CN102283658B

CN102283658B - 一种脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置

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Publication number: CN102283658B
Application number: CN2011102012616A
Authority: CN
Inventors: 何滨
Original assignee: Hangzhou Santan Medical Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Santan Medical Technology Co Ltd
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: CN102283658A

Abstract

本发明涉及一种脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置，包括固定支架、固定支架压力显示仪、计算机，还设置有加压支架、加压支架压力显示仪、加压支架控制模块，加压支架与加压支架压力显示仪、加压支架控制模块均电连接，计算机与加压支架控制模块电连接，加压支架包括第一加压支架、第二加压支架、拉簧、直线轴承、减速电机、第一加压支架轴、第二加压支架轴、加压传感器，两个平行的直线轴承固定连接，第一加压支架轴与第二加压支架轴分别套装在一个直线轴承内，减速电机与拉簧一端连接，拉簧另一端与加压传感器连接，加压传感器安装在第一加压支架上，固定支架轴分为两段并通过固定支架压力传感器连接。本发明结构简洁，测量准确可靠。

Description

一种脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置

技术领域

本发明涉及一种脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置，主要用于骨折治疗基础研究，可为探索骨折愈合过程中的骨折端的应力变化提供准确数据，从而推导和寻找骨折愈合的最佳应力环境。

背景技术

骨折是一种常见病，现代医学对骨折进行了系统研究，研究指出：骨折愈合时骨折端受肌肉动力、外负荷作用产生应力，骨折愈合的不同阶段总有与之相适应的局部应力环境，骨组织在应力的影响或直接作用下能作一定方向的生长。因此，寻找骨折端的最佳应力一直是骨科基础研究的重要内容，国内外学者进行了大量尝试，如国内顾志华等设计了测力式骨科固定器，以山羊为实验对象，得出了骨折愈合函数为K=72.51+72.67σ-83.43σ²（K，骨折愈合质量；σ，断端应力）；马晓瑜等收集骨折端压力数据后使用Lab VIEW软件分析也进行了数字化骨折愈合过程的尝试，国外也有在骨外固定支架上使用多方向应力传感器来测试应力的报道，但以上方法都存在一定缺陷，没有得出正确而系统的结论，骨折端最佳应力仍是现代骨创伤领域未解之谜。

参考文献如下：

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发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种结构简洁，测量准确可靠的脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置。该装置能获取骨折生长愈合过程中的应力变化曲线，从而为骨折治疗基础研究提供骨骼愈合应力变化规律，为更科学地研制骨折固定器械提供参考，使骨折治疗方法更趋合理、科学。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置，包括固定支架、固定支架压力显示仪、计算机，固定支架与固定支架压力显示仪电连接，固定支架压力显示仪与计算机电连接，其特征是还设置有加压支架、加压支架压力显示仪、加压支架控制模块，加压支架与加压支架压力显示仪、加压支架控制模块均电连接，计算机与加压支架控制模块电连接，加压支架包括第一加压支架、第二加压支架、拉簧、直线轴承、减速电机、第一加压支架轴、第二加压支架轴、加压传感器，两个平行的直线轴承固定连接，第一加压支架轴与第二加压支架轴分别滑动式套装在一个直线轴承内，减速电机通过丝杆与拉簧一端连接，减速电机固定在第二加压支架上，拉簧另一端与加压传感器连接，加压传感器安装在第一加压支架上，第一加压支架轴与第一加压支架固定，第二加压支架轴与第二加压支架固定，固定支架轴分为两段，固定支架轴的两段之间通过带连接片的固定支架压力传感器连接。

本发明加压支架控制模块包括微处理器、第一RS232接口电路、第二RS232接口电路、H桥驱动电路，微处理器与H桥驱动电路电连接，H桥驱动电路与减速电机电连接，第一RS232接口电路一端与微处理器电连接，第一RS232接口电路另一端与计算机电连接，第二RS232接口电路一端与加压传感器电连接，第二RS232接口电路另一端与微处理器电连接。

本发明还设置有固定螺钉、加压螺钉，固定螺钉安装在固定支架轴的两端，两个加压螺钉分别安装在第一加压支架轴和第二加压支架轴的两端。

本发明结构简洁，固定可靠方便，成本低。在骨外固定支架手术中的辅助应用，具有降低该类手术经验要求、减小手术难度、提高手术安全性、提高手术准确率、缩短手术时间同时减少手术创伤的作用。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的工作原理示意图；

图3是本发明实施例加压支架的结构示意图；

图4是本发明实施例固定支架的结构示意图；

图5是本发明实施例的电连接示意图。

具体实施方式

参见图1～图5，本发明实施例脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置包括固定支架、固定支架压力显示仪、加压支架、加压支架压力显示仪、加压支架控制模块、计算机。

工作原理如下：

实验时，每个脉冲加压期间，加压支架产生一个压力F1，固定支架和骨骼会分别产生反作用力 F3，F2。由于这三个力都在轴向同一方向上，所以他们的关系是 F1 = F2+F3 。实验中可获取压力 F1、F3 ，故可以简单得到所需要的骨骼所承受的力 F2 = F1-F3 。在骨折初期，刚装好支架的时候，F3会承受全部的 F1的压力，随着骨折处慢慢愈合，F2越来越大，骨骼完全生长好的时候，F2基本上承受了所有的 F1 的压力。我们可以得到骨骼反作用力 F2 随时间变化而变化的一组数据。

接下来结合附图对本发明的各个模块作进行进一步说明。

1．固定支架

固定支架采用现有的固定支架，简单改装，包括固定支架定位器1、固定螺钉2、固定支架轴3，在固定支架中间增加固定支架压力传感器4。压力传感器型号是JHBM—100KG，准确度级别0.1%，输出灵敏度 1.833MV/V，额定负荷是100KG，采用应变片桥式电路，温漂比较小，四线接线方式。

固定支架轴3采用硬度较高的表面镀铬硬质合金，分为两段，每段长度60MM。固定支架轴3的两段之间通过带连接片的固定支架压力传感器4牢固连接，参见图4。

固定支架总长度是 134MM ，满足管状骨固定要求。

2．压力显示仪

本系统共用到两个压力显示仪，分别为固定支架压力显示仪和加压支架压力显示仪。型号为XMT808-S，数码管显示4位有效数字，精度为 +-0.2%（FS），通讯接口有RS232 和RS485。距离远时会考虑用 RS485，到时计算机端安装一个信号转接器。

3．加压支架

加压支架和固定支架的机械结构设计是本系统的创新点，在可靠性、数据的准确性、数据的线性、安装方便性、重量等方面均有较高要求。

参见图3，其中第一加压支架轴13和第二加压支架轴16均为6MM高硬度镀铬光轴。两个直线轴承9由两块固定块8固定连接，第一加压支架轴13和第二加压支架轴16分别套装在一个直线轴承9内（NSK加长型直线轴承LM6LUU），内径6MM。第一加压支架轴13和第二加压支架轴16可以在两直线轴承9中上下滑动，保证了加压支架只能施加轴向的压力。

图中下面圆柱体即是直流的减速电机10。减速电机10通过丝杆旋转，拉拢拉簧7的一端。减速电机10固定在第二加压支架6上，拉簧7另一端与加压传感器14连接，加压传感器14安装在第一加压支架5上，第一加压支架轴13与第一加压支架5固定，第二加压支架轴16与第二加压支架6固定，从而使加压支架能轴向加压。加压传感器14用于测量拉簧7的实时拉力。

4、加压支架控制模块

加压支架控制模块是一个模块化的控制电路部分。加压支架控制模块共有5部分的电路组成。其中AVR微处理器是核心处理芯片，采用ATMEL公司的ATMEGA48PA 芯片，TQFP-32封装，FLASH 8K，RAM 1K，工作频率8M，微处理器与电源部分电路、第一RS232接口电路、第二RS232接口电路、H桥驱动电路均电连接。电源部分电路是给整个模块提供稳定的电源。第一RS232接口电路一端与微处理器电连接，信息方向为双向，第一RS232接口电路另一端与计算机电连接，接收计算机发来的加压信号。第二RS232接口电路一端与加压传感器14电连接，接收加压传感器14的压力信号，第二RS232接口电路另一端与微处理器电连接。H桥驱动电路是控制减速电机10运转的核心，要做到能迅速正转，反转，停止等功能，采用了IR公司生产的高效增强型MOSFET管IRLR7843, SOT-252封装。4个MOSFET 构成了一个桥式驱动电路。MOSFET驱动芯片采用了IR的IR2184 芯片，SOP-8封装。

5、计算机及人机界面

计算机配置要求不高，台式机和笔记本均可，不过考虑到要长时间工作，稳定性一定要高。

人机界面主要包括端口设置框、数据采集框、加压命令框及实时数据框四个部分组成。

具体使用方法：

如图1所示，模拟活体实验的管状骨11的中间是骨折处15。我们通过固定螺钉2将固定支架锁在管状骨11的一边，通过加压螺钉12将加压支架锁在管状骨11的另一边。

实验时，先用串口线将计算机跟加压支架控制模块连接起来，打开测量仪的人机界面。然后我们设定端口参数后打开端口，在加压命令中输入加压值并按下发送按钮。此时计算机会向加压支架控制模块发送一个加压命令。当加压支架控制模块接收到信号后就开始执行，通过驱动减速电机10来完成加压动作。在采集框中设定采集周期并按下开始按钮开始数据采集。我们通过软件将加压控制模块传回的数据读取出来，并保存在计算机中。这样我们就得到了骨折端愈合应力随时间变化而变化的一组数据，一直到痊愈。

最后我们用曲线拟合法将这一组数据拟合成一条曲线，就可以找到骨折愈合过程中应力的规律。

凡是本发明的简单变形或等效变换，应认为落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置，包括固定支架、固定支架压力显示仪、计算机，固定支架与固定支架压力显示仪电连接，固定支架压力显示仪与计算机电连接，其特征是：还设置有加压支架、加压支架压力显示仪、加压支架控制模块，加压支架与加压支架压力显示仪、加压支架控制模块均电连接，计算机与加压支架控制模块电连接，加压支架包括第一加压支架、第二加压支架、拉簧、直线轴承、减速电机、第一加压支架轴、第二加压支架轴、加压传感器，两个平行的直线轴承固定连接，第一加压支架轴与第二加压支架轴分别滑动式套装在一个直线轴承内，减速电机通过丝杆与拉簧一端连接，减速电机固定在第二加压支架上，拉簧另一端与加压传感器连接，加压传感器安装在第一加压支架上，第一加压支架轴与第一加压支架固定，第二加压支架轴与第二加压支架固定，固定支架轴分为两段，固定支架轴的两段之间通过带连接片的固定支架压力传感器连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置，其特征是：加压支架控制模块包括微处理器、第一RS232接口电路、第二RS232接口电路、H桥驱动电路，微处理器与H桥驱动电路电连接，H桥驱动电路与减速电机电连接，第一RS232接口电路一端与微处理器电连接，第一RS232接口电路另一端与计算机电连接，第二RS232接口电路一端与加压传感器电连接，第二RS232接口电路另一端与微处理器电连接。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲式骨折愈合全过程应力测量装置，其特征是：还设置有固定螺钉、加压螺钉，固定螺钉安装在固定支架轴的两端，两个加压螺钉分别安装在第一加压支架轴和第二加压支架轴的两端。