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(shè)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(shí)驗(yàn)比較竹夾板固定和石膏托固定時肌肉所受壓力的情況。 結(jié)果 共進(jìn)行了15組對比實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果求均值后進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)慢于石膏托實(shí)驗(yàn)組。 結(jié)論 竹夾板對肌肉的壓力更穩(wěn)固。

[關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(diǎn)，如：取材容易、使用方便、簡單易學(xué)、患者痛苦少、醫(yī)療費(fèi)用低等，而且符合動靜結(jié)合的骨折治療原則[1-2]。中國接骨術(shù)學(xué)派以小夾板為典型代表，其精髓被歸納為“動靜結(jié)合，筋骨并重，內(nèi)外兼治，醫(yī)患合作”[3]。中國接骨術(shù)提倡采用非手術(shù)或有限手術(shù)方法，根據(jù)肢體動力學(xué)原理，通過布帶、夾板、壓墊及機(jī)體的相互平衡作用，在早期功能活動和負(fù)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(jìn)腫脹消退，同時使骨折斷端承受生理應(yīng)力刺激，促進(jìn)骨折及周圍組織的愈合，在臨床上有大量的應(yīng)用[4]。然而，竹夾板固定的治療效果眾說紛紜[5]，為了科學(xué)地研究其作用效果，本文設(shè)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(jìn)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(chǎn)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(jī)，并使用Visual Studio 2015編寫上位機(jī)控制軟件。

1.2 方法

1.2.1 系統(tǒng)硬件實(shí)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(shè)計 圖3為電磁閥驅(qū)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(diào)節(jié)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的目的。在圖4所示的氣泵驅(qū)動電路圖中氣泵采用的是有刷直流電機(jī)，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(shè)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(jìn)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(jīng)過3級放大電路輸入到控制器內(nèi)，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(jīng)過AD采樣得到相應(yīng)的AD值。

1.2.2 系統(tǒng)算法和軟件實(shí)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(yīng)用自動控制的關(guān)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(shí)用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)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(yīng)用最為廣泛的控制器。

1.2.2.2 氣壓閉環(huán)的軟件實(shí)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(jīng)不適用，此時將PID調(diào)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?；酒頴（t），表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)值間的差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可為正或負(fù)值，正值表示未達(dá)到目標(biāo)，負(fù)值表示超過設(shè)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(nèi)采用位置型PID作為控制器。

定義當(dāng)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(biāo)定 為了得到與AD值對應(yīng)的作用力的值，需要進(jìn)行標(biāo)定。使用標(biāo)準(zhǔn)加力裝置對傳感器進(jìn)行測試，由于使用竹夾板和石膏托對手臂進(jìn)行固定時，作用力不會達(dá)到傳感器的滿量程，所以主要對低量程時的力進(jìn)行標(biāo)定（0～50 N）。標(biāo)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(jìn)行一次線性擬合，即

1.2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計

本次設(shè)置了兩組對比實(shí)驗(yàn)，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(shí)際加壓以AD采樣值為準(zhǔn)。

圖7為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，氣泵封裝在白色盒子內(nèi)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(shí)驗(yàn)只對竹夾板和石膏托板的固定效果進(jìn)行對比，與氣囊內(nèi)氣體壓強(qiáng)的具體大小基本無關(guān)，故未對氣壓值進(jìn)行標(biāo)定，所以以下采用AD值代表采集到的氣壓值。

實(shí)驗(yàn)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(jī)本身具有10位AD，通過系統(tǒng)氣壓傳感器進(jìn)行采集時最大氣壓不能超過此限制。

在實(shí)驗(yàn)開始前先將氣壓加至AD滿量程，然后進(jìn)行夾板固定和石膏固定，當(dāng)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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)組與石膏托實(shí)驗(yàn)組的系統(tǒng)圖分別見圖8、9。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)過程中將氣囊所受壓力和氣壓指令實(shí)時存儲，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行曲線擬合。本文中使用Matlab 2015a進(jìn)行擬合，以對比兩組實(shí)驗(yàn)中竹夾板與石膏托對氣囊作用力的效果。

2 結(jié)果

石膏托與竹夾板壓力擬合曲線結(jié)果見圖10。圖中虛線為竹夾板固定實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合曲線，實(shí)線為石膏托實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)組則快速衰退，且在壓強(qiáng)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(nèi)被較多采用的方法是長時間隨訪的方式進(jìn)行后續(xù)跟進(jìn)[10-14]。這種隨訪的方式需要花費(fèi)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(jié)論。還有一些醫(yī)生和學(xué)者嘗試從材料[15-17]和生物力學(xué)[18-19]等方面進(jìn)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(shí)實(shí)驗(yàn)對比，不容易體現(xiàn)出不同固定方式產(chǎn)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(xué)者使用計算機(jī)輔助進(jìn)行研究和分析[22]。

在計算機(jī)技術(shù)和生物力學(xué)仿真技術(shù)快速發(fā)展的今天，借助計算機(jī)建模技術(shù)和虛擬力學(xué)仿真的輔助，研發(fā)一種規(guī)范的得到社會認(rèn)可的科學(xué)評價方法，為中醫(yī)竹夾板研究提供更多的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步促進(jìn)醫(yī)工的有機(jī)結(jié)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(guān)于竹夾板的研究仍在不斷進(jìn)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(xué)研究深度及規(guī)范化不夠、仿真與實(shí)際療效難以對比等問題。今后仍需要針對這些問題進(jìn)行深入研究。

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（收稿日期：2017-11-07 本文編輯：王 娟）