図９は、非限定的な例の椎骨構成要素を備えた挿入機器４２０を示す。本明細書に記載される電子アセンブリ４０１は、同様に、挿入機器４２０の向きおよび位置データの生成を支持する。位置合わせシステム１００によって、ユーザは、椎骨構成要素の適切なまたは予め計画された設置を実現するために、挿入角度、位置および軌道（経路）を再現することができる。あるいは、電子アセンブリ４０１における加速度計は、場所および軌道情報を提供することができる。挿入機器４２０は、ハンドル４３２、ネック４３４、および先端４５１を含む。着脱機構４５５は、先端４５１を制御するために、ネック４３４の近位端に結合する。着脱機構４５５により、外科医が、先端４５１に結合された椎骨構成要素を保持または解放することができる。この例では、ハンドル４３２は、ネック４３４の近位端に近接してある角度で延在する。ハンドル４３２の位置決めにより、外科医は、着脱機構４５５へのアクセスを可能にしながら、先端４５１を脊椎領域中に正確に向けることができる。

第１の例では、椎骨構成要素は、脊椎ケージ４７５である。脊椎ケージ４７５は、手術中に脊椎の椎骨の間に挿入され得る穿孔された壁を備えた、通常、チタンで作製される小さい中空の円筒状デバイスである。一般に、伸延プロセスにより、脊椎ケージ４７５の挿入前に所定の距離まで椎骨に間隔が空けられる。脊椎ケージ４７５は、患者の快適性を向上させるための解決策として、安定性を高め、椎骨の圧縮を減少させ、神経障害を軽減することができる。脊椎ケージ４７５は、ケージをセルフタッピング式（ｓｅｌｆ−ｔａｐｐｉｎｇ）にして、さらなる安定性を提供する表面ねじ山（ｓｕｒｆａｃｅ ｔｈｒｅａｄ）を含み得る。脊椎ケージ４７５は、ケージ４７５を通して、椎体の間の骨成長を支持する骨移植片材料を含むために多孔質であり得る。不快感を軽減するために、２つ以上の脊椎ケージが、椎骨の間に設置され得る。脊椎ケージ４７５の適切な設置および位置決めは、良好な長期の移植および患者の転帰のために重要である。

第２の例では、椎骨構成要素は、椎弓根ねじ４７８である。椎弓根ねじ４７８は、椎弓根に埋め込むために設計された特定のタイプの骨ねじである。他の構造（例えば椎弓板、椎弓）に結合する、椎骨当たり２つの椎弓根がある。多軸の椎弓根ねじが、腐食に耐え、構成要素の強度を高めるために、チタンで作製され得る。椎弓根ねじの長さは、３０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲である。直径は、５．０ｍｍ〜８．５ｍｍの範囲である。椎弓根ねじは、寸法の例として使用されるこれらの寸法に限定されない。椎弓根ねじ４７８は、変形を矯正し、および／または外傷を治療するために、棒およびプレートを脊椎に固定するために、機器を使用した手技（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）に使用され得る。椎弓根ねじ４７８を用いて、骨構造を一緒に保持することによって癒合を助けるために脊椎の部分を固定することができる。（内部にまたは外部に統合され得る）電子アセンブリ４０１によって、挿入機器４２０は、ねじの設置のための深さおよび角度を決定し、ねじをその中に導くことができる。この例では、１つまたは複数の加速度計が、挿入プロセス中に、先端４５１の向き、回転、角度、または位置情報を提供するのに使用される。

一構成において、ねじ４７８は、センサとともに埋め込まれる。センサは、エネルギーを伝達し、密度の読み取りを取得し、経時的な密度の変化を監視することができる。一例として、システム１００は、したがって、骨折部位の治癒を監視し、報告することができる。センサは、骨折部位における運動ならびにねじと骨との間の運動の変化を検出することができる。このような情報は、治癒を監視する際に役立ち、医療提供者に、示される椎骨重量荷重を監視する能力を与える。センサはまた、治癒に役立つように骨折自体にエネルギー波を送るように外部から作動され得る。

図１０は、非限定的な例の椎骨パラメータを検知するための、脊椎の椎骨の間に位置決めされる脊椎用機器４００の斜視図を示す。一般に、センサ付きヘッド４０７が脊椎領域に挿入されるとき、圧縮力が、表面４０３および４０６に加えられる。一実施形態において、センサ付きヘッド４０７は、その間の椎間の力に関連する表面４０３、表面４０６、またはその両方に対する荷重の大きさベクトルを特定する２つ以上の荷重センサを含む。図示される例では、圧縮力が表面４０３および４０６に加えられるように、脊椎用機器４００は、椎骨（Ｌ５）と仙骨（Ｓ）との間に位置決めされる。内視鏡的アプローチは、視覚化したり、または良好な曝露を提供したりするのが難しいため、機器４００を挿入するための１つのアプローチは、腹壁吊り上げ法（ｍｉｎｉｌａｐａｒｏｔｏｍｙ）によって後方（背面）から行われる。別のアプローチは、外科医が腹部を通して脊椎に到達するのを可能にするように前方（前面）から行われる。この方法では、背中に位置する脊椎の筋肉は、損傷も切断もされず、筋力低下および瘢痕が回避される。脊椎用機器４００は、前方または後方からの脊椎アプローチのいずれかで使用され得る。

脊椎機器４００のセンサ化構成要素の態様が、２０１０年６月２９日に出願された「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ Ｌｏａｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｉｎｓｅｒｔ Ｄｅｖｉｃｅ」という発明の名称の米国特許出願第１２／８２５，６３８号明細書、および２０１０年６月２９に出願された「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｕｓｃｕｌａｒ−Ｓｋｅｌｅｔａｌ Ｓｙｓｔｅｍ」という発明の名称の米国特許出願第１２／８２５，７２４号明細書に開示されており、これらの内容全体が、参照により本明細書に援用される。簡潔に述べると、センサ付きヘッド４０７は、対応する場所およびトルク（例えば、Ｔｘ、Ｔｙ、およびＴｚ）および椎骨の端部荷重とともに力（Ｆｘ、Ｆｙ、およびＦｚ）を測定することができる。電子回路４０１（図示せず）は、センサ付きヘッド４０７におけるセンサの操作および測定を制御する。電子回路４０１は、近距離データ送信用の通信回路をさらに含む。次に、電子回路４０１は、測定データを、リモートシステムに送信して、外科医が、最適な関節の平衡を得るのに必要な調整を特定するのを助けるために、リアルタイムの視覚化を提供することができる。

筋肉組織中に構成要素を設置する方法が、以下に開示される。本方法の工程は、任意の順序で実施され得る。椎骨の間のケージの設置の例を用いて、本方法を示すが、本方法は、膝、臀部、足首、脊椎、肩、手、腕、および足などの他の筋肉・骨格領域に適用可能である。第１の工程では、所定の幅のセンサ付きヘッドは、筋肉・骨格系の領域に設置される。この例では、挿入領域は、脊椎の椎骨の間である。センサ付きヘッドを椎骨の間に挿入するのに十分な力を与えるためにハンドルの端部を軽く打つのにハンマーが使用され得る。挿入プロセスにより、椎骨を伸延させ、それによって、分離距離を増加させることもできる。第２の工程では、センサ付きヘッドに加えられる荷重の位置が測定される。それによって、センサ付きヘッドの表面に対する荷重の大きさおよび荷重の位置が得られる。筋肉・骨格系によって加えられる荷重がセンサ付きヘッドの表面上でいかに位置決めされたかは、挿入された後の構成要素の安定性を判定するのに役立ち得る。センサ付きヘッドに加えられる不規則な荷重により、加えられる力が構成要素を挿入位置から押しのける状況が予測され得る。一般に、センサ付きヘッドは、定量的データに基づいて、構成要素の挿入に好適な場所を特定するのに使用される。第３の工程では、センサ付きヘッドからの荷重および荷重の位置のデータが、リモートシステムにリアルタイムで表示される。同様に、第４の工程では、向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも１つが、リモートシステムにリアルタイムで表示される。センサ付きヘッドの位置決めの際になされる変化が、リモートシステムディスプレイ上のデータに反映される。第５の工程では、適切な荷重および位置を有する椎骨の間の場所が特定され、対応する定量的測定データがメモリに保存される。

第６の工程では、センサ付きヘッドは取り外される。第７の工程では、構成要素は、筋肉・骨格系に挿入される。例として、保存された定量的測定データは、構成要素を筋肉・骨格系中で位置決めするのを支持するのに使用される。この例では、挿入機器は、構成要素を筋肉・骨格系中に向けるのに使用され得る。挿入機器は、構成要素が挿入される際に構成要素の向き、回転、角度、または位置を提供する能動デバイスである。センサ付きヘッドの挿入の予め測定された方向および場所は、挿入機器を導くのに使用され得る。一実施形態において、リモートシステムディスプレイは、予め挿入されたセンサ付きヘッドへの挿入機器および構成要素の相関的な位置合わせ（ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を表示するのに役立ち得る。挿入機器は、システムとともに、構成要素の設置を方向付けるのをさらに助けるように、視覚、音声、触覚または他のフィードバックを提供することができる。一般に、挿入される構成要素は、センサ付きヘッドとほぼ等しい高さを有する。理想的に、構成要素における荷重および荷重の位置が定量的測定と同様であるように、構成要素は、予め挿入されたセンサ付きヘッドに、同一の場所および位置で挿入される。第８の工程では、構成要素は、予め挿入されたセンサ付きヘッドに同一に位置決めされ、解放される。次に、挿入機器は、筋肉・骨格系から取り外され得る。第９の工程では、少なくともセンサ付きヘッドは廃棄される。

したがって、センサ付きヘッドは、構成要素の挿入に好適な場所を特定するのに使用される。挿入は、位置および場所を含む定量的測定によって支持される。さらに、構成要素におけるおよその荷重および荷重の位置は、手技が完了した後に分かる。一般に、筋肉・骨格系によって加えられる荷重および構成要素の表面における位置を知ることは、構成要素の長期の安定性を決定するのに役立ち得る。構成要素に加えられる荷重が不規則であると、加えられる力が構成要素を挿入位置から押しのけることになり得る。

図１１は、非限定的な例の図１０のセンサ化脊椎用機器の斜視図を示すグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）５００を示す。ユーザインターフェース５００は、リモートシステム１０５および位置合わせシステム１００によって示される（図１を参照）。ＧＵＩ５００は、ウインドウ５１０および関連するウインドウ５２０を含む。ウインドウ５２０は、評価される椎骨５２２に関する脊椎機器４００およびセンサヘッド４０７を示す。この例では、椎骨の斜視（平面）図が示される。この図は、例えば、脊椎機器４００が切開部中へと前進する際の、脊椎機器４００のアプローチ角および回転を示すシャフト角度５２３および回転成分５２４を示す。ウインドウ５２０および対応するＧＵＩ情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。それにより、外科医が、脊椎用機器４００および検知されたパラメータの使用を視覚化することが可能になる。ウインドウ５１０は、センサ付きヘッド４０７の検知表面（４０３または４０６）を示す。照準線５１２が、力の最大点および場所を特定するためにセンサヘッド画像上に重ね合わされる。照準線５１２は、椎骨の端部荷重を示すために長くなることもある。ウインドウ５１３は、例えば、センサヘッド表面にわたって２０ポンドの荷重力を報告する。この情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。

上述したように、システム１００は、パラメータ検知（例えば、椎骨の荷重、端部荷重、圧縮など）によって、装具（ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ）／機器／ハードウェアの埋め込みを助けるように手術中に使用され得る。受信機１０１、複数のワンド１０３、および脊椎用機器４００などの構成要素は、使用時に、手術野内に留まる。リモートシステム１０５は、典型的に、手術野の外部にある。全ての測定は、これらの構成要素によって、手術野内で行われる。一実施形態において、受信機１０１、複数のワンド１０３、および脊椎用機器のうちの少なくとも１つが、手技が完了した後、廃棄される。一般に、それらは、単回の使用のために電力を供給されるように設計され、再度滅菌することができない。

脊椎において、骨組織および軟組織要素に対する影響、ならびに脊椎矯正手術を含む手術の際の軟組織（例えば、軟骨、腱、靱帯）の変化が、システム１００によって評価される。次に、センサは、経時的な変化および動的変化を評価し、視覚化するために手術中（および手術後）に使用される。センサは、外科的パラメータ読み取り値が保存されるとき、手術中に作動され得る。手術の直後に、センサは作動され、基準値が分かる。

センサシステム１００は、以下に限定はされないが、骨密度、流体粘度、温度、歪み、圧力、角状変形（ａｎｇｕｌａｒ ｄｅｆｏｒｍｉｔｙ）、振動、荷重、トルク、距離、傾斜、形状、弾性、および運動に関する脊椎および結合組織の評価を可能にする。センサが椎骨腔に通されるため、センサは、椎骨構成要素の挿入の前に椎骨構成要素の機能の変化を予測することができる。上述したように、システム１００は、脊椎機器４００を椎間腔に設置するのに使用され、ここで、脊椎機器４００は、椎体５２２に対して位置決めされて示される。それが設置され、椎骨の中心で視覚的に確認されると、システム１００は、機器における端部荷重を報告し、それが、今度は、適切な椎骨デバイスおよび挿入計画（例えば、アプローチ角、回転、深さ、経路軌道）のサイズを決定するのに使用される。インプラント構成要素の機能の例は、いくつか挙げると、軸受摩耗（ｂｅａｒｉｎｇ ｗｅａｒ）、沈降、骨の統合（ｂｏｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、通常のおよび異常な動き、熱、粘度の変化、粒状物質、運動力学を含む。

図１２は、非限定的な例の椎間の位置および力の検知のための、脊椎の椎骨の間に位置決めされるセンサ化脊椎用機器４００を示す。図示されるように、脊椎用機器４００のセンサ付きヘッド４０７は、椎骨Ｌ４とＬ５椎骨との間に設置される。脊椎用機器４００は、センサ付きヘッド４０７の高さだけＬ４およびＬ５椎骨を伸延させ、荷重の大きさおよび荷重の位置についての定量的データを提供する。一実施形態において、脊椎用機器４００は、その各側に隣接して位置決めされる第１のワンド５１０および第２のワンド５２０と通信する。長いシャフト５１４が、脊椎の椎骨内での設置を可能にするために各ワンドに設けられ、他のワンドおよび脊椎機器４００の電子アセンブリ４０１とも適合する。ワンド５１０が、椎骨Ｌ４の向きおよび位置を追跡する一方、ワンド５２０は、椎骨Ｌ５の向きおよび位置を追跡する。これにより、システム１００が、隣接する椎骨の移動に対する、脊椎機器４００の向きおよび移動を追跡することができる。各ワンドは、脊椎用機器４００と同様にセンサ化される。ワンド５１０およびワンド５２０はそれぞれ、センサ５１２およびセンサ５１３を含む。センサ５１２および５１３は、位置情報を送受信することができる。電子アセンブリ４０１は、ワンド５１０および５２０とともに、手技中に、脊椎用機器４００の向きおよび位置を決定する二重の働きを果たす。超音波位置検知の一例が、２０１０年４月２０日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」という発明の名称の米国特許出願第１２／７６４，０７２号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。

図１３は、非限定的な例の図１２のセンサ化脊椎用機器を示すユーザインターフェース６００の斜視図を示す。ユーザインターフェース６００は、リモートシステム１０５および位置合わせシステム１００によって示される（図１を参照）。ＧＵＩ６００は、第１のウインドウ６１０および関連する第２のウインドウ６２０を含む。第２のウインドウ６２０は、評価される椎骨構成要素６２２に関する脊椎用機器およびセンサ付きヘッド４０７を示す。この例では、脊柱の矢状面（側面）図が示される。この図は、脊椎用機器およびセンサ付きヘッド４０７のアプローチ角および回転を示すシャフト角度６２３および回転成分６２４を示す。第２のウインドウ６２０および対応するＧＵＩ情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。それにより、外科医が、脊椎用機器４００のセンサ付きヘッド４０７および検知された荷重力パラメータを視覚化することが可能になる。第１のウインドウ６１０は、センサヘッドの検知表面を示す（図７を参照）。照準線６１２が、力の最大点および場所を特定するためにセンサ付きヘッド４０７の画像上に重ね合わされる。照準線６１２は、椎骨の端部荷重を示すために、幅および長さを調整することもできる。別のＧＵＩウインドウ６１３が、センサ付きヘッド４０７の表面にわたる荷重力を報告する。ＧＵＩ６００は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。

図１４は、非限定的な例の脊椎ケージ４７５の設置のためのセンサ化脊椎挿入機器４２０の斜視図を示す。挿入機器４２０は、椎骨構成要素４７５（例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ、センサ）を、図中のＬ４およびＬ５椎骨の間に埋め込むための外科的手段を提供する。ネック４３４の遠位端における機械的アセンブリの先端４５１は、着脱機構４５５による椎骨構成要素の着脱を可能にする。椎骨構成要素４７５は、図示されるように、例えば、後方経路腰椎椎体間固定術（ｐｏｓｔｅｒｉｏｒ ｌｕｍｂａｒ ｉｎｔｅｒｂｏｄｙ ｆｕｓｉｏｎ）（ＰＬＩＦ）によって、背中の正中切開を通して脊椎の背面に設置され得る。挿入機器４２０は、同様に、前方経路腰椎椎体間固定術（ａｎｔｅｒｉｏｒ ｌｕｍｂａｒ ｉｎｔｅｒｂｏｄｙ ｆｕｓｉｏｎ）（ＡＬＩＦ）手技に使用され得る。

本明細書において想定される一方法において、挿入前のケージの位置は、図１２および１３に示される脊椎用機器４００とともにワンド５１０および５２０を用いて説明されるように、例えば、３Ｄ画像化または超音波ナビゲーションによって最適に画定される。荷重センサ４０７（図１２を参照）は、最適な挿入経路および軌道がそこで画定されるときの上記の荷重力を評価するために、椎骨の間に位置決めされる。機器挿入の荷重力および経路が記録される。その後、図１４に示されるように、挿入機器４２０は、記録された経路にしたがっておよび荷重力に基づいて、最終的な脊椎ケージ４７５を挿入する。挿入中、図１５に示されるＧＵＩは、脊椎用機器４２０を、記録された挿入箇所にナビゲートする。脊椎用挿入機器４２０には、最終的な脊椎ケージへのプレースホルダ（ｐｌａｃｅｈｏｌｄｅｒ）として働く１つまたは複数の荷重センサが装備され得る。椎骨の間への脊椎ケージ４７５の設置、挿入機器４２０からの脊椎ケージの解放、および挿入機器４２０の取り外しの後、脊椎ケージの周りを占める空間が、隣接する椎骨における棒および椎弓根ねじによって閉鎖される。これにより、周囲の椎骨が脊椎ケージに押し付けられ、椎骨の癒合に安定性が与えられる。この手技の間、図１５のＧＵＩ７００は、棒の調整および椎弓根ねじの締め付けによる、脊椎の解剖学的構造の変化、例えば、脊柱前弯症（Ｌｏｒｄｏｓｉｓ）および脊柱後弯症（Ｋｙｐｈｏｓｉｓ）を報告する。特に、ＧＵＩ７００は、どの量および方向が、棒およびねじに対する機器を使用した調節によって計画された脊椎位置合わせを達成するかを示す視覚的フィードバックも提供する。

図１５は、非限定的な例の図１４のセンサ化脊椎挿入機器４２０の斜視図を示すユーザインターフェース７００を示す。ユーザインターフェース７００は、リモートシステム１０５および位置合わせシステム１００によって示される（図１を参照）。ＧＵＩ７００は、第１のウインドウ７１０および関連する第２のウインドウ７２０を含む。第２のウインドウ７２０は、評価されるＬ４およびＬ５椎骨に関する挿入機器４２０および椎骨構成要素４７５を示す。この例では、脊柱の矢状面（側面）図が示される。この図は、挿入機器４２０および椎骨構成要素４７５のアプローチ角および回転を示すシャフト角度７２３および回転成分７２４を示す。第２のウインドウ７２０および対応するＧＵＩ情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。これにより、外科医が、予め検知された荷重力パラメータにしたがって、挿入機器４２０の椎骨構成要素４７５を視覚化することができる。

第１のウインドウ７１０は、目標の（所望の）センサ付きヘッドの向き７２２および現在の機器のヘッドの向き７６７を示す。目標の向き７２２は、荷重パラメータを評価するために脊椎機器４００を使用したときに予め決定されるアプローチ角、回転および軌道経路を示す。現在の機器のヘッドの向き７６７は、最終的なケージ４７５を挿入するのに現在使用される挿入機器４２０の追跡を示す。ＧＵＩ７００は、予め決定された手術計画の視覚化を提供するために、現在の機器のヘッドの向き７６７を考慮した目標の向きモデル７２２を示す。

図１０、１１、１２、および１３は、脊椎機器４００が、決定された検知パラメータ（例えば、荷重、力、縁部）を考慮して、最適な手技パラメータ（例えば、角度、回転、経路）を評価したことを示したことを想起されたい。これらの手技パラメータが決定されたら、システム１００は、ＧＵＩ７００によって、外科医が、挿入機器４２０を用いて、椎骨構成要素４７５（例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ）を挿入するように導く。一構成において、システム１００は、挿入手技中に挿入機器４２０を導くための触覚フィードバックを提供する。例えば、システム１００は、現在のアプローチ角７１３が目標のアプローチ角から外れている場合、または向き７６７が目標の軌道経路７２２と一致していない場合、振動し、視覚的手掛かり（赤色／緑色の表示）を提供することができる。あるいは、音声フィードバックが、提供される視覚情報を補うためにシステム１００によって提供され得る。ＧＵＩ７００は、以前の機器使用（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎｇ）に基づいて、視覚および触覚フィードバックによって、センサ化挿入機器４２０における位置および目標の経路を効果的に再現する。

荷重、平衡、および位置は、位置合わせおよび荷重平衡システム１００のセンサ化デバイス（例えば、１０１、１０３、４００、４２０、４７５）からのデータを用いて、外科技術および調整によって、所定の定量的に測定された範囲内で、手術中に調整され得る。試験的および最終的なインサート（例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ、センサなど）のいずれも、測定データを表示のためにリモートシステムに提供するための検知モジュールを含み得る。最終的なインサートはまた、脊椎関節を長期間監視するのに使用され得る。データは、脊椎関節または癒合された椎骨が、リハビリテーション中および患者が活動的な普通の生活スタイルに戻ったときに適切に機能するのを確実にするために、患者および医療提供者によって使用され得る。逆に、患者または医療提供者は、測定されたパラメータが規格外であるときに通知され得る。これにより、患者への最小限のストレスで解決され得る脊椎の問題が早期に検出される。最終的なインサートからのデータは、埋め込まれた検知モジュールからのデータを用いて、リアルタイムで画面に表示され得る。一実施形態において、手持ち式デバイスが、最終的なインサートからデータを受信するのに使用される。手持ち式デバイスは、脊椎に近接して保持することができ、それによって、強力な信号がデータの受信のために得られる。

脊椎領域を伸延させる方法が、以下に開示される。本方法の工程は、任意の順序で行われ得る。図１０、図１１、図１２、図１３、および図１４が参照され得る。椎骨の間に脊椎ケージなどの装具構成要素を設置することの例が、本方法を示すのに使用されるが、本方法は、膝、臀部、足首、脊椎、肩、手、腕、および足などの他の筋肉・骨格領域に適用可能である。一般に、定量的測定データは、脊椎領域において収集される必要がある。本明細書に開示される脊椎用機器、位置合わせデバイス、および挿入機器は、定量的データのデータベースを生成するのに使用され得る。この時点で、能動器具および測定デバイスがないことにより、定量的測定データの不足がある。装具構成要素の設置の際に器具によって生成される測定データは、患者の健康に関連する場合、荷重、荷重の位置、および装具構成要素の位置合わせの影響を決定するために、他の短期および長期データと相関され得る。本明細書に開示されるシステムは、装具構成要素の設置中にデータを生成することができ、インプラントおよび脊椎領域の長期の定期的測定を提供するために適用可能である。したがって、伸延方法の結果は、回復時間を短縮し、失敗を最小限に抑え、性能、信頼性を向上させ、デバイスの耐用年数を延長する設置手順を支持する十分なデータを生成することである。

第１の工程では、脊椎用機器は、脊椎領域を伸延させるように挿入される。脊椎用機器は、手術中に、定量的測定データをリアルタイムで生成するためのセンサを含む。第２の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が測定される。脊椎用機器は、脊椎領域が第１の高さまで伸延されるような第１の高さを有する。システムは、視覚、音声、または触覚手段によって測定データを示す。一例において、システムは、脊椎用機器からの荷重測定が所定の荷重範囲外にあることを開示する。脊椎領域を評価するためにシステムによって使用される所定の荷重範囲は、臨床研究によって決定され得る。例えば、所定の荷重範囲は、荷重測定データを外科手術の結果と関連付けることによって、デバイスの設置を支持し得る。一般に、所定の荷重範囲外の測定が、デバイスの故障の可能性を統計的に増加させ得る。第３の工程では、脊椎領域は、第２の高さまで伸延される。第４の工程では、第２の高さにおける脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が測定される。システムは、脊椎用機器からの荷重測定が所定の荷重範囲内にあることを示す。測定された荷重を所定の荷重範囲内にすることで、装具構成要素に対する過度の荷重による故障が減少される。一般に、測定された荷重が所定の荷重範囲内にあることを脊椎用機器測定が示すまで、このプロセスは、異なる伸延高さで必要に応じて何回でも繰り返され得る。

第５の工程では、脊椎用機器の向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも１つが測定される。一実施形態において、測定は、脊椎領域に挿入される脊椎用機器の部分に対応し得る。例えば、位置データは、脊椎用機器のセンサ付きヘッドに関連し得る。データは、脊椎用機器によって測定されるのと同様の位置および同じ軌道で装具構成要素を設置するのに使用され得る。第６の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重は、リモートシステムにおいて監視され得る。この例では、リモートシステムは、手技中に、データをリアルタイムで見ることを可能にするディスプレイを含む。第７の工程では、脊椎用機器の高さが調整され得る。開示されるように、脊椎用機器は、伸延表面の高さを減少または増加させるためのはさみ型の機構（ｓｃｉｓｓｏｒ ｔｙｐｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）を含み得る。一実施形態において、脊椎用機器のハンドルは、伸延高さを変化させるために回転される。リモートシステムにおいて荷重データをリアルタイムで監視しながら、調整が行われ得る。一般に、高さは、測定された荷重が所定の荷重範囲内になるまで調整される。第８の工程では、調整された高さが装具構成要素の高さに相当するように、高さは、増加または減少される。一実施形態において、同じ伸延高さを有する装具構成要素が、脊椎領域における荷重測定の場所に設置され得る。装具構成要素は、軌道に位置合わせされ、脊椎用機器と同じ場所に設置されるとき、荷重測定と同様の荷重がかけられる。

第９の工程では、脊椎用機器は、加えられる荷重の位置を測定する。脊椎用機器は、脊椎領域に結合される表面を有し得る。この例では、２つ以上のセンサが、荷重測定の位置を支持するために、脊椎用機器の表面に結合される。荷重の位置は、力、圧力、または荷重が、脊椎領域に設置されたときの装具構成要素にいかに加えられ得るかについての定量的測定データを提供する。例えば、荷重の位置が不適切であると、装具構成要素がその場所で不安定になり、最終的に脊椎領域から外されて、破局的故障を招く状況が生じ得る。一実施形態において、脊椎用機器からの荷重データの位置が、装具構成要素の設置のための位置を評価するのに使用され得る。定量的データは、荷重の位置を評価するために、脊椎用機器の測定表面に対応する所定の範囲または領域を含み得る。第１０の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重の位置が所定の位置範囲外にあるとき、脊椎用機器は、脊椎領域における異なる場所に移動される。新たな場所が、装具構成要素のための部位として荷重の大きさおよび荷重の位置の定量的データによって評価され得る。

第１１の工程では、測定された定量的データが所定の荷重範囲および所定の位置範囲内にあるとき、装具構成要素のための脊椎領域における適切な場所が特定される。上述したように、装具構成要素を、所定の荷重範囲および所定の位置範囲内で測定される脊椎領域の領域に設置すると、プラスの結果が生じ、臨床的証拠に基づいて失敗率が低下される。第１２の工程では、装具構成要素は、脊椎用機器によって測定される場所に設置される。この場所に設置される装具構成要素は、脊椎用機器によって測定されるものと同様の、脊椎領域によって加えられる荷重の大きさおよび荷重の位置を有するであろう。装具構成要素は、脊椎用機器と同様の軌道を有する脊椎領域に挿入される。この例では、測定プロセス中の脊椎用機器の軌道および位置が記録される。第１３の工程では、装具構成要素の挿入プロセスは、装具構成要素の軌道を、脊椎用機器の軌道と比較することによって、さらに支持され得る。一実施形態において、外科医には、その場所への装具構成要素の位置合わせに役立つ視覚、触覚、または音声フィードバックが与えられ得る。第１４の工程では、装具構成要素および脊椎用機器の軌道が、リモートシステムにおいて見られる。リモートシステムは、脊椎領域における場所を特定するとき、脊椎用機器の位置および軌道に対する装具構成要素の実際のまたはシミュレートされた位置および軌道を示し得る。一実施形態において、外科医は、視覚化によって装具構成要素を保持するデバイスまたは挿入機器による軌道を模擬し、または脊椎用機器の場所にリモートシステムに表示されるデータを重ね合わせることができる。本明細書に開示されるように、脊椎用機器は、伸延表面の高さを変化させ得るシザージャッキなどの機構を有し得る。シザージャッキを上下させるための棒が、脊椎用機器のハンドルに結合する。第１５の工程では、脊椎用機器のハンドルは、伸延高さを変化させるために回転され得る。第１６の工程では、視覚、音声、または触覚信号は、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が所定の荷重範囲内であるときに提供される。同様に、第１７の工程では、視覚、音声、または触覚信号は、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が所定の位置範囲内であるときに提供される。

図１６は、実施形態例に係る脊椎用機器４００の構成要素のブロック図である。脊椎用機器４００が、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含み得ることに留意されたい。脊椎用機器４００は、筋肉・骨格系のパラメータを測定し得る内蔵型の器具である。この例では、脊椎用機器４００は、脊椎領域に挿入されるとき、荷重および荷重の位置を測定する。脊椎用機器４００の能動構成要素は、１つまたは複数のセンサ１６０２、荷重板１６０６、電源１６０８、電子回路１６１０、送受信機１６１２、および加速度計１６１４を含む。非限定的な例では、加えられる圧縮力は、脊椎領域によってセンサ１６０２に加えられ、脊椎用機器４００によって測定される。

センサ１６０２は、脊椎用機器４００の表面４０３および４０６に位置決めされるか、係合されるか、取り付けられるか、または固定され得る。一般に、圧縮力は、脊椎領域中に挿入されるとき、表面４０３および４０６に脊椎領域によって加えられる。圧縮力が各センサに加えられるように、表面４０３および４０６はセンサ１６０２に結合する。一実施形態において、表面４０３および４０６に加えられる荷重の位置が測定され得る。この例では、３つの荷重センサが、加えられる荷重の位置を特定するためにセンサ付きヘッドに使用される。各荷重センサは、荷重板１６０６における所定の位置に結合される。荷重板１６０６は、脊椎用機器４００のセンサ付きヘッドに加えられる圧縮力を各センサに分配するために、表面４０３に結合する。荷重板１６０６は、剛性であり得、力、圧力、または荷重をセンサ１６０６に分配するときに曲がらない。各センサによって測定される力または荷重の大きさは、表面４０３に加えられる荷重の場所に戻って相関され得る。

椎間測定の例では、表面４０３および４０６を有するセンサ付きヘッドは、脊椎の椎骨の間に位置決めされ得る。センサ付きヘッドの表面４０３は、第１の椎骨表面に結合し、同様に、表面４０６は、第２の椎骨表面に結合する。加速度計１６１４または外部位置合わせシステムは、センサ付きヘッドが脊椎領域中に向けられる際、センサ付きヘッドの位置および向きを測定するのに使用され得る。センサ１６０２は、電子回路１６１０に結合する。電子回路１６１０は、論理回路、入力／出力回路、クロック回路、Ｄ／Ａ、およびＡ／Ｄ回路を含む。一実施形態において、電子回路１６１０は、形状因子（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）を減少させ、電力を低下させ、性能を向上させる特定用途向け集積回路を含む。一般に、電子回路１６１０は、測定プロセスを制御し、測定信号を受信し、測定信号をデジタル形式に変換し、インターフェースにディスプレイを支持し、測定データのためのデータ転送を開始させる。電子回路１６１０は、対象とするパラメータ、例えば、表面４０３および４０６に作用する力のレベル、分布および方向を決定するために、センサ１６０２の物理的変化を測定する。挿入検知デバイス４００は、内部電源１６０８によって電力を供給され得る。したがって、筋肉・骨格系のパラメータを測定するのに必要な全ての構成要素は、脊椎用機器４００に存在する。

一例として、センサ１６０２は、第１のトランスデューサと第２のトランスデューサとの間に、弾性または圧縮性伝播構造を含み得る。トランスデューサは、超音波（ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）（または超音波（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ））共振器であり得、弾性または圧縮性伝播構造は、超音波導波路であり得る。電子回路１６１０は、圧縮性伝播構造の長さの変化（または圧縮または伸長）を、力などの対象とするパラメータに変換するために、トランスデューサに電気的に結合される。システムは、加えられる力に応答して圧縮性伝播構造（例えば、導波路）の長さの変化を測定し、この変化を電気信号に変換し、この電気信号は、送受信機１６１２を介して送信されて、加えられる力のレベルおよび方向が伝達され得る。例えば、圧縮性伝播構造は、導波路の長さに対する、加えられる力の既知の再現可能な特性を有する。既知の特性を用いて、超音波信号を用いた導波路の長さの正確な測定が、力に変換され得る。

センサ１６０２は、力、圧力、または荷重の検知の導波路測定に限定されない。さらに他の構成において、センサ１６０２は、筋肉・骨格系のパラメータを測定するための、ピエゾ抵抗型センサ、圧縮性ポリマーセンサ、容量センサ、光センサ、ｍｅｍｓセンサ、歪みゲージセンサ、化学センサ、温度センサ、ｐＨセンサ、およびメカニカルセンサを含み得る。代替的な実施形態において、ピエゾ抵抗型薄膜センサが、荷重を検知するために使用され得る。ピエゾ抵抗型フィルムは、低プロファイルを有するため、実装に必要な形状因子が減少される。ピエゾ抵抗型フィルムは、加えられた圧力によって抵抗を変化させる。電圧または電流が、抵抗の変化を監視するために、ピエゾ抵抗型フィルムに加えられ得る。電子回路１６１０は、電圧または電流を印加するために結合され得る。同様に、電子回路１６１０は、ピエゾ抵抗型フィルムの抵抗に対応する電圧および電流を測定するために結合され得る。加えられる力、圧力、または荷重に対するピエゾ抵抗型フィルムの抵抗の関係は既知である。電子回路１６１０は、測定された電圧または電流を、センサ付きヘッドに加えられる力、圧力、または荷重に変換することができる。さらに、電子回路１６１０は、リアルタイムでの使用のための表示または転送のためまたは保存するために、測定をデジタル形式に変換することができる。電子回路１６１０は、シリアルおよび並列データ転送を可能にする変換器、入力、出力、および入力／出力を含むことができ、それによって、データの測定および伝達が、同時に行われ得る。一実施形態において、ＡＳＩＣが、ユーザによって指示される脊椎用機器４００の制御機能および測定プロセスを管理するためにデジタル制御論理を組み込む電子回路１６１０に含まれる。

加速度計１６１４は、加速度および静的重力を測定することができる。加速度計１６１４は、ベクトル量としての加速度の大きさおよび方向を検出する一軸および多軸加速度計構造であり得る。加速度計１６１４はまた、向き、振動、影響および衝撃を検知するのに使用され得る。電子回路１６１０は、加速度計１６１４およびセンサ１６０２とともに、脊椎用機器４００の向きに対する対象とするパラメータ（例えば、荷重、力、圧力、変位、移動、回転、トルク、場所、および加速度の分布）を測定することができる。このような構成において、選択された基準系に対する測定されたパラメータの空間分布が、計算され、リアルタイムでの表示のために示され得る。

送受信機１６１２は、無線操作およびテレメトリ機能を可能にするために送信機１６２２およびアンテナ１６２０を含む。様々な実施形態において、アンテナ１６２０は、集積化ループアンテナとしての設計によって構成され得る。集積化ループアンテナは、他の電気部品が取り付けられたプリント基板における様々な層および場所で構成される。例えば、電子回路１６１０、電源１６０８、送受信機１６１２、および加速度計１６１４は、脊椎用機器４００上または脊椎用機器４００中に位置する回路基板に取り付けられ得る。送受信機１６１２は、開始されてから、対象とするパラメータをリアルタイムで通信することができる。テレメトリデータは、様々な受信機を用いて、またはカスタム受信機（ｃｕｓｔｏｍ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）を用いて受信され、復号され得る。無線操作により、検知モジュールを、電源または関連するデータ収集、記憶、表示設備、およびデータ処理設備と結合する配線およびケーブルによる物理的干渉の可能性、またはそのような配線およびケーブルによって課される制限によって引き起こされる測定の歪み、またはそのような測定に対する制限をなくすことができる。

送受信機１６１２は、電源１６０８から電力を受信し、例えば、電子回路１６１０または特定用途向け集積回路内に組み込まれる効率的な電力管理スキームによって、様々な無線周波数にわたって低い電力で動作することができる。一例として、送受信機１６１２は、アンテナ１６２０によって、所定の放出モードで、所定の周波数でデータを送信することができる。所定の周波数は、以下に限定はされないが、国際電気通信連合（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｏｎ）のリージョン１、２および３で認識されるＩＳＭバンドを含み得る。所定の放出モードは、以下に限定はされないが、ガウス型周波数偏移変調（Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）（ＧＦＳＫ）、振幅偏移変調（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）（ＡＳＫ）、位相偏移変調（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）（ＰＳＫ）、最小偏移変調（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）（ＭＳＫ）、周波数変調（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）（ＦＭ）、振幅変調（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）（ＡＭ）、または他の形態の周波数または振幅変調（例えば、バイナリ、コヒーレント、直角位相など）であり得る。

アンテナ１６２０は、無線周波数伝送を提供するために、検知モジュールの構成要素と統合され得る。アンテナ１６２０および電子回路１６１０は、取り付けられ、結合されて、プリント基板における配線トレース（ｗｉｒｅ ｔｒａｃｅ）を用いて回路が形成される。アンテナ１６２０は、信号の効率的な伝達のための整合ネットワークをさらに含み得る。アンテナおよび電子機器のこのレベルの統合により、無線設備のサイズおよびコストの減少が可能になる。潜在的な用途としては、以下に限定はされないが、任意のタイプの近距離の可搬の、ウェアラブルな、または他の携帯用の通信設備が挙げられ、ここで、小型のアンテナが一般的に使用される。これは、使い捨てのモジュールまたはデバイスならびに再利用可能なモジュールまたはデバイスおよび長期使用のためのモジュールまたはデバイスを含む。

電源１６０８は、脊椎用機器４００の電子部品に電力を提供する。一実施形態において、電源１６０８は、有線エネルギー伝達、近距離無線エネルギー伝達またはそれらの組合せによって充電され得る。無線エネルギーを電源１６０８に提供するための外部電源としては、以下に限定はされないが、１つまたは複数の電池、交流電流電源、無線周波数受信機、電磁誘導コイル、１つまたは複数の光電池、１つまたは複数の熱電対、または１つまたは複数の超音波トランスデューサが挙げられる。電源１６０８によって、脊椎用機器４００は、内部エネルギーがなくなるまで１回の充電で操作され得る。脊椎用機器４００は、連続操作を可能にするために定期的に再充電され得る。電源１６０８は、測定および無線操作を促進するために、脊椎用機器４００の構成要素にエネルギーを効率的に供給および提供するための電力管理技術をさらに用い得る。電力管理回路が、ＡＳＩＣ電力消費ならびにシステムの他の構成要素の両方を管理するために、ＡＳＩＣに組み込まれ得る。

電源１６０８は、測定操作中に検知モジュールに電力を供給するのに必要なさらなるエネルギー放射源を最小限に抑える。一実施形態において、図示されるように、エネルギー貯蔵部１６０８は、容量エネルギー貯蔵デバイス１６２４および誘導コイル１６２６を含み得る。充電電力の外部の供給源は、誘導充電によって、１つまたは複数の電磁誘導コイル１６２６を介して容量エネルギー貯蔵デバイス１６２４に無線で結合され得る。充電操作は、電子回路１６１０へとまたは電子回路１６１０とともに設計される電力管理システムによって制御され得る。例えば、電子回路１６１０の操作中、電力が、効率的な昇圧（ｓｔｅｐ−ｕｐ）および降圧（ｓｔｅｐ−ｄｏｗｎ）電圧変換回路によって、容量エネルギー貯蔵デバイス１６２４から伝達され得る。これにより、所要のレベルの性能を支持するために、最小電圧レベルで回路ブロックの操作電力が節約される。あるいは、電源１６０８は、脊椎用機器４００内に収容される１つまたは複数の電池を含み得る。電池は、使い捨ての脊椎用機器４００に電力を供給することができ、そのため、デバイスは、手術で使用された後に廃棄される。

一形態において、外部電源は、再充電操作中に、ダウンリンクデータを送受信機１６１２に通信する働きをさらに果たし得る。例えば、ダウンリンク制御データは、無線エネルギー源信号に変調され、その後、電子回路１６１０によって誘導コイル１６２６から復調され得る。これは、アップリンクおよびダウンリンク操作の両方のために送受信機１６１２を構成する代わりに、ダウンリンクデータを受信するためのより効率的な方法として働き得る。一例として、ダウンリンクデータは、測定を行うとき、または再校正（ｒｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）目的のために脊椎用機器４００が使用する、外部位置情報などの更新された制御パラメータを含み得る。ダウンリンクデータはまた、シリアル番号または他の識別データをダウンロードするのに使用され得る。

電子回路１６１０は、検知、電力管理、テレメトリ、および加速度検知などの、検知モジュールの構成要素の様々な操作を管理し、制御する。電子回路１６１０は、アナログ回路、デジタル回路、集積回路、個別部品、またはそれらの任意の組合せを含み得る。一構成において、電子回路１６１０は、集積回路および個別部品の中で区分されて、性能を損なわずに電力消費を最小限に抑え得る。デジタル回路とアナログ回路とを区分する機能は、設計の融通性を高め、機能性または性能を犠牲にせずに、最小の電力消費を促す。したがって、電子回路１６１０は、例えば、コア信号処理アルゴリズムに固有の、１つまたは複数の集積回路またはＡＳＩＣを含み得る。

別の構成において、電子回路１６１０は、関連する記憶装置および論理を備えた、プログラマブルプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（ＤＳＰ）、マイクロコントローラ、またはマイクロプロセッサなどのコントローラを含み得る。コントローラは、Ｆｌａｓｈ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭまたは検知モジュールの上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置とともに計算技術を用い得る。一構成において、記憶装置は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか１つまたは複数を用いる１つまたは複数の命令集合（例えば、ソフトウェア）を保存し得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および／またはプロセッサ内に存在し得る。

電子機器集合体は、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの品質、精度、および信頼性を確実にする試験容易性および校正特徴も支持する。一時的な双方向結合が、電子機器の高いレベルの電気的可観測性（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｏｂｓｅｒｖａｂｉｌｉｔｙ）および可制御性を確実にするのに使用され得る。試験インターコネクトは、トランスデューサ、導波路、および機械ばねまたは弾性アセンブリを含む検知サブシステムの高いレベルの電気的可観測性も提供する。キャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）またはフィクスチャ（ｆｉｘｔｕｒｅ）は、製造処理中に、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの最終的なエンクロージャをエミュレートし、それによって、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの校正されたパラメータのための正確な校正データの捕捉を可能にする。これらの校正パラメータは、電子機器集合体に統合されたオンボードメモリ内に保存される。

センサ１６０２および電子回路１６１０を含む電子アセンブリの用途としては、以下に限定はされないが、使い捨てのモジュールまたはデバイスならびに利用可能なモジュールまたはデバイスおよび長期使用のための再モジュールまたはデバイスが挙げられる。非医療用途に加えて、広範囲の潜在的な医療用途の例としては、以下に限定はされないが、埋め込み型デバイス、埋め込み型デバイス内のモジュール、手術中インプラントまたは手術中インプラントもしくは試験インサート内のモジュール、挿入されたまたは取り込まれたデバイス内のモジュール、ウェアラブルデバイス内のモジュール、手持ち式デバイス内のモジュール、機器、電気器具、設備、あるいはこれらの全ての付属品内のモジュール、あるいはインプラント、試験インサート、挿入されたまたは取り込まれたデバイス、ウェアラブルデバイス、手持ち式デバイス、機器、電気器具、設備内の消耗品、あるいはこれらのデバイス、機器、電気器具、または設備の付属品が挙げられる。

図１７は、例示的実施形態に係る、近距離テレメトリのための例示的な通信システム１７００の略図である。図示されるように、通信システム１７００は、脊椎用機器中の医療機器通信構成要素１７１０およびプロセッサに基づくリモートシステム中の受信システム通信を含む。一実施形態において、受信リモートシステム通信は、手技中に外科チームが見ることができるコンピュータまたはラップトップコンピュータ中にあるかまたはそれに結合される。リモートシステムは、手術室の滅菌野の外部にあることがあるが、測定された定量的データをリアルタイムで評価するために見える範囲内にある。医療機器通信構成要素１７１０は、以下に限定はされないが、アンテナ１７１２、整合ネットワーク１７１４、テレメトリ送受信機１７１６、ＣＲＣ回路１７１８、データパケット化装置（ｄａｔａ ｐａｃｋｅｔｉｚｅｒ）１７２２、データ入力１７２４、電源１７２６、および特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１７２０を含むように動作可能に結合される。医療機器通信構成要素１７１０は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含み得るが、図示されるものまたは構成要素の順序に限定されない。

受信ステーション通信構成要素１７５０は、アンテナ１７５２、整合ネットワーク１７５４、テレメトリ受信機１７５６、ＣＲＣ回路１７５８、データパケット化装置１７６０、および任意に、ＵＳＢインターフェース１７６２を含む。特に、他のインターフェースシステムは、センサデータを処理し、表示する（ｒｅｎｄｅｒ）ために、データパケット化装置１７６０に直接結合され得る。

図１６を参照すると、電子回路１６１０は、脊椎用機器４００の１つまたは複数のセンサ６０２に動作可能に結合される。一実施形態において、１つまたは複数のセンサ６０２によって生成されるデータは、筋肉・骨格系の測定されるパラメータに変換され得る、ｍｅｍｓ構造、ピエゾ抵抗型センサ、歪みゲージ、メカニカルセンサ、パルス持続波、または他のセンサタイプからの電圧、電流、周波数、またはカウント値を含み得る。図１７に戻って参照すると、データパケット化装置１７２２は、センサデータを集めてパケットにし、これは、ＡＳＩＣ１７２０によって受信または処理されたセンサ情報を含む。ＡＳＩＣ１７２０は、医療機器通信構成要素１７１０のコア信号処理機能を効率的に実行するための特定のモジュールを含み得る。ＡＳＩＣ１７２０は、器具の形状因子を減少させるという利点をさらに提供する。

ＣＲＣ回路１７１８は、パケットデータにおけるエラーコード検出を適用する。巡回冗長検査は、任意の長さのデータストリームまたはパケットのチェックサムを計算するアルゴリズムに基づくものである。これらのチェックサムを用いて、送信中のデータの干渉または不測の変化（ａｃｃｉｄｅｎｔａｌ ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ）を検出することができる。巡回冗長検査は、電気的雑音によって引き起こされるエラーを検出するのに特に優れており、したがって、高いレベルの電磁活性を有する環境中で破損したデータの不適切な処理からの堅固な保護を可能にする。次に、テレメトリ送信機１７１６は、アンテナ１７１２によって、整合ネットワーク１７１４を介してＣＲＣ符号化データパケットを送信する。整合ネットワーク１７１４および１７５４は、最適な通信電力効率を得るためにインピーダンス整合を提供する。

受信システム通信構成要素１７５０は、脊椎用機器通信構成要素１７１０によって送られる送信を受信する。一実施形態において、テレメトリ送信機１７１６は、規定の放出モードで規定の周波数でデータストリーム通信を受信するように制約された専用のテレメトリ受信機１７５６とともに操作される。受信ステーションアンテナ１７５２によるテレメトリ受信機１７５６は、規定の周波数で入ってくる送信を検出する。アンテナ１７５２は、構成要素１７１０の指向性アンテナに向けられる指向性アンテナであり得る。少なくとも１つの指向性アンテナを用いることで、データの破損を減少させることができる一方、データが放射パターンであるようにさらに制限することによってデータセキュリティを向上させる。整合ネットワーク１７５４は、アンテナ１７５２からテレメトリ受信機１７５６へと信号を効率的に伝達するインピーダンス整合を提供するために、アンテナ１７５２に結合する。テレメトリ受信機１７５６は、１つまたは複数の工程における搬送周波数を減少させ、構成要素１７１０によって送られる情報またはデータを取り除く（ｓｔｒｉｐ ｏｆｆ）ことがある。テレメトリ受信機１７５６は、ＣＲＣ回路１７５８に結合する。ＣＲＣ回路１７５８は、データの個々のパケットの巡回冗長チェックサムを確認する。ＣＲＣ回路１７５８は、データパケット化装置１７６０に結合される。データパケット化装置１７６０は、個々のパケットデータを処理する。一般に、ＣＲＣ回路１７５８によって確認されるデータは、復号され（例えば、解凍され）、後の処理、表示、または保存またはこれらのいくつかの組合せのために、外部コンピュータなどの外部のデータ処理デバイスに転送される。

テレメトリ受信機１７５６は、以下に限定はされないが、パワードＵＳＢポート１７６２、または電池から得られる電力などの非常に低い電力で操作するように設計され、構成される。別の実施形態において、テレメトリ受信機１７５６は、受信されたデータに関する不注意による破損または悪意のある改ざんの機会を制限するために、最小限の制御可能な機能とともに使用するように設計される。テレメトリ受信機１７５６は、一貫して高いレベルの品質および信頼性を確保しながら、小型で、安価で、標準的な製造プロセスで容易に製造されるように設計され、構成され得る。

一形態において、通信システム１７００は、任意の形態の不正なまたは不測のクエリからの高いセキュリティおよび保護を提供するために、数メートル程度の通信範囲で送信専用の操作で動作する。送信範囲は、送信された信号の強度、アンテナの選択、またはその両方の組合せによって制御され得る。高い繰り返し率の送信が、データ捕捉操作中に、送信データパケットに組み込まれた巡回冗長検査（Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ）（ＣＲＣ）ビットとともに使用可能であり、それによって、動作するまたは静的な物理的システム内における荷重、力、圧力、変位、屈曲、姿勢、および位置の測定を含むがこれらに限定されない、データの表示またはデータの視覚表示の完全性に実質的に影響を与えずに、受信システムが破損されたデータを廃棄することが可能になる。

動作範囲を、数メートル程度の距離に制限することによって、テレメトリ送信機１７１６は、データの送信の繰り返し率を損なわずに、適切な放出モードまたは所定の動作周波数のためのモードで非常に低い電力で操作され得る。この動作モードは、集積化ループアンテナなどの小型のアンテナによる動作も支持する。低電力および小型のアンテナの組合せは、以下に限定はされないが、広範囲の非医療および医療用途に使用され得る非常に小型のテレメトリ送信機の構築を可能にする。

送信機のセキュリティならびに送信データの完全性は、所定の条件内でテレメトリシステムを操作することによって確保される。送信専用モードで操作されるため、送信機のセキュリティが損なわれることはなく、医療機器通信構成要素に侵入する経路が存在しない。データの完全性は、ＣＲＣアルゴリズムの使用および測定の繰り返し率によって確保される。データの不正な受信のリスクが、デバイスの制限された通信範囲によって最小限に抑えられる。データパケットの不正な受信が起こるべき場合でも、データアクセスをさらに抑制する所定の対抗手段がある。第１の手段は、送信データパケットが、ＣＲＣビットとともにカウンタからのバイナリビットのみを含むことである。第２の手段は、どの時点でも２進値通信の有意性を解釈するのにデータが利用できず、または必要とされないことである。実施され得る第３の手段は、患者またはデバイス識別データが、どの時点でも通信されないことである。

テレメトリ送信機１７１６はまた、いくつかのＦＣＣ規制に準拠して動作し得る。ＦＣＣ規制のセクション１８．３０１によれば、ＵＳＡ国内のＩＳＭバンドは、６．７８、１３．５６、２７．１２、３０．６８、９１５、２４５０、および５８００ＭＨｚならびに２４．１２５、６１．２５、１２２．５０、および２４５ＧＨｚを含む。世界的には、４３３ＭＨｚを含む他のＩＳＭバンドが、一部の地理的な場所で国際電気通信連合（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｕｎｉｏｎ）によって規定されている。１８．３０３で規定される禁止周波数帯域の一覧は、以下のとおりであり、以下の安全捜索救助周波数帯域（ｓａｆｅｔｙ，ｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｒｅｓｃｕｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ）が禁止されている。すなわち４９０〜５１０ｋＨｚ、２１７０〜２１９４ｋＨｚ、８３５４〜８３７４ｋＨｚ、１２１．４〜１２１．６ＭＨｚ、１５６．７〜１５６．９ＭＨｚ、および２４２．８〜２４３．２ＭＨｚである。セクション１８．３０５は、規定のＩＳＭバンドの範囲外で操作される場合にＩＳＭ設備が超えてはならない電界強度および放出レベルを規定している。要約すれば、セクション１８．３０５に規定される電界強度および放出レベルに対する制限が設計によってまたは能動制御によって維持される場合、ＩＳＭバンドの範囲内でならびに９ＫＨｚを超えるほとんどの他の周波数帯域内で、ＩＳＭ設備が世界的に操作され得ることが結論付けられ得る。代案として、市販の集積回路ＩＳＭ送受信機を含む市販のＩＳＭ送受信機が、適切に使用される場合に、これらの電界強度および放出レベル要件を満たすように設計され得る。

一形態において、テレメトリ送信機１７１６は、無許可のＩＳＭバンドでまたは低電力設備の無許可の操作で動作することもでき、ここで、ＩＳＭ設備（例えば、テレメトリ送信機１７１６）は、ＦＣＣコードのセクション１８．３０３に示される場合を除いて、９ｋＨｚを超えるＡＮＹ周波数で操作され得る。

無線操作により、無線検知モジュールまたはデバイスを、電源またはデータ収集、記憶、または表示設備と結合する配線およびケーブルによる物理的干渉の可能性、またはそのような配線およびケーブルによって課される制限によって引き起こされる測定の歪み、またはそのような測定に対する制限がなくなる。検知構成要素および電子回路のための電力は、内部エネルギー貯蔵デバイスにおける無線検知モジュールまたはデバイス内で維持される。このエネルギー貯蔵デバイスは、１つまたは複数の電池、超キャパシタ、キャパシタ、交流電流電源、無線周波数受信機、電磁誘導コイル、１つまたは複数の光電池、１つまたは複数の熱電対、または１つまたは複数の超音波トランスデューサを含むがこれらに限定されない外部電源を用いて充電される。無線検知モジュールは、内部エネルギー源がなくなるまで１回の充電で操作され得、またはエネルギー源は、連続操作を可能にするために定期的に再充電され得る。電源が組み込まれていることにより、測定操作中に無線検知モジュールまたはデバイスに電力を供給するのに必要なさらなるエネルギー放射源が最小限で済む。テレメトリ機能も、無線検知モジュールまたはデバイス内で統合される。テレメトリ送信機は、開始されてから、測定データをリアルタイムで連続して通信する。テレメトリデータは、商業用の受信機を用いて、または単純で低コストのカスタム受信機を用いて、受信され、復号され得る。

図１８は、実施形態例に係る、測定および報告のための通信ネットワーク１８００を示す。簡潔に述べると、通信ネットワーク１８００は、他のデバイスまたはサービスに広いデータ接続を提供するために、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０を拡張する。図示されるように、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０は、通信ネットワーク１８００および任意の関連するシステムまたはサービスに通信可能に結合され得る。

一例として、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０は、例えば、手術の状態または結果を分析し、それについて報告するために、対象とするそのパラメータ（例えば、荷重、力、圧力、変位、移動、回転、トルクおよび加速度の分布）を、リモートサービスまたは提供者と共有し得る。センサシステムが永久的に埋め込まれる場合、センサからのデータは、進展を監視するために、例えばサービスプロバイダと共有されるかあるいは外科計画目的または有効性研究のために計画管理者と共有され得る。通信ネットワーク１８００は、医療情報技術の実施を行うために、電子医療記録（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｒｅｃｏｒｄ）（ＥＭＲ）システムにさらにつながれ得る。他の実施形態において、通信ネットワーク１８００は、ＨＩＳ（病院情報システム（Ｈｏｓｐｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ））、ＨＩＴ（病院情報技術（Ｈｏｓｐｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ））およびＨＩＭ（病院情報管理（Ｈｏｓｐｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ））、ＥＨＲ（電子健康記録（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｈｅａｌｔｈ Ｒｅｃｏｒｄ））、ＣＰＯＥ（コンピュータ化医師オーダーエントリ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｉａｎ Ｏｒｄｅｒ Ｅｎｔｒｙ））、およびＣＤＳＳ（コンピュータ化意思決定支援システム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ））に通信可能に結合され得る。これは、様々な情報技術システムおよびソフトウェアアプリケーションが、正確に、効果的に、かつ一貫してデータを交換し、交換されたデータを使用するように通信する能力を提供する。

通信ネットワーク１８００は、ローカルエリアネットワーク（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）（ＬＡＮ）１８０１、無線ＬＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）（ＷＬＡＮ）１８０５、セルラーネットワーク（Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ）１８１４、および／または他の無線周波数（ＲＦ）システム上に有線または無線接続を提供することができる。ＬＡＮ１８０１およびＷＬＡＮ１８０５は、例えば、中央局（ｃｅｎｔｒａｌ ｏｆｆｉｃｅ）を介して、インターネット１８２０に通信可能に結合され得る。中央局は、遠距離通信サービスを供給するための共有のネットワークスイッチング設備を収容し得る。遠距離通信サービスは、従来のＰＯＴＳ（基本電話サービス（Ｐｌａｉｎ Ｏｌｄ Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ））ならびにケーブル、ＨＤＴＶ、ＤＳＬ、ＶｏＩＰ（ボイスオーバーインターネットプロトコル（Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ））、ＩＰＴＶ（インターネットプロトコルテレビジョン（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ））、インターネットサービスなどの広帯域サービスなどを含み得る。

通信ネットワーク１８００は、共通の計算および通信技術を用いて、回線交換型および／またはパケット交換型通信を支持することができる。インターネット１８２０および他のパケット交換型ネットワーク送信のための規格のそれぞれ（例えば、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ／ＩＰ、ＨＴＭＬ、ＨＴＴＰ、ＲＴＰ、ＭＭＳ、ＳＭＳ）は、従来技術の例を表す。このような規格は、実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物に周期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替の規格およびプロトコルは、均等であるとみなされる。

セルラーネットワーク１８１４は、ＧＳＭ（登録商標）−ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ、ＣＤＭＡ、ＵＭＴＳ、ＷｉＭＡＸ、２Ｇ、３Ｇ、ＷＡＰ、ソフトウェア無線（ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｒａｄｉｏ）（ＳＤＲ）、および他の既知の技術などのいくつかのアクセス技術で音声およびデータサービスを支持し得る。セルラーネットワーク１８１４は、携帯機器１８０２を用いて通信するための周波数再利用計画の下でベース受信機１８１０に結合され得る。

ベース受信機１８１０は、今度は、パケット交換型リンク上で携帯機器１８０２をインターネット１８２０に接続し得る。インターネット１８２０は、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０から携帯機器５０２へとデータを分配するためのアプリケーションサービスおよびサービスレイヤを支持し得る。携帯機器１８０２は、無線通信チャネルを用いて、インターネット１８２０を介して、他の通信デバイスに接続することもできる。

携帯機器１８０２は、ＷＬＡＮ１８０５上でインターネット１８２０に接続することもできる。無線ローカルアクセスネットワーク（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｏｃａｌ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ）（ＷＬＡＮ）は、ローカルな地理的エリア内での無線アクセスを提供する。ＷＬＡＮは、典型的に、基地局としても知られているアクセスポイント（Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ）（ＡＰ）１８０４の集合から構成される。脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０は、基地局エリア内のラップトップ１８０３などの他のＷＬＡＮステーションと通信することができる。典型的なＷＬＡＮの実装例において、物理層が、８０２．１１ｂまたは８０２．１１ｇのＷＬＡＮ技術などの様々な技術を使用する。物理層は、２．４ＧＨｚバンドで赤外線の、周波数ホッピング拡散スペクトルを使用するか、２．４ＧＨｚバンドで直接シーケンス拡散スペクトルを使用するか、または、例えば、５．８ＧＨｚのＩＳＭバンドまたはより高いＩＳＭバンド（例えば、２４ＧＨｚなど）で他のアクセス技術を使用し得る。

通信ネットワーク１８００によって、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０が、ネットワーク上でリモートサーバ１８３０とおよびデータを交換するために他の携帯機器との接続を確立し得る。リモートサーバ１８３０は、データベース１８４０へのアクセスを有することができ、データベース１８４０は、ローカルでまたは遠隔に保存され、特定用途向けデータを含み得る。リモートサーバ１８３０は、直接、またはインターネット１８２０上でアプリケーションサービスをホストすることもできる。

図１９は、コンピュータシステム１９００の形態の機械の例示的な概略図を示し、その中で、命令集合が、実行される場合、上述した方法のうちのいずれか１つまたは複数を機械に実行させ得る。ある実施形態において、この機械は、独立型デバイスとして動作する。ある実施形態において、この機械は、（例えば、ネットワークを用いて）他の機械に接続され得る。ネットワーク化された配備において、この機械は、サーバクライアントユーザネットワーク環境におけるサーバまたはクライアントユーザ機械として、またはピアツーピア（または分配された）ネットワーク環境におけるピアマシン（ｐｅｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ）として動作し得る。

この機械は、サーバコンピュータ、クライアントユーザコンピュータ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、制御システム、ネットワークルータ、スイッチまたはブリッジ、または該当する機械が取るべき動作を規定する（順次または他の形の）命令集合を実行可能な任意の機械を含み得る。本開示のデバイスが、音声、動画またはデータ通信を提供する広く任意の電子デバイスを含むことが理解されるであろう。さらに、単一の機械が示されるが、「機械」という用語はまた、本明細書に記載される方法のうちのいずれか１つまたは複数を実行する。命令の集合（または複数集合）を個別にまたはまとめて実行する機械の任意の集合を含むものと解釈されるべきである。

コンピュータシステム１９００は、バス１９０８を介して互いに通信する、プロセッサ１９０２（例えば、中央処理装置（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）（ＣＰＵ）、グラフィックスプロセッシングユニット（ｇｒａｐｈｉｃｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）（ＧＰＵ、またはその両方）、メインメモリ１９０４およびスタティックメモリ１９０６を含み得る。コンピュータシステム１９００は、ビデオディスプレイ装置１９１０（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、フラットパネル、固体ディスプレイ、またはブラウン管（ｃａｔｈｏｄｅ ｒａｙ ｔｕｂｅ）（ＣＲＴ））をさらに含み得る。コンピュータシステム１９００は、入力デバイス１９１２（例えば、キーボード）、カーソル制御デバイス１９１４（例えば、マウス）、ディスクドライブユニット１９１６、信号発生デバイス１９１８（例えば、スピーカまたはリモコン装置）およびネットワークインターフェースデバイス１９２０を含み得る。

ディスクドライブユニット１９１６は、上に示される方法を含む本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか１つまたは複数を用いる１つまたは複数の命令集合（例えば、ソフトウェア１９２４）が保存された機械可読媒体１９２２を含み得る。命令１９２４はまた、コンピュータシステム１９００による命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ１９０４、スタティックメモリ１９０６内、および／またはプロセッサ１９０２内に存在し得る。メインメモリ１９０４およびプロセッサ１９０２はまた、機械可読媒体になり得る。

特定用途向け集積回路、プログラマブル論理アレーおよび他のハードウェアデバイスを含むがこれらに限定されない専用のハードウェアの実装が、本明細書に記載される方法を実施するように同様に構成され得る。広く様々な実施形態の装置およびシステムを含み得るアプリケーションは、様々な電子およびコンピュータシステムを含む。ある実施形態は、モジュール間でおよびモジュールを介して、または特定用途向け集積回路の一部として通信される関連する制御およびデータ信号を用いて、２つ以上の特定の相互接続したハードウェアモジュールまたはデバイスにおいて機能を実施する。ここで、システムの例は、ソフトウェア、ファームウェア、およびハードウェアの実装に適用可能である。

本開示の様々な実施形態によれば、本明細書に記載される方法は、プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ、または論理回路上で動作するソフトウェアプログラムとしての操作に向けたものである。さらに、ソフトウェアの実装としては、以下に限定はされないが、分散処理またはコンポーネント／オブジェクト分散型処理、並列処理が挙げられ、または仮想機械処理も、本明細書に記載される方法を実施するように構成され得る。

本開示は、ネットワーク環境１９２６に接続されたデバイスが、命令１９２４を用いて、音声、動画またはデータを送信または受信して、ネットワーク１９２６上で通信することができるように、命令１９２４を含むか、または伝播された信号から命令１９２４を受信し、実行する機械可読媒体を想定している。命令１９２４は、ネットワークインターフェースデバイス１９２０を介して、ネットワーク１９２６上でさらに送信または受信され得る。

機械可読媒体１９２２は、実施形態例において単一の媒体であることが示されるが、「機械可読媒体」という用語は、１つまたは複数の命令集合を保存する単一の媒体または複数の媒体（例えば、集中または分散型データベース、および／または関連するキャッシュおよびサーバ）を含むことが理解されるべきである。「機械可読媒体」という用語は、本開示の方法のうちのいずれか１つまたは複数を機械に実行させる、機械による実行のための命令集合を保存し、符号化し、または実施することが可能である任意の媒体を含むことも理解されるべきである。

したがって、「機械可読媒体」という用語は、以下に限定はされないが、１つまたは複数の読み出し専用（不揮発性）メモリ、ランダムアクセスメモリ、または他の書き換え可能（揮発性）メモリを収容するメモリカードまたは他のパッケージなどの固体メモリ、ディスクまたはテープなどの磁気光学媒体または光媒体、および伝送媒体においてコンピュータ命令を実施する信号などの搬送波信号を含むことが理解されるべきであり、および／または電子メールまたは他の内蔵される情報アーカイブまたは一連のアーカイブへのデジタルファイルの添付が、実体的記憶媒体と均等な配布媒体とみなされる。したがって、本開示は、本明細書に挙げられる機械可読媒体または配布媒体のうちのいずれか１つまたは複数を含み、本明細書のソフトウェアの実装が保存される当該技術分野において認識されている均等物および後継の媒体（ｓｕｃｃｅｓｓｏｒ ｍｅｄｉａ）を含むものと考えられる。

本明細書は、特定の規格およびプロトコルを参照して、実施形態において実施される構成要素および機能を記載しているが、本開示は、このような規格およびプロトコルに限定されない。インターネットおよび他のパケット交換型ネットワーク送信のための規格のそれぞれ（例えば、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ／ＩＰ、ＨＴＭＬ、ＨＴＴＰ）は、従来技術の例を表す。このような規格は、実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物に周期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替の規格およびプロトコルは、均等であるとみなされる。

本明細書に記載される実施形態の説明は、様々な実施形態の構造の一般的な理解を提供することが意図されており、本明細書に記載される構造を使用し得る装置およびシステムの全ての要素および特徴の完全な説明として機能することは意図されていない。多くの他の実施形態が、上記の説明の検討により当業者に明らかであろう。構造的および論理的置き換えおよび変更が本開示の範囲から逸脱せずになされ得るように、他の実施形態が、用いられ、それから得られる。また、図は、説明のためのものに過ぎず、縮尺どおりに描かれていないことがある。その特定の比率が、誇張され得る一方、他の比率は最小限にされ得る。したがって、本明細書および図面は、限定的意味ではなく例示的な意味で考えられるべきである。

本発明の主題のこのような実施形態は、単に便宜上、および２つ以上の発明が実際に開示される場合、本出願の範囲をいずれか１つの発明または発明の概念に自主的に限定することを意図せずに、本明細書において「発明」という用語によって個別におよび／またはまとめて呼ばれ得る。ここで、特定の実施形態が本明細書に示され、記載されているが、同じ目的を達成するように計算された任意の構成が、示される特定の実施形態の代わりになり得ることを理解されたい。本開示は、様々な実施形態のあらゆる改変（ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）または変形を包含することが意図される。上記の実施形態と、本明細書に特に記載されていない他の実施形態との組合せが、上記の説明の検討により、当業者に明らかであろう。

本発明は、概して、外科用エレクトロニクスに関し、特に、脊椎手術および長期の移植の間の位置合わせおよび外科的移植パラメータを評価するための方法およびデバイスに関する。

脊椎は、筋肉および靱帯によって結合される、椎骨と呼ばれる多くの個々の骨から構成されている。軟質の椎間板は、各椎骨を次の椎骨と隔て、緩衝となる。椎骨は分離しているため、脊椎は柔軟で曲がることができる。椎骨、椎間板、神経、筋肉、および靱帯が一緒に、脊柱または脊椎を構成する。脊椎は、大きさおよび形状が様々であり、環境要因、健康、および老化により生じ得る変化を伴う。正常な脊椎は、前から後ろに向かう湾曲を有するが、通常の頸椎前弯、胸椎後弯、および腰椎前弯の病態による変形は、疼痛、不快感、および運動障害を引き起こし得る。これらの病態は、神経を圧迫し得る椎間板ヘルニアによって悪化され得る。

異常な脊椎湾曲の多くの様々な原因および治療から手術までの様々な治療選択肢がある。手術の目的は、通常、脊椎の湾曲部分の固定癒合（ｓｏｌｉｄ ｆｕｓｉｏｎ）である。脊椎において手術し、骨移植片を加え、椎骨および骨移植片をゆっくりと癒着させて、骨の固体塊を形成することによって、癒合が行われる。あるいは、椎骨を、間隔を空けて癒合するために骨移植片を入れる脊椎ケージが一般的に使用される。骨移植片は、骨バンクあるいは患者自身の寛骨に由来し得る。脊椎は、機器を搭載した器具および技術によって、金属製の棒およびフック、ワイヤまたはねじを用いてほぼ真っ直ぐにされ得る。棒あるいは場合により装具（ｂｒａｃｅ）またはギプス（ｃａｓｔ）が、癒合が治癒する見込みを得るまで、脊椎を所定の位置に保持する。

システムの様々な特徴が、特に、添付の特許請求の範囲によって記載される。本明細書の実施形態は、添付の図面とともに理解される、以下の説明を参照することによって理解され得る。

実施形態例に係る脊椎位置合わせシステムを示す。 実施形態例に係る脊椎位置合わせおよび投影図を示すユーザインターフェースを示す。 実施形態例に係る脊椎位置合わせシステムのワンドおよび受信機を示す。 実施形態例に係る脊椎位置合わせを決定するための複数のセンサ化（ｓｅｎｓｏｒｉｚｅｄ）デバイスを示す。 実施形態例に係る、脊椎のパラメータを決定するためのセンサ化された設置を示す。 実施形態例に係る、脊椎の状態を決定するための複数のセンサの設置を示す。 実施形態例に係るセンサ化脊椎用機器を示す。 実施形態例に係る集積化されたセンサ化脊椎用機器を示す。 非限定的な例の椎骨構成要素を備えた挿入機器を示す。 実施形態例に係る、パラメータ検知のために脊椎の椎骨間に位置決めされる脊椎用機器を示す。 実施形態例に係る、図１０のセンサ化脊椎用機器の斜視図を示すユーザインターフェースを示す。 実施形態例に係る、椎間の位置および力の検知のために、脊椎の椎骨の間に位置決めされるセンサ化脊椎用機器を示す。 実施形態例に係る、図１２のセンサ化脊椎用機器を示すユーザインターフェースの斜視図を示す。 実施形態例に係る、脊椎ケージの設置のためのセンサ化脊椎挿入機器を示す。 実施形態例に係る、図１４のセンサ化脊椎挿入機器を示すユーザインターフェースの斜視図を示す。 実施形態例に係る脊椎用機器の構成要素のブロック図である。 実施形態例に係る、近距離テレメトリ（ｓｈｏｒｔ−ｒａｎｇｅ ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ）のための例示的な通信システムの略図である。 実施形態例に係る、測定および報告のための通信ネットワークを示す。 コンピュータシステムの形態の機械の例示的な概略図を示し、コンピュータシステム内では、命令集合が、実行されると、本明細書に開示される方法のうちのいずれか１つまたは複数を機械に実行させ得る。

本明細書は、新規なものとみなされる本発明の実施形態の特徴を規定する特許請求の範囲で締めくくられるが、方法、システム、および他の実施形態が、参照符号が繰り越される図面とともに以下の説明を考慮することからよりよく理解されるものと考えられる。

必要に応じて、本発明の方法およびシステムの詳細な実施形態が、本明細書に開示される。しかしながら、開示される実施形態は例示に過ぎず、様々な形態で実施され得ることを理解されたい。したがって、本明細書に開示される特定の構造的および機能的詳細は、限定的なものと解釈されるものではなく、単に、特許請求の範囲のための根拠として、および実質的にあらゆる適切に詳細な構造で本発明の実施形態を様々に用いるように当業者に教示するための、代表的な根拠として解釈されるものである。さらに、本明細書において使用される用語および語句は、限定的であることは意図されず、本明細書の実施形態の理解可能な説明を提供することが意図される。

大まかに述べると、本発明の実施形態は、椎骨の荷重および場所の検知のためのシステムおよび方法に関する。脊椎測定システムは、位置情報を視覚的に示すリモートディスプレイに結合される受信機および複数のワンドを含む。ワンドは、椎骨に設置され、またはそれに接触されて、脊椎位置合わせの様々な側面を報告することができる。位置情報は、ワンドおよび脊椎の対応する椎骨の向きおよび場所を特定する。システムは、全体的な位置合わせに加えて、外科手術中の椎骨の移動を追跡する能力を提供する。システムは、手技中に捕捉された位置情報、および手術前の脊椎の状態に関する予め記録された位置データに応じた手術中の脊椎の矯正を提供し、それを示し得る。

脊椎測定システムは、全体的な脊椎位置合わせをともに、椎骨に対する荷重力を評価するための荷重平衡および位置合わせシステムをさらに含む。システムは、椎骨腔内に連結し得る電子アセンブリおよびセンサ付きヘッドアセンブリを有する脊椎機器を含む。センサ付きヘッドは、椎骨の間に挿入され、力、圧力、向きおよび端部荷重などの椎骨条件を報告し得る。ＧＵＩが、それとともに使用されて、機器が外科手術中に椎間腔に設置される際に、脊椎機器が椎体に対してどこに位置決めされるかを示す。このシステムは、任意選択の向き、回転および決定された挿入軌道に沿った挿入角度を含む、検知された荷重および場所のパラメータを考慮して、最適な装具のサイズおよび設置を報告することができる。

脊椎ケージまたは椎弓根ねじなどの椎骨構成要素を挿入するために、荷重平衡および位置合わせシステムとともに挿入機器も本明細書において提供される。このシステムは、既に捕捉されたパラメータ測定を考慮して、機器が挿入中に端部荷重であるかどうかを検査し、報告することができる。このシステムは、椎骨構成要素による挿入機器の追跡を示し、位置および荷重検知パラメータに基づいて、視覚的誘導およびフィードバックを提供する。このシステムは、向きおよび位置が３Ｄでもモデル化される１つまたは複数の椎体に対する挿入機器の三次元（３Ｄ）追跡を示す。

図１は、非限定的な例の脊椎位置合わせシステム１００を示す。システム１００は、リモートシステム１０５に通信可能に結合され得るワンド１０３および受信機１０１を含む。一般に、１つまたは複数のワンドが、受信機１０１と通信して、脊椎領域の向き、回転、角度、および場所のうちの１つを含む位置情報を決定する。受信機１０１は、ワンド１０３に関する位置情報またはデータ１１７を、リモートシステム１０５に送信する。位置情報は、脊椎１１２の位置合わせ（または所定の曲率）を評価するのに使用される向きおよび移動データを含む。リモートシステム１０５は、グラフィカルユーザインターフェース（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）（ＧＵＩ）１０７を示すラップトップまたはモバイルワークステーションであり得る。ＧＵＩ１０７は、脊椎１１２を示し、かつ位置情報を考慮して脊椎位置合わせを報告するワークフローを含む。一例として、ユーザインターフェースは、手術後の目標の位置合わせ１１３に対する、脊椎の椎骨の現在の位置合わせ１１４を示すことができる。

位置合わせシステム１００は、手術前、または手術中に捕捉される三次元（３Ｄ）画像化（例えば、軟組織）および３Ｄモデル（例えば、骨）を提供するために、サーバ１２５などのデータベース１２３システムに通信可能に結合され得る。３Ｄ画像化およびモデルは、相対的な場所および向きを確立するために、位置情報とともに使用され得る。サーバ１２５は、近くの範囲内のローカルサーバであるか、またはインターネット１２１上で遠隔から利用され得る。一例として、サーバ１２５は、３Ｄ脊椎および椎骨モデルを提供する。ＣＡＴスキャナ（図示せず）が、身体の選択された部分の一連の断面Ｘ線画像を生成するのに用いられ得る。コンピュータが、スキャナを操作し、得られた画像は、身体のスライス画像である。サーバ１２５は、スライス画像から三次元（３Ｄ）モデルを生成する。サーバ１２５は、磁気共鳴画像診断（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）（ＭＲＩ）スキャナ（図示せず）から生成される３Ｄモデルも提供することができる。サーバ１２５は、Ｘ線源（図示せず）および蛍光スクリーンの使用によって、位置合わせシステム１００デバイスに対する、患者の内部構造のリアルタイム動画を提供するために、蛍光透視画像化も支持し得る。

脊椎位置合わせシステム１００は、全体的な位置合わせおよび機器（例えば、ワンド１０３および受信機１０１）の向きに加えて、分離された椎骨の移動を追跡する能力を報告する。受信機１０１は、位置情報を決定するために、特定の椎骨で、および脊椎１１２に沿って、ワンド１０３の場所を正確に追跡する。受信機１０１は、仙骨に結合されて（例えば、留められ、ねじ留めされ、固定されて）示される。しかしながら、受信機１０１は、脊椎の椎骨に沿ってどこにでも位置することができる。あるいは、受信機１０１は、脊椎１１２の近くの台に取り付けられ得る。ワンド１０３および受信機１０１は、それらの位置を、超音波、光学式、または電磁検知によって送信し得るセンサ化デバイスである。この例では、ワンド１０３および受信機１０２は、超音波トランスデューサを用い、見通し線（ＬＯＳ）デバイスである。センサは、ワンド先端から離れて、または場合によっては、ワンド先端内で、ワンド１０３に外部から取り付けられ得る。ワンド１０３は、手の中に保持されるか、または機械的アセンブリによって脊椎に固定され得る。一実施形態において、全ての位置合わせ測定を生成するための構成要素（例えば受信機１０１およびワンド１０３）は、手術室の滅菌野１０９内に存在する。滅菌野１０９は、手術野とも呼ばれ得る。典型的に、リモートシステム１０５は、手術室の滅菌野１０９の外部にある。滅菌野１０９内で使用される構成要素は、単回の使用のために設計され得る。この例では、ワンド１０３、受信機１０２、またはその両方は、手術中に使用された後、廃棄される。

超音波検知デバイスの一例が、２００７年３月７日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｅｎｓｉｎｇ」という発明の名称の米国特許出願第１１／６８３，４１０号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。光学式検知の一例は、光学追跡のための受信機１０１における対応する高速カメラ要素、あるいは入射光ビームの角度およびその後三角形のワンド位置を検出するための高速のフォトダイオード要素とともにワンド１０３における３つまたは４つの能動ＩＲ反射器を含む。電磁検知の一例は、ワンドにおける金属球を含み、その空間的位置が、受信機１０３における生成される磁場強度の変化を評価することによって決定される。

物理的システムまたは身体内の対象とする多くの物理的パラメータは、エネルギー波またはパルスの特性の変化を評価することによって測定され得る。一例として、変化する媒体を通って伝播するエネルギー波またはパルスの通過時間または形状の変化が、媒体に作用して変化を引き起こす力を決定するために測定され得る。媒体におけるエネルギー波またはパルスの伝搬速度は、媒体の物理的変化によって影響される。物理的パラメータまたは対象とするパラメータは、以下に限定はされないが、荷重、力、圧力、変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）、密度、粘度、および局部温度の測定を含み得る。これらのパラメータは、身体上または身体内に位置決めされた無線検知モジュールまたはデバイス、機器、装備、または他の機械的システムによって、向き、位置合わせ、方向、または位置ならびに軸または軸の組合せに沿った移動、回転、または加速度に対するエネルギーパルスまたはエネルギー波の伝播時間の変化を測定することによって評価され得る。あるいは、対象とする測定は、ほんの数例を挙げると、薄膜センサ、メカニカルセンサ、ポリマーセンサ、ｍｅｍｓデバイス、歪みゲージ、ピエゾ抵抗型構造、および容量性（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）構造を用いて取られ得る。

図２は、非限定的な例の脊椎位置合わせおよび投影図を示すシステム１００のグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）１５０を示す。投影図は、定量的測定をリアルタイムで表示しながら、外科手術および図１のシステムデバイスに三次元視覚化を提供する。各投影図は、重ねられた脊椎位置合わせ情報とともに脊椎の異なる斜視図を示すように別々に構成され得る。第１の投影図２１０は、矢状面図（すなわち、前から後ろへ）を示す。第２の投影図２３０は、冠状面図（すなわち、側面間）を示す。矢状面図および冠状面図は、２つのみの投影図を用いて脊椎位置合わせを視覚化するのに十分な空間的情報を提供する。投影図は、異なる視野角およびシーングラフのためにカスタマイズされ得る。

一例として、外科医は、ワンド１０３を保持し、例えば、脊柱側弯の症状の重症度（または補正）を決定するために、脊椎の輪郭を追跡することができる。これは、患者の姿勢および脊椎の曲率を表示するために患者を立たせたまま手術の前に行われ得る。外科医は、ワンドを保持し、脊椎の輪郭を追跡する。ＧＵＩ１０８は、追跡中にワンド１０３から捕捉された位置情報から脊椎の輪郭を視覚的に示す。次に、位置合わせ角度が、一次統計および幾何学形状（例えば、角度点Ｒ、Ｐ１およびＰ２を参照、ここで、Ｒが、基準の位置合わせであり、Ｐ１が、受信機１０１の場所であり、Ｐ２が、ワンド１０３によって位置合わせされるポイントである）から計算される。位置合わせ角度は、脊椎位置合わせのずれを示し、観測面に投影されると、矢状面および冠状面における誤差を示す。次に、ＧＵＩ１０８は、必要な補完的補正（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）を報告し得る。この例では、例えば、ＧＵＩ１０８は、線１５２と線１５４との間の角度の矢状面のずれを補正するためにディスプレイボックス１４６における＋４ｃｍ前側の必要な変位、および線１５８と線１５６との間の角度の冠状面のずれを補正するためにディスプレイボックス１４８における＋２ｃｍ右側の必要な変位を報告する。これは、外科的な位置合わせ補正を提供するのに最小限の視覚的情報を外科医に提供する。

あるいは、高速のポイント位置合わせ（ｐｏｉｎｔ−ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）方法が、脊椎位置合わせを評価するのに用いられ得る。ポイント位置合わせ方法により、外科医は、最小限の位置合わせで脊椎位置合わせを迅速に評価することができる。ユーザは、ワンドを保持し、椎骨にカーソルを合わせてクリックして、ポイント曲線を生成し、これが線に変換される。第１の工程Ａでは、受信機１０１は、固定の場所、例えば、手術台の近くの台に位置決めされる。あるいは、受信機１０１は、図１に示されるように仙骨に堅く留められ得る。第２の工程Ｂでは、外科医は、ワンド１０３の先端を用いて、仙骨における後腸骨稜または背面に沿ったポイントなどの、基準骨における３つ以上の解剖学的特徴を特定する。システム１００は、例えば、受信機１０１原点に対する＜ｘ，ｙ，ｚ＞デカルト座標系における、位置合わせされたワンド先端の空間的位置から基準骨の向きを決定する。次に、システム１００は、イメージサーバ１２５から関連する３Ｄモデル脊椎の構成要素（例えば、仙骨、椎骨など）を取り出し、基準骨の向きにしたがって適切な縮尺および向き（モーフィングおよびワーピング）でそれらをＧＵＩ１０８に表示する。３Ｄモデル位置合わせが完了したら、患者を静止させたまま、次に、外科医は、第３の工程Ｃにおいて、椎骨、例えば頸椎（Ｃ１−Ｃ７）の１つを位置合わせする。次に。システム１００は、図２に示されるように、基準骨に対する局所座標系を生成し、曲線および線分を生成し、全体的な位置合わせを報告するために、十分な位置合わせされたポイントを有する。脊椎位置合わせは、例えば、所望の（術前計画）線１５４に対する線１５２を示して、脊椎の所定の曲率または真直度を考慮して報告される。

図３は、ワンド１０３および受信機１０１の非限定的な例を示すが、図示される全ての構成要素が必要なわけではなく、必要な機能に応じてより少ない構成要素が使用され得る。受信機１０１およびワンド１０３およびその間の操作の通信モードが、１０／８／２０１０に出願された「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｙ Ｆｅｅｄｂａｃｋ」という発明の名称の米国特許出願第１２／９００，６６２号明細書に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に援用される。簡潔に述べると、この寸法は、最大で約２ｍの距離までサブミリメートルの空間精度（＜１ｍｍ）での非接触型の追跡を可能にする。いずれかのデバイスが、様々な機能を支持するように構成され得（例えば、物体に取り付けられる手持ち式）、いずれも後述される寸法に限定されない。

ワンド１０３は、約１０ｃｍの幅、２ｃｍの深さ、および１８ｃｍ〜２０ｃｍの可変の長さのサイズ寸法を有する手持ち式デバイスである。上に示されるように、ワンド１０３は、例えば、ユーザインターフェース（図１のＧＵＩ１０７を参照）に示され得る、物体または表面の輪郭に沿って、対象のポイント（ポイントＡ、Ｂ、Ｃを参照）を位置合わせすることができる。既に記載されるように、ワンド１０３および受信機１０１は、互いに対するそれらの相対的な場所および向きを決定するために、超音波、赤外線および電磁検知によって通信し得る。加速度計を組み込む他の実施形態が、さらなる位置情報を提供する。

ワンド１０３は、センサ２０１〜２０３およびワンド先端２０７を含む。センサは、超音波トランスデューサ、マイクロエレクトロメカニカル素子（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）（ＭＥＭＳ）マイクロホン、電磁石、光学素子（例えば、赤外線、レーザ）、金属製の物体または物理的移動を電圧または電流などの電気信号に変換または伝達するための他のトランスデューサであり得る。それらは、信号を送信するために自己出力型である点で能動素子であってもよく、あるいは反射型であるかまたは検出可能な磁気特性を示す点で受動素子であってもよい。

一実施形態において、ワンド１０３は、空中で超音波信号をそれぞれ送信する３つの超音波送信機２０１〜２０３、超音波信号を生成するために３つの超音波送信機２０１〜２０３に駆動信号を生成するためのコントローラ（または電子回路）２１４、近距離の位置測定および位置合わせ決定を行うためのユーザ入力を受信するユーザインターフェース２１８（例えば、ボタン）、ユーザ入力を中継し、タイミング情報を受信して、電子回路２１４を制御するための通信モジュール２１６、および電子回路２１８およびワンド１０３における関連する電子機器に電力を供給するための電池２１８を含む。コントローラ２１４は、超音波送信機２０１〜２０３に動作可能に結合される。送信機２０１〜２０３は、コントローラ２１４による指示に応答して感覚信号を送信する。ワンド１０３は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含んでいてもよく、いくつかの構成要素の機能が集積デバイスとして共有され得る。

さらなる送信機センサが、三次元検知のための過剰決定（ｏｖｅｒ−ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ）システムを提供するように含まれ得る。一例として、各超音波トランスデューサは、別個の送信および受信機能を行うことができる。超音波センサの１つのこのような例が、米国特許第７，７２５，２８８号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。超音波センサは、波形を構成し、整形するためのカスタマイズされたトランスデューサの物理的特性にしたがって、パルス整形波形を送信することができる。

ワンド先端２０７は、三次元空間における構造、例えば、アセンブリ、物体、機器またはジグの対象のポイントを特定するが、これらに限定されない。先端は、三次元空間におけるその空間的位置が、交差して（ａｔ ｃｒｏｓｓ ｅｎｄｓ）配置される３つの超音波送信機２０１〜２０３によって確立されるため、センサを必要としない。しかしながら、先端センサ２１９が、超音波機能（例えば、構造境界、深さなど）または接触に基づく検知を提供するように先端２０７に統合され得る。このような場合、先端２０７は、物理的行為、例えば、解剖学的または構造的位置への先端の接触に応答して、ポイントを位置合わせするようにタッチセンサ式であり得る。先端は、このような目的のための機械ばねまたは作動ばねアセンブリを含み得る。別の構成において、先端は、位置合わせする接触のための容量性タッチ先端または静電アセンブリを含む。ワンド先端２０７は、送信機２０１〜２０３を受信機１０１（図１を参照）との見通し線内に保ちながら、ワンド先端が解剖学的特徴を特定するのを可能にする交換可能な、着脱可能なまたはマルチヘッド型の（ｍｕｌｔｉ−ｈｅａｄｅｄ）スタイラス先端を含み得る。これらのスタイラス先端は、直角であっても、曲線状であっても、または複数のタッチ位置を指し示すのが難しいようにピックの形態の他の形状であってもよい。これにより、先端２０７によって、構造、骨またはジグにおける（解剖学的）特徴などの対象のポイントを特定するために、ワンドを手の中に保持することができる。

ユーザインターフェース２１８は、手動操作および使用（例えば、オン／オフ／リセットボタン）を可能にするための１つまたは複数のボタンおよび視覚フィードバックを提供するための照明要素を含み得る。一構成において、８つの状態の（８−ｓｔａｔｅ）ナビゲーション押しボタン２０９が、ユーザインターフェースをさらに制御または補完するための指示を通信することができる。ナビゲーション押しボタン２０９は、片手での使用を可能にするためにワンドの側面に人間工学的に配置され得る。ワンド１０３は、ユーザインターフェース２１８とともに触覚モジュールを含み得る。例として、触覚モジュールは、不適切または適切な操作を示すために振動を変化（増加／減少）させ得る。ワンド１０３は、音（例えば、超音波）および光（例えば、赤外線）を透過するが、水、血液または組織などの生体物質を透過しない、送信機２０１〜２０２のための材料カバーを含む。一構成において、透明のプラスチック製の膜（またはメッシュ）が、きつく張られ、それは、送信された周波数によって共鳴下で振動し得る。電池２１８は、無線エネルギー充電（例えば、磁気誘導コイルおよび超キャパシタ）によって充電され得る。

ワンド１０３は、構造、物体またはジグに結合するためのベース結合機構２０５を含み得る。一例として、この機構は、一時的な脱離を可能にするために固定インサート（例えば、四角形のポストヘッド）を備えた磁気アセンブリであり得る。別の例として、この機構は、ラッチインクリメント（ｌａｔｃｈｅｄ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）を備えた磁気ボール（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂａｌｌ）および継手ソケット（ｊｏｉｎｔ ｓｏｃｋｅｔ）であり得る。さらに別の例として、この機構は、整形外科用ねじへのねじ支柱またはピンであり得る。他の実施形態は、既存のノッチ、リッジまたは孔によって、摺動、移動、回転、角度付け（ａｎｇｌｉｎｇ）およびロックイン結合および解除、ならびに標準的なジグへの結合を可能にし得る。

ワンド１０３は、増幅器２１３および加速度計２１７をさらに含み得る。増幅器は、送信または受信された信号の信号対雑音比を高める。加速度計２１７は、移動中および固定したままで３軸および６軸傾斜を特定する。通信モジュール２１６は、受信機１０１に信号を伝達するための構成要素（例えば、同期クロック、無線周波数「ＲＦ」パルス、赤外線「ＩＲ」パルス、光／音響パルス）を含み得る。コントローラ２１４は、送信および受信同期の制御ならびにセンサ信号、加速度計情報、および他の構成要素のデータまたは状態の順序付け（ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ）のためのカウンタ、クロック、または他のアナログまたはデジタル論理を含み得る。電池２１８は、それぞれの回路論理および構成要素に電力を供給する。赤外線送信機２０９は、（受信機への）超音波信号の送信と同期され得る赤外線タイミング信号をパルスする。

コントローラ２１４は、Ｆｌａｓｈ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭまたはデバイスの上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置２０８とともに、マイクロプロセッサ（ｕＰ）および／またはデジタルシグナルプロセッサ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（ＤＳＰ）などの計算技術を用い得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および／またはプロセッサ内に存在し得る。入力／出力ポートは、例えば、ユニバーサルシリアルバス（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）（ＵＳＢ）によって、情報またはデータの可搬式の交換（ｐｏｒｔａｂｌｅ ｅｘｃｈａｎｇｅ）を可能にする。コントローラ２１４の電子回路は、例えば、コア信号処理アルゴリズムに特有の、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）（ＡＳＩＣ）チップまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）（ＦＰＧＡ）を含み得る。コントローラ２１４は、オペレーティングシステム（ＯＳ）の１つまたは複数のモジュールを動作させる埋め込みプラットフォームであり得る。一構成において、記憶装置は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか１つまたは複数を用いる１つまたは複数の命令集合（例えば、ソフトウェア）を保存し得る。

受信機１０１は、タイミング情報を生成し、ユーザ入力に応答してワンド１０３の指示位置を位置合わせし、受信機１０１に対する、ワンド１０３の３つ以上の指示位置からの近距離位置測定および位置合わせを決定するためのプロセッサ２３３を含む。受信機は、約２ｃｍの幅、２ｃｍの深さ、および１０ｃｍ〜２０ｃｍの長さのサイズ寸法を有する。受信機は、応答して、第１、第２および第３の超音波信号を送信するワンド１０３にタイミング情報を送信するための通信モジュール２３５を含む。超音波信号は、振幅変調、周波数変調、および位相変調の組合せから生成されるパルス波形信号であり得る。３つのマイクロホン２２１〜２２３がそれぞれ、空中で送信される第１、第２および第３のパルス波形信号を受信する。受信機１０１は、線状に構成され得るかまたはより小型の構成では、三角形の形状を有し得る。三次元検知のためのデバイスの一例が、２００７年３月７日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｅｎｓｉｎｇ」という発明の名称の米国特許出願第１１／６８３，４１０号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。

メモリ２３８は、超音波信号を保存し、超音波信号または処理された信号の履歴を生成し得る。メモリ２３８は、例えば、位置を合わせるためにユーザがボタンを押すのに応答して、ワンド先端位置を保存することもできる。無線通信インターフェース（入力／出力）２３９が、３つ以上の指示位置の位置情報および近距離位置合わせをリモートシステムに無線で伝送する。リモートシステムは、上述したように、位置情報および位置合わせ情報をリアルタイムで表示するコンピュータ、ラップトップまたは携帯機器であり得る。電池は、プロセッサ２３３および受信機１０１における関連する電子機器に電力を供給する。受信機１０１は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含んでいてもよく、いくつかの構成要素の機能が、共有されるかまたは中に集積され得る。

さらなる超音波センサが、三次元検知のための過剰決定システムを提供するように含まれ得る。超音波センサは、ＭＥＭＳマイクロホン、受信機、超音波送信機またはそれらの組合せであり得る。一例として、各超音波トランスデューサは、別個の送信および受信機能を行うことができる。超音波センサの１つのこのような例が、米国特許第７，４１４，７０５号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。受信機１０１は、ピン２５１によって、骨またはジグに結合するための結合機構２４０も含み得る。一例として、結合機構２４０は、一時的な脱離を可能にするために固定インサート（例えば、四角形のポストヘッド）を備えた磁気アセンブリであり得る。別の例として、結合機構２４０は、ラッチインクリメントを備えた磁気ボールおよび継手ソケットであり得る。

受信機１０１は、増幅器２３２、通信モジュール２３５、加速度計２３６、およびプロセッサ２３３をさらに含み得る。プロセッサ２３３は、パルス整形器（ｐｕｌｓｅ ｓｈａｐｅｒ）、位相検出器、信号コンプレッサ、および他のデジタルシグナルプロセッサコードユーティリティおよびパッケージなどのソフトウェアプログラムモジュールをホストし得る。増幅器２３２は、送信または受信された信号の信号対雑音比を高める。プロセッサ２３３は、送信および受信同期の制御ならびにセンサ信号、加速度計情報、および他の構成要素データまたは状態の順序付けのためのコントローラ、カウンタ、クロック、および他のアナログまたはデジタル論理を含み得る。加速度計２３６は、移動中および固定したままで軸傾斜（例えば、３軸および６軸）を特定し得る。電池２３４は、それぞれの回路論理および構成要素に電力を供給する。受信機は、ワンドとの無線赤外線通信を可能にするために、赤外線信号を検出し、超音波信号の送信時間を確立するためのフォトダイオード２４１を含む。

通信モジュール２３５は、（ワンド１０２への）ローカルな信号伝達のための構成要素（例えば、同期クロック、無線周波数「ＲＦ」パルス、赤外線「ＩＲ」パルス、光／音響パルス）を含み得る。通信モジュール２３５は、リモートデバイス（例えば、ラップトップ、コンピュータなど）を用いた無線通信のためのネットワークおよびデータ構成要素（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ、Ｗｉ−Ｆｉ、ＧＰＳＫ、ＦＳＫ、ＵＳＢ、ＲＳ２３２、ＩＲなど）も含み得る。ネットワークおよびデータ構成要素を介した外部通信が、本明細書において想定されるが、受信機１０１が、単独の操作を可能にするためのユーザインターフェース２３７を含み得ることに留意されたい。一例として、受信機１０１は、位置の位置合わせ状態を指し示す３つ以上のワンド先端を示すための３つのＬＥＤライト２２４を含み得る。ユーザインターフェース２３７は、位置情報および位置合わせを報告するために自身のＧＵＩとともにタッチスクリーンまたは他のインターフェースディスプレイも含み得る。

プロセッサ２３３は、Ｆｌａｓｈ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭまたは端末装置の上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置２３８とともに、マイクロプロセッサ（ｕＰ）および／またはデジタルシグナルプロセッサ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（ＤＳＰ）などの計算技術を用い得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および／またはプロセッサ内に存在し得る。入力／出力ポートは、例えば、ユニバーサルシリアルバス（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）（ＵＳＢ）によって、情報またはデータの可搬式の交換を可能にする。コントローラの電子回路は、例えば、コア信号処理アルゴリズムまたは制御論理に特有の、１つまたは複数の特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）（ＡＳＩＣ）チップまたはフィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）（ＦＰＧＡ）を含み得る。プロセッサは、オペレーティングシステム（ＯＳ）の１つまたは複数のモジュールを動作させる埋め込みプラットフォームであり得る。一構成において、記憶装置２３８は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか１つまたは複数を用いる１つまたは複数の命令集合（例えば、ソフトウェア）を保存し得る。

第１の構成において、受信機１０１は、ワンド１０３につながれた電気接続（例えば、配線）を介して配線される。すなわち、ワンド１０３の通信ポートは、タイミング情報を受信するための受信機１０１の通信インターフェースに物理的に配線される。受信機１０１からのタイミング情報は、送信するタイミングをワンド１０３に通知し、パルス整形に適用され得る任意選択のパラメータを含む。受信機１０１におけるプロセッサ２３３は、このタイミング情報を用いて、基準時間ベースに対する、超音波信号伝達の場合に飛行時間（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測定を確立する。

第２の構成において、受信機１０１は、無線Ｉ／Ｏ２３９を介した無線信号伝達接続を介して、ワンド１０３に通信可能に結合される。信号伝達プロトコルが、１０／８／２０１０に出願された「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｙ Ｆｅｅｄｂａｃｋ」という発明の名称の米国特許出願第１２／９００，６６２号明細書に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に援用される。ワンド１０３における赤外線送信機２０９が、それぞれの送信されたパルス波形信号とともに赤外線タイミング信号を送信する。赤外線送信機２０９は、受信機への超音波信号の送信と同期される赤外線タイミング信号をパルスする。受信機１０１は、赤外線タイミング信号が受信されるときを決定するためのフォトダイオード２４１を含み得る。この場合、ワンド１０３の通信ポートは、赤外線送信機およびマイクロ秒の精度（１ｍｍまでの分解能）内でタイミング情報を中継するためのフォトダイオードによって、受信機１０１の通信インターフェースに無線で結合される。受信機１０１におけるプロセッサ２３３は、この赤外線タイミング情報を用いて、基準送信時間に対する第１、第２、および第３の飛行時間（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測定を確立する。

図４は、非限定的な例の脊椎位置合わせ３００を評価するための複数のセンサ化ワンドを示す。図示されるように、複数のセンサ化ワンド３０１〜３０４は、個々の椎骨の移動および／または他の追跡される椎骨に対する位置合わせを追跡するのに用いられ得る。ワンドのそれぞれは、異なるサイズおよびセンサ構成のものであり得る。ワンドは、４ｃｍ〜１２ｃｍの寸法、および１ｃｍ以下の幅に及び得る軽量の構成要素である。一般に、ワンド３０１〜３０４は、手動で容易に保持される形状因子（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）を有し、または筋肉・骨格系によって結合または支持され得る。例えば、第１のワンド３０１は、別のワンド３０３より広くて長いセンサ距離を有していてもよい。これにより、ワンド３０１〜３０４と受信機３０８との間の通信が促進され得る。各ワンドは、例えば、ワンドに特有の特徴的な低周波磁気波長として保存される、それを他のものと識別するための個別のＩＤを有し得る。システム１００は、受動的磁場を介してワンドを識別し、１つまたは複数の超音波、光学、電磁素子、または（受動／能動）センサによって位置を決定し得る。

図４の説明とともに、ワークフロー方法が、本明細書において想定される。第１のワークフロー工程３１１では、受信機３０８は、手術部位およびワンドが使用されることが予想される場所に近接して位置決めされる。上述したように、受信機３０８は、台に設置され、または仙骨（または他の骨領域）に固定されて、ワンドの向きおよび場所を追跡する。ワンドは、手の中に保持され、仙骨における解剖学的特徴を位置合わせする、例えば、ワンド先端を骨特徴に合わせてクリックするのに使用され得る。このポイント位置合わせにより、解剖学的ポイントが捕らえられ、それが次に、適切な向きおよび寸法を有する３Ｄ脊椎モデルを取り出すのに使用される。工程３１２では、次に、ワンドは、椎骨におけるポイントを位置合わせして、その椎骨の場所を評価するのに使用され得る。第１の構成において、ワンドは、ワンド先端ポイント位置合わせを行わずに、直接椎骨に固定され得る。これにより、必ずしも向きであるとは限らない、挿入ポイントにおける空間的位置（三次元情報）を評価するための１つのポイントが提供される。

第２の構成において、ワンドは、まず、椎骨の表面におけるポイントを位置合わせするのに使用され、次にその中に挿入される。位置合わせにより、解剖学的な椎骨のポイントを捕らえ、それが次に、適切な向きおよび寸法を有する３Ｄ椎骨モデルを取り出すのに使用される。これにより、ワンドがその中に挿入されるとき、システム１００は、適切な縮尺および位置で椎骨を追跡することができる。仙骨における受信機および椎骨における各ワンドの位置合わせおよび位置決めの際、システム１００は、工程３１３に示されるように、機器追跡のリアルタイムの表示を提供する。すなわち、システム１００は、脊椎の３Ｄモデル、センサ化ワンド３０１〜３０４および受信機３０８を示す仮想環境を生成する。

図５は、非限定的な例の脊椎の状態を決定するためのセンサ化された設置を示す。上述したように、ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサなどのセンサも含み得る。ワンド先端は、対象のポイントを位置合わせするのに使用されるとき、挿入部位に直接関連するバイオメトリックデータも捕捉することができる。ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサを解放し、それを接触部位に位置決めされたままにすることもできる。図５および６の説明は、ワンド先端センサの設置を示し、これは、ある構成において、その先端センサを、長期の埋め込みのためにその場で配備する。システム１００は、骨に対する荷重に似た振動パターンでのエネルギー波の伝達を可能にし、骨ミネラル量および骨密度を改善することもできる。センサは、インプラントを介してまたはインプラントにわたってエネルギー波を送り、それによって、骨折の治癒を助けることもできる。

したがって、位置および向きを含むセンサ化された設置の関数であるバイオメトリックパラメータを検出するための方法が本明細書において提供される。本方法は、バイオメトリックトランスデューサを、脊椎関節の移動構成要素上に提供する工程と、脊椎関節または脊椎の移動中に、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位に、バイオメトリックトランスデューサからのエネルギー波（例えば、超音波、光学、電磁電磁）を伝達する工程と、脊椎関節の移動中に、エネルギー波の挙動を定量的に評価する工程と、評価された挙動および脊椎関節の移動に基づいて、現在の状態または圧力、張力、せん断、荷重、トルク、骨密度および荷重重量からなる群から選択される手技部位の少なくとも１つのパラメータを決定する工程とを含む。あるいは、１つまたは複数のセンサを組み込む挿入可能なヘッドアセンブリが、対象のバイオメトリックパラメータを測定するのに使用され得る。この例では、バイオメトリックトランスデューサは、椎骨の移動および荷重に関する情報を検出し、送信することができる。一例として、センサは、例えば、脊椎関節が移動中に屈曲される際、評価された挙動の頻度または周期性を評価することによって、整形外科用関節の異常な移動を検出することができる。

図５に示される一例として、単一のセンサ３５２が、圧力、張力、せん断、骨密度および荷重重量に関連する関節機構の品質または機能などの、移動中の脊椎関節の挙動を評価するために、骨または脊椎関節の装具構成要素（例えば、椎骨）に埋め込まれ得る。この実施形態のセンサ３５２は、骨（椎骨）における固定された場所にあり、手技部位３６０に対する移動中に椎骨３５８とともに移動する。図示されるように、手技部位３６０は、椎骨３５４、椎間板３５６、および椎骨３５８を含む。手技部位３６０は、椎骨が単一のセンサを主に移動させるため、センサに対して比較的動かない。この構成の単一のセンサは、移動の結果としての手技部位における対象のパラメータ（例えば、圧力、張力、せん断、骨密度、および荷重重量）の様々な変化に曝される。一例として、センサは、移動中に関節の様々な場所に加えられる動作によって生じる様々な関節運動によって圧縮される。移動中、センサ３５２は、手技部位におけるエネルギー波を評価し、椎骨の移動（ひいてはセンサの焦点）が移動の結果として手技部位に対して変化するため、隣接部位も評価される。センサ３５２の位置も、（それにワンドが結合される場合、ワンドによって）他の椎骨に対して決定され、向き、場所および位置に関する検知されたパラメータの変化をカタログする（ｃａｔａｌｏｇ）のに使用される。

移動構成要素（例えば、椎骨、歯科用インプラント）にセンサ３５２を設置することおよびその場所および向きの知識を用いて、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位中にエネルギー波を伝達することの１つの利点は、それがセンサ３５２と手技部位との間の距離を効果的に変化させることであり、それにより、センサ３５２の分解能および焦点ならびにそれに対する力が変化される。位置情報も、検知されたパラメータの変化に対する移動の周期性を示す。一例として、切り替えられる送信および受信モードで動作するセンサ３５２は、操作の変化を生じずに、手技部位の異なる深さで測定を取ることができる。センサ３５２は、関節運動による距離の変化の結果として、例えば、インピーダンスを整合させるために、送信されたエネルギー波の周波数、振幅、または位相の変更を本来必要とし得るセンサ調整を行わずに、異なる測定を取ることができる。

一例として、バイオメトリックセンサ３５２は、超音波デバイスであり得る。定量的超音波法は、骨ミネラル量のみを測定する他の骨密度測定方法と対照的に、機械的完全性などの骨のさらなる特性を測定することができる。骨を介した超音波の伝播は、骨量、骨構造、および荷重の方向性によって影響される。骨の強度および剛性を評価する手段としての定量的超音波測定は、受信された超音波信号の処理に基づく。音および超音波の速度は、骨および軟組織を通って伝播する。装具の緩みまたは沈降、および大腿骨／脛骨／寛骨臼または装具の破砕は、骨量の減少に関連する。したがって、装具周囲の骨ミネラル量の進行する定量化できる変化の正確な評価は、治療する外科医が、修正関節形成（ｒｅｖｉｓｉｏｎ ａｒｔｈｒｏｐｌａｓｔｙ）のために骨量（ｂｏｎｅ ｓｔｏｃｋ）を保存するために介入するタイミングを決定するのを助け得る。この情報は、骨粗しょう症の骨のためのインプラントの開発に役立ち、骨粗しょう症の治療および様々なインプラントコーティングの影響の評価に役立つ。

図６は、非限定的な例の脊椎の状態を決定するための複数のセンサ化された設置を示す。上述したように、ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサなどのセンサも含み得る。ワンド先端は、対象のポイントを位置合わせするのに使用されるとき、挿入部位に直接関連するバイオメトリックデータも捕捉することができる。ワンド先端は、バイオメトリックトランスデューサを解放し、それを接触部位に位置決めされたままにすることもできる。

したがって、脊椎関節の移動構成要素と異なる手技部位で第２のバイオメトリックトランスデューサを提供する工程と、脊椎関節の移動中に、第１のバイオメトリックトランスデューサおよび第２のバイオメトリックトランスデューサの相対的な分離に基づいてエネルギー波の挙動を定量的に評価する工程とを含む、バイオメトリックパラメータを検出するための方法が、本明細書において提供される。手技部位の現在の状態または少なくとも１つのパラメータが、評価された挙動および脊椎関節の移動から決定される。パラメータは、歪み、振動、運動力学、および安定性のうちの１つである。第１のバイオメトリックトランスデューサまたは第２のバイオメトリックトランスデューサは、少なくとも１つのバイオメトリックパラメータに関連するデータを、評価のための外部源に送信するための送受信機を含み得る。

図６に示されるように、センサ３５２は、骨または脊椎関節の装具構成要素（例えば、椎骨）に埋め込まれ得、センサ３６６は、移動中に、脊椎関節の挙動を評価するために、手技部位における異なる位置に位置決めされ得る。この実施形態のセンサ３５２は、骨（椎骨）における固定された場所にあり、手技部位におけるセンサ３６６に対して、関節運動中に椎骨とともに移動する。センサ３６６は、異なる骨上にあり得る。両方のセンサが移動し得るが、センサ３５２は、実際には、センサ３６６に対して移動するものとみなされ得、示されるように相対的に変位される。センサ３５２および３６６は、以下に限定はされないが、骨密度、流体粘度、温度、歪み、圧力、角状変形（ａｎｇｕｌａｒ ｄｅｆｏｒｍｉｔｙ）、振動、荷重、トルク、距離、傾斜、形状、弾性、運動などに関する、ホスト骨および組織の評価を可能にする。

図示される二重センサ構成は、骨の完全性を評価することができる。例えば、脊椎関節において、第１および第２の椎骨に結合されるセンサ３５２および３６６が、骨密度を評価する。本発明に係るセンサ３５２、センサ３６６、またはその両方によって送られる外部および内部エネルギー波が、骨折の治療および脊椎固定術の際に使用され得る。２つの配備されるセンサを用いて、センサ間の距離が、対象の領域および生成され得る電力場（ｐｏｗｅｒ ｆｉｅｌｄ）で決定され得る。エネルギー場は、超音波、無線周波数、および／または電磁場などの標準的なエネルギー源であり得る。経時的なエネルギー波の偏向は、例えば、評価される所望のパラメータの変化の検出を可能にするであろう。例として、大腿骨の遠位端に設置される第１のセンサは、椎骨の移動の際、脛骨の近位端に埋め込まれた第２のセンサからの骨密度を評価し得る。

２つ以上のセンサの１つの利点は、それらが、移動の結果として互いに対してより近くおよびより離れて移動することであり、これは、例えば、調査中のセンサの周波数特性および手技部位のインピーダンス特性により、エネルギー波の評価を向上させる動作である。また、センサ３５２および３６６の相対的な分離により、例えば、インピーダンスを整合させるために、送信されたエネルギー波の周波数、振幅、または位相の変更を本来必要とし得るセンサ調整を行わずに、異なる測定を取ることができる。この例では、骨の測定は、受信された超音波信号の処理に基づく。音速および超音波速度は両方とも、超音波が骨および軟組織を通していかに迅速に伝播するかに基づいて測定を提供する。これらの測定の特性により、迅速な三次元幾何学形状の生成が可能になり、この情報は、位置、向きおよび場所情報とともにシステム１００によって処理され得る。センサは、関節腔にわたるため、インプラント機能の変化を検出することができる。インプラント機能の例は、いくつか挙げると、軸受摩耗（ｂｅａｒｉｎｇ ｗｅａｒ）、沈降、骨の統合（ｂｏｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、通常のおよび異常な動き、熱、粘度の変化、粒状物質、運動力学を含む。

図７は、非限定的な例のセンサ化脊椎用機器４００を示す。側面図および平面図が示される。脊椎用機器４００は、ハンドル４０９、シャフト４３０、およびセンサ付きヘッド４０７を含む。ハンドル４０９は、シャフト４３０の近位端に結合され、センサ付きヘッド４０７は、シャフト４３０の遠位端に結合される。一実施形態において、ハンドル４０９、シャフト４３０、およびセンサ付きヘッド４０７は、剛性構造を形成し、この剛性構造は、脊椎領域を伸延させるかまたはそれを測定するのに使用されるときに曲がらない。脊椎用機器４００は、センサ付きヘッド４０７における１つまたは複数のセンサに動作可能に結合される電子アセンブリ４０１を含む。センサは、センサ付きヘッド４０７の移動構成要素４０４／４０５における表面４０３／４０６に結合される。電子アセンブリ４０１は、シャフト４０７の近位端に向かってまたはハンドル４０９中に配置される。図示されるように、電子アセンブリ４０１は、シャフト４０９に結合される。電子アセンブリ４０１は、論理回路、加速度計、および通信回路を含む電子回路を含む。一実施形態において、センサ付きヘッド４０７の表面４０３および４０６は、凸形状を有し得る。表面４０３および４０６の凸形状は、脊椎領域内で、より具体的には、椎骨の輪郭の間で、センサ付きヘッド４０７の設置を支持する。一実施形態において、センサ付きヘッド４０７は、ハンドル４０９の旋回運動４１１に応じて、均一に伸延したり閉じたりするジャック４０２を介して、上部構成要素４０４および底部構成要素４０５によって高さ調節可能である。ジャック４０２は、センサ付きヘッド４０７の構成要素４０４および４０５の内面に結合される。シャフト４３０は、１つまたは複数の縦方向の通路を含む。電子アセンブリ４０１がセンサ付きヘッド４０７における１つまたは複数のセンサに動作可能に結合されるように、例えば、フレキシブルワイヤインターコネクト（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｗｉｒｅ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）などのインターコネクトが、シャフト４３０の１つの縦方向の通路を通って結合し得る。同様に、ねじ棒が、ハンドル４０９をジャック４０４に結合するために、シャフト４３０の第２の通路を介して結合することができ、それによって、ハンドル４０９の回転によって、センサ付きヘッド４０７の高さ調節が可能になる。

脊椎用機器４００は、埋め込まれた加速度計によって、向きを決定することもできる。センサ付きヘッド４０７は、圧力、張力、せん断力、荷重、トルク、骨密度、および／または荷重重量（ｂｅａｒｉｎｇ ｗｅｉｇｈｔ）を含む、手技部位（例えば、椎間腔）のパラメータを決定する能力を含む多機能を支持する。一実施形態において、２つ以上の荷重センサは、センサ付きヘッド４０７内に含まれ得る。２つ以上の荷重センサは、表面４０３および４０６の所定の場所に結合され得る。２つ以上の荷重センサを有することで、センサ付きヘッド４０７が、荷重の大きさおよび表面４０３および４０６に加えられた荷重の位置を測定することができる。センサ付きヘッド４０７を用いて、椎骨構成要素を設置する前に、脊椎関節を測定し、調整し、試験することができる。以下で分かるように、位置合わせシステム１００は、椎間板荷重の検知の際の脊椎機器４００の最適な挿入角度および位置を評価し、挿入機器を用いるときに、これらの条件を再現する。

本発明において、これらのパラメータは、ｉ）センサを支持する封入構造および接触面およびｉｉ）電源、検知要素、１つまたは複数の超音波共振器または１つまたは複数の超音波トランスデューサおよび１つまたは複数の超音波導波路、１つまたは複数の付勢ばねまたは他の形態の弾性部材、加速度計、アンテナおよび測定データを処理するだけでなく、エネルギーの変換、伝播、および検出ならびに無線通信の全ての操作を制御する電子回路を統合する電子集合体（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｓｓｅｍｂｌａｇｅ）を含む統合された無線センサ付きヘッド４０７またはデバイスを用いて測定され得る。センサ付きヘッド４０７または機器４００は、対象とするパラメータをリアルタイムで検知し、通信するために、機器、電気器具（ａｐｐｌｉａｎｃｅ）、車両（ｖｅｈｉｃｌｅ）、装備、または他の物理的システムを含むがこれらに限定されない様々な物理的システムならびに動物およびヒトの身体の上またはその中に位置決めされるか、またはそれらと係合されるか、あるいはそれらにまたはそれらの中に結合または固定され得る。

脊椎用機器４００を使用する例が、脊椎ケージの図中にある。脊椎ケージは、椎間板の置換の際に椎骨の間隔を空けるのに使用される。脊椎ケージは、典型的に中空であり、固定のためのねじを有して形成され得る。可動域にわたって荷重の十分な支持および分布を得るために、２つ以上のケージが椎骨の間に設置されることが多い。一実施形態において、脊椎ケージは、軽量および強度のためにチタンで作製される。骨成長を開始させ、促進するために、ケージに骨成長材料を入れることもでき、それによって、椎間領域を長期間さらに強化する。脊椎用機器４００は、荷重および荷重の位置を測定するために、椎骨の間の間隙に挿入される。荷重の位置は、センサ付きヘッド４０７の表面４０３または４０６に荷重を加える椎骨領域または表面に対応する。脊椎用機器４００のセンサ付きヘッド４０７の挿入の角度および位置も測定することができる。荷重の大きさおよび荷重の位置の測定は、椎骨の間の埋め込み場所および埋め込み場所に対する脊椎ケージの最適なサイズを決定するために、外科医によって使用される。最適なサイズは、脊椎によって荷重をかけられるときに所定の荷重範囲内に入るケージ高さであろう。典型的に、対象の椎骨を伸延させ、対象の椎骨によって加えられる力を測定するのに使用されるセンサ付きヘッド４０７の高さは、後の工程で埋め込まれるケージ高さに等しい。センサ付きヘッド４０７を椎骨から取り外した後、脊椎ケージは、同じ領域に埋め込まれ得る。埋め込まれた脊椎ケージに対する荷重は、脊椎用機器４００によって形成され、センサヘッド４０７によって加えられる測定値にほぼ等しい。一実施形態において、挿入試験測定の角度および位置は、脊椎用機器４００またはそれに結合されたリモートシステムによって記録される。その後、角度および位置の測定は、測定プロセス中に、脊椎用機器４００と同一の経路において、脊椎の同じ領域中に脊椎ケージを導くのに使用される。

図８は、非限定的な例の集積化されたセンサ化脊椎用機器４１０を示す。特に、電子アセンブリ４０１は、集積化機器４１０の内部にある。電子アセンブリ４０１は、無線再充電操作を開始させるために、充電ユニットに近接して設置され得る外部無線エネルギー源４１４を含む。無線エネルギー源４１４は、電源、変調回路、およびデータ入力を含み得る。電源は、電池、充電デバイス、キャパシタ、電力接続、または電力を脊椎用機器４１０に伝達し得る無線電力信号を生成するための他のエネルギー源であり得る。外部無線エネルギー源４１４は、以下に限定はされないが、電磁誘導、あるいは他の電磁放射または超音波放射の形態のエネルギーを伝達することができる。少なくとも１つの例示的実施形態において、無線エネルギー源は、ごく近接して設置される場合、検知デバイスにおける誘導コイルと電磁的に結合し、作動する（例えば、電源がオンになる）コイルを含む。

電子アセンブリ４０１は、椎骨構成要素における様々なポイントで、パラメータのレベルおよび分布の視覚化を可能にするために、データ通信回路を介して、測定されたパラメータデータを受信機に送信する。データ入力はまた、有線または無線接続（例えば、ＵＳＢ、ＩＥＥＥ８０２．１６など）を介したコンピュータなどの別のデータソースからの入力情報を受信するためのインターフェースまたはポートであり得る。変調回路は、入力情報を、電源によって生成される電力信号に変調することができる。センサ付きヘッド４０７は、典型的に、低摩擦ポリマー材料で作製される摩耗表面を有する。理想的に、センサ付きヘッド４０７は、椎骨の間に挿入されるとき、天然の脊椎と同様の、適切な荷重、位置合わせ、および平衡を有する。

図９は、非限定的な例の椎骨構成要素を備えた挿入機器４２０を示す。本明細書に記載される電子アセンブリ４０１は、同様に、挿入機器４２０の向きおよび位置データの生成を支持する。位置合わせシステム１００によって、ユーザは、椎骨構成要素の適切なまたは予め計画された設置を実現するために、挿入角度、位置および軌道（経路）を再現することができる。あるいは、電子アセンブリ４０１における加速度計は、場所および軌道情報を提供することができる。挿入機器４２０は、ハンドル４３２、ネック４３４、および先端４５１を含む。着脱機構４５５は、先端４５１を制御するために、ネック４３４の近位端に結合する。着脱機構４５５により、外科医が、先端４５１に結合された椎骨構成要素を保持または解放することができる。この例では、ハンドル４３２は、ネック４３４の近位端に近接してある角度で延在する。ハンドル４３２の位置決めにより、外科医は、着脱機構４５５へのアクセスを可能にしながら、先端４５１を脊椎領域中に正確に向けることができる。

第１の例では、椎骨構成要素は、脊椎ケージ４７５である。脊椎ケージ４７５は、手術中に脊椎の椎骨の間に挿入され得る穿孔された壁を備えた、通常、チタンで作製される小さい中空の円筒状デバイスである。一般に、伸延プロセスにより、脊椎ケージ４７５の挿入前に所定の距離まで椎骨に間隔が空けられる。脊椎ケージ４７５は、患者の快適性を向上させるための解決策として、安定性を高め、椎骨の圧縮を減少させ、神経障害を軽減することができる。脊椎ケージ４７５は、ケージをセルフタッピング式（ｓｅｌｆ−ｔａｐｐｉｎｇ）にして、さらなる安定性を提供する表面ねじ山（ｓｕｒｆａｃｅ ｔｈｒｅａｄ）を含み得る。脊椎ケージ４７５は、ケージ４７５を通して、椎体の間の骨成長を支持する骨移植片材料を含むために多孔質であり得る。不快感を軽減するために、２つ以上の脊椎ケージが、椎骨の間に設置され得る。脊椎ケージ４７５の適切な設置および位置決めは、良好な長期の移植および患者の転帰のために重要である。

第２の例では、椎骨構成要素は、椎弓根ねじ４７８である。椎弓根ねじ４７８は、椎弓根に埋め込むために設計された特定のタイプの骨ねじである。他の構造（例えば椎弓板、椎弓）に結合する、椎骨当たり２つの椎弓根がある。多軸の椎弓根ねじが、腐食に耐え、構成要素の強度を高めるために、チタンで作製され得る。椎弓根ねじの長さは、３０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲である。直径は、５．０ｍｍ〜８．５ｍｍの範囲である。椎弓根ねじは、寸法の例として使用されるこれらの寸法に限定されない。椎弓根ねじ４７８は、変形を矯正し、および／または外傷を治療するために、棒およびプレートを脊椎に固定するために、機器を使用した手技（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）に使用され得る。椎弓根ねじ４７８を用いて、骨構造を一緒に保持することによって癒合を助けるために脊椎の部分を固定することができる。（内部にまたは外部に統合され得る）電子アセンブリ４０１によって、挿入機器４２０は、ねじの設置のための深さおよび角度を決定し、ねじをその中に導くことができる。この例では、１つまたは複数の加速度計が、挿入プロセス中に、先端４５１の向き、回転、角度、または位置情報を提供するのに使用される。

一構成において、ねじ４７８は、センサとともに埋め込まれる。センサは、エネルギーを伝達し、密度の読み取りを取得し、経時的な密度の変化を監視することができる。一例として、システム１００は、したがって、骨折部位の治癒を監視し、報告することができる。センサは、骨折部位における運動ならびにねじと骨との間の運動の変化を検出することができる。このような情報は、治癒を監視する際に役立ち、医療提供者に、示される椎骨重量荷重を監視する能力を与える。センサはまた、治癒に役立つように骨折自体にエネルギー波を送るように外部から作動され得る。

図１０は、非限定的な例の椎骨パラメータを検知するための、脊椎の椎骨の間に位置決めされる脊椎用機器４００の斜視図を示す。一般に、センサ付きヘッド４０７が脊椎領域に挿入されるとき、圧縮力が、表面４０３および４０６に加えられる。一実施形態において、センサ付きヘッド４０７は、その間の椎間の力に関連する表面４０３、表面４０６、またはその両方に対する荷重の大きさベクトルを特定する２つ以上の荷重センサを含む。図示される例では、圧縮力が表面４０３および４０６に加えられるように、脊椎用機器４００は、椎骨（Ｌ５）と仙骨（Ｓ）との間に位置決めされる。内視鏡的アプローチは、視覚化したり、または良好な曝露を提供したりするのが難しいため、機器４００を挿入するための１つのアプローチは、腹壁吊り上げ法（ｍｉｎｉｌａｐａｒｏｔｏｍｙ）によって後方（背面）から行われる。別のアプローチは、外科医が腹部を通して脊椎に到達するのを可能にするように前方（前面）から行われる。この方法では、背中に位置する脊椎の筋肉は、損傷も切断もされず、筋力低下および瘢痕が回避される。脊椎用機器４００は、前方または後方からの脊椎アプローチのいずれかで使用され得る。

脊椎機器４００のセンサ化構成要素の態様が、２０１０年６月２９日に出願された「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ Ｌｏａｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｉｎｓｅｒｔ Ｄｅｖｉｃｅ」という発明の名称の米国特許出願第１２／８２５，６３８号明細書、および２０１０年６月２９に出願された「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｕｓｃｕｌａｒ−Ｓｋｅｌｅｔａｌ Ｓｙｓｔｅｍ」という発明の名称の米国特許出願第１２／８２５，７２４号明細書に開示されており、これらの内容全体が、参照により本明細書に援用される。簡潔に述べると、センサ付きヘッド４０７は、対応する場所およびトルク（例えば、Ｔｘ、Ｔｙ、およびＴｚ）および椎骨の端部荷重とともに力（Ｆｘ、Ｆｙ、およびＦｚ）を測定することができる。電子回路４０１（図示せず）は、センサ付きヘッド４０７におけるセンサの操作および測定を制御する。電子回路４０１は、近距離データ送信用の通信回路をさらに含む。次に、電子回路４０１は、測定データを、リモートシステムに送信して、外科医が、最適な関節の平衡を得るのに必要な調整を特定するのを助けるために、リアルタイムの視覚化を提供することができる。

筋肉組織中に構成要素を設置する方法が、以下に開示される。本方法の工程は、任意の順序で実施され得る。椎骨の間のケージの設置の例を用いて、本方法を示すが、本方法は、膝、臀部、足首、脊椎、肩、手、腕、および足などの他の筋肉・骨格領域に適用可能である。第１の工程では、所定の幅のセンサ付きヘッドは、筋肉・骨格系の領域に設置される。この例では、挿入領域は、脊椎の椎骨の間である。センサ付きヘッドを椎骨の間に挿入するのに十分な力を与えるためにハンドルの端部を軽く打つのにハンマーが使用され得る。挿入プロセスにより、椎骨を伸延させ、それによって、分離距離を増加させることもできる。第２の工程では、センサ付きヘッドに加えられる荷重の位置が測定される。それによって、センサ付きヘッドの表面に対する荷重の大きさおよび荷重の位置が得られる。筋肉・骨格系によって加えられる荷重がセンサ付きヘッドの表面上でいかに位置決めされたかは、挿入された後の構成要素の安定性を判定するのに役立ち得る。センサ付きヘッドに加えられる不規則な荷重により、加えられる力が構成要素を挿入位置から押しのける状況が予測され得る。一般に、センサ付きヘッドは、定量的データに基づいて、構成要素の挿入に好適な場所を特定するのに使用される。第３の工程では、センサ付きヘッドからの荷重および荷重の位置のデータが、リモートシステムにリアルタイムで表示される。同様に、第４の工程では、向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも１つが、リモートシステムにリアルタイムで表示される。センサ付きヘッドの位置決めの際になされる変化が、リモートシステムディスプレイ上のデータに反映される。第５の工程では、適切な荷重および位置を有する椎骨の間の場所が特定され、対応する定量的測定データがメモリに保存される。

第６の工程では、センサ付きヘッドは取り外される。第７の工程では、構成要素は、筋肉・骨格系に挿入される。例として、保存された定量的測定データは、構成要素を筋肉・骨格系中で位置決めするのを支持するのに使用される。この例では、挿入機器は、構成要素を筋肉・骨格系中に向けるのに使用され得る。挿入機器は、構成要素が挿入される際に構成要素の向き、回転、角度、または位置を提供する能動デバイスである。センサ付きヘッドの挿入の予め測定された方向および場所は、挿入機器を導くのに使用され得る。一実施形態において、リモートシステムディスプレイは、予め挿入されたセンサ付きヘッドへの挿入機器および構成要素の相関的な位置合わせ（ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を表示するのに役立ち得る。挿入機器は、システムとともに、構成要素の設置を方向付けるのをさらに助けるように、視覚、音声、触覚または他のフィードバックを提供することができる。一般に、挿入される構成要素は、センサ付きヘッドとほぼ等しい高さを有する。理想的に、構成要素における荷重および荷重の位置が定量的測定と同様であるように、構成要素は、予め挿入されたセンサ付きヘッドに、同一の場所および位置で挿入される。第８の工程では、構成要素は、予め挿入されたセンサ付きヘッドに同一に位置決めされ、解放される。次に、挿入機器は、筋肉・骨格系から取り外され得る。第９の工程では、少なくともセンサ付きヘッドは廃棄される。

したがって、センサ付きヘッドは、構成要素の挿入に好適な場所を特定するのに使用される。挿入は、位置および場所を含む定量的測定によって支持される。さらに、構成要素におけるおよその荷重および荷重の位置は、手技が完了した後に分かる。一般に、筋肉・骨格系によって加えられる荷重および構成要素の表面における位置を知ることは、構成要素の長期の安定性を決定するのに役立ち得る。構成要素に加えられる荷重が不規則であると、加えられる力が構成要素を挿入位置から押しのけることになり得る。

図１１は、非限定的な例の図１０のセンサ化脊椎用機器の斜視図を示すグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）５００を示す。ユーザインターフェース５００は、リモートシステム１０５および位置合わせシステム１００によって示される（図１を参照）。ＧＵＩ５００は、ウインドウ５１０および関連するウインドウ５２０を含む。ウインドウ５２０は、評価される椎骨５２２に関する脊椎機器４００およびセンサヘッド４０７を示す。この例では、椎骨の斜視（平面）図が示される。この図は、例えば、脊椎機器４００が切開部中へと前進する際の、脊椎機器４００のアプローチ角および回転を示すシャフト角度５２３および回転成分５２４を示す。ウインドウ５２０および対応するＧＵＩ情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。それにより、外科医が、脊椎用機器４００および検知されたパラメータの使用を視覚化することが可能になる。ウインドウ５１０は、センサ付きヘッド４０７の検知表面（４０３または４０６）を示す。照準線５１２が、力の最大点および場所を特定するためにセンサヘッド画像上に重ね合わされる。照準線５１２は、椎骨の端部荷重を示すために長くなることもある。ウインドウ５１３は、例えば、センサヘッド表面にわたって２０ポンドの荷重力を報告する。この情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。

上述したように、システム１００は、パラメータ検知（例えば、椎骨の荷重、端部荷重、圧縮など）によって、装具（ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ）／機器／ハードウェアの埋め込みを助けるように手術中に使用され得る。受信機１０１、複数のワンド１０３、および脊椎用機器４００などの構成要素は、使用時に、手術野内に留まる。リモートシステム１０５は、典型的に、手術野の外部にある。全ての測定は、これらの構成要素によって、手術野内で行われる。一実施形態において、受信機１０１、複数のワンド１０３、および脊椎用機器のうちの少なくとも１つが、手技が完了した後、廃棄される。一般に、それらは、単回の使用のために電力を供給されるように設計され、再度滅菌することができない。

脊椎において、骨組織および軟組織要素に対する影響、ならびに脊椎矯正手術を含む手術の際の軟組織（例えば、軟骨、腱、靱帯）の変化が、システム１００によって評価される。次に、センサは、経時的な変化および動的変化を評価し、視覚化するために手術中（および手術後）に使用される。センサは、外科的パラメータ読み取り値が保存されるとき、手術中に作動され得る。手術の直後に、センサは作動され、基準値が分かる。

センサシステム１００は、以下に限定はされないが、骨密度、流体粘度、温度、歪み、圧力、角状変形（ａｎｇｕｌａｒ ｄｅｆｏｒｍｉｔｙ）、振動、荷重、トルク、距離、傾斜、形状、弾性、および運動に関する脊椎および結合組織の評価を可能にする。センサが椎骨腔に通されるため、センサは、椎骨構成要素の挿入の前に椎骨構成要素の機能の変化を予測することができる。上述したように、システム１００は、脊椎機器４００を椎間腔に設置するのに使用され、ここで、脊椎機器４００は、椎体５２２に対して位置決めされて示される。それが設置され、椎骨の中心で視覚的に確認されると、システム１００は、機器における端部荷重を報告し、それが、今度は、適切な椎骨デバイスおよび挿入計画（例えば、アプローチ角、回転、深さ、経路軌道）のサイズを決定するのに使用される。インプラント構成要素の機能の例は、いくつか挙げると、軸受摩耗（ｂｅａｒｉｎｇ ｗｅａｒ）、沈降、骨の統合（ｂｏｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、通常のおよび異常な動き、熱、粘度の変化、粒状物質、運動力学を含む。

図１２は、非限定的な例の椎間の位置および力の検知のための、脊椎の椎骨の間に位置決めされるセンサ化脊椎用機器４００を示す。図示されるように、脊椎用機器４００のセンサ付きヘッド４０７は、椎骨Ｌ４とＬ５椎骨との間に設置される。脊椎用機器４００は、センサ付きヘッド４０７の高さだけＬ４およびＬ５椎骨を伸延させ、荷重の大きさおよび荷重の位置についての定量的データを提供する。一実施形態において、脊椎用機器４００は、その各側に隣接して位置決めされる第１のワンド５１０および第２のワンド５２０と通信する。長いシャフト５１４が、脊椎の椎骨内での設置を可能にするために各ワンドに設けられ、他のワンドおよび脊椎機器４００の電子アセンブリ４０１とも適合する。ワンド５１０が、椎骨Ｌ４の向きおよび位置を追跡する一方、ワンド５２０は、椎骨Ｌ５の向きおよび位置を追跡する。これにより、システム１００が、隣接する椎骨の移動に対する、脊椎機器４００の向きおよび移動を追跡することができる。各ワンドは、脊椎用機器４００と同様にセンサ化される。ワンド５１０およびワンド５２０はそれぞれ、センサ５１２およびセンサ５１３を含む。センサ５１２および５１３は、位置情報を送受信することができる。電子アセンブリ４０１は、ワンド５１０および５２０とともに、手技中に、脊椎用機器４００の向きおよび位置を決定する二重の働きを果たす。超音波位置検知の一例が、２０１０年４月２０日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」という発明の名称の米国特許出願第１２／７６４，０７２号明細書に開示されており、その内容全体が、参照により本明細書に援用される。

図１３は、非限定的な例の図１２のセンサ化脊椎用機器を示すユーザインターフェース６００の斜視図を示す。ユーザインターフェース６００は、リモートシステム１０５および位置合わせシステム１００によって示される（図１を参照）。ＧＵＩ６００は、第１のウインドウ６１０および関連する第２のウインドウ６２０を含む。第２のウインドウ６２０は、評価される椎骨構成要素６２２に関する脊椎用機器およびセンサ付きヘッド４０７を示す。この例では、脊柱の矢状面（側面）図が示される。この図は、脊椎用機器およびセンサ付きヘッド４０７のアプローチ角および回転を示すシャフト角度６２３および回転成分６２４を示す。第２のウインドウ６２０および対応するＧＵＩ情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。それにより、外科医が、脊椎用機器４００のセンサ付きヘッド４０７および検知された荷重力パラメータを視覚化することが可能になる。第１のウインドウ６１０は、センサヘッドの検知表面を示す（図７を参照）。照準線６１２が、力の最大点および場所を特定するためにセンサ付きヘッド４０７の画像上に重ね合わされる。照準線６１２は、椎骨の端部荷重を示すために、幅および長さを調整することもできる。別のＧＵＩウインドウ６１３が、センサ付きヘッド４０７の表面にわたる荷重力を報告する。ＧＵＩ６００は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。

図１４は、非限定的な例の脊椎ケージ４７５の設置のためのセンサ化脊椎挿入機器４２０の斜視図を示す。挿入機器４２０は、椎骨構成要素４７５（例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ、センサ）を、図中のＬ４およびＬ５椎骨の間に埋め込むための外科的手段を提供する。ネック４３４の遠位端における機械的アセンブリの先端４５１は、着脱機構４５５による椎骨構成要素の着脱を可能にする。椎骨構成要素４７５は、図示されるように、例えば、後方経路腰椎椎体間固定術（ｐｏｓｔｅｒｉｏｒ ｌｕｍｂａｒ ｉｎｔｅｒｂｏｄｙ ｆｕｓｉｏｎ）（ＰＬＩＦ）によって、背中の正中切開を通して脊椎の背面に設置され得る。挿入機器４２０は、同様に、前方経路腰椎椎体間固定術（ａｎｔｅｒｉｏｒ ｌｕｍｂａｒ ｉｎｔｅｒｂｏｄｙ ｆｕｓｉｏｎ）（ＡＬＩＦ）手技に使用され得る。

本明細書において想定される一方法において、挿入前のケージの位置は、図１２および１３に示される脊椎用機器４００とともにワンド５１０および５２０を用いて説明されるように、例えば、３Ｄ画像化または超音波ナビゲーションによって最適に画定される。荷重センサ４０７（図１２を参照）は、最適な挿入経路および軌道がそこで画定されるときの上記の荷重力を評価するために、椎骨の間に位置決めされる。機器挿入の荷重力および経路が記録される。その後、図１４に示されるように、挿入機器４２０は、記録された経路にしたがっておよび荷重力に基づいて、最終的な脊椎ケージ４７５を挿入する。挿入中、図１５に示されるＧＵＩは、脊椎用機器４２０を、記録された挿入箇所にナビゲートする。脊椎用挿入機器４２０には、最終的な脊椎ケージへのプレースホルダ（ｐｌａｃｅｈｏｌｄｅｒ）として働く１つまたは複数の荷重センサが装備され得る。椎骨の間への脊椎ケージ４７５の設置、挿入機器４２０からの脊椎ケージの解放、および挿入機器４２０の取り外しの後、脊椎ケージの周りを占める空間が、隣接する椎骨における棒および椎弓根ねじによって閉鎖される。これにより、周囲の椎骨が脊椎ケージに押し付けられ、椎骨の癒合に安定性が与えられる。この手技の間、図１５のＧＵＩ７００は、棒の調整および椎弓根ねじの締め付けによる、脊椎の解剖学的構造の変化、例えば、脊柱前弯症（Ｌｏｒｄｏｓｉｓ）および脊柱後弯症（Ｋｙｐｈｏｓｉｓ）を報告する。特に、ＧＵＩ７００は、どの量および方向が、棒およびねじに対する機器を使用した調節によって計画された脊椎位置合わせを達成するかを示す視覚的フィードバックも提供する。

図１５は、非限定的な例の図１４のセンサ化脊椎挿入機器４２０の斜視図を示すユーザインターフェース７００を示す。ユーザインターフェース７００は、リモートシステム１０５および位置合わせシステム１００によって示される（図１を参照）。ＧＵＩ７００は、第１のウインドウ７１０および関連する第２のウインドウ７２０を含む。第２のウインドウ７２０は、評価されるＬ４およびＬ５椎骨に関する挿入機器４２０および椎骨構成要素４７５を示す。この例では、脊柱の矢状面（側面）図が示される。この図は、挿入機器４２０および椎骨構成要素４７５のアプローチ角および回転を示すシャフト角度７２３および回転成分７２４を示す。第２のウインドウ７２０および対応するＧＵＩ情報は、手技中に、リアルタイムで示され、更新される。これにより、外科医が、予め検知された荷重力パラメータにしたがって、挿入機器４２０の椎骨構成要素４７５を視覚化することができる。

第１のウインドウ７１０は、目標の（所望の）センサ付きヘッドの向き７２２および現在の機器のヘッドの向き７６７を示す。目標の向き７２２は、荷重パラメータを評価するために脊椎機器４００を使用したときに予め決定されるアプローチ角、回転および軌道経路を示す。現在の機器のヘッドの向き７６７は、最終的なケージ４７５を挿入するのに現在使用される挿入機器４２０の追跡を示す。ＧＵＩ７００は、予め決定された手術計画の視覚化を提供するために、現在の機器のヘッドの向き７６７を考慮した目標の向きモデル７２２を示す。

図１０、１１、１２、および１３は、脊椎機器４００が、決定された検知パラメータ（例えば、荷重、力、縁部）を考慮して、最適な手技パラメータ（例えば、角度、回転、経路）を評価したことを示したことを想起されたい。これらの手技パラメータが決定されたら、システム１００は、ＧＵＩ７００によって、外科医が、挿入機器４２０を用いて、椎骨構成要素４７５（例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ）を挿入するように導く。一構成において、システム１００は、挿入手技中に挿入機器４２０を導くための触覚フィードバックを提供する。例えば、システム１００は、現在のアプローチ角７１３が目標のアプローチ角から外れている場合、または向き７６７が目標の軌道経路７２２と一致していない場合、振動し、視覚的手掛かり（赤色／緑色の表示）を提供することができる。あるいは、音声フィードバックが、提供される視覚情報を補うためにシステム１００によって提供され得る。ＧＵＩ７００は、以前の機器使用（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎｇ）に基づいて、視覚および触覚フィードバックによって、センサ化挿入機器４２０における位置および目標の経路を効果的に再現する。

荷重、平衡、および位置は、位置合わせおよび荷重平衡システム１００のセンサ化デバイス（例えば、１０１、１０３、４００、４２０、４７５）からのデータを用いて、外科技術および調整によって、所定の定量的に測定された範囲内で、手術中に調整され得る。試験的および最終的なインサート（例えば、脊椎ケージ、椎弓根ねじ、センサなど）のいずれも、測定データを表示のためにリモートシステムに提供するための検知モジュールを含み得る。最終的なインサートはまた、脊椎関節を長期間監視するのに使用され得る。データは、脊椎関節または癒合された椎骨が、リハビリテーション中および患者が活動的な普通の生活スタイルに戻ったときに適切に機能するのを確実にするために、患者および医療提供者によって使用され得る。逆に、患者または医療提供者は、測定されたパラメータが規格外であるときに通知され得る。これにより、患者への最小限のストレスで解決され得る脊椎の問題が早期に検出される。最終的なインサートからのデータは、埋め込まれた検知モジュールからのデータを用いて、リアルタイムで画面に表示され得る。一実施形態において、手持ち式デバイスが、最終的なインサートからデータを受信するのに使用される。手持ち式デバイスは、脊椎に近接して保持することができ、それによって、強力な信号がデータの受信のために得られる。

脊椎領域を伸延させる方法が、以下に開示される。本方法の工程は、任意の順序で行われ得る。図１０、図１１、図１２、図１３、および図１４が参照され得る。椎骨の間に脊椎ケージなどの装具構成要素を設置することの例が、本方法を示すのに使用されるが、本方法は、膝、臀部、足首、脊椎、肩、手、腕、および足などの他の筋肉・骨格領域に適用可能である。一般に、定量的測定データは、脊椎領域において収集される必要がある。本明細書に開示される脊椎用機器、位置合わせデバイス、および挿入機器は、定量的データのデータベースを生成するのに使用され得る。この時点で、能動器具および測定デバイスがないことにより、定量的測定データの不足がある。装具構成要素の設置の際に器具によって生成される測定データは、患者の健康に関連する場合、荷重、荷重の位置、および装具構成要素の位置合わせの影響を決定するために、他の短期および長期データと相関され得る。本明細書に開示されるシステムは、装具構成要素の設置中にデータを生成することができ、インプラントおよび脊椎領域の長期の定期的測定を提供するために適用可能である。したがって、伸延方法の結果は、回復時間を短縮し、失敗を最小限に抑え、性能、信頼性を向上させ、デバイスの耐用年数を延長する設置手順を支持する十分なデータを生成することである。

第１の工程では、脊椎用機器は、脊椎領域を伸延させるように挿入される。脊椎用機器は、手術中に、定量的測定データをリアルタイムで生成するためのセンサを含む。第２の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が測定される。脊椎用機器は、脊椎領域が第１の高さまで伸延されるような第１の高さを有する。システムは、視覚、音声、または触覚手段によって測定データを示す。一例において、システムは、脊椎用機器からの荷重測定が所定の荷重範囲外にあることを開示する。脊椎領域を評価するためにシステムによって使用される所定の荷重範囲は、臨床研究によって決定され得る。例えば、所定の荷重範囲は、荷重測定データを外科手術の結果と関連付けることによって、デバイスの設置を支持し得る。一般に、所定の荷重範囲外の測定が、デバイスの故障の可能性を統計的に増加させ得る。第３の工程では、脊椎領域は、第２の高さまで伸延される。第４の工程では、第２の高さにおける脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が測定される。システムは、脊椎用機器からの荷重測定が所定の荷重範囲内にあることを示す。測定された荷重を所定の荷重範囲内にすることで、装具構成要素に対する過度の荷重による故障が減少される。一般に、測定された荷重が所定の荷重範囲内にあることを脊椎用機器測定が示すまで、このプロセスは、異なる伸延高さで必要に応じて何回でも繰り返され得る。

第５の工程では、脊椎用機器の向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも１つが測定される。一実施形態において、測定は、脊椎領域に挿入される脊椎用機器の部分に対応し得る。例えば、位置データは、脊椎用機器のセンサ付きヘッドに関連し得る。データは、脊椎用機器によって測定されるのと同様の位置および同じ軌道で装具構成要素を設置するのに使用され得る。第６の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重は、リモートシステムにおいて監視され得る。この例では、リモートシステムは、手技中に、データをリアルタイムで見ることを可能にするディスプレイを含む。第７の工程では、脊椎用機器の高さが調整され得る。開示されるように、脊椎用機器は、伸延表面の高さを減少または増加させるためのはさみ型の機構（ｓｃｉｓｓｏｒ ｔｙｐｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）を含み得る。一実施形態において、脊椎用機器のハンドルは、伸延高さを変化させるために回転される。リモートシステムにおいて荷重データをリアルタイムで監視しながら、調整が行われ得る。一般に、高さは、測定された荷重が所定の荷重範囲内になるまで調整される。第８の工程では、調整された高さが装具構成要素の高さに相当するように、高さは、増加または減少される。一実施形態において、同じ伸延高さを有する装具構成要素が、脊椎領域における荷重測定の場所に設置され得る。装具構成要素は、軌道に位置合わせされ、脊椎用機器と同じ場所に設置されるとき、荷重測定と同様の荷重がかけられる。

第９の工程では、脊椎用機器は、加えられる荷重の位置を測定する。脊椎用機器は、脊椎領域に結合される表面を有し得る。この例では、２つ以上のセンサが、荷重測定の位置を支持するために、脊椎用機器の表面に結合される。荷重の位置は、力、圧力、または荷重が、脊椎領域に設置されたときの装具構成要素にいかに加えられ得るかについての定量的測定データを提供する。例えば、荷重の位置が不適切であると、装具構成要素がその場所で不安定になり、最終的に脊椎領域から外されて、破局的故障を招く状況が生じ得る。一実施形態において、脊椎用機器からの荷重データの位置が、装具構成要素の設置のための位置を評価するのに使用され得る。定量的データは、荷重の位置を評価するために、脊椎用機器の測定表面に対応する所定の範囲または領域を含み得る。第１０の工程では、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重の位置が所定の位置範囲外にあるとき、脊椎用機器は、脊椎領域における異なる場所に移動される。新たな場所が、装具構成要素のための部位として荷重の大きさおよび荷重の位置の定量的データによって評価され得る。

第１１の工程では、測定された定量的データが所定の荷重範囲および所定の位置範囲内にあるとき、装具構成要素のための脊椎領域における適切な場所が特定される。上述したように、装具構成要素を、所定の荷重範囲および所定の位置範囲内で測定される脊椎領域の領域に設置すると、プラスの結果が生じ、臨床的証拠に基づいて失敗率が低下される。第１２の工程では、装具構成要素は、脊椎用機器によって測定される場所に設置される。この場所に設置される装具構成要素は、脊椎用機器によって測定されるものと同様の、脊椎領域によって加えられる荷重の大きさおよび荷重の位置を有するであろう。装具構成要素は、脊椎用機器と同様の軌道を有する脊椎領域に挿入される。この例では、測定プロセス中の脊椎用機器の軌道および位置が記録される。第１３の工程では、装具構成要素の挿入プロセスは、装具構成要素の軌道を、脊椎用機器の軌道と比較することによって、さらに支持され得る。一実施形態において、外科医には、その場所への装具構成要素の位置合わせに役立つ視覚、触覚、または音声フィードバックが与えられ得る。第１４の工程では、装具構成要素および脊椎用機器の軌道が、リモートシステムにおいて見られる。リモートシステムは、脊椎領域における場所を特定するとき、脊椎用機器の位置および軌道に対する装具構成要素の実際のまたはシミュレートされた位置および軌道を示し得る。一実施形態において、外科医は、視覚化によって装具構成要素を保持するデバイスまたは挿入機器による軌道を模擬し、または脊椎用機器の場所にリモートシステムに表示されるデータを重ね合わせることができる。本明細書に開示されるように、脊椎用機器は、伸延表面の高さを変化させ得るシザージャッキなどの機構を有し得る。シザージャッキを上下させるための棒が、脊椎用機器のハンドルに結合する。第１５の工程では、脊椎用機器のハンドルは、伸延高さを変化させるために回転され得る。第１６の工程では、視覚、音声、または触覚信号は、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が所定の荷重範囲内であるときに提供される。同様に、第１７の工程では、視覚、音声、または触覚信号は、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる荷重が所定の位置範囲内であるときに提供される。

図１６は、実施形態例に係る脊椎用機器４００の構成要素のブロック図である。脊椎用機器４００が、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含み得ることに留意されたい。脊椎用機器４００は、筋肉・骨格系のパラメータを測定し得る内蔵型の器具である。この例では、脊椎用機器４００は、脊椎領域に挿入されるとき、荷重および荷重の位置を測定する。脊椎用機器４００の能動構成要素は、１つまたは複数のセンサ１６０２、荷重板１６０６、電源１６０８、電子回路１６１０、送受信機１６１２、および加速度計１６１４を含む。非限定的な例では、加えられる圧縮力は、脊椎領域によってセンサ１６０２に加えられ、脊椎用機器４００によって測定される。

センサ１６０２は、脊椎用機器４００の表面４０３および４０６に位置決めされるか、係合されるか、取り付けられるか、または固定され得る。一般に、圧縮力は、脊椎領域中に挿入されるとき、表面４０３および４０６に脊椎領域によって加えられる。圧縮力が各センサに加えられるように、表面４０３および４０６はセンサ１６０２に結合する。一実施形態において、表面４０３および４０６に加えられる荷重の位置が測定され得る。この例では、３つの荷重センサが、加えられる荷重の位置を特定するためにセンサ付きヘッドに使用される。各荷重センサは、荷重板１６０６における所定の位置に結合される。荷重板１６０６は、脊椎用機器４００のセンサ付きヘッドに加えられる圧縮力を各センサに分配するために、表面４０３に結合する。荷重板１６０６は、剛性であり得、力、圧力、または荷重をセンサ１６０６に分配するときに曲がらない。各センサによって測定される力または荷重の大きさは、表面４０３に加えられる荷重の場所に戻って相関され得る。

椎間測定の例では、表面４０３および４０６を有するセンサ付きヘッドは、脊椎の椎骨の間に位置決めされ得る。センサ付きヘッドの表面４０３は、第１の椎骨表面に結合し、同様に、表面４０６は、第２の椎骨表面に結合する。加速度計１６１４または外部位置合わせシステムは、センサ付きヘッドが脊椎領域中に向けられる際、センサ付きヘッドの位置および向きを測定するのに使用され得る。センサ１６０２は、電子回路１６１０に結合する。電子回路１６１０は、論理回路、入力／出力回路、クロック回路、Ｄ／Ａ、およびＡ／Ｄ回路を含む。一実施形態において、電子回路１６１０は、形状因子（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）を減少させ、電力を低下させ、性能を向上させる特定用途向け集積回路を含む。一般に、電子回路１６１０は、測定プロセスを制御し、測定信号を受信し、測定信号をデジタル形式に変換し、インターフェースにディスプレイを支持し、測定データのためのデータ転送を開始させる。電子回路１６１０は、対象とするパラメータ、例えば、表面４０３および４０６に作用する力のレベル、分布および方向を決定するために、センサ１６０２の物理的変化を測定する。挿入検知デバイス４００は、内部電源１６０８によって電力を供給され得る。したがって、筋肉・骨格系のパラメータを測定するのに必要な全ての構成要素は、脊椎用機器４００に存在する。

一例として、センサ１６０２は、第１のトランスデューサと第２のトランスデューサとの間に、弾性または圧縮性伝播構造を含み得る。トランスデューサは、超音波（ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）（または超音波（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ））共振器であり得、弾性または圧縮性伝播構造は、超音波導波路であり得る。電子回路１６１０は、圧縮性伝播構造の長さの変化（または圧縮または伸長）を、力などの対象とするパラメータに変換するために、トランスデューサに電気的に結合される。システムは、加えられる力に応答して圧縮性伝播構造（例えば、導波路）の長さの変化を測定し、この変化を電気信号に変換し、この電気信号は、送受信機１６１２を介して送信されて、加えられる力のレベルおよび方向が伝達され得る。例えば、圧縮性伝播構造は、導波路の長さに対する、加えられる力の既知の再現可能な特性を有する。既知の特性を用いて、超音波信号を用いた導波路の長さの正確な測定が、力に変換され得る。

センサ１６０２は、力、圧力、または荷重の検知の導波路測定に限定されない。さらに他の構成において、センサ１６０２は、筋肉・骨格系のパラメータを測定するための、ピエゾ抵抗型センサ、圧縮性ポリマーセンサ、容量センサ、光センサ、ｍｅｍｓセンサ、歪みゲージセンサ、化学センサ、温度センサ、ｐＨセンサ、およびメカニカルセンサを含み得る。代替的な実施形態において、ピエゾ抵抗型薄膜センサが、荷重を検知するために使用され得る。ピエゾ抵抗型フィルムは、低プロファイルを有するため、実装に必要な形状因子が減少される。ピエゾ抵抗型フィルムは、加えられた圧力によって抵抗を変化させる。電圧または電流が、抵抗の変化を監視するために、ピエゾ抵抗型フィルムに加えられ得る。電子回路１６１０は、電圧または電流を印加するために結合され得る。同様に、電子回路１６１０は、ピエゾ抵抗型フィルムの抵抗に対応する電圧および電流を測定するために結合され得る。加えられる力、圧力、または荷重に対するピエゾ抵抗型フィルムの抵抗の関係は既知である。電子回路１６１０は、測定された電圧または電流を、センサ付きヘッドに加えられる力、圧力、または荷重に変換することができる。さらに、電子回路１６１０は、リアルタイムでの使用のための表示または転送のためまたは保存するために、測定をデジタル形式に変換することができる。電子回路１６１０は、シリアルおよび並列データ転送を可能にする変換器、入力、出力、および入力／出力を含むことができ、それによって、データの測定および伝達が、同時に行われ得る。一実施形態において、ＡＳＩＣが、ユーザによって指示される脊椎用機器４００の制御機能および測定プロセスを管理するためにデジタル制御論理を組み込む電子回路１６１０に含まれる。

加速度計１６１４は、加速度および静的重力を測定することができる。加速度計１６１４は、ベクトル量としての加速度の大きさおよび方向を検出する一軸および多軸加速度計構造であり得る。加速度計１６１４はまた、向き、振動、影響および衝撃を検知するのに使用され得る。電子回路１６１０は、加速度計１６１４およびセンサ１６０２とともに、脊椎用機器４００の向きに対する対象とするパラメータ（例えば、荷重、力、圧力、変位、移動、回転、トルク、場所、および加速度の分布）を測定することができる。このような構成において、選択された基準系に対する測定されたパラメータの空間分布が、計算され、リアルタイムでの表示のために示され得る。

送受信機１６１２は、無線操作およびテレメトリ機能を可能にするために送信機１６２２およびアンテナ１６２０を含む。様々な実施形態において、アンテナ１６２０は、集積化ループアンテナとしての設計によって構成され得る。集積化ループアンテナは、他の電気部品が取り付けられたプリント基板における様々な層および場所で構成される。例えば、電子回路１６１０、電源１６０８、送受信機１６１２、および加速度計１６１４は、脊椎用機器４００上または脊椎用機器４００中に位置する回路基板に取り付けられ得る。送受信機１６１２は、開始されてから、対象とするパラメータをリアルタイムで通信することができる。テレメトリデータは、様々な受信機を用いて、またはカスタム受信機（ｃｕｓｔｏｍ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）を用いて受信され、復号され得る。無線操作により、検知モジュールを、電源または関連するデータ収集、記憶、表示設備、およびデータ処理設備と結合する配線およびケーブルによる物理的干渉の可能性、またはそのような配線およびケーブルによって課される制限によって引き起こされる測定の歪み、またはそのような測定に対する制限をなくすことができる。

送受信機１６１２は、電源１６０８から電力を受信し、例えば、電子回路１６１０または特定用途向け集積回路内に組み込まれる効率的な電力管理スキームによって、様々な無線周波数にわたって低い電力で動作することができる。一例として、送受信機１６１２は、アンテナ１６２０によって、所定の放出モードで、所定の周波数でデータを送信することができる。所定の周波数は、以下に限定はされないが、国際電気通信連合（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｏｎ）のリージョン１、２および３で認識されるＩＳＭバンドを含み得る。所定の放出モードは、以下に限定はされないが、ガウス型周波数偏移変調（Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）（ＧＦＳＫ）、振幅偏移変調（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）（ＡＳＫ）、位相偏移変調（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）（ＰＳＫ）、最小偏移変調（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）（ＭＳＫ）、周波数変調（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）（ＦＭ）、振幅変調（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）（ＡＭ）、または他の形態の周波数または振幅変調（例えば、バイナリ、コヒーレント、直角位相など）であり得る。

アンテナ１６２０は、無線周波数伝送を提供するために、検知モジュールの構成要素と統合され得る。アンテナ１６２０および電子回路１６１０は、取り付けられ、結合されて、プリント基板における配線トレース（ｗｉｒｅ ｔｒａｃｅ）を用いて回路が形成される。アンテナ１６２０は、信号の効率的な伝達のための整合ネットワークをさらに含み得る。アンテナおよび電子機器のこのレベルの統合により、無線設備のサイズおよびコストの減少が可能になる。潜在的な用途としては、以下に限定はされないが、任意のタイプの近距離の可搬の、ウェアラブルな、または他の携帯用の通信設備が挙げられ、ここで、小型のアンテナが一般的に使用される。これは、使い捨てのモジュールまたはデバイスならびに再利用可能なモジュールまたはデバイスおよび長期使用のためのモジュールまたはデバイスを含む。

電源１６０８は、脊椎用機器４００の電子部品に電力を提供する。一実施形態において、電源１６０８は、有線エネルギー伝達、近距離無線エネルギー伝達またはそれらの組合せによって充電され得る。無線エネルギーを電源１６０８に提供するための外部電源としては、以下に限定はされないが、１つまたは複数の電池、交流電流電源、無線周波数受信機、電磁誘導コイル、１つまたは複数の光電池、１つまたは複数の熱電対、または１つまたは複数の超音波トランスデューサが挙げられる。電源１６０８によって、脊椎用機器４００は、内部エネルギーがなくなるまで１回の充電で操作され得る。脊椎用機器４００は、連続操作を可能にするために定期的に再充電され得る。電源１６０８は、測定および無線操作を促進するために、脊椎用機器４００の構成要素にエネルギーを効率的に供給および提供するための電力管理技術をさらに用い得る。電力管理回路が、ＡＳＩＣ電力消費ならびにシステムの他の構成要素の両方を管理するために、ＡＳＩＣに組み込まれ得る。

電源１６０８は、測定操作中に検知モジュールに電力を供給するのに必要なさらなるエネルギー放射源を最小限に抑える。一実施形態において、図示されるように、エネルギー貯蔵部１６０８は、容量エネルギー貯蔵デバイス１６２４および誘導コイル１６２６を含み得る。充電電力の外部の供給源は、誘導充電によって、１つまたは複数の電磁誘導コイル１６２６を介して容量エネルギー貯蔵デバイス１６２４に無線で結合され得る。充電操作は、電子回路１６１０へとまたは電子回路１６１０とともに設計される電力管理システムによって制御され得る。例えば、電子回路１６１０の操作中、電力が、効率的な昇圧（ｓｔｅｐ−ｕｐ）および降圧（ｓｔｅｐ−ｄｏｗｎ）電圧変換回路によって、容量エネルギー貯蔵デバイス１６２４から伝達され得る。これにより、所要のレベルの性能を支持するために、最小電圧レベルで回路ブロックの操作電力が節約される。あるいは、電源１６０８は、脊椎用機器４００内に収容される１つまたは複数の電池を含み得る。電池は、使い捨ての脊椎用機器４００に電力を供給することができ、そのため、デバイスは、手術で使用された後に廃棄される。

一形態において、外部電源は、再充電操作中に、ダウンリンクデータを送受信機１６１２に通信する働きをさらに果たし得る。例えば、ダウンリンク制御データは、無線エネルギー源信号に変調され、その後、電子回路１６１０によって誘導コイル１６２６から復調され得る。これは、アップリンクおよびダウンリンク操作の両方のために送受信機１６１２を構成する代わりに、ダウンリンクデータを受信するためのより効率的な方法として働き得る。一例として、ダウンリンクデータは、測定を行うとき、または再校正（ｒｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）目的のために脊椎用機器４００が使用する、外部位置情報などの更新された制御パラメータを含み得る。ダウンリンクデータはまた、シリアル番号または他の識別データをダウンロードするのに使用され得る。

電子回路１６１０は、検知、電力管理、テレメトリ、および加速度検知などの、検知モジュールの構成要素の様々な操作を管理し、制御する。電子回路１６１０は、アナログ回路、デジタル回路、集積回路、個別部品、またはそれらの任意の組合せを含み得る。一構成において、電子回路１６１０は、集積回路および個別部品の中で区分されて、性能を損なわずに電力消費を最小限に抑え得る。デジタル回路とアナログ回路とを区分する機能は、設計の融通性を高め、機能性または性能を犠牲にせずに、最小の電力消費を促す。したがって、電子回路１６１０は、例えば、コア信号処理アルゴリズムに固有の、１つまたは複数の集積回路またはＡＳＩＣを含み得る。

別の構成において、電子回路１６１０は、関連する記憶装置および論理を備えた、プログラマブルプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（ＤＳＰ）、マイクロコントローラ、またはマイクロプロセッサなどのコントローラを含み得る。コントローラは、Ｆｌａｓｈ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭまたは検知モジュールの上記の構成要素の操作を制御するための他の同様の技術などの関連する記憶装置とともに計算技術を用い得る。一構成において、記憶装置は、本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか１つまたは複数を用いる１つまたは複数の命令集合（例えば、ソフトウェア）を保存し得る。命令はまた、別のプロセッサまたはコンピュータシステムによる命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、他のメモリ、および／またはプロセッサ内に存在し得る。

電子機器集合体は、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの品質、精度、および信頼性を確実にする試験容易性および校正特徴も支持する。一時的な双方向結合が、電子機器の高いレベルの電気的可観測性（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｏｂｓｅｒｖａｂｉｌｉｔｙ）および可制御性を確実にするのに使用され得る。試験インターコネクトは、トランスデューサ、導波路、および機械ばねまたは弾性アセンブリを含む検知サブシステムの高いレベルの電気的可観測性も提供する。キャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）またはフィクスチャ（ｆｉｘｔｕｒｅ）は、製造処理中に、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの最終的なエンクロージャをエミュレートし、それによって、完成した無線検知モジュールまたはデバイスの校正されたパラメータのための正確な校正データの捕捉を可能にする。これらの校正パラメータは、電子機器集合体に統合されたオンボードメモリ内に保存される。

センサ１６０２および電子回路１６１０を含む電子アセンブリの用途としては、以下に限定はされないが、使い捨てのモジュールまたはデバイスならびに利用可能なモジュールまたはデバイスおよび長期使用のための再モジュールまたはデバイスが挙げられる。非医療用途に加えて、広範囲の潜在的な医療用途の例としては、以下に限定はされないが、埋め込み型デバイス、埋め込み型デバイス内のモジュール、手術中インプラントまたは手術中インプラントもしくは試験インサート内のモジュール、挿入されたまたは取り込まれたデバイス内のモジュール、ウェアラブルデバイス内のモジュール、手持ち式デバイス内のモジュール、機器、電気器具、設備、あるいはこれらの全ての付属品内のモジュール、あるいはインプラント、試験インサート、挿入されたまたは取り込まれたデバイス、ウェアラブルデバイス、手持ち式デバイス、機器、電気器具、設備内の消耗品、あるいはこれらのデバイス、機器、電気器具、または設備の付属品が挙げられる。

図１７は、例示的実施形態に係る、近距離テレメトリのための例示的な通信システム１７００の略図である。図示されるように、通信システム１７００は、脊椎用機器中の医療機器通信構成要素１７１０およびプロセッサに基づくリモートシステム中の受信システム通信を含む。一実施形態において、受信リモートシステム通信は、手技中に外科チームが見ることができるコンピュータまたはラップトップコンピュータ中にあるかまたはそれに結合される。リモートシステムは、手術室の滅菌野の外部にあることがあるが、測定された定量的データをリアルタイムで評価するために見える範囲内にある。医療機器通信構成要素１７１０は、以下に限定はされないが、アンテナ１７１２、整合ネットワーク１７１４、テレメトリ送受信機１７１６、ＣＲＣ回路１７１８、データパケット化装置（ｄａｔａ ｐａｃｋｅｔｉｚｅｒ）１７２２、データ入力１７２４、電源１７２６、および特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１７２０を含むように動作可能に結合される。医療機器通信構成要素１７１０は、図示される数より多いかまたは少ない構成要素を含み得るが、図示されるものまたは構成要素の順序に限定されない。

受信ステーション通信構成要素１７５０は、アンテナ１７５２、整合ネットワーク１７５４、テレメトリ受信機１７５６、ＣＲＣ回路１７５８、データパケット化装置１７６０、および任意に、ＵＳＢインターフェース１７６２を含む。特に、他のインターフェースシステムは、センサデータを処理し、表示する（ｒｅｎｄｅｒ）ために、データパケット化装置１７６０に直接結合され得る。

図１６を参照すると、電子回路１６１０は、脊椎用機器４００の１つまたは複数のセンサ６０２に動作可能に結合される。一実施形態において、１つまたは複数のセンサ６０２によって生成されるデータは、筋肉・骨格系の測定されるパラメータに変換され得る、ｍｅｍｓ構造、ピエゾ抵抗型センサ、歪みゲージ、メカニカルセンサ、パルス持続波、または他のセンサタイプからの電圧、電流、周波数、またはカウント値を含み得る。図１７に戻って参照すると、データパケット化装置１７２２は、センサデータを集めてパケットにし、これは、ＡＳＩＣ１７２０によって受信または処理されたセンサ情報を含む。ＡＳＩＣ１７２０は、医療機器通信構成要素１７１０のコア信号処理機能を効率的に実行するための特定のモジュールを含み得る。ＡＳＩＣ１７２０は、器具の形状因子を減少させるという利点をさらに提供する。

ＣＲＣ回路１７１８は、パケットデータにおけるエラーコード検出を適用する。巡回冗長検査は、任意の長さのデータストリームまたはパケットのチェックサムを計算するアルゴリズムに基づくものである。これらのチェックサムを用いて、送信中のデータの干渉または不測の変化（ａｃｃｉｄｅｎｔａｌ ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ）を検出することができる。巡回冗長検査は、電気的雑音によって引き起こされるエラーを検出するのに特に優れており、したがって、高いレベルの電磁活性を有する環境中で破損したデータの不適切な処理からの堅固な保護を可能にする。次に、テレメトリ送信機１７１６は、アンテナ１７１２によって、整合ネットワーク１７１４を介してＣＲＣ符号化データパケットを送信する。整合ネットワーク１７１４および１７５４は、最適な通信電力効率を得るためにインピーダンス整合を提供する。

受信システム通信構成要素１７５０は、脊椎用機器通信構成要素１７１０によって送られる送信を受信する。一実施形態において、テレメトリ送信機１７１６は、規定の放出モードで規定の周波数でデータストリーム通信を受信するように制約された専用のテレメトリ受信機１７５６とともに操作される。受信ステーションアンテナ１７５２によるテレメトリ受信機１７５６は、規定の周波数で入ってくる送信を検出する。アンテナ１７５２は、構成要素１７１０の指向性アンテナに向けられる指向性アンテナであり得る。少なくとも１つの指向性アンテナを用いることで、データの破損を減少させることができる一方、データが放射パターンであるようにさらに制限することによってデータセキュリティを向上させる。整合ネットワーク１７５４は、アンテナ１７５２からテレメトリ受信機１７５６へと信号を効率的に伝達するインピーダンス整合を提供するために、アンテナ１７５２に結合する。テレメトリ受信機１７５６は、１つまたは複数の工程における搬送周波数を減少させ、構成要素１７１０によって送られる情報またはデータを取り除く（ｓｔｒｉｐ ｏｆｆ）ことがある。テレメトリ受信機１７５６は、ＣＲＣ回路１７５８に結合する。ＣＲＣ回路１７５８は、データの個々のパケットの巡回冗長チェックサムを確認する。ＣＲＣ回路１７５８は、データパケット化装置１７６０に結合される。データパケット化装置１７６０は、個々のパケットデータを処理する。一般に、ＣＲＣ回路１７５８によって確認されるデータは、復号され（例えば、解凍され）、後の処理、表示、または保存またはこれらのいくつかの組合せのために、外部コンピュータなどの外部のデータ処理デバイスに転送される。

テレメトリ受信機１７５６は、以下に限定はされないが、パワードＵＳＢポート１７６２、または電池から得られる電力などの非常に低い電力で操作するように設計され、構成される。別の実施形態において、テレメトリ受信機１７５６は、受信されたデータに関する不注意による破損または悪意のある改ざんの機会を制限するために、最小限の制御可能な機能とともに使用するように設計される。テレメトリ受信機１７５６は、一貫して高いレベルの品質および信頼性を確保しながら、小型で、安価で、標準的な製造プロセスで容易に製造されるように設計され、構成され得る。

一形態において、通信システム１７００は、任意の形態の不正なまたは不測のクエリからの高いセキュリティおよび保護を提供するために、数メートル程度の通信範囲で送信専用の操作で動作する。送信範囲は、送信された信号の強度、アンテナの選択、またはその両方の組合せによって制御され得る。高い繰り返し率の送信が、データ捕捉操作中に、送信データパケットに組み込まれた巡回冗長検査（Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ）（ＣＲＣ）ビットとともに使用可能であり、それによって、動作するまたは静的な物理的システム内における荷重、力、圧力、変位、屈曲、姿勢、および位置の測定を含むがこれらに限定されない、データの表示またはデータの視覚表示の完全性に実質的に影響を与えずに、受信システムが破損されたデータを廃棄することが可能になる。

動作範囲を、数メートル程度の距離に制限することによって、テレメトリ送信機１７１６は、データの送信の繰り返し率を損なわずに、適切な放出モードまたは所定の動作周波数のためのモードで非常に低い電力で操作され得る。この動作モードは、集積化ループアンテナなどの小型のアンテナによる動作も支持する。低電力および小型のアンテナの組合せは、以下に限定はされないが、広範囲の非医療および医療用途に使用され得る非常に小型のテレメトリ送信機の構築を可能にする。

送信機のセキュリティならびに送信データの完全性は、所定の条件内でテレメトリシステムを操作することによって確保される。送信専用モードで操作されるため、送信機のセキュリティが損なわれることはなく、医療機器通信構成要素に侵入する経路が存在しない。データの完全性は、ＣＲＣアルゴリズムの使用および測定の繰り返し率によって確保される。データの不正な受信のリスクが、デバイスの制限された通信範囲によって最小限に抑えられる。データパケットの不正な受信が起こるべき場合でも、データアクセスをさらに抑制する所定の対抗手段がある。第１の手段は、送信データパケットが、ＣＲＣビットとともにカウンタからのバイナリビットのみを含むことである。第２の手段は、どの時点でも２進値通信の有意性を解釈するのにデータが利用できず、または必要とされないことである。実施され得る第３の手段は、患者またはデバイス識別データが、どの時点でも通信されないことである。

テレメトリ送信機１７１６はまた、いくつかのＦＣＣ規制に準拠して動作し得る。ＦＣＣ規制のセクション１８．３０１によれば、ＵＳＡ国内のＩＳＭバンドは、６．７８、１３．５６、２７．１２、３０．６８、９１５、２４５０、および５８００ＭＨｚならびに２４．１２５、６１．２５、１２２．５０、および２４５ＧＨｚを含む。世界的には、４３３ＭＨｚを含む他のＩＳＭバンドが、一部の地理的な場所で国際電気通信連合（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｕｎｉｏｎ）によって規定されている。１８．３０３で規定される禁止周波数帯域の一覧は、以下のとおりであり、以下の安全捜索救助周波数帯域（ｓａｆｅｔｙ，ｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｒｅｓｃｕｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ）が禁止されている。すなわち４９０〜５１０ｋＨｚ、２１７０〜２１９４ｋＨｚ、８３５４〜８３７４ｋＨｚ、１２１．４〜１２１．６ＭＨｚ、１５６．７〜１５６．９ＭＨｚ、および２４２．８〜２４３．２ＭＨｚである。セクション１８．３０５は、規定のＩＳＭバンドの範囲外で操作される場合にＩＳＭ設備が超えてはならない電界強度および放出レベルを規定している。要約すれば、セクション１８．３０５に規定される電界強度および放出レベルに対する制限が設計によってまたは能動制御によって維持される場合、ＩＳＭバンドの範囲内でならびに９ＫＨｚを超えるほとんどの他の周波数帯域内で、ＩＳＭ設備が世界的に操作され得ることが結論付けられ得る。代案として、市販の集積回路ＩＳＭ送受信機を含む市販のＩＳＭ送受信機が、適切に使用される場合に、これらの電界強度および放出レベル要件を満たすように設計され得る。

一形態において、テレメトリ送信機１７１６は、無許可のＩＳＭバンドでまたは低電力設備の無許可の操作で動作することもでき、ここで、ＩＳＭ設備（例えば、テレメトリ送信機１７１６）は、ＦＣＣコードのセクション１８．３０３に示される場合を除いて、９ｋＨｚを超えるＡＮＹ周波数で操作され得る。

無線操作により、無線検知モジュールまたはデバイスを、電源またはデータ収集、記憶、または表示設備と結合する配線およびケーブルによる物理的干渉の可能性、またはそのような配線およびケーブルによって課される制限によって引き起こされる測定の歪み、またはそのような測定に対する制限がなくなる。検知構成要素および電子回路のための電力は、内部エネルギー貯蔵デバイスにおける無線検知モジュールまたはデバイス内で維持される。このエネルギー貯蔵デバイスは、１つまたは複数の電池、超キャパシタ、キャパシタ、交流電流電源、無線周波数受信機、電磁誘導コイル、１つまたは複数の光電池、１つまたは複数の熱電対、または１つまたは複数の超音波トランスデューサを含むがこれらに限定されない外部電源を用いて充電される。無線検知モジュールは、内部エネルギー源がなくなるまで１回の充電で操作され得、またはエネルギー源は、連続操作を可能にするために定期的に再充電され得る。電源が組み込まれていることにより、測定操作中に無線検知モジュールまたはデバイスに電力を供給するのに必要なさらなるエネルギー放射源が最小限で済む。テレメトリ機能も、無線検知モジュールまたはデバイス内で統合される。テレメトリ送信機は、開始されてから、測定データをリアルタイムで連続して通信する。テレメトリデータは、商業用の受信機を用いて、または単純で低コストのカスタム受信機を用いて、受信され、復号され得る。

図１８は、実施形態例に係る、測定および報告のための通信ネットワーク１８００を示す。簡潔に述べると、通信ネットワーク１８００は、他のデバイスまたはサービスに広いデータ接続を提供するために、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０を拡張する。図示されるように、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０は、通信ネットワーク１８００および任意の関連するシステムまたはサービスに通信可能に結合され得る。

一例として、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０は、例えば、手術の状態または結果を分析し、それについて報告するために、対象とするそのパラメータ（例えば、荷重、力、圧力、変位、移動、回転、トルクおよび加速度の分布）を、リモートサービスまたは提供者と共有し得る。センサシステムが永久的に埋め込まれる場合、センサからのデータは、進展を監視するために、例えばサービスプロバイダと共有されるかあるいは外科計画目的または有効性研究のために計画管理者と共有され得る。通信ネットワーク１８００は、医療情報技術の実施を行うために、電子医療記録（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｒｅｃｏｒｄ）（ＥＭＲ）システムにさらにつながれ得る。他の実施形態において、通信ネットワーク１８００は、ＨＩＳ（病院情報システム（Ｈｏｓｐｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ））、ＨＩＴ（病院情報技術（Ｈｏｓｐｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ））およびＨＩＭ（病院情報管理（Ｈｏｓｐｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ））、ＥＨＲ（電子健康記録（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｈｅａｌｔｈ Ｒｅｃｏｒｄ））、ＣＰＯＥ（コンピュータ化医師オーダーエントリ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｉａｎ Ｏｒｄｅｒ Ｅｎｔｒｙ））、およびＣＤＳＳ（コンピュータ化意思決定支援システム（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ））に通信可能に結合され得る。これは、様々な情報技術システムおよびソフトウェアアプリケーションが、正確に、効果的に、かつ一貫してデータを交換し、交換されたデータを使用するように通信する能力を提供する。

通信ネットワーク１８００は、ローカルエリアネットワーク（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）（ＬＡＮ）１８０１、無線ＬＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）（ＷＬＡＮ）１８０５、セルラーネットワーク（Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ）１８１４、および／または他の無線周波数（ＲＦ）システム上に有線または無線接続を提供することができる。ＬＡＮ１８０１およびＷＬＡＮ１８０５は、例えば、中央局（ｃｅｎｔｒａｌ ｏｆｆｉｃｅ）を介して、インターネット１８２０に通信可能に結合され得る。中央局は、遠距離通信サービスを供給するための共有のネットワークスイッチング設備を収容し得る。遠距離通信サービスは、従来のＰＯＴＳ（基本電話サービス（Ｐｌａｉｎ Ｏｌｄ Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ））ならびにケーブル、ＨＤＴＶ、ＤＳＬ、ＶｏＩＰ（ボイスオーバーインターネットプロトコル（Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ））、ＩＰＴＶ（インターネットプロトコルテレビジョン（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ））、インターネットサービスなどの広帯域サービスなどを含み得る。

通信ネットワーク１８００は、共通の計算および通信技術を用いて、回線交換型および／またはパケット交換型通信を支持することができる。インターネット１８２０および他のパケット交換型ネットワーク送信のための規格のそれぞれ（例えば、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ／ＩＰ、ＨＴＭＬ、ＨＴＴＰ、ＲＴＰ、ＭＭＳ、ＳＭＳ）は、従来技術の例を表す。このような規格は、実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物に周期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替の規格およびプロトコルは、均等であるとみなされる。

セルラーネットワーク１８１４は、ＧＳＭ（登録商標）−ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ、ＣＤＭＡ、ＵＭＴＳ、ＷｉＭＡＸ、２Ｇ、３Ｇ、ＷＡＰ、ソフトウェア無線（ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｒａｄｉｏ）（ＳＤＲ）、および他の既知の技術などのいくつかのアクセス技術で音声およびデータサービスを支持し得る。セルラーネットワーク１８１４は、携帯機器１８０２を用いて通信するための周波数再利用計画の下でベース受信機１８１０に結合され得る。

ベース受信機１８１０は、今度は、パケット交換型リンク上で携帯機器１８０２をインターネット１８２０に接続し得る。インターネット１８２０は、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０から携帯機器５０２へとデータを分配するためのアプリケーションサービスおよびサービスレイヤを支持し得る。携帯機器１８０２は、無線通信チャネルを用いて、インターネット１８２０を介して、他の通信デバイスに接続することもできる。

携帯機器１８０２は、ＷＬＡＮ１８０５上でインターネット１８２０に接続することもできる。無線ローカルアクセスネットワーク（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｏｃａｌ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ）（ＷＬＡＮ）は、ローカルな地理的エリア内での無線アクセスを提供する。ＷＬＡＮは、典型的に、基地局としても知られているアクセスポイント（Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ）（ＡＰ）１８０４の集合から構成される。脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０は、基地局エリア内のラップトップ１８０３などの他のＷＬＡＮステーションと通信することができる。典型的なＷＬＡＮの実装例において、物理層が、８０２．１１ｂまたは８０２．１１ｇのＷＬＡＮ技術などの様々な技術を使用する。物理層は、２．４ＧＨｚバンドで赤外線の、周波数ホッピング拡散スペクトルを使用するか、２．４ＧＨｚバンドで直接シーケンス拡散スペクトルを使用するか、または、例えば、５．８ＧＨｚのＩＳＭバンドまたはより高いＩＳＭバンド（例えば、２４ＧＨｚなど）で他のアクセス技術を使用し得る。

通信ネットワーク１８００によって、脊椎位置合わせシステム１００、脊椎用機器４００、および挿入機器４２０が、ネットワーク上でリモートサーバ１８３０とおよびデータを交換するために他の携帯機器との接続を確立し得る。リモートサーバ１８３０は、データベース１８４０へのアクセスを有することができ、データベース１８４０は、ローカルでまたは遠隔に保存され、特定用途向けデータを含み得る。リモートサーバ１８３０は、直接、またはインターネット１８２０上でアプリケーションサービスをホストすることもできる。

図１９は、コンピュータシステム１９００の形態の機械の例示的な概略図を示し、その中で、命令集合が、実行される場合、上述した方法のうちのいずれか１つまたは複数を機械に実行させ得る。ある実施形態において、この機械は、独立型デバイスとして動作する。ある実施形態において、この機械は、（例えば、ネットワークを用いて）他の機械に接続され得る。ネットワーク化された配備において、この機械は、サーバクライアントユーザネットワーク環境におけるサーバまたはクライアントユーザ機械として、またはピアツーピア（または分配された）ネットワーク環境におけるピアマシン（ｐｅｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ）として動作し得る。

この機械は、サーバコンピュータ、クライアントユーザコンピュータ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、制御システム、ネットワークルータ、スイッチまたはブリッジ、または該当する機械が取るべき動作を規定する（順次または他の形の）命令集合を実行可能な任意の機械を含み得る。本開示のデバイスが、音声、動画またはデータ通信を提供する広く任意の電子デバイスを含むことが理解されるであろう。さらに、単一の機械が示されるが、「機械」という用語はまた、本明細書に記載される方法のうちのいずれか１つまたは複数を実行する。命令の集合（または複数集合）を個別にまたはまとめて実行する機械の任意の集合を含むものと解釈されるべきである。

コンピュータシステム１９００は、バス１９０８を介して互いに通信する、プロセッサ１９０２（例えば、中央処理装置（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）（ＣＰＵ）、グラフィックスプロセッシングユニット（ｇｒａｐｈｉｃｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）（ＧＰＵ、またはその両方）、メインメモリ１９０４およびスタティックメモリ１９０６を含み得る。コンピュータシステム１９００は、ビデオディスプレイ装置１９１０（例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、フラットパネル、固体ディスプレイ、またはブラウン管（ｃａｔｈｏｄｅ ｒａｙ ｔｕｂｅ）（ＣＲＴ））をさらに含み得る。コンピュータシステム１９００は、入力デバイス１９１２（例えば、キーボード）、カーソル制御デバイス１９１４（例えば、マウス）、ディスクドライブユニット１９１６、信号発生デバイス１９１８（例えば、スピーカまたはリモコン装置）およびネットワークインターフェースデバイス１９２０を含み得る。

ディスクドライブユニット１９１６は、上に示される方法を含む本明細書に記載される方法または機能のうちのいずれか１つまたは複数を用いる１つまたは複数の命令集合（例えば、ソフトウェア１９２４）が保存された機械可読媒体１９２２を含み得る。命令１９２４はまた、コンピュータシステム１９００による命令の実行中に、完全にまたは少なくとも部分的に、メインメモリ１９０４、スタティックメモリ１９０６内、および／またはプロセッサ１９０２内に存在し得る。メインメモリ１９０４およびプロセッサ１９０２はまた、機械可読媒体になり得る。

特定用途向け集積回路、プログラマブル論理アレーおよび他のハードウェアデバイスを含むがこれらに限定されない専用のハードウェアの実装が、本明細書に記載される方法を実施するように同様に構成され得る。広く様々な実施形態の装置およびシステムを含み得るアプリケーションは、様々な電子およびコンピュータシステムを含む。ある実施形態は、モジュール間でおよびモジュールを介して、または特定用途向け集積回路の一部として通信される関連する制御およびデータ信号を用いて、２つ以上の特定の相互接続したハードウェアモジュールまたはデバイスにおいて機能を実施する。ここで、システムの例は、ソフトウェア、ファームウェア、およびハードウェアの実装に適用可能である。

本開示の様々な実施形態によれば、本明細書に記載される方法は、プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ、または論理回路上で動作するソフトウェアプログラムとしての操作に向けたものである。さらに、ソフトウェアの実装としては、以下に限定はされないが、分散処理またはコンポーネント／オブジェクト分散型処理、並列処理が挙げられ、または仮想機械処理も、本明細書に記載される方法を実施するように構成され得る。

本開示は、ネットワーク環境１９２６に接続されたデバイスが、命令１９２４を用いて、音声、動画またはデータを送信または受信して、ネットワーク１９２６上で通信することができるように、命令１９２４を含むか、または伝播された信号から命令１９２４を受信し、実行する機械可読媒体を想定している。命令１９２４は、ネットワークインターフェースデバイス１９２０を介して、ネットワーク１９２６上でさらに送信または受信され得る。

機械可読媒体１９２２は、実施形態例において単一の媒体であることが示されるが、「機械可読媒体」という用語は、１つまたは複数の命令集合を保存する単一の媒体または複数の媒体（例えば、集中または分散型データベース、および／または関連するキャッシュおよびサーバ）を含むことが理解されるべきである。「機械可読媒体」という用語は、本開示の方法のうちのいずれか１つまたは複数を機械に実行させる、機械による実行のための命令集合を保存し、符号化し、または実施することが可能である任意の媒体を含むことも理解されるべきである。

したがって、「機械可読媒体」という用語は、以下に限定はされないが、１つまたは複数の読み出し専用（不揮発性）メモリ、ランダムアクセスメモリ、または他の書き換え可能（揮発性）メモリを収容するメモリカードまたは他のパッケージなどの固体メモリ、ディスクまたはテープなどの磁気光学媒体または光媒体、および伝送媒体においてコンピュータ命令を実施する信号などの搬送波信号を含むことが理解されるべきであり、および／または電子メールまたは他の内蔵される情報アーカイブまたは一連のアーカイブへのデジタルファイルの添付が、実体的記憶媒体と均等な配布媒体とみなされる。したがって、本開示は、本明細書に挙げられる機械可読媒体または配布媒体のうちのいずれか１つまたは複数を含み、本明細書のソフトウェアの実装が保存される当該技術分野において認識されている均等物および後継の媒体（ｓｕｃｃｅｓｓｏｒ ｍｅｄｉａ）を含むものと考えられる。

本明細書は、特定の規格およびプロトコルを参照して、実施形態において実施される構成要素および機能を記載しているが、本開示は、このような規格およびプロトコルに限定されない。インターネットおよび他のパケット交換型ネットワーク送信のための規格のそれぞれ（例えば、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ／ＩＰ、ＨＴＭＬ、ＨＴＴＰ）は、従来技術の例を表す。このような規格は、実質的に同じ機能を有するより高速のまたはより効率的な均等物に周期的に取って代わられる。したがって、同じ機能を有する代替の規格およびプロトコルは、均等であるとみなされる。

本明細書に記載される実施形態の説明は、様々な実施形態の構造の一般的な理解を提供することが意図されており、本明細書に記載される構造を使用し得る装置およびシステムの全ての要素および特徴の完全な説明として機能することは意図されていない。多くの他の実施形態が、上記の説明の検討により当業者に明らかであろう。構造的および論理的置き換えおよび変更が本開示の範囲から逸脱せずになされ得るように、他の実施形態が、用いられ、それから得られる。また、図は、説明のためのものに過ぎず、縮尺どおりに描かれていないことがある。その特定の比率が、誇張され得る一方、他の比率は最小限にされ得る。したがって、本明細書および図面は、限定的意味ではなく例示的な意味で考えられるべきである。

本発明の主題のこのような実施形態は、単に便宜上、および２つ以上の発明が実際に開示される場合、本出願の範囲をいずれか１つの発明または発明の概念に自主的に限定することを意図せずに、本明細書において「発明」という用語によって個別におよび／またはまとめて呼ばれ得る。ここで、特定の実施形態が本明細書に示され、記載されているが、同じ目的を達成するように計算された任意の構成が、示される特定の実施形態の代わりになり得ることを理解されたい。本開示は、様々な実施形態のあらゆる改変（ａｄａｐｔａｔｉｏｎ）または変形を包含することが意図される。上記の実施形態と、本明細書に特に記載されていない他の実施形態との組合せが、上記の説明の検討により、当業者に明らかであろう。

ある実施形態は、脊椎測定システムを含む。脊椎測定システムは、受信機と、１つまたは複数のワンドと、椎骨の間の椎間の力を評価するように構成される荷重センサとを含み得る。１つまたは複数のワンドは、位置情報を決定するために、受信機と通信するように構成され得る。一方、位置情報は、椎骨の少なくとも１つの椎骨の向き、回転、角度、または場所のうちの少なくとも１つを含み得る。さらに、受信機は、リモートシステムと通信するように構成され得る。

ある実施形態は、荷重平衡および位置測定システムを含む。荷重平衡および位置測定システムは、三次元空間における位置を測定するために超音波信号を使用するように構成される脊椎位置合わせシステムを含み得る。さらに、荷重平衡および位置測定システムは、センサ付きヘッドが脊椎領域に位置するとき、センサ付きヘッドにおける荷重を測定するように構成されるセンサ付きヘッドを含む脊椎用機器を含み得る。さらにまた、荷重平衡および位置測定システムは、脊椎位置合わせシステムおよび脊椎用機器と通信し、脊椎位置合わせシステムおよび脊椎用機器からの定量的測定を表示するように構成されるリモートシステムを含み得る。

ある実施形態は、構成要素を筋肉・骨格系中に設置する方法を含む。本方法は、センサ付きヘッドを筋肉・骨格系に挿入する工程と、筋肉・骨格系によってセンサ付きヘッドに加えられるセンサヘッド荷重を測定する工程と、センサ付きヘッドを筋肉・骨格系に挿入した後、センサ付きヘッドの向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも１つを測定する工程と、向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも１つを用いて、構成要素を筋肉・骨格系に位置合わせする工程と、筋肉・骨格系によって構成要素に加えられる構成要素荷重が、センサ付きヘッド荷重にほぼ等しくなるように、構成要素を前記筋肉・骨格系に挿入する工程を含み得る。

ある実施形態は、脊椎領域を伸延させる方法を含む。本方法は、脊椎用機器を脊椎領域で挿入する工程と、脊椎用機器が脊椎領域にあるままで、脊椎領域を第１の高さまで伸延させる工程と、脊椎領域が第１の高さにあるままで、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる第１の荷重の第１の荷重測定値を測定する工程であって、第１の荷重測定値が所定の荷重範囲外にある工程と、脊椎用機器が脊椎領域にあるままで、脊椎領域を第２の高さまで伸延させる工程と、脊椎領域が第２の高さにあるままで、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる第２の荷重の第２の荷重測定値を測定する工程であって、第２の荷重測定が所定の荷重範囲内にある工程とを含み得る。

ある実施形態は、脊椎領域を伸延させる方法を含む。本方法は、脊椎領域を伸延させるために、脊椎用機器を脊椎領域で挿入する工程と、脊椎領域が第１の高さまで伸延されるとき、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる第１の荷重の第１の荷重測定値を測定する工程と、第１の荷重測定値が所定の荷重範囲外にあることを示す工程と、脊椎領域が、脊椎領域によって脊椎用機器に加えられる第２の荷重の第２の荷重測定値が所定の荷重範囲内にある第２の高さまで伸延されるように、脊椎用機器を調整する工程とを含み得る。

ある実施形態は、受信機が、固定された位置におよび１つまたは複数のワンドの見通し線内にあるように、受信機を１つまたは複数のワンドに近接して設置する工程と、仙骨の１つまたは複数の解剖学的特徴を、１つまたは複数のワンドの仙骨ワンドと位置合わせする工程と、仙骨の１つまたは複数の解剖学的特徴に対応する向きおよび寸法を有する３Ｄ脊椎モデルを取り出す工程と、超音波測定によって、脊椎の少なくとも１つの椎骨の位置または場所のうちの少なくとも１つを特定する工程とを含む方法を含む。

Claims (40)

1. 受信機と、
   複数のワンドと、
   椎間の力を評価するための荷重センサと、を含む脊椎測定システムにおいて、
   前記複数のワンドは、前記受信機と通信して、その間で決定される椎間の力に関連する椎骨の向き、回転、角度、および場所のうちの少なくとも１つを含む位置情報を決定する、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記受信機は、１つまたは複数のセンサ、プロセッサ、およびインターフェースを含み、前記プロセッサは、前記１つまたは複数のセンサを介して受信される前記少なくとも１つのワンドからの感覚信号を解釈し、前記位置情報を表示のためにリモートシステムに送信することを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記複数のワンドはそれぞれ、１つまたは複数のセンサに動作可能に結合されるコントローラを含み、前記１つまたは複数のセンサは、前記コントローラによる指示に応答して、感覚信号を送信することを特徴とする請求項１または２記載のシステム。
4. 前記受信機の前記１つまたは複数のセンサおよび前記複数のワンドは、光センサ、超音波センサ、および磁気センサを含む群から選択されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のシステム。
5. 前記荷重センサは、センサ付きヘッドに結合されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のシステム。
6. 前記センサ付きヘッドが遠位端に結合されたシャフトと、
   前記シャフトの近位端に結合されるハンドルと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項５記載のシステム。
7. 前記シャフトの近位端に向かって収容される電子回路をさらに含み、前記電子回路は、論理回路、加速度計、および通信回路を含み、前記電子回路は、前記荷重センサに動作可能に結合されることを特徴とする請求項６記載のシステム。
8. 前記センサ付きヘッドは、前記センサ付きヘッドに対して加えられる荷重の位置を特定するための複数の荷重センサを含むことを特徴とする請求項６または７記載のシステム。
9. 前記ワンドは、向き、回転、角度、または場所のうちの少なくとも１つを測定するために、前記センサ付きヘッドに結合されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載のシステム。
10. 前記受信機、前記複数のワンド、および前記荷重センサからのデータは、それからの定量的測定を表示するためにリモートシステムに無線で送信されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載のシステム。
11. 前記受信機、前記複数のワンド、および前記荷重センサのうちの１つは、使用後に廃棄されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載のシステム。
12. 三次元空間における位置を測定するための、超音波信号を用いた脊椎位置合わせシステムと、
    前記センサ付きヘッドは脊椎領域に挿入されるときの荷重を測定するための、センサ付きヘッドを備えた脊椎用機器と、
    前記脊椎位置合わせシステムおよび前記脊椎用機器と通信し、それからの定量的測定を表示するリモートシステムと、
    を含むことを特徴とする荷重平衡および位置測定システム。
13. 前記脊椎位置合わせシステムおよび前記脊椎用機器は、手術室の手術野内にあることを特徴とする請求項１２記載の荷重平衡および位置測定システム。
14. 前記脊椎位置合わせシステムまたは前記脊椎用機器は、使用後に廃棄されることを特徴とする請求項１２または１３記載の荷重平衡および位置測定システム。
15. 前記位置合わせシステムは、
    複数の超音波トランスデューサを有する受信機と、
    複数の超音波トランスデューサを有する複数のワンドと、
    を含むことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項記載の荷重平衡および位置測定システム。
16. 前記脊椎用機器は、
    前記センサ付きヘッドに結合されるシャフトであって、前記センサ付きヘッドが前記シャフトの遠位端に結合されるシャフトと、
    前記シャフトの近位端におけるハンドルと、
    前記シャフトの近位端に向かって収容される電子回路であって、論理回路、加速度計、および通信回路を含み、前記荷重センサに動作可能に結合される電子回路と、
    を含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項記載の荷重平衡および位置測定システム。
17. 構成要素を、筋肉・骨格系中に設置する方法において、
    センサ付きヘッドを前記筋肉・骨格系に挿入する工程と、
    前記筋肉・骨格系によって前記センサ付きヘッドに加えられる荷重を測定する工程と、
    前記筋肉・骨格系に挿入される前記センサ付きヘッドの向き、回転、角度、および位置のうちの少なくとも１つを測定する工程と、
    測定された前記少なくとも１つの向き、回転、角度、または位置を用いて、前記構成要素を前記筋肉・骨格系に位置合わせする工程と、
    前記構成要素に対する前記荷重は、測定された前記荷重にほぼ等しくなるように、前記構成要素を前記筋肉・骨格系に挿入する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
18. 前記センサ付きヘッドに加えられる前記荷重の位置を測定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記センサ付きヘッドからの荷重および荷重の位置のデータを、リモートシステムにリアルタイムで表示する工程と、
    前記リモートシステムにおいてリアルタイムで測定された前記少なくとも１つの向き、回転、角度、または位置を表示する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１７または１８記載の方法。
20. 手技の後、少なくとも前記センサ付きヘッドを廃棄する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか一項記載の方法。
21. 脊椎領域を伸延させる方法において、
    前記脊椎領域を伸延させるために、脊椎用機器を挿入する工程と、
    前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重を測定する工程であって、荷重測定が所定の荷重範囲外にある場合、前記脊椎領域は第１の高さまで伸延される工程と、
    前記脊椎領域を第２の高さまで伸延させる工程と、
    前記荷重が前記所定の荷重範囲内にある場合、前記第２の高さにおいて前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる前記荷重を測定する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
22. 前記脊椎用機器の向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも１つを測定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
23. リモートシステムにおいて前記脊椎用機器によって測定される荷重を監視する工程と、
    測定された荷重は前記所定の荷重範囲内になるまで、前記脊椎用機器の伸延を増加または減少させるために、前記脊椎領域に結合される前記脊椎用機器の高さを調整する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項２１または２２記載の方法。
24. 前記高さを調整する工程は、装具構成要素の高さに相当する伸延高さを増加または減少させる工程を含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
25. 前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重の位置を測定する工程と、
    前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重の位置が所定の位置範囲外にあるとき、前記脊椎用機器を異なる場所に移動させる工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項２１〜２４のいずれか一項記載の方法。
26. 前記所定の荷重範囲および前記所定の位置範囲内にある前記装具構成要素のための前記脊椎領域における場所を特定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
27. 前記装具構成要素を、前記脊椎領域における前記場所に設置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２６記載の方法。
28. 前記装具構成要素の軌道を、前記脊椎用機器の軌道と比較する工程と、
    前記装具構成要素が、前記脊椎用機器と同様の軌道に沿って、前記脊椎領域における前記場所に設置されるように、前記リモートシステムにおいて前記装具構成要素および前記脊椎用機器の軌道を見る工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項２６または２７記載の方法。
29. 伸延高さを変化させるために、前記脊椎用機器のハンドルを回転させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項２１〜２８のいずれか一項記載の方法。
30. 前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる前記荷重は前記所定の荷重範囲内にあるときを視覚、音声、または触覚手段によって示す工程をさらに含むことを特徴とする請求項２１〜２９のいずれか一項記載の方法。
31. 脊椎領域を伸延させる方法において、
    前記脊椎領域を伸延させるために、脊椎用機器を挿入する工程と、
    前記脊椎領域は第１の高さまで伸延される場合、前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重を測定する工程と、
    前記測定された荷重は所定の荷重範囲外にあることを示す工程と、
    第２の高さにおける荷重測定は前記所定の荷重範囲内にある場合、前記脊椎領域を前記第２の高さまで伸延させるように前記脊椎用機器を調整する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
32. 前記筋肉・骨格系におけるセンサ付きヘッドの向き、回転、角度、または位置のうちの少なくとも１つを測定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
33. 前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重の位置を測定する工程と、
    前記脊椎領域によって前記脊椎用機器に加えられる荷重の位置は所定の位置範囲外にあるとき、前記脊椎用機器を異なる場所に移動させる工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項３１または３２記載の方法。
34. 前記所定の荷重範囲および前記所定の位置範囲内にある装具構成要素のための前記脊椎領域における場所を特定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３１〜３３のいずれか一項記載の方法。
35. 前記装具構成要素を、前記脊椎領域における前記場所に設置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３４記載の方法。
36. 前記装具構成要素の軌道を、前記脊椎用機器の軌道と比較する工程と、
    前記装具構成要素が、前記脊椎用機器と同様の軌道に沿って、前記脊椎領域における前記場所に設置されるように、リモートシステムにおいて前記装具構成要素および脊椎用機器の軌道を見る工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項３４または３５記載の方法。
37. 脊椎領域の位置合わせおよび向きを追跡する方法において、
    受信機を複数のワンドに近接して設置する工程であって、前記受信機は、固定された位置におよび前記複数のワンドの見通し線内にある工程と、
    仙骨の１つまたは複数の解剖学的特徴をワンドと位置合わせする工程と、
    前記位置合わせされた解剖学的特徴に対応する向きおよび寸法を有する３Ｄ脊椎モデルを取り出す工程と、
    １つまたは複数の椎骨の少なくとも１つの位置または場所を特定する工程であって、場所測定は超音波で決定される工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
38. 前記複数のワンドのワンドを、脊椎の異なる椎骨に取り付ける工程をさらに含むことを特徴とする請求項３７記載の方法。
39. 椎骨の１つまたは複数の解剖学的特徴をワンドと位置合わせする工程と、
    前記ワンドを前記椎骨に取り付ける工程と、
    前記複数のワンドを用いて、異なる椎骨のために前記位置合わせおよび前記取り付けを繰り返す工程と、
    各椎骨の前記位置合わせされた解剖学的特徴に対応する向きおよび寸法を有する３Ｄ椎骨モデルを取り出す工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項３７または３８記載の方法。
40. 測定機器のセンサ付きヘッドを、脊椎の椎骨の間に挿入する工程と、それに対する荷重を測定する工程とをさらに含み、向き、回転、角度、および位置データのうちの１つは、前記椎骨に対して、前記センサ付きヘッドに対応して生成されることを特徴とする請求項３７〜３９のいずれか一項記載の方法。

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