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医疗装置
本发明涉及一种医疗装置，例如植入物。尤其是，本发明涉及包括传感器和通信设备的植入物。诸如此类的植入物称为“灵巧植入物”。
诸如髋关节和膝关节之类的矫形装置常常有发生外科感染的倾向，并且导致植入物的败血性脱开。然而，已经推测：目前低致命性感染的发生率被低估了，这是由于不同的诊断方法造成的问题。与关节修复术相关的感染比无菌性失败发生的频率较低，但是更具有更大的破坏性，致病率更高，且治疗成本更昂贵。除了延长病人的住院时间之外，病人面临着与额外的外科手术和抗微生物治疗的严重风险，即：存在发生新的残疾的可能性。
由于缺少良好计划的预期，以及缺少对于后续阶段的随机性、可控制性的研究，对于关节修复术感染的诊疗主要是基于传统、个人的经验和责任，因此，在不同的机构和国家之间存在着不同的处理方式。此外，所涉及的不同专业的专家具有不同的处理方式，这些不同专业的专家包括：矫形外科医生，传染性疾病医师和微生物学家。
根据所涉及的微生物，感染可以是急性的(症状在材料插入不久以后出现)或者慢性的(症状在材料插入数月后出现)。表1概括了根据移植后症状出现的时间对于关节修复术感染所进行的分类。早期感染主要的临床征象是：持续的局部疼痛，红肿(皮肤发红)，浮肿，伤口愈合失调，大量的血肿和发热。持续或者渐增的关节痛苦和早期的松脱是滞后感染的标志，但是也可能缺乏感染的临床征象。因此，诸如此类感染经常难以与无菌性病变相区别。晚期感染既可以是突发的系统性症状(大约30％)或者是继难以确认的菌血症之后的亚急性感染(大约70％)。最常见的与植入物相关的感染的原发(不太明显)病灶是皮肤、呼吸系统、牙齿和尿路感染(Zimmerli W.Ochsner PE.与关节修复术相关的感染处理，infection 2003；31：99-108；and Kaandorp CJ，Dinant HJ van de LaarMA，Moens HJ，Prins AP Dijkmans BA.Incidence and sources of nativeand prosthetic joint infection：acommunity based prospectivesurvey prospective survey.Ann Rheum Dis 1997；56：470-5)。
在重建关节造形术之后的关节修复术感染的发生率更高，这是由于长时间的手术操作、瘢痕或者或者难以确认的初始外科手术导致的复发。在特定的情况下，抗生素治疗是无效的，可以采用彻底去除植入物，在置换之前清洁伤口的措施，但成本是昂贵的，既取决于费用、时间，也取决于病人的状况。上述程序包括外科手术切割、脓液的排出、硬件的去除，以及由于长期的药物治疗引起的衰弱组织的清除。
修正外科手术可以是与骨托的损失、延期的固定或者更新、以及手术并发症相关，特别是与病人的严重并发症相关。此外，受感染假体关节的治疗即使是保守估计也超过了每次50000美元(HebertCK，Williams RE Levy RS，Barrack RL.Cost of treating an infectedtotal knee replacement.Clin Orthop 1996；140-5.4；and SculcoTP.the economic impact economic impact of infected total jointarthroplasty，lnstr Course Lect 1993；42：349-51)。总计每年超过了十亿美元。
一旦微生物附着于植入物表面并在植入物表面上生长，微生物就开始形成生物膜。生物膜并不是个别细菌的简单聚集。与此相反，它们是相互合作的生物群落，包括一种或多种埋入细胞外聚合物(EPS)基质内的微生物。它是具有高度水合物基体的聚糖和蛋白质，表现出离散的暂时和空间定向，并且具有环境感觉机制，能够在总体水平上对治疗发生适应性响应。生物膜可以在大的范围内改变厚度，限定了表面粗糙度，更限制了养分的输送。例如，单一喜氧铜绿色极毛杆菌生物膜的厚度可以生长至30-30-40μm，但是在厌氧菌改变环境的情况下，这些生物膜的厚度可以增加至130μm(J.W.Costerton，Z.Lewandowski，D.E.Caldwell，D.R.Korber，H.M.Lappin-Scott，″MicrobialBiofilms，″Annu.Rev.Microbiol.49(1995)：711-745)。生物膜细菌可以成为被感染装置的持久特征，这意味着将其无法去除或者通过杀死寄主以消除生物膜(J.W.Costerton，Philip S：Stewart，E.P.Greenberg，″Bacterial Biofilms：aCommon Cause of Cause ofPersistent Infections Persistent Infections″Science 284(21may1999)：1318-1322.1318-1322.)。因此，固着生物膜细菌群落被认为是一种不可逆的感染，几乎不受寄主的自我防御机制的影响(抗体，吞噬细胞)，并且由于细胞外的硫酸盐20-kD酸式聚糖的存在而难以进行探测(K.Karamanos，A.Syrokou，H.S.Panagiotopoulou，E.D.Anastassiou，G.Dimitracopoulos，″The major 20-kD polysaccharide ofStaphylococcus epidermidis extracellular slime and its antibodiesas powerful agents for detecting antibodies in blood serum anddifferentiating among slime-positive and negative S.epidermidisand other staphylococci species″Arch.Biochem.Biophys.342(15June 1997)：389-395.)粘质基体作为物理和化学屏障从而保护细菌免于受到攻击。据估计生物膜导致了超过80％的感染。抗菌素疗法典型地逆转了从生物膜释放出的浮游的(个别的)细胞引起的症状，但是不能杀死生物膜自身(J.W.Costerton，Philip S.Stewart，E.P.Greenberg，″Bacterial Biofilms：a Common Cause of PersistentInfections Persistent Infections，″Science 284(21may1999)：1318-1322.)。据估计，生物膜内的细菌的活性增加了20-1000倍(M.J.Elder，F.Stapleton，E.Evans，J.K.Dart，″biofilm-relatedinfections in ophthalmology，″Eye 9(1995)：102-109.)至500-5000倍(M.R.Brown，D.G.Allison，P.Gilbert，″Resistance of Bacterialbiofilm to antibiotics：agrowth-rate related effect？″J.Antimicrob Chemother.20(1988)：777-783.)，与浮游微生物相比具有较少的敏感性。
生物膜可以由革兰氏阳性菌或者革兰氏阴性菌组成，通常最需要从医疗装置隔离的细菌包括：革兰氏阳性肠球菌和金黄色葡萄球菌，革兰氏阴性大肠杆菌，克雷白氏杆菌和绿浓杆菌。上述细菌可能源于病人自己的皮肤、医疗人员的手或者来源于周围环境内的其它外部来源。生物膜不仅快速生长，而且很难使用诸如：抗微生物剂之类的标准方法机型控制。困难应归于许多的因素，诸如：限制了渗透，减少了增长率，对于环境的防护，营养素的获得，表型的变异，以及在细胞间的通讯。

  分类  特征
  早期感染(＜3个月)  主要是在外科植入手术期  间或者此后的2-4天，由高致病  性微生物(例如：金黄色葡萄球  菌或者革兰氏阴性细菌)引起  延迟或者轻度感染(3-24  个月)  主要是在外科植入手术期  间，由低致病性微生物(例如：凝  固酶阴性葡萄球菌或者痤疮丙酸  杆菌)引起  后期感染(＞24个月)  主要是由血源性远部位感  染引起
表1根据移植后的症状对于假体关节感染进行了分类(reproducedfrom Andrej Trampuza，Werner Zimmerlib，prosthetic jointinfections update in diagnosis and treatment SWISS MED WKLY2005；135：243-251)。
用于诊断矫形植入物感染的临床方法包括：(a)患者自述，(b)成像，(c)血沉(ESR)，血样种的全血细胞计数和C反应蛋白(CRP)水平，(d)滑液细胞计数和(e)活组织检查的切片分析，以下将一次进行说明。
(a)病人自述
在临床上，病人会注意到在休息和活动时渐增的痛苦，同时伴随在植入物附近的发红、肿胀和触痛。已经使用记分评价方法对于患者的自述进行数量化。尤其是使用McGiII疼痛问卷(MPQ)来评价患者个人痛苦体验，这是通过三个主要的心理学痛苦尺度进行评价的：感觉区别，情感动机，以及可估价的认知(Melzack R.the McGiII painQuestionnaire：major properties and Scoring methods pain1975；1：277-299.)。很明显，诸如此类的自述是不可靠的，容易产生偏差。
(b)成像
移植后连续进行射线成像检查是有帮助的，但是对于感染的诊断既不灵敏也不具体(Tigges S，Stiles RG，Roberson JR.Appearance ofseptic hip prostheses on plain radiographs.AJR Am JRoentgenol1994；163：377-80)。超过2mm的连续射线透射的快速显影或者在第一年内严重的病灶骨质溶解经常与感染有联系。计算机段层摄影(CT)和磁共振成像(MRI)均是可供选择的成像技术。CT和MRI的主要缺点在于金属植入物附近发生的成像干涉。电子发射断层扫描(PET)需要对植入物成像作进一步的评估。
伽玛闪烁扫描术具有锝-99m(99mTc)已经用于研究植入物，然而，已报道期具有低的特异性(Corstens FH，van der Meer JW.Nuclearmedicine′s role in infection and inflammation.Lancet1999；354：765-70；and Smith SL，Wastie ML，Forster I.Radionuclidebone scintigraphy bone scintigraphy in the detection ofsignificant complications after total knee joint replacement.ClinRadiol 2001；56：221-4.)。此外，在手术后的第一年中，围绕着假体所增加的骨重装是正常的，并且无菌性脱开不能与感染区别开。
(c)取血样
红细胞沉降率、C反应蛋白血清水平和白血球计数均通常用于假体感染的诊断(Di Cesare PE，Chang E，Preston CF，Liu CJ Seruminterleukin-6 as a marker of periprosthetic infection followingtotal hip and knee arthroplasty.JBone Joint SurgAm.2005Sep；87(9)：1921-7.)。血液白细胞计数和差异不足以充分的区分感染是否存在(Steckelberg JM，Osmon DR.Prosthetic Jointinfection.In：Bisno AL and Waldvogel FA eds3rd.Washington，DC：Am Soc Microbiol 2000：173-209.)。在进行外科手术后，C反应蛋白(CRP)在数周之内提高，并返回至正常值。因此，在手术后期进行重复的测量比单一的测量值能提供更多的信息。
(d)滑液细胞计数
滑液白细胞计数和差异作为一种特性试验，用于将假体关节相关的感染与无菌性损坏相区分。微量透析探针可用于在感染的位置提取微量的细胞外液取样。样品的分析可以探测多种诸如细胞因子之类的化学标识物的存在和数量，这些可以指示出相应于植入物感染的早期信号。此种技术的局限在于它们是相对难以确定的程序，并且不具有理想的灵敏度和特异性。
(e)组织病理学的研究
假体组织的活组织的组织病理学检查是一种评估植入物感染的不确定的技术。通常，它显示了大于80％的结缔组织的敏感性和大于90％的特异性(Trampuz a，Steckelberg JM，Osmon DR，Cockerill FR，HanssenAD，Patel R.Advances in the laboratory in the laboratory diagnosisof prosthetic jojnt infection.Rev Med Microbiol 2003；14：1-14)。然而，炎性细胞的渗透程度可以在相当程度上改变来自于同一患者的样品，甚至于单个组织切片的样品。组织病理学检查的主要局限在于其不能识别致病微生物，而这是选择适当的抗微生物治疗的基本要素。此外，来自于具有潜在的炎症性关节紊乱的组织病理学的解释解释也是困难的。
总之，不存在用于假体关节感染且具有理想灵敏度、特异性和准确度的单一常规临床上或者室内实验。多种传统的监护技术的主要缺点在于微生物的确认不便于这些方法的接近，在这一点上，诊断的过程中感染通常会发展。因此，综合实验室、组织病理学、微生物学和成像检查通常是必须的。理想情况下，感染可以手术之前判断(或者排除)，从而启动手术前的抗微生物治疗，并且允许以适当的方式进行外科手术。尽管可以获得多种的测试，使用传统的监护技术还是难以将无菌性松脱与感染性THR进行区分。
根据本发明的第一方面，提供了一种植入物，包括：传感器；用于传送所述的传感器的输出的通信设备；用于向所述的传感器和所述的通信设备提供电力的电源。
根据本发明的实施例，所述的植入物还包括：用于处理所述的传感器的输出的处理器。
在诸如此类的实施例中，所述的通信设备可以传送所述的处理器的输出。所述的电源提供了用于所述的处理器的电力。
根据本发明的实施例，所述的植入物还包括存储装置。所述的存储装置可以存储所述的传感器的输出。所述的存储装置可以存储所述的处理器的输出。所述的电源向所述的存储装置提供电力。
所述的植入物可以包括一个传感器。所述的植入物可以包括多个传感器。
传感器或者每一传感器可以是埋入所述的植入物内。所述的传感器或者所述的各传感器可以探测生物种类。
所述的传感器可以是温度传感器。所述的温度传感器可以测量与发炎有关的局部温度升高。
所述的传感器可以是压力传感器。所述的压力传感器可以测量血管舒张的局部变化。
所述的传感器可以是荷载传感器。所述的荷载传感器可以测量围绕施加在所述的植入物的发炎软组织的压力升高。
所述的传感器可以是电阻传感器。所述的电阻传感器可以测量与浮肿相关的电导率改变。
所述的传感器可以是电位传感器。所述的电位传感器可以测量感应生物电效应。
所述的传感器可以是氧传感器。所述的氧传感器可以测量好氧细菌的增加或者伴随的低氧含量细菌传染。所述的传感器可以是pH传感器。所述的pH传感器可以监控发酵细菌的活动(即：所述的pH浓度下降与生物膜感染相关)。
所述的通信设备是无线通信设备。所述的无线通信设备可以是Zigbee。所述的无线通信设备是Bluetooth。所述的无线通信设备是射频(RF)。所述的无线通信设备将所述的传感器的输出传送至外阅读器装置。所述的外阅读器装置是存储装置。所述的外阅读器装置是计算机。
所述的电源可以是电池组。所述的电源可以是能量输出装置。所述的电源可以是移动电源压电振荡器和相应的电荷储存装置。所述的电源可以是移动电源发电机和相应的电荷储存装置。所述的电源包括感应耦合系统。所述的电源包括射频(RF)电磁场。
根据本发明的实施例，电荷储存装置可以充入足够的能量，例如：通过感应/RF联接器或者内能输出，从而执行单一测量、处理，并且传送处理结果。
本发明的植入物的第一方面可以通过随时间监测相关标识物的感染，从而启动感染物的连续监测。可以在家或者医院内获得读数。本发明植入物的第一方面具有以下优点：相对于常规方法和设备而言，允许对感染进行早期检测。相关的优点在于：临床医生能够更及时地启动系统抗生素治疗，从而适应感染治疗，并且阻止诸如败血性脱开之类的并发症。相应地，患者治疗也得到了改善和优化，同时减少/消除了痛苦与受难。在保健方面的经济负担也减少了。
根据本发明的第二方面，提供了一种植入物，包括：抗微生物设备；用于激活所述的抗微生物设备的激活设备；用于向所述的激活设备充电的电源。
在此种应用中，抗微生物设备是用于破坏、中和和/或消除微生物的设备，所述的微生物包括细菌。抗微生物设备还包括用于破坏、中和和/或消除生物膜的设备，所述的生物膜包括微生物。诸如此类抗微生物设备称为破坏设备，并且它们能够分裂、削弱或者浸蚀生物膜。
所述的植入物可以包括抗微生物设备。所述的植入物包括多个抗微生物设备。
所述的破坏设备包括物理设备。
所述的破坏设备包括机械设备。所述的破坏设备可以是流体静压装置。所述的破坏设备包括流体流。所述的破坏设备包括电学设备。
所述的破坏设备包括电学设备。所述的破坏设备可以是电解装置。所述的破坏设备可以是电压发生器。所述的破坏设备可以是发电机。
所述的电源可以是电池组。所述的电源可以是能量输出装置。所述的电源可以是移动电源压电振荡器和相关的电荷储存装置。所述的电源可以是移动电源发电机和相关的电荷储存装置。所述的电源包括感应耦合系统。所述的电源包括射频(RF)电磁场。
所述的激活设备包括通信设备。所述的通信设备可以是无线通信设备。所述的无线通信设备可以是Zigbee。所述的无线通信设备可以是Bluetooth。所述的无线通信设备可以是射频(RF)。所述的无线通信设备与计算机相连接。
所述的抗微生物设备包括化学药剂。所述的抗微生物设备包括化学药剂，能够破坏、中和或者除去群体感应信号。所述的抗微生物设备包括过氧化物。所述的抗微生物设备包括O₂/O₃。所述的抗微生物设备包括碘剂。所述的抗微生物设备包括三氯噻嗪。所述的抗微生物设备包括双氯苯双胍己烷(chlorhexadene)。所述的抗微生物设备包括抗生素。
所述的抗微生物设备包括生物制剂。所述的抗微生物设备包括抗体。
在这些实施例中，所述的抗微生物设备包括化学制剂和生物制剂，所述的植入物还包括：用于储藏所述的化学制剂和生物制剂的存储体，所述的存储体具有释放所述的化学制剂和生物制剂的释放机构，其中所述的释放机构通过所述的激活设备予以激活。
所述的存储体是埋入所述的植入物的贮液腔。
所述的释放机构是一种阀。
所述的电源可以是电池组。所述的电源可以是能量输出装置。所述的电源可以是移动电源压电振荡器和相关的电荷储存装置。所述的电源可以是移动电源发电机和相关的电荷储存装置。所述的电源包括感应耦合系统。所述的电源包括射频(RF)电磁场。
所述的控制设备包括通信设备。所述的通信设备可以是无线通信设备。所述的无线通信设备可以是Zigbee。所述的无线通信设备可以是Bluetooth。所述的无线通信设备可以是射频(RF)。所述的无线通信设备与计算机相连接。
本发明所述的植入物的第二方面具有以下优点：允许临床医生在感染源处治疗感染，并阻止诸如败血性脱开之类的并发症，并且不需要系统的抗生素治疗。如有必要，临床医生还能够启动系统的抗生素治疗，为了治疗感染还能够一并激活植入物。相应地，患者治疗得到了改善和优化，同时减少/消除了痛苦与受难。保健方面的经济负担也减少了。
根据本发明的第三方面，提供一种植入物包括：传感器；用于传送所述的传感器的输出的通信设备；抗微生物设备；用于激活所述的抗微生物设备的激活设备；用于向所述的传感器、所述的通信设备和所述的激活设备充电的电源。
在此应用中，抗微生物设备用于破坏、中和和/或消除微生物，所述的微生物包括细菌。
抗微生物设备还包括装置用于破坏、中和或者消除生物膜的设备，所述的生物膜包括微生物。诸如此类的抗微生物设备是破坏设备，它们能够分裂、削弱或者浸蚀生物膜。
根据本发明实施例的第三个方面，所述的植入物还包括用于处理所述的传感器的输出的处理器。在诸如此类的实施例中，所述的通信设备能够传送所述的处理器的输出。所述的电源向所述的处理器提供电力。
根据本发明第三个方面的实施例，所述的植入物还包括存储装置。所述的存储装置存储所述的传感器的输出。所述的存储装置存储所述的处理器的输出。所述的电源向所述的存储装置提供电力。
所述的包括一个传感器。所述的植入物包括多个传感器。所述的传感器或者各传感器可以埋入所述的植入物内。
所述的传感器或者各传感器可以探测体征/参数。所述的传感器或者各传感器可以探测化学制剂。所述的传感器或者各传感器可以探测生物制剂。
所述的传感器是温度传感器。所述的温度传感器可以测量与发炎相关的局部组织温度升高。
所述的传感器可以是压力传感器。所述的压力传感器可以测量血管舒张的局部变化。
所述的传感器可以是荷载传感器。所述的荷载传感器可以测量围绕所述的植入物的发炎软组织施加压力的增加。
所述的传感器可以是电阻传感器。所述的电阻传感器可以测量与浮肿相关的电导率改变。
所述的传感器可以是电位传感器。所述的电位传感器可以测量感应生物电效应。
所述的传感器可以是氧传感器。所述的氧传感器可以测量好氧细菌的增加或者测量与低氧含量相关的细菌传染。
所述的传感器可以是pH传感器。所述的pH传感器可以监控发酵细菌的活动(即：与生物膜感染相关的pH浓度下降)。
所述的通信设备可以是无线通信设备。所述的无线通信设备可以是Zigbee。所述的无线通信设备可以是Bluetooth。所述的无线通信设备可以是射频(RF)。所述的无线通信设备将所述的传感器的输出传送到外阅读器装置。所述的外阅读器装置具有存储装置。所述的外阅读器装置是计算机。
所述的植入物的第三个方面包括抗微生物设备。所述的植入物包括多个抗微生物设备。
所述的破坏设备包括物理设备。
所述的破坏设备包括机械设备。所述的破坏设备可以是冲击波产生装置。所述的破坏设备可以是超声波作用装置。所述的破坏设备可以是磨蚀剂装置。所述的破坏设备可以包括流体流。
所述的破坏设备可以包括电学设备。所述的破坏设备可以是电解装置。所述的可以是电压发生器。所述的破坏设备可以是发电机。
所述的电源可以是电池组。所述的可以是能量输出装置。所述的电源可以是移动电源压电振荡器和相关的电荷储存装置。所述的电源可以是移动电源发电机和相关的电荷储存装置。所述的电源可以包括感应耦合系统。所述的电源包括射频(RF)电磁场。
所述的激活设备包括通信设备。所述的通信设备可以是无线通信设备。所述的无线通信设备可以是Zigbee。所述的无线通信设备可以是Bluetooth。所述的无线通信设备可以是射频(RF)。所述的无线通信设备与计算机相连接。
所述的抗微生物装置包括化学药剂。所述的抗微生物设备包括化学药剂，能够破坏、中和或者除去群体感应信号。所述的抗微生物设备包括过氧化物。所述的抗微生物设备包括O₂/O₃。所述的抗微生物设备包括碘剂。所述的抗微生物设备包括三氯噻嗪。所述的抗微生物设备包括双氯苯双胍己烷(chlorhexadene)。所述的抗微生物设备可以包括抗生素。
所述的抗微生物装置可以包括生物制剂。所述的抗微生物装置可以包括抗体。
在这些实施例中，所述的抗微生物设备化学制剂，所述的植入物还包括：用于储藏所述的化学制剂或者生物制剂的存储体，所述的存储体具有释放所述的化学制剂或者生物制剂的释放机构，其中所述的释放机构是通过所述的激活设备激活的。
所述的存储体是埋入所述的植入物的贮液腔。
所述的释放机构是一种阀。
所述的电源可以是电池组。所述的电源可以是能量输出装置。所述的电源可以是移动电源压电振荡器和相关的电荷储存装置。所述的电源可以是移动电源发电机和相关的电荷储存装置。所述的电源包括感应耦合系统。所述的电源包括射频(RF)电磁场。
根据本发明实施例，电荷储存装置可以充入足够的能量(例如：通过感应/RF联接器或者内能输出)，从而执行单一测量、处理和传送所述的处理结果。
本发明植入物的第三个方面可以通过随时间监测与感染相关的标识物，从而启动传染物的连续监测。可以在家中或者医院内获得量测读数。
所述的植入物包括抗微生物设备，所述的抗微生物设备能够激活，从而破坏、中和或者除去微生物，所述的微生物包括细菌。所述的抗微生物设备能够破坏、中和或者除去生物膜，所述的生物膜包括微生物。
所述的植入物可以自动地响应所述的检测数据，并激活所述的抗微生物设备。
所述的植入物可以自动地将所述的检测数据传送至外部控制设备。所述的外部控制设备可以是计算机。所述的外部控制设备可以自动地与所述的激活设备进行通讯，从而激活所述的抗微生物设备所述的外部控制设备向使用者，例如：临床医生，提供所述的检测数据。所述的临床医生能够随后激活所述的抗微生物设备。
所述的外部控制设备可以运行外科治疗算法。所述的外科疗法将在下文中进行说明。
所述的植入物可以自动地将所述的检测数据传送至植入物的内部处理器。所述的内部处理器可以自动地与所述的激活设备进行通讯，从而激活所述的抗微生物设备。
所述的内部处理器可以运行外科疗法算法。所述的外科疗法算法将在下文中进行说明。
本发明所述的植入物的第三方面具有以下优点：同常规方法和设备相比，其允许进行感染的早期检测。它还具有下列好处：允许临床医生通过激活所述的抗微生物设备在感染源处治疗感染，并阻止诸如败血性脱开之类的并发症，并且不需要系统的抗生素治疗。如有必要，临床医生还能够启动系统的抗生素治疗，为了治疗感染还能够一并激活植入物。相应地，患者治疗得到了改善和优化，同时减少/消除了痛苦与受难。保健方面的经济负担也减少了。
根据本发明的第四方面提供了一种系统，包括：根据本发明第一方面的与分离控制设备相连接的植入物。所述的控制设备可以是计算机。
根据本发明的第五方面提供了一种系统，包括：根据本发明第二方面的与分离控制设备相连接的植入物。所述的控制设备可以是计算机。
根据本发明的第六方面提供了一种系统，包括：根据本发明第三方面的与分离控制设备相连接的植入物。所述的控制设备可以是计算机。
根据本发明的第一、第二、第三、第四、第五、第六方面任何适当类型的所述的植入物，根据本发明的植入物的实施例包括但是不局限于以下部件：(a)重建装置(用于全膝关节替换的胫骨、股骨或者膝盖骨部件)，用于全髋关节植入物的股骨或者髋臼部件，用于肩关节替换的肩胛或者肱骨部件，用于踝关节替换的胫骨和距骨，用于腰椎和脊柱颈段圆盘替换的椎体中间部件，在肘替换中的肱骨、尺骨和桡骨，以及在指关节替换中的掌骨和腕骨；(b)创伤装置(钉，板，接骨螺钉，导管螺钉，销，棒，肘钉和缆索)。上述仪器会延伸应用于牙齿和颅颌面植入物。
本发明实施例具有以下优点：所述的植入物或者系统允许对信息进行收集和处理，从而形成相对于植入物感染而言有用的临床资料。它们还允许临床医生以更为及时的方式进行治疗，所使用的治疗方法是专门设计用来植入物表面上生物膜的形成，并且能够改善抗菌素疗法的效果。本发明能够减少继外科手术之后的感染率，能够显著地减少保健费用，同时改善病人的生活质量。
以下通过实施例并结合附图进行说明，其中：
附图1是根据本发明实施例的矫形髋关节植入物的示意图；
附图2是根据本发明实施例的矫形髋关节植入物的示意图；
附图3描述了根据本发明实施例的矫形装置决策过程流程图；以及
附图4显示了超声波作用和暴露于抗菌素后，包括有金黄色葡萄球菌生物膜的矫形销的对数计数值。
附图1显示了根据本发明的一个实施例的矫形髋关节植入物(1)。所述的植入物(1)包括股骨部件(2)、传感器(3)和微处理器/天线(4)。所述的传感器(3)例如可以是pH、温度、载荷或者电学传感器。如附图1所示，所述的股骨部件(2)的外表面上具有细菌膜(6)。显示的所述特定植入物是用于在股骨(7)和髋臼(5)内进行移植的髋关节植入物。
附图2显示了根据本发明实施例的矫形髋关节植入物(10)。所述的植入物(10)包括股骨部件(2)、传感器(3)、微处理器/天线(4)和抗微生物装置/干扰装置(11)。所述的传感器(3)例如可以是pH、温度、载荷或者电学传感器。如附图2所示，所述的股骨部件(2)的外表面上有细菌(6)。当所述的传感器(3)探测到细菌(6)时，所述的传感器(3)发送警报。
所述的抗微生物装置/干扰装置可以是在此公开的任何装置。所述的抗微生物装置/干扰装置(11)处于临床医生的直接控制下。
显示于附图2中的特定植入物是用于在股骨(7)和髋臼(5)内进行移植的髋关节植入物(10)。在附图2中显示的实施例中，所述的髋臼(5)容纳有容纳塑料杯修复体(9)。
附图1、2中的植入物具有例如由不锈钢或者钛制成的股骨部件(2)。微处理器/天线(4)能够进行无线通信。
微处理器/天线(4)包括电源(未显示)。所述的电源为传感器(3)和/或抗微生物装置/干扰装置(11)提供动力。
根据本发明的一些实施例，如在此所描述的那样，可以使用外接电源。
智能植入物/系统
根据本发明的实施例的植入物是一种灵巧矫形全髋部置换(THR)，用于在闭环系统中执行以下操作：(a)检测和储存与植入物传染有关的数据(例如：温度、压力、氧消耗和氢离子浓度)，(b)应用智能决定是否由病人/临床医生采取行动，应用专门处理与关节感染相关的信息的算法，使用外科疗法从而响应检测到的数据，(c)激活遥测线路以警告临床医生即将发生的传染，使得他/她能够应用破坏治疗，进而消除生物膜，并且改善抗菌素疗法传送。
根据本发明实施例的植入物由传感器和相关的电子元件组成，设置于髋关节杆和股骨头的外表面上加工的凹处内。气密的壳体适合于在病人的体内进行移植。结合的传感器及其他的电子元件位于诸如THR之类的植入医疗装置内，并且改变了其初始功能，从被动的(载荷支承装置)变换为具有记录和监视无菌松脱能力的灵巧“智能”系统。传感器通过附加的遥测能力，触发了来自于植入物内的治疗，上述植入物影响着其周围的环境。遥测技术的应用使得植入装置能够检测他们周围的变化，并预测或者确定此处植入物适当的特定功能。所述的资料可以进行存储，并且传送至中央监视站。为了直接影响植入物周围诸如感染之类的环境，一个简单的告警信号可以激活并触发来自于植入物或者外部干扰模块的进一步响应。
传感器
在附图1和2中，示意性的描述了根据本发明实施例的用于早期监视植入物感染的植入物/系统。附图1示出了包括传感器的植入物。附图2示出了一种植入物，包括：传感器和采用干扰装置形式的抗微生物装置。所述的植入物提供关于生物膜处理的连续的、非破坏性的数据，并且能够在含水的环境内起作用，不需要取样切除，来自于体相内的有机体或者污染物的微小信号提供了实时数据。
植入物由根据需要定位在所述植入物上或者附近的一系列传感器组成，这些传感器能够同时测量与植入物传染有关的参数。同时记录多个参数的能力改善与传染物相关的决策程序。优先选用的传感器是具有预报功能的传感器，具有对菌细胞/体液内毒素/植入物表面生物膜的存在进行探测，以及计数和/或识别的能力。这些传感器利用精确的、非侵入的、就地监控的方式，对那些没有任何明显临床征象但是发生感染的体液进行监控，从而向患者/临床医生发出告警。所述传感元件无论是在医院或者工作环境下，都能够长期对病人进行监控。
传感器评估围绕着矫形植入物(例如：髋关节、膝、踝或者背部)组织炎症的程度，上述组织炎症发生的程度与深度创伤感染相对应。感染导致了炎症以及伴发的发热，因此导致局部组织的温度发生变化。因此，温度传感器提供了与腐血症松脱相关的深度感染存在的确定指示，这是由于感染导致了局部组织温度的升高。炎症还导致局部组织内的压力增加、血管舒张和血管通透性增加。压力传感器可以测量围绕着被感染的植入物周围的组织发生的动脉血压的升高。负载传感器可以测量围绕着植入物的发炎软组织所施加压力的提高。当组织纤维束单轴向拉伸时，这种力可以由附近的负载传感器探针检出。传感器对于流体流、被测物浓度、pH及其他的变量的反应也可以用于改善所述的决策算法。pH传感器可以用于确定与异常的pH水平相关的病理学的条件的存在，特别是与发酵细菌活动相关的那些异常的pH水平。氧传感器可以用于测量好氧细菌增加或者与细菌传染伴随的低氧含量(L.E.Bermudez，M.Petrofsky，and J.Goodman，″Exposure to Exposure to low oxygentension oxygen tension and increased osmolarity enhance theability of Myobacterium avium to enter intertestinal epithelial(HT-29)cells，″Infectlmmun.，vol.65，no.9，pp.3768-3773Sep.1997.)。生化传感器可以用来监控炎症指示物的增加，这些炎症指示物的是与感染的发生相对应的。当菌细胞粘附在植入物的表面上时，细菌的表现型出现变化，并且释放聚糖，这些特定的指示物均能够被传感器所探测。
其它的深部感染指示物包括对于横越植入物表面上的电位相对时间的相关变化进行测量。生物膜的活动能够改变界面的化学组成，从而改变了生物系统的电位。在限定的条件下，电位改变的测量可用于微生物活动的指示，并且与微生物的存在相关。深部感染可以导致组织水肿，因此含水率增加，这就可能引起横越植入物表面上的电导率的改变，这些改变可以使用电阻传感器进行测量。
随着从传感阵列获得这些信息，临床医生可以决定病人治疗的最佳措施，诸如：(a)抗生素处方，(b)植入物抗微生物装置的活化以消除生物膜，这些还可以作为预防手段或者预防措施使用，(c)同时应用抗菌药和抑制治疗，或者(d)用于确定再次手术的更为适当的时间。
适当的传感器包括那些能够连续不断的检测它们的环境并收集数据的传感器。这就需要在外科手术后持续数年的时间。传感器可以测量与植入物感染有关的参数(例如：温度，载荷，压力，pH和氧气)，并且当遥控智能监控器查询时，能够发送量测读数。温度传感器的灵敏性足以探测与深部感染相关的局部温度变化。荷载传感器能够测量在组织发炎的过程中组织束纤维张力的增加。pH传感器用于确定与异常pH水平相关的病理学条件的存在，尤其是与发酵细菌活动相关的异常pH水平。氧传感器能够测量好氧细菌的增加，或者测量与低氧含量伴随的细菌传染。传感器的敏感性足以对那些能够导致植入物感染的生命机能提供告警。通过关注实时的信息，并作出适当的响应，诸如：激活破坏治疗，病人能够避免健康危机。传感器可以使用压电元件自我提供电力，或者通过电磁感应、射频(RF)感应、电池提供电力。
传感器定位于植入物的表面上或者附近，其设置方式使得它们能够探测横越植入物全部表面的感染病原物。
抗微生物装置/破坏设备
根据本发明实施例的植入物使出智能微机电系统(MEMS)，以提供机械(例如：超声，超声波降解，冲击波)、电学(例如：电压，电解)或者生物学/化学(例如：酶处理)刺激，从而阻止/破坏生物膜的形成，分散粘附在表面上的细菌，并且破裂它们的多孔结构。临床医生直接控制着这些智能设备的激活，这些智能设备也可以是可植入的或者是外在的装置。这些破坏疗法可以与预防性抗生素治疗结合使用，从而改进其作用的效率/模式。
在本发明的实施例中，临床医生对植入物施加脉冲，超声波的传送是应用内置的压电传感器进行的，这些压电传感器附着或者植入上述植入物的表面，或者是利用定位于受感染组织的皮肤上的便携式手持系统进行的。超声是一种具有一定频率波的声学(音响)能量。人耳能够感受到的最高频率的声波大约为20000Hz。这是声波范围的边界，从这里开始属于超声波范围。频率范围的上限仅由信号产生装置的性能所限定，已经使用了千兆赫级别(超过了10亿赫兹/秒)的声波。聚焦超声能量的单一照射被称为“超声波作用”。词语“超声化学”定义为通过强烈的声波强化化学过程。在超声化学中，最主要的现象在于流体中气泡的生成、增加和破裂。众所周知的是超生浴，并且具有0.3W/cm²的能量，能够将水转化为双氧水。超声波化学的收率和比率依赖于以下的参数，诸如：频率，功率，超声波作用产生的气体，气体的压力，温度。
脉冲超声通过气穴扰乱了菌细胞膜，从而促进了对于抗生素的主动和/或被动吸收。这种方法能够使目标特定化，并且能根除生物膜内和附近的菌细胞。在本发明的其它实施例中，MEMS装置能够在植入物的表面上形成电场，从而提高带电抗生剂和抗生素清除生物膜细菌的效率。射频电磁场直接作用在形成生物膜基体分子的极性部分上，减少了细菌的代谢活动和生长率，尽可能发挥了抗生素的效力。
在本发明其它的实施例中，植入物具有微处理器控制的输送系统，能够根据检测的数据，按照需要来控制生物/化学物质的释放，从而阻止生物膜的形成。运用算法实现对于药物洗脱率的电子控制，这些药物储存在位于植入物内的贮液腔内。生物学控制可以根据特定的细胞密度或者“群体感应信号”(quorum-sensing signals)而起作用，群体感应信号是细菌之间进行信息交流的一种形式。群体感应信号在协调细菌内多细胞行为和调节众多的生理过程中均具有重要作用。破坏这些信号传递通道能够阻止生物膜在植入物表面上的扩展。
分配系统的有效成分可以是杀菌药或者杀菌剂，诸如：氧化氮，氮化三银或者是过氧化物混合物，这些均是已知的可以有效杀灭多种细菌的物质。诸如乙二胺四乙酸(EDTA)之类的表面活性剂也可以用于对聚糖进行破坏，而聚糖是生物膜的主要成分。主动治疗模块与传感器可以一并预先植入，并可以作进一步的修改，使其能够释放抗生素，从而阻止生物膜的形成或者消除生物膜，这样使得生物膜对于抗生素的固有抵抗力得到消除，感染就可以得到更好地根除。
闭合反馈回路
根据本发明的植入物和系统能够诊断和治疗早期的细菌传染，并且能够经由遥测线路向患者和医师提供反馈。附图3中显示了用于假体关节传染的外科治疗步骤的流程要点。本发明提供一种在植入患者体内后用于改变植入物的反馈回路和装置，从而对一系列自带传感器的探测作出响应。相关的参数经由以下的算法进行处理，使得其能够被患者或者临床医生所理解。来自传感器的反馈对于临床医生提出警报，使得临床医生能够以比目前的诊断方法更为及时的方式确定所需要采取行动。随后基于检测的数据，临床医生决定是否激活植入物抗微生物装置(例如：自带干扰疗法)，以及当需要采取更综合的治疗手段时，同时进行抗生素治疗。在干扰疗法作为预防性的疗法的情形下，上述治疗步骤还可以用于治疗高风险的病人。
电源
败血性松脱由可能发生在外科手术或者手术之后的15-20年。因此，系统功能在纵向的及时就极为重要。功率调节策略可以包括植入物电源，例如：电池，或者使用能量输出装置，诸如：移动电源压电装置或者发电机，以及相关的电荷储存装置。其它形式的供电装置包括感应耦合系统或者射频(RF)电磁场。也可以是向存储装置充上足够的能量(通过感应/RF连接或者内能输出)，从而执行拍摄测量，以及所后的处理和结果的传输。
数据管理
根据发明的植入物和系统可以用来连接与远程数据存储系统，诸如：因特网或者电脑，这些存储系统通过诸如PDA、电话系统之类的装置进行连接，医师或者护士能够对其进行监控，或者是用于对植入物实施遥控交互作用。
通信
根据本发明的植入物和系统具有通过无线方式发送存储信息进行通讯的能力，可以利用的现有技术诸如：无线蜂窝(Zigbee)，蓝牙(Bluetooth)或者射频(RF)技术。ZigBee是一种公开规格的高电平通信协议，用于无线个人区域网(WPANs)。Bluetooth是一种专业的行业标准，便于在无线设备之间进行短程通讯。RF是一种无线通讯技术，使用电磁波收/发上述频率大约为0.1兆赫的信号数据。
遥测矫形植入物
根据本发明的实施例，提供了一种遥测矫形植入物。所述的植入物连续测量与植入物感染有关的一组数值，然后将它们从植入物在不干扰其主要功能的情况下发送至读出器，植入物的主要功能在于支承载荷。植入物可以制造得具有0.5mm深的凹槽，用于保护传感器和缆芯线，防止它们在通过手术插入的过程中受到磨损。传感器通过使用一定范围的高刚度胶粘剂可以被固定到金属内腔的表面上，这些胶粘剂包括环氧树脂、聚氨酯、紫外线固化胶粘剂和医学级氰丙烯酸酯。这些固定方法对于传感器的性能不存在不利的影响。
存在许多封装电子部件的方法。如果电池组或者其它具有潜在危险的装置包含在电子系统内，可以使用钛制外壳。选择性的是，如果所述的部件是生物学无害的部件，那么就可以使用简单封装材料提供气密封接，这些封装材料例如：聚氨酯或者硅树脂。由于电子元件与病人组织和体液相密封隔离，就可以长期实现上述装置的功能。同时，非生物相容的或者有毒材料的渗漏就得到了消除。所述的封装材料是一种电学绝缘、防潮材料，能够以液态或者油灰状的形式供应，并且作为保护涂层应用在电学和电子设备敏感区域。传感器和导体可以覆盖在具有适当的机械特性的封装材料之内，这些机械特性保持在移植的过程中，并且恢复机械封装。所述的植入物还包括电子元件，所述电子元件形成了具有传感器的仪器电路。因此，其余的电器部件(诸如：PCB)也容纳于设备的凹陷处，并覆盖于生物相容的封装材料之内，从而避免与体液和湿气的接触。
在本发明的这些实施例中包括抗微生物装置，该抗微生物装置包括用于破坏治疗的生物制剂/化学制剂，该破坏治疗基于检测到的数据的结论根据需要予以执行，辅助储槽容纳有上述制剂，辅助储槽插入全髋关节替换的股骨部件中空部分内。这些专门设计的股骨部件在制备中应用了新颖的添加剂生产过程，这些均优先于传统的切削和锻造技术。
根据本发明实施例的植入物，能够在不干扰植入物的主要功能的情况下，提供了基于对于感染物探测的基础上真实、客观和精确的数据，正是这些感染物形成了生物膜。一旦传感器检出了感染物，这些仪器允许临床医生激活用药程式，而这些用药程式是专门设计用于阻止生物膜在植入物表面上的发展。这就避免了病人承受潜在的痛苦以及昂贵的替换被感染植入物的外科修正手术。这种在活的有机体内低成本的方法可以在医院或者病人家中实施。
根据本发明的植入物的实施例包括但是不局限于以下部件：(a)重建装置(用于全膝关节替换的胫骨、股骨或者膝盖骨部件)，用于全髋关节植入物的股骨或者髋臼部件，用于肩关节替换的肩胛或者肱骨部件，用于踝关节替换的胫骨和距骨，用于腰椎和脊柱颈段圆盘替换的椎体中间部件，在肘替换中的肱骨、尺骨和桡骨，以及在指关节替换中的掌骨和腕骨；(b)创伤装置(钉，板，接骨螺钉，导管螺钉，销，棒，肘钉和缆索)。上述仪器会延伸应用于牙齿和颅颌面植入物。
根据本发明的一些实施例，提供了至少一个上述的传感器容纳于自足的组件内，位于植入物附近的位置上并对植入物进行检测，一旦经由外科医生激活，允许使用最小限度的侵入外科手术。
至少一个传感器可以采用自足芯片。所述的芯片可以是基于RFID技术。
自足芯片可以是一种小型化的无线植入式传感器和外部电子模块(病人体外)。外部电子模块与传感器进行无线通讯以传输重要的患者数据。
无线传感器可以通过无线电射频(RF)提供电力，这些电力是由外部电子模块发送的，并且可以发送实时数据。外部电子模块可以包括判读系统。
芯片可以包括封装在诸如：硼硅酸盐玻璃、硅树脂之类材料内的气密电路。芯片周围环绕具有着PTFE涂层的镍-钛线。
芯片长度可以是15至25mm。芯片长度可以是17至23mm。芯片长度可以是19至21mm。芯片长度可以约为20mm。
芯片宽度可以是3至10mm。芯片宽度可以是3至7mm。芯片宽度可以是4至6mm。芯片宽度大约可以是5mm。
芯片厚度可以是。芯片厚度可以是3至10mm。芯片厚度可以是3至7mm。芯片厚度可以是4至6mm。芯片厚度大约可以是5mm。
以下的方案均位于本发明的范围之内。
患者安装具有无线仪器的关节再建产品。上述植入物内的机电系统应用一个或多个传感器以监控患者痊愈状况，以便决定在恢复期内是否需要采取任何的抗菌治疗。选择性的是，治疗模块可以作为预防性措施永久性的处于激活状态。
这种与仪器程序相关的技术还适应于监控与感染有关的其它的植入物，这些感染是指与心血管系统、尿路和外科手术伤口相关的感染。
所述的仪器还可以作为研究工具，从而允许临床医生执行活体内的监控，以进行矫形物或者其它的用于普通患者的植入物的诊断，从而了解败血性脱开的机理。
附图4显示了包含有金黄色葡萄球菌生物膜的矫形销，继超声波作用和暴露于抗菌素之后获得的对数值。无菌不锈钢矫形销(10mm长度x6mm直径)预培养在1ml的热钝化马血清内，持续30分钟，温度为370℃，并进行搅拌。随后，该矫形销接种制取于胰酶大豆肉汤内的金黄色葡萄球菌(临床上相关的细菌)，其中的金黄色葡萄球菌大约为107cfu/ml，并且在370℃温度下进行搅拌，培养72小时。然后，该矫形销从培养液中取出，清洗去除任何浮游的菌细胞，分别在以下条件在10分钟和60分钟时计数：
在单独的稀释剂内施加超声波；
施加超声波，并且稀释剂具有4μg/ml的托普霉素；
首先在稀释剂内施加10分钟超声波，然后在静态条件下添加4μg/ml的托普霉素。
已经预先确定，超声波在稀释剂内以60kHz、10分钟作用在此类销上，足以清除销表面存在的非浮游细菌。将时间延长至60分钟，允许在有或没有抗菌素的情形下对连续超声波的效果进行研究。
结果显示，在超声波和托普霉素(4μg/ml)同时存在的情况下，在10分钟内将细菌减少至检测极限下。一旦细菌在初时的10分钟超声波作用下从销上被除去，连续超声波在不需要托普霉素的情况下，在10分钟内将细菌减少至检测极限下。
这些表明，在破坏和消除活体外细菌性的生物膜方面，超声波作用和抗生素的应用是有效的。因此，在破坏和消除活体外细菌性的生物膜方面，根据本发明实施例的植入物和系统在作为抗微生物设备的超声波作用连同抗生素一并使用时是有效的。单独使用超声波作用，如果使用优化的频率和照射时间，在破坏和消除活体外细菌性的生物膜方面也是有效的。