CN100477960C - 3-d骨断端应力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3-D骨断端应力测量装置和方法，包括：用于固定肢体的环状第一固定架和第二固定架，在第一固定架和第二固定架通过三支以上的压力传感器相连，压力传感器沿周向均布，所述压力传感器将检测的信号传输给一数据处理装置进行处理。本发明通过压力传感器数值反映骨断端总牵张力可以探寻骨压力水平与肢体延长速度、频率等参数的关系并进而以总牵张力替代延长速度、频率等参数，解决了肢体延长参数因个体差异而无法量化的难题。

Description

3-D骨断端应力测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于骨折及骨延长治疗过程中测量3-D骨断端应力的测量装置。

背景技术

肢体延长术又称增高术，已有一百多年的历史。肢体延长术的出现解决了因先天畸形、骨关节感染、创伤、脊髓灰质炎后遗症等所致肢体不等长这一严重影响人体外形与功能的临床难题。肢体延长术的理论基础是由Ilizarov提出的“牵张成骨”理论：对活体组织持续牵引所产生的张力能够激发和维持某些组织结构的再生及活跃生长。尤其是在缓慢的持续牵张过程中，细胞的增殖和生物合成功能受到激发，组织新陈代谢变得活跃。“牵张成骨”理论的提出是肢体延长史上一个重要的里程碑，以此为理论基础的骨延长术在临床取得突破性进展。但是由于骨延长术的基础理论--“牵张成骨”理论缺乏量化指标，故不同的医生在临床实践中掌握尺度并不一致，从而导致了诸多并发症的发生，极大限制了其推广应用。

骨不连和关节僵直是骨延长术的最常见并发症。为了达到最优的延长效果，预防骨不连的发生，人们开始优化延长参数：延长速度和延长频率。延长速度在肢体延长过程中起关键作用：延长过快会导致骨不连、骨迟缓连接及迟发性骨折等并发症的产生；延长过慢又会使达到相应延长长度的整体时间增加，增大了患者痛苦，并且过慢的延长速度易使骨痂愈合过早，导致延长失败。目前对于延长速度与延长频率的判断缺乏统一的标准。临床医生大多根据其自身的临床经验来确定其数值，因而国内外报道的延长速度不尽一致，大多数文献的报道都集中在0.5-1.5mm/d。本课题组在前期利用李起鸿发明的半环外固定架(专利号ZL01256565.2)进行了大量动物及人体试验，总结出1mm/d的最佳速度，此最佳速度已为国内学者广泛采纳进行临床实践。但事实上延长速度受实验动物的种类、体重、体形的影响很大。若所有个体无论个体差异，均采用相同的延长速度，则会产生较多的并发症。因此延长速度需要随个体差异而调整，而此调整则需要定量的牵张力指标作为理论支持。

骨延长过程完成后，外固定架去除时间的选择也是影响骨延长效果的一个重要因素。由于一般骨延长术的周期较长，通常在3个月以上，这给患者造成了极大的生活负担。患者和临床医生都迫切希望尽早去除外固定架，但在新生骨痂未愈合时去除外固定架则易导致患者术后二次骨折。目前对于骨痂未愈合程度的判断主要依据X光显示再生骨的骨密度，这样每位患者在骨愈合期会接受多次X光照射，而频繁的X光照射给患者带来极大的身体损伤。

成角畸形是骨延长术的常见并发症，且目前尚无法解决，其处理措施多为二次手术进行矫正。患者在饱受数月的外固定架之苦后还需要进行二次矫正，这不仅极大加重了患者的痛苦，更增加了患者的经济负担。

基于以上多个原因，骨延长术在国内外的发展缓慢。尤其是各种并发症的发生和患者所承受的极大痛苦限制了肢体延长术的广泛开展。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种3-D骨断端应力测量装置和方法，该测量装置和方法可以优化骨延长参数和判断最佳外固定架去除时间，从而能够解决目前骨延长参数无法量化和过多X线照射影响身体的问题。

为实现上述目的，本发明一种3-D骨断端应力测量装置包括：用于固定肢体的环状第一固定架和第二固定架，在第一固定架和第二固定架通过三支以上的压力传感器相连，压力传感器沿周向均布，所述压力传感器将检测的信号传输给一数据处理装置进行处理。

进一步地，所述第一固定架由三根以上的支撑杆与圆环构成，支撑杆沿圆环周向均布，每根支撑杆的一段通过微调螺母安装在圆环上，另一端通过防滑螺母与所述压力传感器相连，圆环上通过穿针夹具安装有用于固定肢体位置的克氏针。

进一步地，所述第二固定架由三根以上的支撑杆与圆环构成。支撑杆沿圆环周向均布，每根支撑杆的一段通过微调螺母安装在圆环上，另一端通过防滑螺母与所述压力传感器相连，圆环上通过穿针夹具安装有用于固定肢体位置的克氏针。

进一步，所述支撑杆呈正多边形分布。

进一步地，所述压力传感器的量程为0～500N。

进一步地，所述数据处理装置包括：数据调谐模块、数据放大模块、模数转换模块、数据显示模块、数据储存模块和中央处理模块；其中，

所述数据调谐模块一用于接收所述压力传感器检测的数据并进行调谐处理；

所述数据放大模块用于将调谐处理后的信号放大；

所述模数转换模块用于将放大后的信号转换成数字信号；

所述数据显示模块用于同时显示各个与所述压力传感器相对应的通道的数值；

所述数据存储模块用于存储数据结果；

所述中央处理模块用于控制各个模块。

进一步地，所述模数转换模块为A/D转换器，所述数据显示模块为液晶或者电子管，所述数据储存模块为电子盘、闪存卡或移动硬盘。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的数据处理装置可以做成体积小巧的数据采集盒，从而可以放在患者口袋里，并长时间进行骨断端压力水平的实时监测；

2.由压力传感器数值反映骨断端总牵张力可以探寻骨压力水平与肢体延长速度、频率等参数的关系并进而以总牵张力替代延长速度、频率等参数，解决了肢体延长参数因个体差异而无法量化的难题；

3.利用本发明测定固定架所受压力占总牵张力的比例可用来判断愈合阶段最佳固定架去除时间。可替代传统的X光方法，让患者免除了长期X光照射的危害；

4.利用本发明的压力传感器所测定的不同支撑杆上的压力差值可以用来预防和纠正成角畸形；

5.利用本发明监测总牵张力水平还可以反映新生骨痂愈合情况，可用于判断骨折固定后骨痂的愈合情况。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明数据处理装置的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：用于固定肢体的环状第一固定架1、第二固定架2和数据处理装置，第一固定架1和第二固定架2通过三支压力传感器6相连，压力传感器6可以为S型应变式微型压力传感器，压力传感器6的量程为0～500N，第一固定架1由三根支撑杆5与圆环4构成，支撑杆5沿圆环4周向均布，每根支撑杆4的一段通过微调螺母3安装在圆环4上，另一端通过防滑螺母7与压力传感器6相连，圆环4上通过穿针夹具8安装有用于固定肢体位置的克氏针9；第二固定架2也由三根支撑杆10与圆环11构成，支撑杆10沿圆环11周向均布，每根支撑杆10的一段通过微调螺母12安装在圆环11上，另一端通过防滑螺母13与压力传感器6相连，圆环11上通过穿针夹具14安装有用于固定肢体位置的克氏针15，上述支撑杆呈正三角形分布，这样可以判断成长畸形。

如图2所示，数据处理装置包括：数据调谐模块21、数据放大模块22、模数转换模块23、数据显示模块24、数据储存模块25和中央处理模块；其中，数据调谐模块21通过数据线16与压力传感器6相连，用于接收压力传感器6检测的数据并进行调谐处理，数据放大模块22用于将调谐处理后的信号放大，模数转换模块23用于将放大后的信号转换成数字信号，数据显示模块24用于同时显示各个与压力传感器6相对应的通道的数值，数据存储模块25用于存储数据结果。模数转换模块23为A/D转换器，数据显示模块24为液晶(或者电子管)，数据储存模块25为SD卡(或电子盘、移动硬盘等)，中央处理模块为集成芯片。

使用时，先预热后观察液晶显示每个通道值并将调协后的数据进行初次较准零点。

手术过程：将圆环4、11套入肢体9后拧紧微调螺母3、12。在每个固定圆环4、11平面以90°角分别交叉穿入四根直径为3.0mm克氏针9、15，分别利用4个穿针夹具8、14将四根克氏针9、15的四个末端固定在圆环4、11上并剪去过长的克氏针9、15。此时通过数据处理装置调零三个压力传感器6。再在干骺端位置截骨，等待7天之后进行延长，从手术开始即开始记录压力传感器6所感受的压力值。在延长的初期(前5天)数据采集间隔为每分钟一次；在初期之后，即改为每10分钟一次，每次1分钟。所有的数据都储存在数据处理装置的SD卡数据存储模块25中。

数据分析：

每隔2天将数据通过SD卡导出到设置在数据处理装置的数据分析软件(Bone Pressure Monitor)中。打开软件界面，在菜单栏选择“导入历史数据”，选择目标文件后即可打开该文件。在该页面可以通过调整X轴的刻度来观察部分或者全部的历史数据，X轴表示时间，Y轴表示压力值。由于三个通道的数据分别显示在同一页面的不同窗口中，这样可以对相同时间点的不同压力传感器6压力值进行分析比较。

另外一种方法即为对现有数据进行实时的数据监测、分析，利用一根数据线将数据处理装置与笔记本电脑26相连，这样，由压力传感器6采集到的数据都可以实时的传输到笔记本中的数据分析软件，在该软件的第一个窗口即可看到从左自右显示的：数据编号、通道1、通道2、通道3、时间点等数值。通道1、通道2、通道3分别对应三个既定的压力传感器采集的数值。在“实时图像”页面可以看到三个压力传感器6的数值由三个窗体动态显示出来，其坐标轴的X轴表示时间，Y轴表示压力值。在此处我们可以监测到三个压力传感器6在同一时刻点显示的压力差值，并结合已知的正常差值范围，找出某一个或两个传感器的压力值偏离正常，从而对固定架上的相应支撑杆上的微调螺母进行升高或降低调节。

设置在笔记本电脑26内的数据处理软件由VC++编写，软件主要包括四大模块：数据提取、数据标定、实时图像显示、数据分析比较。软件可以实时提取源自计算机RS232接口的数据，并且进行各个压力传感器6的标定，使各个压力传感器6的数值在延长前全部清零。实时图像显示部分可以同步显示各个压力传感器6的压力值。该压力值以线形图的方式显示，便于直观的判断出每个压力传感器6的压力值的变化趋势。导入历史数据模块可以导入以前储存的数据，并结合数据分析模块进行各个压力传感器6数值的分析，比较得出我们所需的关系。另外该软件优化了设计内核，使其内存占用量很少，在计数过程中的内存占用一般为5-6M。软件的控制面板部分可以隐藏便于我们更好观测各通道数值。软件同时也可以选择读数时间间隔，在系统面板内设置好各项采集参数后，便可以采集并自动保存数据，以防止因断电或其它原因引起的系统关闭致使数据丢失。该软件还可以仅在后台操作，以防止误关闭程序。

集成芯片可以控制压力传感器6数据采集的时间间隔(从每秒一次到一周一次不等)。这样在非采集时间内，整个系统处于休眠状态，直到采集数据前10分钟，系统自动启动进行采集，采集数据10分钟后，系统又自动进入休眠状态，该项设计极大的降低了功耗。

另外，压力传感器6的设置数量可以是4支或多支，这样可以更好地反应骨的生长情况，从而能够更准确地进行控制。

Claims (5)

1、一种3-D骨断端应力测量装置，其特征在于，包括：用于固定肢体的环状第一固定架和第二固定架，在第一固定架和第二固定架通过三支以上的压力传感器相连，压力传感器沿周向均布，所述压力传感器将检测的信号传输给一数据处理装置进行处理；所述第一固定架由三根以上的支撑杆与圆环构成，支撑杆沿圆环周向均布，每根支撑杆的一端通过微调螺母安装在圆环上，另一端通过防滑螺母与所述压力传感器相连，圆环上通过穿针夹具安装有用于固定肢体位置的克氏针；

所述第二固定架由三根以上的支撑杆与圆环构成，支撑杆沿圆环周向均布，每根支撑杆的一端通过微调螺母安装在圆环上，另一端通过防滑螺母与所述压力传感器相连，圆环上通过穿针夹具安装有用于固定肢体位置的克氏针。

2、根据权利要求1所述的一种3-D骨断端应力测量装置，其特征在于，所述支撑杆呈正多边形分布。

3、根据权利要求2所述的一种3-D骨断端应力测量装置，其特征在于，所述压力传感器的量程为0～500N。

4、根据权利要求1所述的一种3-D骨断端应力测量装置，其特征在于，所述数据处理装置包括：数据调谐模块、数据放大模块、模数转换模块、数据显示模块、数据储存模块和中央处理模块；其中，

所述数据调谐模块一用于接收所述压力传感器检测的数据并进行调谐处理；

所述数据放大模块用于将调谐处理后的信号放大；

所述模数转换模块用于将放大后的信号转换成数字信号；

所述数据显示模块用于同时显示各个与所述压力传感器相对应的通道的数值；

所述数据储存模块用于存储数据结果；

所述中央处理模块用于控制各个模块。

5、根据权利要求4所述的一种3-D骨断端应力测量装置，其特征在于，所述模数转换模块为A/D转换器，所述数据显示模块为液晶或者电子管，所述数据储存模块为电子盘、闪存卡或移动硬盘。

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