可動態(tài)檢測骨折斷端壓力的單邊外固定架的設(shè)計(jì)與測評.pdf

1、四肢管狀骨骨折是交通傷和事故傷中常見的骨折，其治療方法多樣，應(yīng)用手術(shù)治療也有多種器械可以選擇，應(yīng)用外固定架也是一種簡單有效的方法。外固定架治療骨折是一種介于手術(shù)和非手術(shù)治療之間的半侵入固定方法。在內(nèi)固定廣泛使用的今天，外固定架由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、手術(shù)時間短，創(chuàng)傷小，固定可靠，免除患者二次手術(shù)，可持續(xù)斷端加壓，并具有牽引、復(fù)位、固定和便于早期功能活動的優(yōu)點(diǎn)，仍是治療長管狀骨骨折的有效手段之一。外固定架的原理是通過穿入骨質(zhì)的固定釘和外固

2、定架的支撐桿構(gòu)成的一個穩(wěn)定的空間體系，并借助外固定架支撐桿的長度變化將力傳導(dǎo)給固定骨，從而達(dá)到加壓固定骨折或延長肢體的目的。但是以往的外固定架加壓的控制，都是基于骨科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和估計(jì)，沒有確定值，并且骨折斷端的壓力在術(shù)后呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，因此有必要對骨折斷端進(jìn)行再加壓。在骨折愈合的后期，有必要逐步減小骨折斷端的加壓力以消除外固定的應(yīng)力遮擋，促進(jìn)骨骼的塑形和改建。另外由于單邊外固定架有較多的關(guān)節(jié)，故容易松動，導(dǎo)致骨折的愈合不良或者骨折移

3、位。在骨折愈合期間，適當(dāng)?shù)妮S向壓力有利于骨折愈合已被公認(rèn)。因此在骨折愈合期間隨時了解骨折斷端的壓力并及時調(diào)整使其控制在合適的范圍內(nèi)具有重要的臨床意義。本課題設(shè)計(jì)了一種可實(shí)時顯示骨折斷端壓力的裝置，此裝置由觸力傳感器，加壓裝置，顯示裝置和外固定架主體組成，通過力學(xué)檢測和標(biāo)本實(shí)驗(yàn)，該裝置的精確度和量程可以滿足臨床的實(shí)際需要，可以較好的動態(tài)顯示骨折斷端的壓力，可隨時根據(jù)需要調(diào)整骨折斷端的壓力，為骨折愈合提供合適的力學(xué)環(huán)境，并能監(jiān)測外固定架的固

4、定性能。本課題利用數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集重建了人體股骨的三維有限元模型，通過對模型的有限元分析，對于不同類型骨折所需加壓力的大小進(jìn)行了探討。 【目的】1.設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于外固定架的測力裝置，該裝置包括外固定架的加壓裝置，與之相匹配的觸力傳感器和傳感器的顯示裝置，使加壓裝置的加壓力能夠通過顯示裝置動態(tài)顯示，以間接反應(yīng)骨折斷端的受力情況。 2.對設(shè)計(jì)的外固定測力裝置進(jìn)行測評，包括對傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行力學(xué)檢定和誤差分析；

5、 3.應(yīng)用人體干燥骨標(biāo)本制成骨折模型，以該外固定架固定，對加壓裝置顯示的加壓力和骨折斷端顯示的壓力進(jìn)行比較，測評此外固定架的實(shí)用性以及加壓力和骨折斷端壓力的關(guān)系。 4.應(yīng)用數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集制作人體長骨的三維有限元模型，應(yīng)用有限元分析的方法分析骨折線的角度對骨折斷端壓力的影響，為外固定加壓裝置的加壓力度提供依據(jù)。 【方法】1.本試驗(yàn)外固定架測力裝置的傳感器采用高強(qiáng)度鋁合金材料，制作成空心圓柱形，在其外表面粘貼4個應(yīng)變片

6、，常態(tài)阻值為500Ω，采用全橋連接，外表面以乳膠封裝，引腳引出后連接溫度補(bǔ)償電阻、溫度靈敏度補(bǔ)償電阻和平衡電阻，并有接口與顯示儀相連接。加壓器采用與外固定桿體分離的設(shè)計(jì)，加壓器一端固定于外固定架桿體，另一端連接加壓螺絲，在加壓螺絲的一端安裝傳感器以感應(yīng)加壓裝置的加壓量。顯示儀采用AT89C2051-24PI芯片，LED液晶顯示，內(nèi)置電池，以保證在斷電狀態(tài)下記錄傳感器的初始數(shù)值，并有外接10V直流電源供電。顯示儀的內(nèi)部電路還包括了濾波電路

7、、放大電路及對傳感器的線性化調(diào)整電路等部分。 2.將設(shè)計(jì)的傳感器連接電壓表進(jìn)行標(biāo)定后置于MTS858型材料試驗(yàn)機(jī)(MTS公司，美國)，設(shè)定對傳感器進(jìn)行0～100Kg反復(fù)加載，重復(fù)6次，以20Kg為單位，由電腦自動記錄進(jìn)程和回程傳感器的讀數(shù)，并給出測評結(jié)果。 3.標(biāo)本實(shí)驗(yàn)采用人體干燥長骨4個，自中段橫行截?cái)嘀瞥晒钦勰Ｐ?，安裝外固定架固定骨折，在加壓裝置和骨折斷端分別安裝傳感器，在0～50Kg范圍內(nèi)，加壓器以5Kg為單位進(jìn)行

8、加壓，記錄骨折斷端傳感器顯示的壓力，將結(jié)果輸入統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件SPSS10.0(SPSS公司，美國)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較二者的壓力。 4.采用數(shù)字化虛擬人體男性數(shù)據(jù)集進(jìn)行人體股骨的三維重建，應(yīng)用3D-Doctor軟件(Able公司，美國)對圖像進(jìn)行分隔、配準(zhǔn)和邊界提取，重建人體股骨三維模型，以STL格式輸出文件，輸入人體三維雕刻系統(tǒng)(SenAble公司，美國)進(jìn)行表面處理，修改后的模型以IGS格式導(dǎo)入Ansys7.0(Ansys公

9、司，美國)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以有限元分析的方法分析股骨在軸向加壓的情況下，不同角度的骨折線對骨折斷端壓力的影響。 【結(jié)果】1.經(jīng)過改進(jìn)的外固定架可以牢固的固定四肢長管狀骨骨折，對外固定架進(jìn)行加壓時，可以由傳感器和顯示儀動態(tài)顯示壓力的數(shù)值。 2.在MTS858型材料試驗(yàn)機(jī)上對該裝置所用傳感器進(jìn)行力學(xué)檢定，在0～100Kg范圍內(nèi)，傳感器的線性度和重復(fù)性優(yōu)于1％，精確度為0.5Kg，靈敏度為0.0101mv/V；非線性誤差為-0.

10、9732％；滯后誤差為-0.6455％；重復(fù)性誤差為0.1986％。 3.在0～50Kg范圍內(nèi)，加壓裝置施加的壓力和骨折斷端顯示的壓力具有相關(guān)性，通過加壓裝置顯示儀所顯示的壓力，可以估算出骨折斷端所受的壓力。當(dāng)加壓力超過50Kg后，骨折斷端顯示的壓力增加緩慢，考慮其原因?yàn)橥夤潭芎蜆?biāo)本的彈性所導(dǎo)致。 4.應(yīng)用數(shù)字化虛擬人體數(shù)據(jù)集建立的股骨三維模型較準(zhǔn)確的反映了人體股骨的各部分結(jié)構(gòu)，經(jīng)過修改所建成的股骨三維有限元模型共有6

11、3692個單元，95621個節(jié)點(diǎn)，將模型定義為均質(zhì)材料，設(shè)定彈性模量為3000MPa，泊松比為0.25，模擬股骨骨折進(jìn)行有限元分析，骨折斷端的垂直壓力在骨折線為15°時約為加壓力的78％，30°時為約為加壓力的60％，45°時為約為加壓力的50％。 【結(jié)論】1.加壓裝置的傳感器與顯示儀采用分離式設(shè)計(jì)，在病人臥床期間可以動態(tài)檢測骨折斷端壓力，在病人下床活動之后，可以斷開傳感器與顯示儀的連接，需要檢測時再進(jìn)行連接，使此外固定架更為實(shí)

12、用。 2.該試驗(yàn)所設(shè)計(jì)傳感器的量程為100Kg，精度達(dá)到了0.5Kg，一般情況下，對于管狀骨的橫行骨折，斷端壓力以患者自身體重的1/2～1/4左右為宜，斜行骨折以患者自身體重的1/4左右為宜，因此所設(shè)計(jì)的外固定架可以滿足臨床實(shí)際應(yīng)用的需要。 3.在0～50Kg范圍內(nèi)，骨折斷端的壓力與加壓裝置加壓力具有相關(guān)性，由此可以通過加壓顯示裝置所示的壓力讀數(shù)估算出骨折斷端的壓力，為四肢管狀骨骨折提供適度的軸向加壓力以促進(jìn)骨折愈合，由

13、于骨折愈合本身所適合的壓力范圍較大，而且更為重要的是骨折斷端壓力的動態(tài)變化，即即骨折斷端壓力的衰減或者由于外固定架松動所致的斷端壓力的減低，因此該外固定架可以滿足臨床的需要。 4.當(dāng)加壓力超過50Kg后，骨折斷端所測得的壓力增加緩慢，考慮其原因?yàn)橥夤潭芎蜆?biāo)本的彈性和蠕變。在骨折線為非橫行時，骨折斷面的垂直壓力隨骨折線角度的增大而相應(yīng)減小，而剪切力相應(yīng)增大，對于加壓力的選擇應(yīng)適Ⅳ當(dāng)加大以保證骨折斷面保持適度的壓力以促進(jìn)骨折的愈合