CN101984327A - 一种骨折模型复位检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨折复位检测装置及检查方法。本发明骨折模型复位检测装置，包括仿真肢体模型、三轴加速度计芯片、位移传感器和信号处理电路；所述仿真肢体模型内设置形成自然断面的骨骼解剖模型，在骨折断面两端面最小距离处分别设凹槽，在所述凹槽内分别安装方向相同的三轴加速度计芯片，在骨折断面两端面对称安装位移传感器，所述位移传感器和三轴加速度计芯片分别连接导线，导线从仿真肢体模型导出连接到信号处理电路，信号处理电路连接上位计算机。本发明在同类方法中首次应用加速度计组合，体积小巧，方便安装，基本不影响断裂物的外形和相关操作。

Description

一种骨折模型复位检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及传感器检测及医学教学领域，具体指对固体断面两端位置复原效果(如模拟骨折复位、固定)的检测装置及方法。

技术背景

骨折是急救和院内常见疾患，在战争和地震灾害的时候，发病率能达到近30％，对骨折的处理是医学界的重要课题。在现场或院前急救，需要对骨折患者进行固定，在院内，需要对骨折患者进行复位与固定。手法复位是中医骨伤科一项重要的技术，现有的对医护人员进行的骨折固定复位训练基本是通过书本讲解、观看解剖模型、正常人身体上模拟训练、积累对病人处理经验等方式，由于初学者缺乏经验，在正常人身上又无法得到骨折时的处理经验，而通过在病人身上积累经验一方面易对病人造成更多不必要的痛苦，病人不易接受；另一方面对一些不常见的病例难以获得经验。近年来兴起的模拟人技术则有望解决这个问题，通过模拟人对人体解剖结构和病症的模拟，使得受训者能够重复得到接近真实病例的体验，为相关医学技术的培训提供了科学可靠的平台。

发明98112545.X“骨折、脱位手法复位模型”，就是设计了一个用于骨折复位手法模拟训练的模型。它首次用机械、电子技术将人体多处骨折的特征模拟出来，能够进行手法复位练习，并能声光指示手法复位成功与否。该模型的躯干为钢木结构，骨骼为聚氯乙稀硬塑棒，肌肉用黑橡胶带及拉簧制作，扁阔肌用海棉片模拟，皮肤用人造革仿制。模型高160cm，重30kg，可卧可坐。分为开启、固锁、电路、控制四大系统。该模型的优点是能够进行开启、固锁等控制，并有声光提示是否复位成功。其对骨折断面的检测是通过凸起的带弹簧触发螺钉和凹槽对位的装置，在形成对位时，触发螺钉弹入凹槽内，从而触发开关，电路声光提示复位成功。该方法简便易行，比较可靠，但是也存在明显的缺陷：

1.模型仿真度不高。人体骨折手法复位的第一步即为“手摸心会”，强调通过手的触摸，了解骨折病情，包括骨折的部位、解剖结构的错位程度、旋转移位或缩短移位的情况等，从而形成对骨折部位的立体印象，再研究复位的手法和步骤。而发明98112545.X并未按人体骨骼的解剖外形制作，对骨折涉及到的分离移位、侧方移位、缩短移位、成角移位、旋转移位等，并不能很好地进行模拟，也需要设计较为规则的断面才能顺利完成各项操作，与人体骨折的复杂情况不符，难以获得“手摸心会”的训练效果；该发明检测复位的方法由于有较多的机械结构，本身可能对复位过程造成干扰，使得复位手感不真实。

2.检测方法不准。该发明采用的是触发螺钉接触导通提示复位成功的方式，对于复位效果只有成功、失败两种，并不能对复位的效果进行多层次的评价，如优、良、尚可等级评价以及完全解剖复位、近解剖复位、低于3/4解剖复位等，更不能对骨折涉及到的分离移位、侧方移位、缩短移位、成角移位、旋转移位等分别进行检测。该发明检测复位的方法并未考虑骨折的旋转移位及检测，且其原理存在旋转移位较严重时仍然可能判断为复位成功的情况。

3.该发明不能实时了解骨折复位的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有结构存在的不足，提供一种骨折复位检测装置及检查方法。

本发明骨折模型复位检测装置，包括仿真肢体模型、三轴加速度计芯片、位移传感器和信号处理电路；所述仿真肢体模型内设置形成自然断面的骨骼解剖模型，在骨折断面两端面最小距离处分别设凹槽，在所述凹槽内分别安装方向相同的三轴加速度计芯片，在骨折断面两端面对称安装位移传感器，所述位移传感器和三轴加速度计芯片分别连接导线，导线从仿真肢体模型导出连接到信号处理电路，信号处理电路连接上位计算机。

所述三轴加速度计是加速度传感器芯片或是加速度变送器，数量不少于两个，所述三轴加速度计分别安装于骨折断面两端贴近断裂面处，骨骼完全复位时，每个三轴加速度计空间方位完全相同，每个三轴加速度计任意位置放置时同一方向加速度值均相等。

所述位移传感器由栅格触点式变阻器部分和触点探针部分组成，栅格触点式变阻器部分采用如双层PCB电路板的硬板(也可以用其他的板)，一面为圆环形导体膜与绝缘体膜相间的栅格，另一面在两个导体环之间焊接固定电阻，触点探针安装于一个骨折断面的几何中心，栅格触点式变阻器安装于另一断面。

本发明骨折模型复位检测方法，按照下述步骤实现：

a.断面两端初始化设置，同时显示初始移位参数；

b.下一步进行复位操作，位移传感器安装于断面两端，断面接触时导通，若位移传感器不导通，则重新进行复位操作；

c.若位移传感器导通，输出电压，缩短移位复位和分离移位复位成功；根据输出电压推导触点探针到栅格中心的距离，判断侧方移位的复位情况，显示侧方移位值，距离越小，复位越好，距离为零时，侧方移位完全复位；若对复位情况不满意，则继续复位操作；

d.侧方移位复位若满意，则静止，根据相对静止状态下分别位于断面两端的两个加速度计三个方向加速度值之间的差，计算和显示断面成角移位、旋转移位的复位情况，此过程中所述三轴加速度计不能位于某一方向与重力加速度方向相同或相反的位置；若对复位情况有不满意，则继续复位操作；若成角移位、旋转移位均满意则复位完成；

e.复位完成进行固定操作，根据在加载外力使断面两端运动状态下分别位于断面两端的两个加速度计记录下的总加速度差及其与总加速度的比值，来判断断面两端固定的效果，差值相对总加速度越小，固定越牢固，差值相对总加速度越大，固定越松弛；若不满意，则继续固定操作；若满意，则固定完成。

本发明方法还可用于其它类似领域，如机械或建筑的结合面相对位移检测等。

本发明的有益效果是：本发明在同类方法中首次应用加速度计组合，体积小巧，方便安装，基本不影响断裂物的外形和相关操作(例如骨折复位模型可以采用解剖教学用的具有精确解剖结构的模型骨)；首次采用栅格触点式变阻器作为两点间距离传感装置，检测分离移位、缩短移位，特别是侧方移位的复位情况；断面复原的旋转、成角、缩短、分离、侧方移位等均能得到实时、精确的检测，并能够通过智能评估软件对复原效果给出实时的数值量化判断，大大提高了检测精度和模型的训练效果。

附图说明

图1是装置整体示意图，图1a部分为整体示意，图1b部分为骨折部位放大示意图；

图2是3轴加速度计在静止状态下的3方向加速度值示意图；

图3是栅格触点式变阻器的栅格面；

图4为栅格面与固定电阻构成的变阻器原理图；

图5为栅格触点式变阻器和触点探针电路原理图；

图6为栅格触点式变阻器和触点探针在骨折骨骼上安装示意图；

图7是系统电气原理图；

图8是本检测方法实施步骤的流程图。

具体实施例

本发明针对普通断裂性骨折，对非断裂性的骨折和粉碎性骨折等破坏性较大的骨折不涉及。以上肢肱骨干骨折复位模拟训练为例，介绍该方法的具体应用。

首先是模型制作。如附图1所示，其中包括远端加速度计1，近端加速度计2，骨折远端3，骨折近端4，电路导线7，触点探针8，栅格触点式变阻器的栅格面9，解剖骨骼模型10，模拟软组织11，模拟皮肤12，骨折部位13，模拟肌肉14。采用如PVC硬塑料等材料制成的骨骼解剖模型10通过施加外力使其“肱骨”骨折(骨折形态视训练需要设计)，形成自然断面13。在骨折断面两端侧面贴近处分别设凹槽，在骨折完全解剖复位状态下于凹槽内分别安装远端加速度计1，近端加速度计2，通过二者输出信号对比调整其位置摆放，达到三方向加速度在可接受的误差范围内相等，同时注意加速度计安装后不能影响断面复位，安装完毕后封闭凹槽，复原骨骼侧面解剖结构。

在两端断面中心安装位移传感器，用于检测骨折断面分离、缩短、侧方移位的复位情况。其中骨骼一端的断面上挖出凹槽安装栅格触点式变阻器的栅格面9，另一端断面安装栅格触点式变阻器的触点探针8，位移传感器和加速度计一同用导线7连接到信号处理电路。所述位移传感器由栅格触点式变阻器部分和触点探针部分组成，如附图3-6所示，栅格触点式变阻器采用一块硬板(如双层PCB电路板)，一面加工成圆环形导体膜5和绝缘体膜6相间的栅格(附图3)，另一面在两个导体环之间焊接固定电阻(附图4)，可根据骨骼的粗细和对精度的需要设置栅格面上圆环形导体环的数量和最大半径。检测通过电路系统完成，栅格面端施加一定的电压Vcc到串连的固定电阻上，各电阻的两端节点分别与导体环连接，探针端接触到某一导体环时，输出一定的电压Vo(附图5)。探针输出的电压与电阻值、探针到骨干中心的距离一一对应，从而检测到探针电压即可推断探针与骨干中心的距离，进而判断骨折侧方移位的复位程度。

采用橡皮带模拟骨折处重要承力肌肉14，橡皮带两端分别固定于肌肉在骨骼的附着点位置处，利用橡皮带的弹性力使骨折两端错位形成骨折形态。采用发泡海绵包裹模型的骨骼、肌肉，模拟其它软组织11，形成上肢外形，在发泡海绵外裹硅胶膜，模拟人体皮肤12。发泡海绵、硅胶均在根据人体上肢解剖外形设计的模具内注塑完成，使其具有良好的外形和手感仿真度。根据骨折相关部位牵引力的医学经验值及人体软组织力学特性，调整发泡海绵的发泡剂原料比例达到与人体组织相似。

三轴加速度计芯片可采用飞思卡尔Freescale公司的MMA7260、BOSCH公司的BMA140，联合用于综合判断断面的旋转、成角移位等的复位情况。

所述信号处理电路具有对加速度计和位移传感器信号进行处理的功能，能够根据信号和相应的计算方法计算出侧方移位、成角移位、旋转移位的具体值，上位计算机可根据这些参数进一步进行处理、显示、分析。信号处理电路可采用数据采集卡N16229或自行设计的处理电路等。

电气系统设计如附图2所示，加速度计及栅格触点式变阻器的供电及信号传输导线从上肢模型导出，与信号处理电路相连。信号处理电路位于模型外，给加速度计供电，采集加速度计和位移传感器信息，并进行滤波处理。在静止状态下，对采集到的加速度信息进行分析、处理和判断。并可将加速度信号或处理结果送达上位计算机，进行进一步处理。上位计算机通过配套的软件能进行进一步智能评估，实时给出手法建议和复位效果。

骨折复位的分离移位、侧方移位、成角移位、旋转移位均能够通过本系统进行检测，缩短移位也可由栅格触点式变阻器进行简单检测，其流程如附图8(图中虚线表示数据传递，实线表示执行流程)，检测的具体依据和方法分别是：

1、分离移位、缩短移位和侧方移位：由位移传感器检测。只要探针接触到导体环，电路导通，表明断面相互接触到，分离移位和缩短移位就复位成功。

当探针接触到最外围的导体环时，侧方移位复位程度为可测得的最低值，若需要测到更小的复位程度，可设置更多探针。探针与骨干中心越接近，接触到的导体环半径越小，侧方移位也越小，其具体值为所接触到的导体环半径。当探针接触到圆心时，侧方位移为零，完全复位。假设各导体圆环的宽度、圆环间的宽度以及中心导体圆盘的半径为r，两个圆环间的电阻相等，且远远小于探针到地电阻Ro，即R₀＝R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₅＝R，Ro＞＞R，电路施加的电压为Vcc，此时导体探针的直径应大于r，该变阻器对位移的分辨率为2r，探针接触到最外围的导体环时，侧方移位为11r，输出电压Vo＝V5＝Vcc，此时侧方移位的复位率为50％，探针每向中心圆盘靠近一个圆环，输出电压降低

复位率提高

若要达到医学认可的75％复位率应至少让探针接触到从外数第4个导体环，此时，输出电压为

复位率为

可根据对复位分辨率的需要调整r的大小和导体环的分布。

2、成角移位、旋转移位：角度在90度范围内时通过两个3轴加速度计联合检测。如附图2所示，在静止状态下，2个3轴加速度计只受重力加速度作用，3个方向加速度值维持一个稳定的值。3轴加速度计的3个方向互相垂直(X，Y，Z3个方向)，且相对于加速度计不变，在加速度计摆放的任意一个方向，静止状态下只受重力加速度(

矢量，下同)影响，设3个方向与重力加速度的夹角分别为α，β，γ，3个方向加速度(矢量，下同)矢量和等于重力加速度(若是以重力加速度方向为正，则重力加速度与加速度计某方向所成角度为小于90度的锐角时，该方向加速度值为正；重力加速度与加速度计某方向所成角度为大于90度的钝角时，该方向加速度值为负)：

${\stackrel{I}{a}}_x+{\stackrel{I}{a}}_y+{\stackrel{I}{a}}_z=\stackrel{I}{g}---\left[1\right]$

则其3个方向加速度值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{r}{a}}_x=\stackrel{r}{g}\·\cos \mathrm{\α}\\ {\stackrel{r}{a}}_y=\stackrel{r}{g}\·\cos \mathrm{\β}\\ {\stackrel{r}{a}}_z=\stackrel{r}{g}\·\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left[2\right]$

3个方向与重力方向所成夹角分别为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\mathrm{arc}\cos \frac{{\stackrel{r}{a}}_x}{\stackrel{r}{g}}\\ \mathrm{\β}=\mathrm{arc}\cos \frac{{\stackrel{r}{a}}_y}{\stackrel{r}{g}}\\ \mathrm{\γ}=\mathrm{arc}\cos \frac{{\stackrel{r}{a}}_z}{\stackrel{r}{g}}\end{array}\right.---\left[3\right]$

以上臂肱骨骨折为例(附图1)，初始安装使两个加速度计处于近似相同的状态，三个方向分别相同，所成角度为零，各方向加速度值分别相等。初始状态下与肱骨纵向方向相同的是加速度计的Y方向。根据式[3]，静止状态下，远端加速度计1和近端加速度计2三个方向(X1，Y1，Z1、X2，Y2，Z2)与重力加速度方向的夹角为(α₁，β₁，γ₁、α₂，β₂，γ₂)，

当远端加速度计1与近端加速度计2的三个方向加速度均不为零时，通常情况下，骨折的成角与旋转移位小于90度，两个加速度计的三个方向与重力方向所成角之差分别为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\α}={\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2=\mathrm{arc}\cos \frac{{\stackrel{r}{a}}_{x1}}{\stackrel{r}{g}}-\mathrm{arc}\cos \frac{{\stackrel{r}{a}}_{x2}}{\stackrel{r}{g}}\\ \mathrm{\Δ\β}={\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_2=\mathrm{arc}\cos \frac{{\stackrel{r}{a}}_{y1}}{\stackrel{r}{g}}-\mathrm{arc}\cos \frac{{\stackrel{r}{a}}_{y2}}{\stackrel{r}{g}}\\ \mathrm{\Δ\γ}={\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2=\mathrm{arc}\cos \frac{{\stackrel{r}{a}}_{z1}}{\stackrel{r}{g}}-\mathrm{arc}\cos \frac{{\stackrel{r}{a}}_{z2}}{\stackrel{r}{g}}\end{array}\right.---\left[4\right]$

这三个参数可以提示复位的程度，值越大，骨折两端所成角度越大，复位程度越低；值越小，复位程度越高；三个均等于零时，完全复位。当三个参数均较小时，由于医学上对骨折的复位精度要求不是很高，可以近似为成角移位和旋转移位的角度。其中Δβ可近似看作肱骨成角移位的角度，Δβ较小时，Δα和Δγ可近似看作肱骨旋转移位的角度。特例是当加速度计某一方向与重力加速度方向相同或相反时，此时会有某个或某两个方向处在与重力加速度方向垂直的水平面上，在该平面内任意方向加速度值均为零的情况，导致该方法失效，应予以避免。如肱骨竖直放置时，Y方向加速度值最大，X，Z方向与重力加速度方向同时垂直，加速度近似为零，此时X，Z两个方向构成的平面与重力加速度垂直，若成角移位完全复位，两个加速度计的X，Z方向均为零，无法准确测量Δα和Δγ。由此，通过两个三轴加速度计的加速度值，可以计算Δβ，Δα和Δγ，得到成角移位、旋转移位角度值。

3、固定的检测与评价：当两个加速度计分别位于骨折的断面两端时，如果某一端在固定板垂直方向施加一旋转力矩，使其旋转到另一方位，则在两个加速度计三个方向上会有相应的变化，如果固定牢靠紧固，则二者相当于在同一刚体上，其加速度变化近似相等；如果固定较为松散，则加速度变化与之差别很大。应在外力作用下进行移动或旋转，计算两个加速度计加速度矢量和之差(即总加速度差，某一位置的总加速度就是加速度计在某一位置的三个方向的加速度矢量和)Δα，再根据加速度的相对变化Δα′进行判断(式[5]-[8])。复位成功后固定的效果的判断仍可在缓慢移动、转动下考察Δa′值。由于固定并非是越紧越好，综合医学上对紧固程度的需要设定一个最佳Δa′值，越接近Δa′固定效果越好，反之越差。

$a_1=\sqrt{{{\stackrel{r}{a}}_{x1}}^2+{{\stackrel{r}{a}}_{y1}}^2+{{\stackrel{r}{a}}_{z1}}^2}---\left[5\right]$

$a_2=\sqrt{{{\stackrel{r}{a}}_{x2}}^2+{{\stackrel{r}{a}}_{y2}}^2+{{\stackrel{r}{a}}_{z2}}^2}---\left[6\right]$

Δa＝|a₁-a₂|                                    [7]

$\mathrm{\Δ}{a}^{\′}=\frac{\mathrm{\Δa}}{a_1}---\left[8\right]$

Claims (6)

1.一种骨折模型复位检测装置，其特征是，所述装置包括仿真肢体模型、三轴加速度计芯片、位移传感器和信号处理电路；所述仿真肢体模型内设置形成自然断面的骨骼解剖模型，在骨折断面两端面最小距离处分别设凹槽，在所述凹槽内分别安装方向相同的三轴加速度计芯片，在骨折断面两端安装位移传感器，所述位移传感器和三轴加速度计芯片分别连接导线，导线从仿真肢体模型导出连接到信号处理电路，信号处理电路连接上位计算机。

2.根据权利要求1所述的骨折模型复位检测装置，其特征是，所述三轴加速度计是加速度传感器芯片或是加速度变送器，数量不少于两个，所述三轴加速度计分别安装于骨折断面两端贴近断裂面处，骨骼完全复位时，每个三轴加速度计空间方位完全相同，任意位置放置时同一方向加速度值均相等。

3.根据权利要求1所述的骨折模型复位检测装置，其特征是，所述位移传感器由栅格触点式变阻器部分和触点探针部分组成，栅格触点式变阻器部分采用双层PCB电路板的硬板，一面为圆环形导体膜与绝缘体膜相间的栅格，另一面在两个导体环之间焊接固定电阻；触点探针安装于一个骨折断面的几何中心，栅格触点式变阻器安装于另一断面。

4.一种骨折模型复位检测方法，其特征是，按照下述步骤实现：

a.断面两端初始化设置，同时显示初始移位参数；

b.下一步进行复位操作，位移传感器安装于断面两端，断面接触时导通，若位移传感器不导通，则重新进行复位操作；

c.若位移传感器导通，输出电压，缩短移位复位和分离移位复位成功；根据输出电压推导触点探针到栅格中心的距离，判断侧方移位的复位情况，显示侧方移位值，距离越小，复位越好，距离为零时，侧方移位完全复位；若对侧方移位复位情况不满意，则继续侧方移位复位操作。

5.根据权利要求4所述的骨折模型复位检测方法，其特征是，所述侧方移位复位若满意，则静止，根据相对静止状态下分别位于断面两端的两个加速度计三个方向加速度值之间的差，计算和显示断面成角移位、旋转移位的复位情况，此过程中所述三轴加速度计不能位于某一方向与重力加速度方向相同或相反的位置；若对复位情况有不满意，则继续复位操作；若成角移位、旋转移位均满意则复位完成。

6.根据权利要求5所述的骨折模型复位检测方法，其特征是，所述成角移位、旋转移位均满意后复位完成，进行固定操作，根据在加载外力使断面两端运动状态下分别位于断面两端的两个加速度计记录下的总加速度差及其与在加载外力前总加速度的比值，来判断断面两端固定的效果，差值相对总加速度越小，固定越牢固，差值相对总加速度越大，固定越松弛；若不满意，则继续固定操作；若满意，则固定完成。

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