具有压力实时监测功能的无线跟骨夹的研制

查卿，钟君，罗才君，于涌

(中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州 215163)

1 引 言

跟骨骨折是目前临床的常见内外伤，高处坠落或车祸等都会损伤跟骨。跟骨骨折中85%～90%为关节内骨折，其主要表现为跟骨后横径增宽以及足弓改变造成足部畸形，影响人的行走功能并容易产生后遗症，特别是跟骨横径增宽引起的疼痛很难治愈[1]。治疗方法主要由切开复位内固定、穿针撬拔外固定和保守手法治疗等，跟骨的临床保守治疗适用于无移位或移位小于2 mm的关节内骨折,亦适用于极严重的粉碎性骨折,或患严重心血管疾病和糖尿病而不能耐受麻醉和手术者,不适合进行关节重建包括不能行走的老人以及偏瘫者。保守治疗通常采用手法复位、跟骨牵引、石膏或夹板固定[2]。跟骨手术复位器械主要包括石膏、穿针撬拔装置或牵引装置等，这些复位工具没有相关力学数据和形状位置参数，无法定量分析跟骨夹具与人体的相互作用机理以及通过试验更有效地指导医师更好的使用工具，以期取得更好的疗效[3-4]。为了深入研究跟骨夹在人体的作用机制，本研究研制的具有压力实时监测功能的无线跟骨夹应用电子压力传感仪器对跟骨骨折治疗过程中力学数据进行测量和采集，从而对跟骨夹作用过程进行定量分析。

2 生物力学分析

跟骨是人体足部主要的负重结构，是人行走的直接受力部位，具有重要的作用。跟骨骨折是足部常见的骨折，治疗后常常会引起一些后遗症，造成行动不便和疼痛等，其原因主要是跟骨横径增宽、跟腓间隙变窄、距下关节面及跟骰关节面不平整、距下关节及跟骰关节退行性改变和布氏角变小等。其中跟骨横径增宽和布氏角变小是跟骨骨折后遗疼痛等问题的最常见的两个原因，也是塌陷、粉碎性跟骨骨折后遗症多的主要原因，所以，纠正布氏角变小和跟骨横径增宽是治疗的关键[5-6]。

跟骨横径复位需要很大的瞬间爆发力，这样可以减少对皮肉组织的损伤，因为骨折部位会产生不同程度的肿胀，不适合长时间施压，采用杠杆原理的跟骨夹克服了手法复位力量的不足的问题，有效回复跟骨横径，减少并发症和后遗症[7-8]。见图1。

图1跟骨解剖角度示意图

Fig1Schematicdiagramofcalcaneusanatong

3 技术方案

3.1 结构设计

跟骨夹主要由夹棍组件、头部铰链组件、力传导组件、测力传感器及显示仪表和蓝牙无线传输显示模块组成，采用轻量化设计，保证材料的刚度的同时尽量减轻重量≤2 kg。见图2，跟骨矫形器中的夹棍采用市场上能够买到的轻质硬铝管，并对其表面和端部进行处理，每根管上布置一排零件安装孔，依据杠杆原理设计，配套多种可更换的头部铰链，跟骨夹板在夹棍的中部，精准的力传导结构设计，保证测量精确，医生握住夹棍另一端，便于发力，使用方便。在夹棍末端加上防滑海绵套，夹板的表面采用海绵，泡沫和橡胶的三明治结构，减少对伤者皮肤的损伤。

图2手动跟骨夹样机设计图

Fig2Theprototypedesignofmanualcalcanealclamp

跟骨夹的头部采用可调链条或双螺栓可调结构，可以根据跟骨的宽度进行调节，使夹板平行夹持。见图3。

图3夹棍头部铰链示意图

Fig3Schematicdiagramofgagunheadhinge

测力传感器、导向杆和压板组成力传递系统，两根导向杆的作用是使传感器受力保持垂直，这样采集到的压力数据才是真实可靠的。夹板采用三明治结构，底层刚性金属承力层，中间为橡胶缓冲连接层，上面为硅胶接触面。见图4。

图4夹棍力传导结构示意图

Fig4Schematicliagramofgagunforcetransmissionstructure

3.2 测量系统组成

采用微型测力传感器及其显示仪表，型号：MDS，测量范围0～500 kg，精度为0.5%极小外型，最大外型高度不超过15 mm，直径25.4 mm，适合空间狭窄场所使用，不锈钢或铝合金材质，防护等级IP66。适用力的控制及测量。更可装入仪器内部，以便对工作过程力进行监控；仪表量程范围100 N至20 KN，可记录数据，并有微机接口，见图5，图6。

采用无线传输及显示模块模块，灵敏度(误码率)达到-80 dBm，传输距离≥10 m；本系统选用了广州汇承公司生产的HC-06型主从一体型蓝牙透传模块，低电压3.3 V工作，利用MSP430F449的串口0与其通信，该模块能够实现UART串口与蓝牙串口之间的数据透明传输。见图7。

图5微型测力传感器

Fig5Microforcesensor

图6测力传感器显示仪表

Fig6Measuringforcesensordisplaginstrument

图7蓝牙模块图8LCD显示模块

Fig7BluetoothmoduleFig8LCDdisplaymodule

接收显示子系统中选用了一款基于HT1621的段式LCD显示模块0173，3.3 V电压供电，利用MSP430F449的P1.0、P1.1和P1.2普通IO端口与CS、WR和DADA引脚相连，通过模拟SPI通讯，将需要显示信息按一定数据格式传输到0173显示模块的指定地址内存。见图8。

4 器械使用方法

首先，根据伤者跟骨骨折情况，选取合适的铰链类型，调节跟骨夹头部螺钉或铰链至合适长度；用酒精全方位擦拭跟骨夹，根据手术需要可以在患者跟骨周围缠上纱布，检查零部件状态是否正常；打开电源开关，查看指示灯是否正常工作，施加力时显示屏是否显示正常；调整伤者的腿脚的姿态和跟骨夹夹持方位，然后手握在把手上加力。根据测量显示装置施加压力。见图9、图10。

图9跟骨夹实物图10跟骨夹临床使用

Fig9CalcaneusclampFig10Clinicaluseofcalcanealclamp

5 结语

我们研制的跟骨整形复位装置并结合中医院医生的手法治疗能不开刀就治好跟骨骨折，费用少，治疗效果理想，而且术后恢复快，不宜复发。但跟骨夹具目前还存在一些问题，例如结构不够精巧，力传感器体积较大，医生使用不方便，电池供电时间不足，显示屏可以集成在夹具上面，压力垫可以做成阻尼调整结构，增强夹具的适配性[9-10]。