一种应用于下肢骨折康复病人的应力监护装置的研制

上海市第五人民医院设备科（上海 200240）

1.系统概述

一般骨折病人的恢复期需4 周至4 个月不等，如对位、对线良好，需固定6 周，一般需3 个月。X 光片上显示骨痂形成，骨折线消失，方可逐渐活动，专业医师建议康复运动以循序渐进为原则，运动量要由小到大，量力而行，动作由易到难。

下肢的康复锻炼流程为：做股四头肌、髋周围肌的等长收缩及踝关节的主动伸屈活动→床上练习抬腿训练→坐床沿上健腿置患肢下肌力上抬→床边站立→下肢关节功能康复器（CPM）训练→拄双拐下地作负重行走→持拐行走→弃拐行走→下蹲运动，运动量循序渐进。医师根据骨痂愈合情况指导患者下地行走,负重根据骨折愈合的进展情况逐步从部分负重过渡到完全负重。在临床和X 线都证实骨折已愈合时才能完全负重。

所研制的监护装置由应力传感器、信号转换模块、数据采集卡和数据处理器组成，所述的应力传感器采集病人下肢应力数据，通过信号转换模块进行放大，然后经数据采集卡模数转换为数字信号后传输到数据处理器上，数据处理器对数字信号进行监测显示，给骨折康复病人提供一个直观量化的应力数值，使病患在行走锻炼时做到心中有数，可以帮助下肢骨折患者合理科学地进行康复训练，注重循序渐进的锻炼，帮助病患达到一个最佳的康复效果。

2.设计策略

a)制作左右双脚测量压力装置；

b)方便病人安装拆卸产品设备进行康复训练；

c)双脚可单独进行训练；

d)数值显示：可测患者脚部三个受压力的传感器压力值，波形显示；

e)报警功能：可设定每个传感器目标值，患者通过训练达到目标值进行报警而得知训练的强度大小；

f)病例管理：记录患者训练所产生的数据以及产品可打印报告。

3.系统硬件结构

图1.系统硬件结构图

4.硬件结构组成和功能

4.1 计算机系统

4.1.1 主机

程序运行、存储及连接其他外接设备。

4.1.2 显示器

显示信息。

4.1.3 键盘和鼠标

进行电脑操作。

4.1.4 蓝牙适配器

用来传输采集与控制信号，通过蓝牙从设备（如肌力测试仪，便携终端、坐位站起评定仪等）进行通讯。本终端通过蓝牙控制从设备并获得从设备所采集的数据，这些数据可以在本终端进行处理，也可以通过蓝牙传给便携终端进行程序升级及程序控制。

4.1.5 打印机

打印报告。

4.1.6 电源

电池供电3V、2000mA 锂电池。

4.2 脚垫、坐垫（供电方式：3.7v/2.5A 直流电源）

4.2.1 脚垫、坐垫压力传感器技术参数

1)输出灵敏度 mV/V 1.0±10%；

2)综合误差 %F.S 0.1；

3)零点温度漂移 %F.S/10˚C 0.1；

4)灵敏度温度漂移 %F.S/10˚C 0.1；

5)零点输出 mV/V±0.2；

6)输入阻抗Ω 350±20/700 ±50 ；

7)输出阻抗Ω 350±20/700 ±50；

8)过载能力 %F.S 150。

5.外形结构图

图2.装置结构图

6.软件设计结构

6.1 波形采集

传感器受力信号按照下图所示流程进行处理。波形数据通过蓝牙传输，传输数据包括左脚、右脚压力传感器的压力信号，模数转换器精度为12位，采样率在20～100 赫兹之间可调，可同时接收八路模拟信号。在相应的界面上实时显示左右脚每个传感器的压力柱形图。

6.2 图谱显示

在进行评定时，屏幕同时显示①左脚压力——时间变化曲线；②右脚压力——时间变化曲线；每条曲线占据一个独立显示区域，用不同颜色进行显示。

6.3 按钮设置显示

界面的右下角设有“测试准备”、“开始测试”、“停止测试”、“测试结果”、“录入报告”、“返回”六个按钮和测试时间滑动条。测试准备的设定时间为10 秒，“测试准备”的测试数据不被保存，在相应的界面上实时显示左右脚每个传感器的用力状况。点击“开始测试”按钮，系统开始记录和实时显示采集数据，同时开始计时，当采样时间到达时，系统自动停止数据采集，并保存采样数据到文件。点击“停止测试”按钮，系统立即停止数据采集，同时把采样数据保存到文件。点击“录入报告”用于存储此病人此次测试项目数据，此时，如果进入报告模块，可以看到生成的报告，如果需要还可以word 报告格式打印。点击“返回”按钮，系统返回到前一界面。

6.4 评定事件标记

点击“测试结果”按钮，调用相应的参数计算方法，参数由临床医生根据病人特点设定，得到评定数据显示结果。

图3.信号流程图

图4.系统运行图

6.5 评定数据显示

点击弹出分析报告选择项目，包括表头信息和表体内容选择。可输出患者基本信息（姓名、性别、评估时间等）和评估参数，也可输出选择的图形结果。

在进行评定时，评定数据显示如下内容：

（1）左脚三个传感器的最大压力、平均压力、报警压力。

（2）右脚三个传感器的最大压力、平均压力、报警压力。

（3）回顾性对比分析（本次测试结果可从缓存读取数据，也可以读取保存在磁盘上的历史数据文件，进行对比分析）。

系统运行图显示如下内容：

•左右脚每个传感器压力值——时间变化曲线；

•左右脚警示压力值；

•灵敏度、扫描速度的设置。

7.开发环境配置

类别操作系统开发语言软件Win7操作系统C++ /VC6.0

8.运行环境配置

类别标准配置最低配置计算机硬件Inter core2.8G、2G内存、320G硬盘单核2.8G、1G内存、80G硬盘软件Win7操作系统WinXP操作系统其他温度：-15˚C～+35˚C湿度：20%～75%

9.临床意义

下肢骨折病人术后有效的功能锻炼可以改善和增加局部血液循环，增强肌肉力量，预防肌腱及关节囊粘连和挛缩,软化瘢痕,恢复关节和肢体正常功能。但是很多骨折术后病人由于各种原因,不能进行有效的功能锻炼而导致关节强直、屈曲挛缩而影响骨折术后治疗的效果。病人由于骨折术后肢体功能恢复不能达到理想效果而直接影响术后病人工作、生活。

经对我院骨折术后病人的调研发现，一是病人谨慎小心，怕痛和出现意外而不敢活动,担心活动后致手术失败；二是病人急于求成,有较强的恢复肢体功能的欲望,不注意锻炼方法而过早活动及负重,锻炼过度,超前并随意活动。这些都不利于康复措施的实施并易导致肌肉萎缩、关节僵硬、骨折延迟愈合或再骨折等并发症。

康复锻炼对下肢骨折患者至关重要，为了减少致残率，帮助患者恢复肢体功能，提高患者的生活自理能力和生活质量，我们研制一种下肢应力监护装置，给骨折康复病人提供一个直观量化的应力数值，使病患在行走锻炼时做到心中有数，防止脚部用力过猛或者不足而达不到应有康复效果，帮助下肢骨折病人的康复。

目前国内外尚无相同的研究项目，没有一种量化的应用于下肢骨折病人的监护装置，此装置已获得国家专利授权。作为下肢康复性监护仪器，此装置具有一定的实用性、新颖性，可以帮助下肢骨折患者合理科学地进行康复训练，注重循序渐进的锻炼，避免负重过度或不足而达不到最佳效果。

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