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1、脊柱矫形器测力监控装置的研制与应用 作者：朱波 王志彬 李文成 白人骁 师宜健 【关键词】 传感器 摘 要：目的利用容珊原理研制支撑杆电子数显测力监控装置，并将其应用于新型脊柱矫形器，对强直性脊柱炎导致驼背畸形患者进行矫形治疗，探讨矫形器的作用机理，并进行临床生物力学研究。方法（1)利用容珊原理研制位电容压力传感器，组装成支撑杆测力监控装置。(2)应用该装置对新型脊柱矫形器进行作用机理研究，对10名正常人进行模拟测试，获得力学参数值，用以观察患者在治疗期间的对比变化量。(3)应用装有测力监控装置的矫形器对13例强直性脊柱炎导致驼背畸形患者进行矫形治疗，临床观察2周，测定其身高、驼背畸形角度、柄
2、耻间距及剑耻间距的改变情况。结果利用支撑杆测力监控装置进行实验研究显示，新型脊柱矫形器是一种组合加力装置，其矫形作用是由牵引力和挤压力共同完成的。其牵引力约为4 kg，挤压力约为18 kg。临床研究显示患者身高的改善幅度为216 cm，平均61 cm；X线片显示驼背畸形角度平均改善121；柄耻间距平均增长51 cm，剑耻间距平均增长43 cm。结论该支撑杆测力监控装置不仅能科学地探索矫形器支撑框架的力学规律，还能对其支撑力进行实时监控，从而指导临床治疗，较好的解决了脊柱矫形治疗中的定量问题。关键词：传感器； 脊柱； 矫形； 生物力学； 强直性脊柱炎Development and clinicl
3、a application of electronic digital ergometerAbstract：ObjectiveTo develop an electronicdigital ergometer supporting force measuring equipment equipping on a newdesigned spinal orthopedic shelf for kyphosis and to evaluate its biomechanical principle and its clinical applicationMethod（1） A new unit(e
4、lectronicdigital ergometer）based on the theory of capacity variation was developed and equipped on the shelfpole of spinal orthopedic shelf for kyposis to measure the biomechanic force of the shelf;（2）Thirteen cases of kyphosis due to ankylosing spondylitis were treated with new designed spinal orth
5、opedic shelfPatients height,angle of kyphosis deformity,distance between pubis and manubrium of sternum or xiphoid process were measuredResultAfter the use of shelf,the traction force and compression force of new spinal orthopedic shelf applying on kyphosis were 4 kg and 18 kg respectively,the dista
6、nce between pubis and manubrium of sternum and pubis and xiphoid process were enlarged for 51 cm and 43 cm respectively,Xray film showed the angle of kyphosis deformity was improved 121ConclusionNew electronicdigital ergometer can detect and monitor the biomechanical supporting force of shelf,thus i
7、s proved to be an effective method to solve the clinical problem of quantitative treatment with shelfKey words：Electronicdigital ergometer； Kyphosis； Biomechanics； Ankylosing spondylitis 多年来，我国临床及科研工作者相当多的工作放在了与骨科疾病相关的组织学、微循环和生物化学领域的研究，相关的临床生物力学研究却很少，这就使得临床上许多与生物力学有关的问题难以得到圆满的解答。特别是应用外固定矫形器对许多骨科疾病的治
8、疗仍然处于定性治疗阶段，避免不了出现偏差，而且很难总结出骨伤治疗的生物力学规律性。基于这一思想，作者运用容珊原理开发研制了一种位电压力传感器，并将其应用于天津医院研制的新型脊柱矫形器上。通过临床测试，准确获取脊柱在外固定矫形过程中各项数据的动态变化，从而指导临床治疗。1 材料与方法11 电子数显测力监控装置的构造及设计原理111 支撑杆传感器的构造为测试支撑杆的支撑力值，作者利用容珊原理，设计研制了一种方框式电容压力传感器，可安装于支撑杆内，以方便进行生物力学测试，获得临床相关的重要力学定量参数(图1)。该测力监控装置将主支撑杆分为上下两部，上部为测量仪，下部仍保留为旋动调节装置。测量仪上有数
9、字显示屏幕，通过按键开关，可控制测量仪开关、初始位置、读数、滑零及数字精度。测量仪的重量不到整体装置重量的十分之一，对于其本身的重量所产生的误差约为01，可以忽略。 12 测试方法121 测试仪器本实验采用了多种生物力学测试手段，运用了多种传感器技术及先进的测试方法，其中包括支撑杆传感器(见前)、微型压力传感器与压力分布测量系统、气囊法等。微型压力传感器：其内部采用半导体扩散式硅压阻敏感元件，其特点是：稳定性好，体积小，灵敏度高，抗冲击力强等。压力分布测量系统:它由8个性能基本同一的微型压力传感器、信号放大器、电容滤波器、计算机及USB7310模入数据采集卡与相应的测试程序组成。另外，在实验过
10、程中作者还用到了以下几种其它测试仪器：国产YD34型动态数据采集分析仪、SC16型光线示波器、YJ33型静态电阻应变仪和YZ22型转换箱、电子血压测量仪、WDW10KN微机控制电子万能试验机。122 测试内容对10名正常人组进行了模拟测试，获得力学参数值，用以观察患者在治疗期间的对比变化量。随机选出10名正常成年男性，年龄2638(平均3426)岁，胸围8296 cm，平均（8754） cm。10名受试者依次佩戴矫形器，旋转螺旋杆以逐渐增大支撑力，在支撑杆传感器读数为1、2、3、4、5 kg时，分别测出背侧板压力分布数据、两侧压板与前侧胸骨压板及耻骨压板的平均压力数值，绘制出压力分布曲线图（表
11、1、2）。表1 不同支撑力下10名正常人背侧板压力分布平均值(略)注：*4 kg与1、2、3 kg比较，P001；4 kg与5 kg比较，P005 表2 10名正常人背侧板压力值(略)注：*传感器6与1、2、3、4、5、8比较，P001;*传感器7与1、2，3、4、5、8比较，P001;传感器6与传感器7比较，P0053 临床应用2 结果与分析对表1进行统计学处理：(t检验)支撑力为4 kg时的传感器压力值与支撑力为1、2、3 kg时相比，有非常显著性差异(P001)；支撑力为4 kg时的传感器压力值与支撑力为5 kg时相比，无显著性差异(P005)。从表2可知，正常人背侧压板压力最大值集中在
12、第6、7传感器位置。正常人组模拟测试结果发观，正常人体脊柱在支撑杆伸长的过程中，背侧压板压力值表现为一平滑曲线分布。当旋转支撑杆的反向螺旋，使支撑杆延长加大支撑力的同时，矫形器的各板压力值均随支撑力的增加而不断增大，当支撑力为12 kg时，各板的压力值缓慢上升，当支撑力上升到4 kg时，各板压力值达最大峰值，此后再增加支撑力，各板压力值增加不明显。值得注意的是：使用摩擦牵引的外固定由于支架的重量轻及其装饰性设计，它们都不是一个大负荷装置。通过临床生物力学测试证明：这些外固定依靠摩擦牵引产生的牵引力均为46 kg。由表1计算结果可知，当支撑杆支撑力为4 kg时，分布在一块背侧压板上各传感器的压力
13、总和约为9 kg，因而背部总压力值约为18 kg，两侧压板力值各为10 kg，前侧胸骨压板和耻骨压板压力值分别为12 kg和6 kg，胸骨压板压力值是腹部压板的2倍，两前侧压板力值的总和与背侧压板相等。31 一般资料从2003年1月2004年1月，应用装有电子数显测力监控装置的脊柱矫形器对13例成年男性强直性脊柱炎患者进行矫形疗效观察，年龄1636岁，平均（2964）岁；病期2516 a，平均（8632）a；驼背时间1510 a，平均（3614）a。X线片示驼背畸形角度最大80，最小18，平均336。在进行系统的抗风湿治疗后，指导患者一旦离床即佩戴脊柱矫形器，根据病情及本人承受能力随时调整螺旋
14、杆，使矫形力不断得以补充，以使支撑杆的支撑力维持在4 kg左右。全部患者于治疗前均认真测量记录身高、柄耻间距、剑耻间距，并经X线摄片测量驼背畸形角度。支架佩戴2周后，再次重复上述检查。32 治疗结果经治疗，全部患者的驼背畸形均有不同程度改善，身高的改善幅度为216 cm，平均61 cm。X线片显示驼背畸形角度平均值治疗前为336，治疗后为215，平均改善121。经统计学处理，各项指标均有显著性差异。强直性脊柱炎患者常合并髋关节屈曲畸形，为了观察患者身高的改善是否受到髋关节畸形角度变化的干扰，作者还同时测量了患者柄耻间距和剑耻间距的改变。经比较，患者治疗后柄耻间距较前平均增长51 cm，剑耻间距
15、平均增长43 cm，提示患者身高的变化主要来自驼背畸形的改善。4 讨 论生物力学研究的目的在于为临床诊断和治疗提供精确可靠的参考，而且更应该直接为临床服务1，因此，一种理想的测试方法其结果应与临床诊断和治疗直接相联系2。目前理想的活体测试应该是非侵入性的，同时还应具备以下特征：精确客观、灵敏有效、简单快速3。本课题中所研制的支撑杆传感器测力监控装置正是符合了上述生物力学测试方法所应具备的特征。应用其对临床患者进行治疗时，不仅能简单快捷的反映出支撑杆的受力情况，所得数据还具有准确性及客观性，避免了临床医生由于主观经验和操作技术所带来的误差。通过对正常人组的模拟测试及临床生物力学测试结果发现，脊柱在外固定矫形过程中所承受的压力及各项数据的动态变化遵循一定的力学规律4。应用这一规律能对新型脊柱矫形器的支撑力进行实时监控，不仅指导临床治疗，而且体现了现代生物力学研究中无损伤、无导线测试技术的精华，同时加速了生物力学测试技术从实验室进入临床实用化的进程，为强直性脊柱炎驼背畸形患者的临床康复增加了别开生面的治疗措施。参考文献：1 董福慧，赵勇，关继超，等.骨折愈合的应力适应性研究J.中国骨伤，2001，14(1)：14.2 董福慧.骨折治疗的信息化数字化研究J.中国骨伤，2005，1
