基于MSP430的竹夾板固定和石膏托固定的作用力研究

謝澄鋮　繆文興　趙勇

[摘要] 目的 比較MSP430的竹夾板固定和石膏托固定的作用力。方法 本文設計了一款基于MSP430的使用氣壓閉環(huán)的肌肉水腫仿真系統(tǒng)，模擬人體肌肉水腫，通過仿真實驗比較竹夾板固定和石膏托固定時肌肉所受壓力的情況。 結果 共進行了15組對比實驗，對實驗結果求均值后進行二次函數(shù)擬合，擬合所得的竹夾板作用力呈較好的線性特性，并且在初始壓力相同的情況下竹夾板的作用力衰減速度遠遠慢于石膏托實驗組。 結論 竹夾板對肌肉的壓力更穩(wěn)固。

[關鍵詞] MSP430；夾板固定；石膏固定；肌肉水腫；仿真

[中圖分類號] R684.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2018）03（c）-0057-05

[Abstract] Objective To compare the force property between bamboo splint fixation and plaster fixation. Methods A muscular edema simulation system based on MSP430 was designed to carry out experiments.By simulation of human body muscle edema， the pressure on the muscles were compared between the simulation experiment of bamboo splint and plaster fixation. Results A tatol of 15 sets of comparative experiments were carried out. After the experimental， results were averaged， quadratic function fitting was performed. The fitting force of the bamboo plates showed a good linearity. With the same initial pressure， the force of the bamboo plates decrease much slower than plaster group. Conclusion Experiments shows that the force of bamboo splints is more durable and stable for muscles.

[Key words] MSP430； Bamboo splint fixation； Plaster fixation； Muscular edema； Simulation

小夾板用于骨折固定在我國具有悠久的歷史，具有許多優(yōu)點，如：取材容易、使用方便、簡單易學、患者痛苦少、醫(yī)療費用低等，而且符合動靜結合的骨折治療原則[1-2]。中國接骨術學派以小夾板為典型代表，其精髓被歸納為“動靜結合，筋骨并重，內外兼治，醫(yī)患合作”[3]。中國接骨術提倡采用非手術或有限手術方法，根據(jù)肢體動力學原理，通過布帶、夾板、壓墊及機體的相互平衡作用，在早期功能活動和負重載荷時，骨斷端有控制性活動，利于患肢靜脈及淋巴回流，促進腫脹消退，同時使骨折斷端承受生理應力刺激，促進骨折及周圍組織的愈合，在臨床上有大量的應用[4]。然而，竹夾板固定的治療效果眾說紛紜[5]，為了科學地研究其作用效果，本文設計了一個基于MSP430的肌肉水腫模擬系統(tǒng)，通過測量“肌肉消腫”過程中竹夾板對“肌肉”的作用力來觀察竹夾板固定的作用力效果。為了體現(xiàn)竹夾板的特色效果，加入一組石膏托固定的對比組進行比較研究[6]。

1 資料與方法

1.1 一般資料

使用美國德州儀器公司生產的低功耗混合信號處理器MSP430作為核心處理器[7-8]。系統(tǒng)硬件部分主要由MSP430最小系統(tǒng)、氣壓閉環(huán)模塊、壓力采集模塊、串口通信模塊幾個模塊組成[9]。使用筆記本電腦作為上位機，并使用Visual Studio 2015編寫上位機控制軟件。

1.2 方法

1.2.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

1.2.1.1 氣壓測量傳感器電路 采用MEMS壓力傳感器XGZP020SB1，供電采用模擬電源，電壓3.3 V，量程20 Kpa，滿量程輸出70 mV電壓。采用兩級放大電路，第1級為INA118精密儀表放大電路電路圖，第2級為MCP6001放大電路。見圖1、2。

1.2.1.2 氣泵與電磁閥門硬件電路設計 圖3為電磁閥驅動電路原理圖，其中valve_pwm與pump_pwm為MSP430的PWM輸出口，Vmotor+為外部3.7 V電壓輸入，通過調節(jié)PWM的占空比實現(xiàn)調壓的目的。在圖4所示的氣泵驅動電路圖中氣泵采用的是有刷直流電機，額定電壓為DC12 V，在DC3～12 V可以正常工作，充氣時間<10 s（在500 cc容器，從0加壓到300 mmHg所需時間），壓力最大值>450 mmHg。電磁閥可承受壓力范圍0～350 mmHg。

1.2.1.3 壓力采集電路設計 為了測量竹夾板和石膏托對氣囊的作用力，需要使用壓力傳感器，在本系統(tǒng)中同樣使用兩級放大電路來對傳感器信號進行放大。本文中使用壓力傳感器放置空間有限，故選用了紐扣式壓力傳感器，輸入為差分信號。傳感器量程為0～20 kg，安全過載1.5倍滿量程，靈敏度1.4 mv/V，為了使本系統(tǒng)具有便攜性，所以盡量使用了同一種電壓供電，即3.3 V供電。則傳感器滿量程時輸出電壓4.62 mV，傳感器的放大電路見圖5。傳感器信號經過3級放大電路輸入到控制器內，3級電路放大倍數(shù)為400。最后滿量程時輸出電壓為1.85 V，經過AD采樣得到相應的AD值。

1.2.2 系統(tǒng)算法和軟件實現(xiàn)

1.2.2.1 氣壓閉環(huán)的PID閉環(huán)算法 本文中使用的是PID控制器，這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID（比例—積分—微分）控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。

1.2.2.2 氣壓閉環(huán)的軟件實現(xiàn) 在離散系統(tǒng)中，原有的連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)已經不適用，此時將PID調節(jié)器離散化，用差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，分為位置式和增量式兩類。基本偏差e（t），表示當前測量值與設定目標值間的差，設定目標是被減數(shù)，結果可為正或負值，正值表示未達到目標，負值表示超過設定值。（代表比例）偏差和，即每次測量的差值總和，代表積分，基本偏差的相對偏差，即e（t）-e（t-1）用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差代表微分。系統(tǒng)內采用位置型PID作為控制器。

定義當前誤差為err，上次誤差為err_last，誤差累計為integral。則PID控制器的比例項為Kp × err，誤差累計及積分項Integral = integral + err，Ki×integral，微分項Kd×（err-err_last），以上3項求和即為位置型PID控制器輸出。

1.2.2.3 壓力傳感器的標定 為了得到與AD值對應的作用力的值，需要進行標定。使用標準加力裝置對傳感器進行測試，由于使用竹夾板和石膏托對手臂進行固定時，作用力不會達到傳感器的滿量程，所以主要對低量程時的力進行標定（0～50 N）。標定數(shù)據(jù)見圖6。從圖中可以看出傳感器在低量程時具有較好的線性特征，考慮到讀取加力器數(shù)值的時候存在讀數(shù)誤差，所以只需要對AD值進行一次線性擬合，即

1.2.3實驗設計

本次設置了兩組對比實驗，采用正弦衰減的氣壓模擬水腫消退過程，具體氣壓值與維持時間見表1。由于PID閉環(huán)存在誤差，實際加壓以AD采樣值為準。

圖7為實驗系統(tǒng)圖，氣泵封裝在白色盒子內部，通過軟管與氣囊連接，將氣囊包裹手臂模型，系統(tǒng)供電由外部電源供電。壓力傳感器安置在氣囊中下部位，一旦安裝就不再移動位置。本實驗只對竹夾板和石膏托板的固定效果進行對比，與氣囊內氣體壓強的具體大小基本無關，故未對氣壓值進行標定，所以以下采用AD值代表采集到的氣壓值。

實驗過程利用緩慢放氣的氣囊來模擬人體肌肉水腫的消腫過程，MSP430單片機本身具有10位AD，通過系統(tǒng)氣壓傳感器進行采集時最大氣壓不能超過此限制。

在實驗開始前先將氣壓加至AD滿量程，然后進行夾板固定和石膏固定，當壓力傳感器示數(shù)穩(wěn)定為同一值后開始模擬水腫消退實驗，通過采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)來對比竹夾板和石膏托板對肌肉的作用效果。竹夾板實驗組與石膏托實驗組的系統(tǒng)圖分別見圖8、9。

1.3 統(tǒng)計學方法

實驗過程中將氣囊所受壓力和氣壓指令實時存儲，實驗結束后對所有氣壓值指令相同的數(shù)據(jù)求取平均值。通過初步觀察，實驗數(shù)據(jù)明顯不符合一次線性分布，同時為了避免出現(xiàn)過擬合的現(xiàn)象，選擇使用二次函數(shù)進行曲線擬合。本文中使用Matlab 2015a進行擬合，以對比兩組實驗中竹夾板與石膏托對氣囊作用力的效果。

2 結果

石膏托與竹夾板壓力擬合曲線結果見圖10。圖中虛線為竹夾板固定實驗組的實驗結果擬合曲線，實線為石膏托實驗組實驗結果。從圖中可以看出，竹夾板對氣囊的固定效果（壓力）能維持在一個較高的水平（>8 N），而且隨著氣壓的改變，氣囊所受壓力呈現(xiàn)一個近似線性的變化，反觀石膏托固定實驗組則快速衰退，且在壓強較低時（500～800）壓力衰減速度明顯加快，此時石膏托容易發(fā)生脫離，失去固定效果。

3 討論

研究骨折手法整治后竹夾板固定的治療效果有多種方法。目前在業(yè)內被較多采用的方法是長時間隨訪的方式進行后續(xù)跟進[10-14]。這種隨訪的方式需要花費大量的時間和精力，并且不確定因素很多，數(shù)據(jù)量不夠大，得到的數(shù)據(jù)并不可靠，難以得出令人信服的結論。還有一些醫(yī)生和學者嘗試從材料[15-17]和生物力學[18-19]等方面進行定量的分析，這些方式雖然可以減少時間成本和人力成本，但是由于缺少真實實驗對比，不容易體現(xiàn)出不同固定方式產生的治療效果的差異[20-21]。近些年來隨著科技水平的提高，越來越多的學者使用計算機輔助進行研究和分析[22]。

在計算機技術和生物力學仿真技術快速發(fā)展的今天，借助計算機建模技術和虛擬力學仿真的輔助，研發(fā)一種規(guī)范的得到社會認可的科學評價方法，為中醫(yī)竹夾板研究提供更多的技術支持和數(shù)據(jù)支持，進一步促進醫(yī)工的有機結合，是一種值得重視的思路。

本文使用MSP430作為控制器，利用氣泵和氣壓傳感器形成氣體閉環(huán)來模擬人體肌肉的水腫，通過模擬“肌肉水腫”的消退過程采集竹夾板和石膏托對壓力傳感器的壓力值以對比兩種固定方式的固定效果，為中醫(yī)竹夾板固定療效的研究提供一種新的方法。

關于竹夾板的研究仍在不斷進行中，本文所提出的研究方法仍然存在一些不足，如作用部位不明確、力學研究深度及規(guī)范化不夠、仿真與實際療效難以對比等問題。今后仍需要針對這些問題進行深入研究。

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（收稿日期：2017-11-07 本文編輯：王 娟）