具有壓力實時監測功能的無線跟骨夾的研制

查卿，鐘君，羅才君，于涌

(中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，江蘇 蘇州 215163)

1 引 言

跟骨骨折是目前臨床的常見內外傷，高處墜落或車禍等都會損傷跟骨。跟骨骨折中85%～90%為關節內骨折，其主要表現為跟骨后橫徑增寬以及足弓改變造成足部畸形，影響人的行走功能并容易產生后遺癥，特別是跟骨橫徑增寬引起的疼痛很難治愈[1]。治療方法主要由切開復位內固定、穿針撬拔外固定和保守手法治療等，跟骨的臨床保守治療適用于無移位或移位小于2 mm的關節內骨折,亦適用于極嚴重的粉碎性骨折,或患嚴重心血管疾病和糖尿病而不能耐受麻醉和手術者,不適合進行關節重建包括不能行走的老人以及偏癱者。保守治療通常采用手法復位、跟骨牽引、石膏或夾板固定[2]。跟骨手術復位器械主要包括石膏、穿針撬拔裝置或牽引裝置等，這些復位工具沒有相關力學數據和形狀位置參數，無法定量分析跟骨夾具與人體的相互作用機理以及通過試驗更有效地指導醫師更好的使用工具，以期取得更好的療效[3-4]。為了深入研究跟骨夾在人體的作用機制，本研究研制的具有壓力實時監測功能的無線跟骨夾應用電子壓力傳感儀器對跟骨骨折治療過程中力學數據進行測量和采集，從而對跟骨夾作用過程進行定量分析。

2 生物力學分析

跟骨是人體足部主要的負重結構，是人行走的直接受力部位，具有重要的作用。跟骨骨折是足部常見的骨折，治療后常常會引起一些后遺癥，造成行動不便和疼痛等，其原因主要是跟骨橫徑增寬、跟腓間隙變窄、距下關節面及跟骰關節面不平整、距下關節及跟骰關節退行性改變和布氏角變小等。其中跟骨橫徑增寬和布氏角變小是跟骨骨折后遺疼痛等問題的最常見的兩個原因，也是塌陷、粉碎性跟骨骨折后遺癥多的主要原因，所以，糾正布氏角變小和跟骨橫徑增寬是治療的關鍵[5-6]。

跟骨橫徑復位需要很大的瞬間爆發力，這樣可以減少對皮肉組織的損傷，因為骨折部位會產生不同程度的腫脹，不適合長時間施壓，采用杠桿原理的跟骨夾克服了手法復位力量的不足的問題，有效回復跟骨橫徑，減少并發癥和后遺癥[7-8]。見圖1。

圖1跟骨解剖角度示意圖

Fig1Schematicdiagramofcalcaneusanatong

3 技術方案

3.1 結構設計

跟骨夾主要由夾棍組件、頭部鉸鏈組件、力傳導組件、測力傳感器及顯示儀表和藍牙無線傳輸顯示模塊組成，采用輕量化設計，保證材料的剛度的同時盡量減輕重量≤2 kg。見圖2，跟骨矯形器中的夾棍采用市場上能夠買到的輕質硬鋁管，并對其表面和端部進行處理，每根管上布置一排零件安裝孔，依據杠桿原理設計，配套多種可更換的頭部鉸鏈，跟骨夾板在夾棍的中部，精準的力傳導結構設計，保證測量精確，醫生握住夾棍另一端，便于發力，使用方便。在夾棍末端加上防滑海綿套，夾板的表面采用海綿，泡沫和橡膠的三明治結構，減少對傷者皮膚的損傷。

圖2手動跟骨夾樣機設計圖

Fig2Theprototypedesignofmanualcalcanealclamp

跟骨夾的頭部采用可調鏈條或雙螺栓可調結構，可以根據跟骨的寬度進行調節，使夾板平行夾持。見圖3。

圖3夾棍頭部鉸鏈示意圖

Fig3Schematicdiagramofgagunheadhinge

測力傳感器、導向桿和壓板組成力傳遞系統，兩根導向桿的作用是使傳感器受力保持垂直，這樣采集到的壓力數據才是真實可靠的。夾板采用三明治結構，底層剛性金屬承力層，中間為橡膠緩沖連接層，上面為硅膠接觸面。見圖4。

圖4夾棍力傳導結構示意圖

Fig4Schematicliagramofgagunforcetransmissionstructure

3.2 測量系統組成

采用微型測力傳感器及其顯示儀表，型號：MDS，測量范圍0～500 kg，精度為0.5%極小外型，最大外型高度不超過15 mm，直徑25.4 mm，適合空間狹窄場所使用，不銹鋼或鋁合金材質，防護等級IP66。適用力的控制及測量。更可裝入儀器內部，以便對工作過程力進行監控；儀表量程范圍100 N至20 KN，可記錄數據，并有微機接口，見圖5，圖6。

采用無線傳輸及顯示模塊模塊，靈敏度(誤碼率)達到-80 dBm，傳輸距離≥10 m；本系統選用了廣州匯承公司生產的HC-06型主從一體型藍牙透傳模塊，低電壓3.3 V工作，利用MSP430F449的串口0與其通信，該模塊能夠實現UART串口與藍牙串口之間的數據透明傳輸。見圖7。

圖5微型測力傳感器

Fig5Microforcesensor

圖6測力傳感器顯示儀表

Fig6Measuringforcesensordisplaginstrument

圖7藍牙模塊圖8LCD顯示模塊

Fig7BluetoothmoduleFig8LCDdisplaymodule

接收顯示子系統中選用了一款基于HT1621的段式LCD顯示模塊0173，3.3 V電壓供電，利用MSP430F449的P1.0、P1.1和P1.2普通IO端口與CS、WR和DADA引腳相連，通過模擬SPI通訊，將需要顯示信息按一定數據格式傳輸到0173顯示模塊的指定地址內存。見圖8。

4 器械使用方法

首先，根據傷者跟骨骨折情況，選取合適的鉸鏈類型，調節跟骨夾頭部螺釘或鉸鏈至合適長度；用酒精全方位擦拭跟骨夾，根據手術需要可以在患者跟骨周圍纏上紗布，檢查零部件狀態是否正常；打開電源開關，查看指示燈是否正常工作，施加力時顯示屏是否顯示正常；調整傷者的腿腳的姿態和跟骨夾夾持方位，然后手握在把手上加力。根據測量顯示裝置施加壓力。見圖9、圖10。

圖9跟骨夾實物圖10跟骨夾臨床使用

Fig9CalcaneusclampFig10Clinicaluseofcalcanealclamp

5 結語

我們研制的跟骨整形復位裝置并結合中醫院醫生的手法治療能不開刀就治好跟骨骨折，費用少，治療效果理想，而且術后恢復快，不宜復發。但跟骨夾具目前還存在一些問題，例如結構不夠精巧，力傳感器體積較大，醫生使用不方便，電池供電時間不足，顯示屏可以集成在夾具上面，壓力墊可以做成阻尼調整結構，增強夾具的適配性[9-10]。