阅读说明：本技术 通过电容测量进行金属植入物接触检测的方法和装置 (Method and device for detecting contact of metal implant by capacitance measurement ) 是由 B·彼得森 于 2018-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于通过电容测量进行金属植入物接触检测的方法和装置。电容测量通过导电布线/引线(例如主针)完成。当主针移动穿过皮肤和组织时,测量的电容增加,然后在主针与金属植入物接触时跳变,从而证明金属植入物存在和金属植入物的位置。电容测量的跳变是可检测的,因为电容的面积已经从主针移到了主针加上金属植入物表面积的表面积。该装置还可具有参考针,该参考针用于在围绕金属植入物的组织中进行参考针电容测量,以增加装置使用期间的准确度。提供用于支撑主针和参考针并且支撑或容纳装置电子器件的壳体。(The present invention provides a method and apparatus for metal implant contact detection by capacitive measurement. The capacitance measurement is done through conductive wiring/leads (e.g., main pins). The measured capacitance increases as the primary needle moves through the skin and tissue, and then jumps when the primary needle comes into contact with the metal implant, thereby evidencing the presence and location of the metal implant. The jump in capacitance measurement is detectable because the area of the capacitance has moved from the primary pin to the surface area of the primary pin plus the surface area of the metal implant. The device may also have a reference needle for reference needle capacitance measurements in tissue surrounding the metal implant to increase accuracy during use of the device. A housing is provided for supporting the primary and reference needles and supporting or housing the device electronics.)

通过电容测量进行金属植入物接触检测的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月21日提交的美国专利非临时专利申请号16/107,681的优先权，并要求于2017年8月22日提交的美国临时专利申请号62/548,831的优先权，并且每个申请的全部内容和公开内容均在此通过引用并入本文。

背景技术

现已开发出涉及暂时与金属植入物进行电接口的新技术。涉及的一种此类技术要求提供通过植入物的电流，以消除金属表面上的生物膜，否则证明这些生物膜将难以分解。面临的挑战是，植入物将已经被放置到患者中，例如植入腿或膝盖，并且身体将已经康复。在这种情况下，无法轻易触及植入物。

这意味着，为了接触植入物，必须将引线或布线穿过皮肤插入，并且一根或多根引线/布线将需要与金属植入物进行电接触。这种技术的一个挑战是植入物不能有任何东西附着至其，因为附着在植入物上的任何东西都可能或将改变植入物的功能。临时接触的另一个挑战是必须将主针与植入物进行物理接触，并且尽管这可通过感觉或X射线引导来完成，以确保引线/布线接触到金属植入物，但是没有足够的现有方案或方法能够提供关于布线/引线实际上正在与金属植入物接触的直接反馈。

因此，需要一种允许从金属植入物的表面消除生物膜并克服上述挑战的方法和装置。该装置应该易于使用，并且提供一种检测金属植入物的方式，因此，例如可以合适的方式处理生物膜。

发明内容

提供了一种用于通过电容测量进行金属植入物接触检测的电容测量装置和方法。电容测量用于检测由金属制成的导电引线、布线或主针何时与金属植入物接触。要指出的是，在整个说明书中，术语布线、引线和主针可互换使用。

当移动通过人体(例如患者)时，其主针与植入物接触时，测得的电容会突然跳变或增加，而所测电容的这种突然跳变证明与金属植入物的接触存在或呈现。当主针移动至植入物时，电容会由于人体的电容而增加，并且当主针或引线与金属植入物直接接触时，由于电容的面积已从主针成为主针加上植入物的金属表面积，因此测得的电容将跳变可检测量。通过特别寻找电容的该突然跳变，可检测到主针何时与植入物直接接触。

另外，在另一个实施方案中，还提供了一种参考针，并用于身体作为测量人体电容的一种方法。通过将参考针的电容测量与需要与金属植入物接触的主针的电容测量进行比较，可实现更精确的检测，因为身体的大部分电容都将被阻隔。

附图说明

图1是具有主针的电容测量装置的前视截面图。

图1A是患者身体的皮肤和组织的截面图。

图2是为电容测量装置的一部分的壳体组件的顶视图。

图3是壳体组件的底视图。

图4是壳体组件的后视图。

图5是壳体组件的前视图。

图6是壳体组件的左侧视图。

图7是壳体组件的右侧视图。

图8是植入物的透视图。

图9是主针和触点的透视图。

图10是为电容测量装置的一部分并提供其控制的电路的示意图。

图11是另外包括参考针的电容测量装置的前视截面图。

图12是示出与主针和参考针可操作地相关联的电路的示意图。

具体实施方式

图1示出了电容测量装置10的截面图。如图1至图7所示，电容测量装置10包括壳体12。壳体12包括底壁14和面对底壁14的相对的盖壁24。如图1、图2至图3和图6至图7所示，壳体12还包括相对的第一端壁16和第二端壁18。如图1、图4和图5所示，壳体12还包括相对的第一横壁20和第二横壁22。相对的第一端壁16和第二端壁18从底壁14延伸到盖壁24，并且相对的第一横壁20和第二横壁22从底壁14延伸到盖壁24。因此，相对的第一横壁20和第二横壁22与相对的第一端壁16和第二端壁18相交，并且与盖壁24相交，并且相对的第一横壁20和第二横壁22与相对的第一端壁16和第二端壁18相交，并且与该底壁14相交。

在一个实施方案中，第二横壁22通过粘合剂27固定到相对的第一端壁16和第二端壁18、盖壁24和底壁14，或者在另一实施方案中或者可释放地固定到相对的第一端壁16和第二端壁18、盖壁24和底壁14。在另一个实施方案中，第二横壁22通过如图5所示的紧固件29例如螺丝固定到相对的第一端壁16和第二端壁18、盖壁24和底壁14。在另一个实施方案中，第一横壁20、相对的第一端壁16和第二端壁18、盖壁24和底壁被制成或形成为一体的本体21，如图1中的虚线所指示的。壳体12可实现为具有其他形状。壳体12还限定了壳体内部15，该壳体内部15由相对的底壁14和盖壁24、第一端壁16和第二端壁18以及第一横壁20和第二横壁22限定。如图1所示，第二横壁22的移除允许进入壳体内部15。

如图1和图3所示，电容测量装置10还具有主针28，该主针28具有头部37和相对的主针尖端38，并且底壁14限定底壁开口26，该底壁开口26的尺寸设置成使得主针28可移动通过底壁开口26。主针28由金属制成。如图3所示，盖壁24具有盖周壁25，该盖周壁25限定盖壁开口30，并且盖壁24具有相对的内部盖壁表面34和外部盖壁表面35，并且外部盖壁表面35具有环形凹壁31，其限定环形垫圈凹部32。盖开口30相对于环形凹壁31中心地定位。即，环形凹壁31如图所示围绕或环绕盖壁开口30。如图1所示，电容测量装置10包括能够装配在环形垫圈凹部32中的垫圈36，并且在一个实施方案中，垫圈36是O形环垫圈36a。在其他实施方案中，环形凹壁31可具有不同的形状，并且环形垫圈凹部32可具有不同的形状，只要垫圈能够被装配在垫圈凹部中即可，并且所有这些实施方案都旨在处于所附权利要求的范围和实质内。另外并且如图1所示，盖壁开口30和底壁开口26相对于彼此对准，例如在图1所示的视图中，盖壁开口30与底壁开口26垂直对准。

电容测量装置10还包括由塑料41制成的护盖40，并且在一个实施方案中，塑料41是硬的，并且可以是透明的、有色调的或以其他方式着色的。在一个实施方案中，护盖40具有半球形44并限定了护盖内部46。护盖40还具有盖端壁48以及相对的内部护盖表面50和外部护盖表面52，该盖端壁可以是平坦的。护盖40具有从盖端壁48延伸的凹入盖部分53，并且凹入盖部分53具有垫圈接合表面54。垫圈36被装配在凹入盖部分53与环形凹入壁31之间，使得护盖40被固定到壳体12的盖壁24，即，护盖40和盖壁24通过垫圈36彼此互锁。在另一个实施方案中，可使用粘合剂27将护盖40固定到盖壁24，并且在此类实施方案中，将不存在凹入盖部分53和环形凹入壁31。主针28具有主针尖端38，并且可具有主针头部37，并且主针28的一部分和主针头部37位于盖内部46中。

电容测量装置10还包括用于稳定主针28的稳定器部件60，并且在一个实施方案中，稳定器部件60由硅树脂62制成。稳定器部件60可由其他材料制成，例如在其他实施方案中由弹性体材料、塑料和金属制成。稳定器部件60具有带由凸形表面66的凸形稳定器部分64并且具有从凸形稳定器部分64延伸的基础稳定器部分68。基础稳定器部分68还具有邻接表面70。稳定器部件60限定稳定器开口72，该稳定器开口72的尺寸设置成使得主针28可移动通过稳定器开口72。在一个实施方案中，稳定器部件60紧靠主针28，以防止在主针28移动进入患者200的身体198中时主针28偏离路线，其中图1A示出了患者200的身体198。

如图1所示，稳定器部件60被装配在盖壁开口30中，使得凸形稳定器部分62邻接形成在盖壁24中的周盖壁25(图2)。同时，基础稳定器部分68的邻接表面70邻接盖壁24的内部盖壁表面34，如图1所示。稳定器部件60通过摩擦配合或压力配合而固定到周盖壁25，该摩擦配合或压力配合在周盖壁25与凸形稳定器部分62的凸形表面64之间。在其他实施方案中，粘合剂27也可用于将邻接表面70固定到内部盖壁表面34，使得稳定器部件60被固定到盖24，或者通过利用以上的组合而被固定。

如图1所示，电容测量装置10还包括定位咋壳体12的壳体内部15中的电池92，并且电池92可被实现为纽扣电池94(由图1中的虚线指示)。电池92被支撑在底壁14上。电池和纽扣电池对于本领域普通技术人员来说是众所周知的，因此在本文中不再进行更详细描述。

电容测量装置10进行电容测量，通常由附图标号96指示，并且电容测量96可通过连接至或布线到主针28的电容线97获得。电容测量96由装置电子器件118处理。随时间获取电容测量96，以检测主针28何时触摸或接触金属植入物100(图8所示的金属植入物100)。可推动壳体12，以使主针28移动穿过皮肤202和组织204，同时主针28被稳定器部件60保持在适当的位置。当主针28移动穿过患者200的皮肤202，穿过患者200的组织204以及穿过患者108的身体198时，并且当主针28接触到金属植入物100时，上述构造允许主针28用于进行电容测量96。因为可使用任何传统的金属主针28，所以这显著降低了主针28的成本。另外，相同的主针28用于向金属植入物100发射电信号，用于检测金属植入物100。在该实施方案中，在患者200中制造了一个穿刺伤口，但是由于其消除了对导引器(未示出)的需要，因此也大大简化了工序。

出于背景目的，应当指出，人具有可测量的电容，例如，这种普遍已知的现象与触摸屏电子设备结合使用。在此，当主针与人接触时，电容测量96改变，因为人具有可测量的电容。当主针28与皮肤202接触时，电容测量96将偏移，并且然后，当主针28穿透患者200的皮肤202以及肌肉和组织204时，电容测量96将继续偏移。当主针28首先与皮肤202接触时，电容例如在一微秒内立即增加或跳变。当主针28移动穿过身体198时，它或者保持不变，或者根据主针12移动的深的程度而偏移增加的电容。

有时可能很难检测主针28是否接触皮肤202和身体组织204或接触金属植入物100。因此，电容测量装置10还包括用于检测金属植入物100的电容测量软件110。尽管电容测量软件110可获取或检测电容测量96，但是它也能够阻隔或忽略未指示电容跳变或增加的电容测量96。这是因为当与主针28接触金属植入物100时的电容测量96的跳变或增加相比时，电容测量96的跳变或增加将较小。因此，当主针28被更深地插入患者200时，通过阻隔和忽略电容测量96中的逐渐爬升，电容测量软件110允许金属植入物100的更精确的位置，并因此避免了过去的问题——避免了定位金属植入物100，并且不再需要用于定位金属植入物100的大量医疗工序。

如图1所示，电容测量装置10包括在形成装置电子器件118(参见图4)的外围接口控制器116(本文也称为PIC微控制器116)中内置的充电时间测量单元114(在本文中也称为CTMU模块114)。电容测量软件110与PIC微控制器116可操作地相关联。电池92为这些部件供电。电池92、CTMU模块114和PIC微控制器116都位于壳体12中。如图1所示，外围接口控制器116布线到合适的输出设备123，例如屏幕显示器。本领域普通技术人员知道与如何完成这种电容测量有关的细节。CTMU模块114和PIC微控制器116以及它们的使用和操作是本领域普通技术人员已知的，因此在本文中不再进行更详细描述。

如图10所示，电容测量装置10具有控制电路150。控制电路150包括电流源152和CTMU模块114以及模数转换器154(有时在本文中称为A/D转换器154)。AD转换器154与多路复用器156(在本文中有时称为MUX 156)通信，该多路复用器156布线到电路电容器158(在本文中有时称为CCIR 158)。电路电容器158布线到开关电容器160(有时由CSW 160指示)。与CSW 160间隔开的是并联电容器161(有时由CF 161指示)。在使用中，控制电路150可检测主针28何时移动得更接近、远离金属植入物100，并且检测主针28何时接触主植入物100。

有多种方式将装置电子器件118与主针28连接，例如，如图1所示，通过电容线97直接将主针12直接布线到装置电子器件118是一种选择。

在另一个实施方案中，电容测量装置10并且可被无线地监视。在此类实施方案中，装置电子器件118运行先前提到的电容测量软件110。装置电子器件118能够将电容测量输出数据120输出到任何合适的电子设备127，例如膝上型计算机、屏幕显示器、数据库和其他设备，包括无线地输出电容测量输出数据120。

在另一个实施方案中，装置电子器件118和电池位于壳体12的外部。

在另一个实施方案中，电容测量装置10还可包括如图1以虚线表示且图9以实线表示的金属触点124。主针28通过使用金属接触线138与装置电子器件118电接触。金属触点124具有限定弹簧开口128的圆柱形部分126，并且具有从圆柱形部分126延伸的相对的第一弹簧臂130和第二弹簧臂132。第一弹簧臂130延伸到第一弯曲弹簧部分134，并且第二弹簧臂132延伸到第二弹簧弯曲部分136。第一弯曲部分134和第二弯曲部分136彼此邻接。当主针28移动时，经过并且穿过弹簧开口128并穿过第一弹簧弯曲部分134和第二弹簧弯曲部分136，主针28将其第一弹簧弯曲部分134和第二弹簧弯曲部分136推开。同时，主针28被第一弹簧弯曲部分134和第二弹簧弯曲部分136夹紧并稳定。上述金属触点124的使用允许主针12被可控地移动并被引导到患者200中，并且金属接触线138被用于将电容测量96传输至装置电子器件118。另外，相对的第一弹簧臂130和第二弹簧臂132通过例如粘合剂27安装在底壁内部表面140上或以其他方式固定至底壁内表面140。

在使用中，主针28定位在壳体内部15中，并且使用者，例如医生(未示出)推动壳体12，使得主针尖端38穿透皮肤202并移动穿过身体组织204。同时，通过CTMU模块114进行电容测量96，并由电容测量软件110处理。如果测量的电容没有增加，那么使用者将知道在该特定区域中没有金属植入物100，并且可将主针28移动到另一个位置并将主针28重新插入患者200中。但是，如果在插入主针28并且通过与金属植入物100接触的电容测量软件110测量了电容测量96时，则使用者现在准确知道金属植入物100的位置，并可使用该信息用于几乎任何其他目的，例如探索性手术、手术、扫描和监视。

已经克服的一个挑战是，随着从主针尖端38到金属植入物100的距离减小，电容将开始迅速增加。电容测量装置10可通过设置阈值来克服这一点，例如在一个实施方案中将法拉设置为从一个皮法拉到一个纳法拉，并且在其他实施方案中，该法拉阈值可设置为从1.3皮法拉至.08纳法拉，并且在其他实施方案中，法拉阈值可以是两个皮法拉，因为金属植入物100在金属植入物100和主针28彼此接触时会显著增加主针28的总表面积，并显著增加要测量的总电容。电容测量96的这种突然上升可能发生在一微秒内，并且在其他实施方案中，在或多或少于一微秒内发生。

如图1和图11所示，在另一个实施方案中，电容测量装置10还包括参考针228、参考针护盖240和参考针稳定器部件260，该参考针稳定器部件260限定了参考需要稳定器部件开口272。因此，在该实施方案中，存在主针28和参考针228两者。在该实施方案中，底壁14还限定了参考针底壁开口226，并且盖壁24具有第二盖周壁255，该第二盖周壁255限定了第二盖壁开口230，并且盖壁24具有相对的内部盖壁表面34和外部盖壁表面35，并且外部盖壁表面35具有第二环形凹壁231，该第二环形凹壁231限定了环形垫圈凹部232。第二盖壁开口230相对于第二环形凹壁231中心地定位。即，第二环形凹壁231如图所示围绕或环绕第二盖壁开口230。如图1所示，电容测量装置10包括能够装配在第二环形垫圈凹部232中的第二垫圈236，并且在一个实施方案中，第二垫圈236是O形环垫圈36a。另外并且如图11所示，盖壁第二盖壁开口230和第二底壁开口226相对于彼此对准，例如，在图11所示的视图中，第二盖壁开口230与第二底壁开口226垂直对准。本实施方案中的其余部件

参考针228包括参考针头部238和参考针尖端238。参考电容线297将参考针228连接至装置电子器件118。电容测量软件110能够对从主针28获得的电容测量96和从参考针228获得的参考电容测量296进行比较。参考针228移动到接近植入物100或围绕植入物100的身体198和身体组织204中。

电容测量96与参考电容测量296的比较将有助于消除身体本身的电容测量。

这增加了确定主针28是与金属植入物100接触还是未与金属植入物100接触的准确度。

例如，如果电容测量96突然快速增加并且相对于参考电容测量296更高，则将指示主针28与金属植入物100接触。另一方面，如果电容测量96相对于参考电容测量296较低，则将指示主针28与金属植入物100接触。

因此，参考针228提高了电容测量装置10的准确度，提高了金属植入物的正向检测的准确度。应当理解，尽管未详细描述，但是在该实施方案中的其余表面和部件与结合图1示出和描述的基本上相同。另外，在该实施方案中，可采用上述金属触点124中的另一个，但是为了清楚起见在本文中未示出，以进一步接触并稳定参考针228。

如图12所示，装置电子器件118还包括第一转换器298，并且第一转换器298被标记为U1，其将电容转换成数字格式。第一转换器298可被实现为FDC2214转换器，并且转换器对于本领域普通技术人员是众所周知的。还提供施加了3.3V电压的第一电容器、第二电容器和第三电容器标记为C1,C2,C3。在一个实施方案中，第一电容器C1为1uF/6.3V，第二电容器C2为0.1uF/25V，并且第三电容器C3为10000pF/25V，并且它们全部延伸至标记为340的第一接地和沿线307延伸到由VCC指示的第一电压公共收集器。加法器线304从第一转换器298延伸。

串行数据(SDA)线301和串行时钟(SCL)线302从标记为U1的第一转换器298延伸。另外，可配置中断输出引脚线305和电容器关闭线306从第一转换器298延伸。

如图所示，逆变器和第二接地片沿接地线308和317延伸到第一转换器298、沿线308和317延伸到第二接地342。

用于测量信号功率的第一IN0A和IN0B引线309以及第二IN0A和IN0B引线310从第一转换器298延伸，并且存在被标记为L1的第一电感为18uH/120mA，并且被标记为C1的第一电容器具有33pF/50V，其用作工作电容器测量96。C1和L1构成用于测量电容变化的LC谐振器。

第三引线IN1A、1NAB引线311和第四引线IN1A、1NAB引线312从第一转换器298延伸，并且存在被标记为L2的第二电感为18uH/120mA，和被标记为C2的第二电容器具有33pF/50V，其用作参考电容测量296。

还存在可为340MHz的振荡器320，并且振荡器是众所周知的并且可商购获得，例如，如图所示，其部件号为625L3C040M00000。如图所示，振荡器320用作时钟，并且具有3.3V电压和标记为R1的电阻器，该电阻器具有0.1％的10k欧姆。振荡器320通过第三接地344接地，并且具有被标记为C6的电容器，其为10000pF/25V。存在被标记为VCC2的第二电压公共收集器。振荡器320具有被标记为U2的第二转换器，该第二转换器将电容转换为数字形式，并且第二转换器U2如图所示与第一转换器U1通信。

装置电子器件118的上述配置允许仅通过主针28进行电容测量96，使得可定位金属植入物100，或者可使用金属植入物100使得可通过主针28和参考针240进行电容测量96。

U1利用来自U2的精确时钟信号来测量电感电容回路的频率差，从而提供电容变化。使用时钟和数据线并遵循I2C协议，主MCU可进行电容测量。通道0(INA0，INB0)用于测量与植入物的接触，并在将参考放置在身体中后插入。通道1(INA1，INB1)的电容测量是参考针的电容测量。将工作针放入身体中后，完成了通道0的电容，其中减去了通道1的测量。一旦通道0与金属植入物接触，其电容将始终高于参考值。此外，电容变化将寻找在小于100mS内的2pF-10nF范围内测量的电容的突然变化。

应当理解，上述所有量，例如以法拉和电容表示的量，都是出于示例性目的，并且在其他实施方案中可以不同，并且意图是该量不限制本申请的范围。

在过去，大多数用于检测电容的方案和方法都要求从连接至植入物100的第一引线和第二引线直接进行电连接，然后将少量功率通过植入物100。如果在引线上检测到有从第一引线流动的功率，则将证明两条引线都与金属植入物100接触。与该方法相关联的挑战是需要两条引线或具有两个分开的电极的一条引线。这增加了复杂性和成本。与此相关联的另一个问题是，使用者无法分辨哪个主针没有与植入物直接接触，并且这可能导致不希望的假阴性。

使用的另一种方法涉及通过感觉主针12或布线或引线上的阻力来进行物理反馈。关于该方法的问题是使用者不知道他或她是否正在接触或触摸金属或骨头。X射线可帮助引导主针，但是可能很难确定，因为与金属植入物100的物理接触以外的任何东西由于需要电接触而无法工作。另外，X射线通常是二维图像，并且失去深度可能意味着主针实际上在接触骨头而不是金属，并且由于植入物上存在黑色金属而无法进行MRI。

因此，对于进行电容测量96的金属的本发明的电容测量装置10克服了与上述方法和方案相关联的重大问题。

本领域技术人员将认识到，虽然用于通过电容测量进行金属植入物接触检测的电容测量装置10不一定限于此，并且在不脱离电容测量装置10的前提下可进行其他示例、实施方案、用途、修改和与实施方案、示例、用途和修改的背离，并且所有这样的实施方案都旨在所附权利要求的范围和实质内。