基于MSP430的竹夹板固定和石膏托固定的作用力研究

谢澄铖　缪文兴　赵勇

[摘要] 目的 比较MSP430的竹夹板固定和石膏托固定的作用力。方法 本文设计了一款基于MSP430的使用气压闭环的肌肉水肿仿真系统，模拟人体肌肉水肿，通过仿真实验比较竹夹板固定和石膏托固定时肌肉所受压力的情况。 结果 共进行了15组对比实验，对实验结果求均值后进行二次函数拟合，拟合所得的竹夹板作用力呈较好的线性特性，并且在初始压力相同的情况下竹夹板的作用力衰减速度远远慢于石膏托实验组。 结论 竹夹板对肌肉的压力更稳固。

[关键词] MSP430；夹板固定；石膏固定；肌肉水肿；仿真

[中图分类号] R684.3 [文献标识码] A [文章编号] 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

小夹板用于骨折固定在我国具有悠久的历史，具有许多优点，如：取材容易、使用方便、简单易学、患者痛苦少、医疗费用低等，而且符合动静结合的骨折治疗原则[1-2]。中国接骨术学派以小夹板为典型代表，其精髓被归纳为“动静结合，筋骨并重，内外兼治，医患合作”[3]。中国接骨术提倡采用非手术或有限手术方法，根据肢体动力学原理，通过布带、夹板、压垫及机体的相互平衡作用，在早期功能活动和负重载荷时，骨断端有控制性活动，利于患肢静脉及淋巴回流，促进肿胀消退，同时使骨折断端承受生理应力刺激，促进骨折及周围组织的愈合，在临床上有大量的应用[4]。然而，竹夹板固定的治疗效果众说纷纭[5]，为了科学地研究其作用效果，本文设计了一个基于MSP430的肌肉水肿模拟系统，通过测量“肌肉消肿”过程中竹夹板对“肌肉”的作用力来观察竹夹板固定的作用力效果。为了体现竹夹板的特色效果，加入一组石膏托固定的对比组进行比较研究[6]。

1 资料与方法

1.1 一般资料

使用美国德州仪器公司生产的低功耗混合信号处理器MSP430作为核心处理器[7-8]。系统硬件部分主要由MSP430最小系统、气压闭环模块、压力采集模块、串口通信模块几个模块组成[9]。使用笔记本电脑作为上位机，并使用Visual Studio 2015编写上位机控制软件。

1.2 方法

1.2.1 系统硬件实现

1.2.1.1 气压测量传感器电路 采用MEMS压力传感器XGZP020SB1，供电采用模拟电源，电压3.3 V，量程20 Kpa，满量程输出70 mV电压。采用两级放大电路，第1级为INA118精密仪表放大电路电路图，第2级为MCP6001放大电路。见图1、2。

1.2.1.2 气泵与电磁阀门硬件电路设计 图3为电磁阀驱动电路原理图，其中valve_pwm与pump_pwm为MSP430的PWM输出口，Vmotor+为外部3.7 V电压输入，通过调节PWM的占空比实现调压的目的。在图4所示的气泵驱动电路图中气泵采用的是有刷直流电机，额定电压为DC12 V，在DC3～12 V可以正常工作，充气时间<10 s（在500 cc容器，从0加压到300 mmHg所需时间），压力最大值>450 mmHg。电磁阀可承受压力范围0～350 mmHg。

1.2.1.3 压力采集电路设计 为了测量竹夹板和石膏托对气囊的作用力，需要使用压力传感器，在本系统中同样使用两级放大电路来对传感器信号进行放大。本文中使用压力传感器放置空间有限，故选用了纽扣式压力传感器，输入为差分信号。传感器量程为0～20 kg，安全过载1.5倍满量程，灵敏度1.4 mv/V，为了使本系统具有便携性，所以尽量使用了同一种电压供电，即3.3 V供电。则传感器满量程时输出电压4.62 mV，傳感器的放大电路见图5。传感器信号经过3级放大电路输入到控制器内，3级电路放大倍数为400。最后满量程时输出电压为1.85 V，经过AD采样得到相应的AD值。

1.2.2 系统算法和软件实现

1.2.2.1 气压闭环的PID闭环算法 本文中使用的是PID控制器，这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例—积分—微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

1.2.2.2 气压闭环的软件实现 在离散系统中，原有的连续系统传递函数已经不适用，此时将PID调节器离散化，用差分方程来代替连续系统的微分方程，分为位置式和增量式两类。基本偏差e（t），表示当前测量值与设定目标值间的差，设定目标是被减数，结果可为正或负值，正值表示未达到目标，负值表示超过设定值。（代表比例）偏差和，即每次测量的差值总和，代表积分，基本偏差的相对偏差，即e（t）-e（t-1）用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差代表微分。系统内采用位置型PID作为控制器。

定义当前误差为err，上次误差为err_last，误差累计为integral。则PID控制器的比例项为Kp × err，误差累计及积分项Integral = integral + err，Ki×integral，微分项Kd×（err-err_last），以上3项求和即为位置型PID控制器输出。

1.2.2.3 压力传感器的标定 为了得到与AD值对应的作用力的值，需要进行标定。使用标准加力装置对传感器进行测试，由于使用竹夹板和石膏托对手臂进行固定时，作用力不会达到传感器的满量程，所以主要对低量程时的力进行标定（0～50 N）。标定数据见图6。从图中可以看出传感器在低量程时具有较好的线性特征，考虑到读取加力器数值的时候存在读数误差，所以只需要对AD值进行一次线性拟合，即

1.2.3实验设计

本次设置了两组对比实验，采用正弦衰减的气压模拟水肿消退过程，具体气压值与维持时间见表1。由于PID闭环存在误差，实际加压以AD采样值为准。

图7为实验系统图，气泵封装在白色盒子内部，通过软管与气囊连接，将气囊包裹手臂模型，系统供电由外部电源供电。压力传感器安置在气囊中下部位，一旦安装就不再移动位置。本实验只对竹夹板和石膏托板的固定效果进行对比，与气囊内气体压强的具体大小基本无关，故未对气压值进行标定，所以以下采用AD值代表采集到的气压值。

实验过程利用缓慢放气的气囊来模拟人体肌肉水肿的消肿过程，MSP430单片机本身具有10位AD，通过系统气压传感器进行采集时最大气压不能超过此限制。

在实验开始前先将气压加至AD满量程，然后进行夹板固定和石膏固定，当压力传感器示数稳定为同一值后开始模拟水肿消退实验，通过采集压力传感器的数据来对比竹夹板和石膏托板对肌肉的作用效果。竹夹板实验组与石膏托实验组的系统图分别见图8、9。

1.3 统计学方法

实验过程中将气囊所受压力和气压指令实时存储，实验结束后对所有气压值指令相同的数据求取平均值。通过初步观察，实验数据明显不符合一次线性分布，同时为了避免出现过拟合的现象，选择使用二次函数进行曲线拟合。本文中使用Matlab 2015a进行拟合，以对比两组实验中竹夹板与石膏托对气囊作用力的效果。

2 结果

石膏托与竹夹板压力拟合曲线结果见图10。图中虚线为竹夹板固定实验组的实验结果拟合曲线，实线为石膏托实验组实验结果。从图中可以看出，竹夹板對气囊的固定效果（压力）能维持在一个较高的水平（>8 N），而且随着气压的改变，气囊所受压力呈现一个近似线性的变化，反观石膏托固定实验组则快速衰退，且在压强较低时（500～800）压力衰减速度明显加快，此时石膏托容易发生脱离，失去固定效果。

3 讨论

研究骨折手法整治后竹夹板固定的治疗效果有多种方法。目前在业内被较多采用的方法是长时间随访的方式进行后续跟进[10-14]。这种随访的方式需要花费大量的时间和精力，并且不确定因素很多，数据量不够大，得到的数据并不可靠，难以得出令人信服的结论。还有一些医生和学者尝试从材料[15-17]和生物力学[18-19]等方面进行定量的分析，这些方式虽然可以减少时间成本和人力成本，但是由于缺少真实实验对比，不容易体现出不同固定方式产生的治疗效果的差异[20-21]。近些年来随着科技水平的提高，越来越多的学者使用计算机辅助进行研究和分析[22]。

在计算机技术和生物力学仿真技术快速发展的今天，借助计算机建模技术和虚拟力学仿真的辅助，研发一种规范的得到社会认可的科学评价方法，为中医竹夹板研究提供更多的技术支持和数据支持，进一步促进医工的有机结合，是一种值得重视的思路。

本文使用MSP430作为控制器，利用气泵和气压传感器形成气体闭环来模拟人体肌肉的水肿，通过模拟“肌肉水肿”的消退过程采集竹夹板和石膏托对压力传感器的压力值以对比两种固定方式的固定效果，为中医竹夹板固定疗效的研究提供一种新的方法。

关于竹夹板的研究仍在不断进行中，本文所提出的研究方法仍然存在一些不足，如作用部位不明确、力学研究深度及规范化不够、仿真与实际疗效难以对比等问题。今后仍需要针对这些问题进行深入研究。

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（收稿日期：2017-11-07 本文编辑：王 娟）