用于测量 Boston支具表面压力的无线压力传感器研制

王凯 王胜利 吴志宏 翁习生 邱贵兴

（中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院骨科，北京 100730）

用于测量 Boston支具表面压力的无线压力传感器研制

王凯 王胜利 吴志宏 翁习生 邱贵兴*

（中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院骨科，北京 100730）

背景：Boston 支具广泛应用于青少年特发性脊柱侧凸（AIS）的矫形治疗，其力学设计仍待进一步改进。一些研究通过测量支具对躯体的作用力来探究支具的生物力学原理，但均为实验室测量结果，不能完全反映日常生活中支具对躯体的实际作用力。

目的：研制一种用于测量Boston支具表面压力的无线传感器。

方法：利用单点薄膜压力传感器及无线应变节点构建无线传感器，测量 12 例接受 Boston 支具治疗的 AIS 患者佩戴支具的表面压力以及相关的Cobb角改变。

结果：通过无线压力传感器测得支 具 上 下 压点垫片的压力以及臀部压力平 均 值 分 别为（5.11± 0.66）N、（2.93±0.66）N 和（0.86±0.17）N；佩戴支具后 Cobb 角由 33°±13°减小至 18°±13°，矫正了（49±27）%。

结论：所研制的无线压力传感器能够测量支具的表面压力，并为研制动态测量支具表面压力的设备提供了雏形。

Boston支具；无线压力传感器；表面压力；Cobb角

Background:Although Boston brace is widely used in the orthopedic treatment of adolescent idiopathic scoliosis(AIS),the mechanical design needs further improvement.Some studies explore biomechanical principles by measuring the force from the brace on body,but the laboratory results can not fully reflect the actual force in daily life.

Objective:To develop a wireless force system to measure the direct forces exerted by the pads in the Boston brace.

Methods:InthisstudywebuiltawirelessforcesystemwithforcesensorsandwirelesssystemtomeasurethedirectforcesexertedbythepadsintheBostonbrace.Then12AISpatientsworethebrace,andsurfacepressureandCobbanglesweremeasured.

Results:The force on the upper and lower pads of Boston brace and on the hip were(5.11 ± 0.66)N,(2.93 ± 0.66)N and (0.86±0.17)N,respectively.Cobb angle decreased from 33°±13°to 18°±13°with a correcting rate of(49±27)%.

Conclusions:Our system can be used to measure the direct forces exerted by the pads in the Boston brace and allow us to develop a system to investigate the force distribution inside the brace during daily activities.

脊柱侧凸是一种伴有椎体旋转的复杂脊柱三维畸形，约80%的患者属于发病原因不明的青少年特发性脊柱侧凸（adolescent idiopathic scoliosis,AIS）。据统计，2%～3%的青少年患有 AIS[1]，其中 10%需要接受治疗[2]。有多种非手术方法用于轻微 AIS 的治疗，其目的是阻止处于生长期青少年的脊柱侧凸进一步发展，通常采用的方法是长时间佩戴脊柱矫形支具结合系统锻炼。目前已有 Milwaukee支具和 Boston 支具等多种支具，被设计制作并用于治疗AIS。研究表明，Boston 支具系统可在冠状面上显著纠正 Cobb 角[3]。

Boston 支具广泛应用于 AIS 的矫形治疗，但其内部的生物力学原理尚未完全明确，支具的力学设计仍待进一步改进，以期达到更好的矫形效果。因此，一些研究通过测量支具对躯体的作用力来探究支具的生物力学原理，但这些研究中测量的作用力均是在实验室中进行的，不能完全反映日常生活中支具对躯体的实际作用力[4-13]。Lou 等[14,15]将无线电技术运用于支具的生物力学研究，以期能监测生活中支具的力学作用，但测试的压力点单一，需进一步增加测试点测试支具的压力。本研究研制了一种无线压力传感器，测量经改进制作的 Boston 支具的压力，并期待将其应用于临床，以采集监测治疗过程中支具的压力变化，为改进支具设计和提高治疗效果提供依据。

1 资料与方法

1.1 设备

本研究设计的传感设备由无线应变节点和单点薄膜压力传感器两部分组成。传感器监测压力变化，无线节点采集记录数据并将数据传输至电脑。① 无线应变节点：在无线传输领域现有 Zig-Bee、Bluetooth、802.11 a,b,g,n 等多种传输协议[14]。其中 Zig-Bee(2.4GHz)无线传输协议具有近距离、低功耗、低成本、短延迟、高安全性、高容量、免执照频段等特点，非常符合本研究无线协议的需要，并适合推广普及，用于传输各个患者日常生活中的支具压力数据。本研究使用的无线应变节点系统基于ZigBee技术，可分别连接4个压力传感器，并可根据需要扩展连接256个压力传感器。无线应变节点采集记录传感器测量到的压力引起的应变量，并将数据以无线电的形式发送到电脑中（图 1A）。 ② 传感器：采用 Flexiforce A201 单 点 薄膜 压力 传感 器，该传 感器 具有 灵敏、可靠、轻薄、耐用、高度的可挠性等特点，非常适用于测量支具与体表之间的表面压力。当压力作用于感测区域时，感测区域的电阻值随压力成比例变化，压力越大，电阻值越小[16]。通过下游的信号采集装置获得由电阻变化引起的电压变化，可测得外力的大小（图1B）。

1.2 病例入选标准

入选患者应符合下面的条件：① 均为AIS患者，且侧凸 Cobb 角≤60°，顶椎低于 T7；② 脊柱侧凸有可被矫正的潜力；③ 无皮肤病的病史，如皮炎、银屑病、皮肤过敏等；④ 骨骼未成熟的患者。2010年4月至2010年5月共12例在我院骨科接受支具矫形治疗的患者入组，年龄为3～18岁，平均12岁（表1）。

1.3 研究方法

留取患者已拍摄的站立位全脊柱正侧位X线片资料，以及Cobb角、侧凸类型、Risser征。通过无线压力传感器测量站立位佩戴支具时所有压点垫片处压力及支具臀部下缘无垫片处压力，并拍摄患者佩戴支具站立时的全脊柱正侧位X线片，测量并记录Cobb角。

表1 入选患者的一般资料

2 结果

通过无线压力传感器测量、记录并由 Zig-Bee协议无线传输至电脑，测得佩戴支具即刻上下压点以及臀部压力平均值分别为（5.11±0.66）N、（2.93±0.66）N 和（0.86±0.17）N（表 2），而患者佩戴支具前后 X 线片提示 Cobb角由33°±13°减小到18°±13°，矫正（49± 27）%（表3）。

3 讨论

应用支具治疗AIS已有很长的历史，但支具对脊柱的作用机理仍有很多方面不被人们所了解，支具的设计制作仍需进一步改进，以期达到更好的矫形效果。

图1 无线压力传感器的组成

表2 患者佩戴支具时压力测量值

Cochran 和 Waugh[4]，Chase 等[5]，Lou 等[6]用 压 力或力的传感器测量了侧面垫片位置的压力，但仅限于测量单个点的压力。Chase 等[7]利用牛津压力传感器测量 Boston 支具压点与躯干接触面的压力并测量了Cobb角变化，认为支具的矫形效果并不完全取决于矫形力的大小，而是因人而异，并受多种因素影响。Cote等[8]利用有 256 个单元的压力传感器测量了Boston 支具的内部压力分布，并报道支具内部的平均压力为 4～9 kPa。Périé等[9]通过压力传感器及有限元模型分析 Boston支具的生物力学特性，认为支具是作为一个整体而不仅是单一的压点垫片产生矫形作用，同时调节自身的压力分布。Wong 等[10]研究支具治疗AIS的有效性及其相关生物力学因素，认为主要压点区的平均压力为（7.1±1.8）kPa，垫片处压力与绑带的拉力相关。von den Hout等[11]运用 PEDAR 装置直接测量 16例AIS 患者配戴 Boston支具时的压点与体表接触面的表面压力，认为胸部与腰部垫片处压力大小与Cobb角改变无明显关系。Mac-Thiong 等[12]研究并报道了支具绑带与支具压力的关系。Pham 等[13]运用 I-scan 系统测量Cheneau支具压点处的体表压力值及压力分布。

表3 患者佩戴支具前后的Cobb角及矫正百分比

上述研究中支具对躯体的作用力测量均在实验室中进行，不能完全反映日常生活中支具对躯体的实际作用力，也无法监测患者在日常生活中是否正确佩戴支具，更无法改进支具佩戴方法和提高患者 依从性 。Lou 等[14,15]为 监 测生 活 中支 具 的力 学 作用，将无线电技术运用于支具的生物力学研究，但由于测试的压力点单一，还需进一步增加测试的压力点。本研究研制的无线压力传感器以无线设备配合轻薄的薄膜传感器加载在支具上，测量记录接受Boston 支具治疗的患者佩戴支具即刻的压力数据。这套基于无线技术的压力传感器也为以后测量患者日常生活中佩戴支具的压力提供了雏形，如同 24 h动态心电图一样，可以测量记录患者日常生活中所佩戴支具的一些关键点的1天或长期压力数据。

以往研究表明，应用支具治疗AIS首先应符合生物力学原理的设计，此外需要患者良好的依从性及正确佩戴支具的方法，方可获得良好的治疗效果[17,18]。我们需要获取更多日常生活中佩戴支具的数据，并以次为依据改进支具的设计与佩戴使用的方法，如：①每天佩戴支具需多长时间，是依据经验总结的佩戴时间还是可以减少一部分时间；②睡觉时佩戴支具是积极的还是有负面影响的；③患者日常生活中是否一直坚持佩戴支具、多大的支具压力比较合适（太大的压力会降低患者依从性，而太小的压力又达不到矫正效果，我们需要找到压力、矫正效果与依从性的平衡点）；④支具压力在半年内会如何改变；⑤复查更换新支具的时间是经验性的半年还是更短时间或更长时间，等等。

为使该套设备用于日常生活中，设计为无线传输设备，由电池驱动，并且尽量轻便小巧。因为患者通常6个月复诊一次，所以传感设备需要足够内存，以储存6个月以上采样数据，电池也需要能连续使用6个月以上。整套系统要求低能耗，并且能够定时自动采样。当6个月后患者复诊时，我们可以下载数据并给电池充电，之后继续采集监测数据，直至患者支具治疗结束。因而，该套无线压力传感器在日常生活中使用时可以长期工作，并且能够获取6个月以上治疗过程中的全部力学数据；同时，我们计划进一步缩小无线压力传感器体积，使传感器携带更方便，甚至成为支具的一部分，构建出压力可监测、可调节的Boston 支具，以采集更多患者佩戴支具的长期压力数据。综上，本研究所设计的无线传感设备可以应用于Boston 支具的力学测量，并且具有轻便小巧，能耗低，数据容量较大等特点，但仍需进一步的临床应用验证实这套设备可以长期工作并动态测量支具压力。

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Development of a wireless pressure sensor for the Boston brace interface pressure measurement

WANG Kai,WANG Shengli,WU Zhihong,WENG Xisheng,QIU Guixing*
(Department of Orthopaedics,Peking Union Medical College Hospital,CAMS&PUMC,Beijing 100730,China)

Boston brace;Wireless sensor;Interface pressure;Cobb angle

*通信作者：邱贵兴，E-mail:qiugx@medmail.com.cn