骨科外固定支架裂纹检测系统设计

摘要：在社会经济快速发展、人民生活水平逐步提高的同时，交通事故及工伤带来的高能量骨折亦随之增多，四肢开放性骨折已成为各医院或诊所较为常见的骨科病例。目前，外固定是治疗开放性骨折的主要方案之一。为了加快骨折的愈合，减少患者的治疗时间，保障支架的有效使用，实时进行裂纹检测便成为术后治疗的关键。设计一个骨科外固定支架裂纹检测系统，该系统由应变片、单片机、全球移动通信系统（global system for mobile communications， GSM）提示模块并结合外围电路组成。实验室测试表明，设计的系统能实时、准确地检测支架产生的裂纹，并通过发光二极管、蜂鸣器、GSM短信3种方式提醒患者设备出现裂纹，需及时就医处理，具有一定的实用性，为外固定支架的有效使用提供了保障。

关键词：外固定支架; 应变片; 全球移动通信系统提示模块; 单片机

中图分类号：TP368文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.16735862.2023.04.007

Design of crack detection system for orthopedic external fixator

CHEN Ming1， SUN Yi2， ZHAO Xinwei2， LIU Jun2， CHEN Xuehai1， LI Hui1

（1. Hebei Institute for Drug and Medical Device Control， Shijiazhuang 050200， China;

2. Qingdao West Coast New Area Central Hospital， Qingdao 266580， China）

Abstract：The continuous growth of the social economy and the steady improvement of living standards have led to a surge in high energy fracture resulting from traffic accidents and work-related injuries. As a consequence， open fractures of the limbs have become increasingly prevalent in hospitals and clinics， making external fixator as a primary treatment modality for such cases. To expedite fracture healing， minimize treatment time for patients， and ensure the optimal usage of external fixator， real-time crack detection becomes the crux of postoperative treatment. A crack detection system for orthopedic external fixator is designed including strain gauges， a microcontroller， a global system for mobile communications（GSM） module and peripheral circuits. Simulation and laboratory tests show that the system has remarkable capability to promptly and accurately detect fractures occurring in the external fixator. The system can efficiently alert patients about cracks through three distinct modes-light emitting diode， a buzzer， and GSM and the patient should seek medical service immediately. This system exhibits promising practicality and provide support for effective application of external fixator.

Key words：external fixator; strain gauge; global system for mobile communications module; microcontroller

随着经济和交通的快速发展，交通事故、矿藏事故、爆炸性事故和工业意外导致的骨折患者越来越多，骨折在外科手术中所占比例呈上升的趋势［1］。目前在中国，骨折最常用、疗效最显著的术后治疗方法是外固定治疗法［2］。外固定支架治疗骨折具有固定简单、减少愈合时间、降低并发症、减轻骨膜损伤、 降低死亡率等优点［3］，受到骨科医生和患者的推崇。

骨科外固定支架在使用的过程中，由于金属疲劳、设计缺陷等内部原因或者外部冲击、酸碱环境等外部原因，容易产生裂纹，从而丧失固定的功能。为了及时发现外固定支架的裂纹缺陷，保障其能够有效使用，有必要对其进行实时裂纹检测。本文设计的系统使用应变片测量外固定支架的裂纹，通过声、光、全球移动通信系统（global system for mobile communications， GSM）的短信功能对裂纹进行实时报警，具有结构简单、经济实惠、携带方便、体积小等优点。

1应变片检测裂纹原理

将应变片贴在待测的骨科外固定支架表面，当金属表面因受力等原因发生形变时，由于应变片的敏感栅与金属的形变一致，敏感栅中金属丝的长度和横截面积发生变化，导致应变片的电阻阻值改变，测量敏感栅的阻值变化量就可知道外固定支架的形变量。敏感栅的电阻变化与形变成正比［4］，即

ΔRR=Kε

式中：R为应变片的电阻;ΔR为电阻变化量;K为比例常数;ε为应变量。

2系统硬件设计

本文设计的骨科外固定支架裂纹检测系统主要包含4个模块： 裂纹检测模块、中央控制模块、声光报警模块和GSM提示模块。图1为系统的框图。

系统利用应变片的电阻变化对合金锤的裂纹进行检测，STC89C52根据裂纹检测模块采集到的信息，判断外固定支架是否出现裂纹，同时控制声光报警模块和GSM提示模块工作状态，当支架出现裂纹时，启动声光报警，关联手机会有短信提示。

2.1裂纹检测模块

裂纹检测模块通过应变片敏感栅的电阻阻值变化来判断外固定支架是否存在裂纹，在实际测量过程中，由于应变片敏感栅的电阻阻值变化很小，本文设计采用惠斯通电桥将电阻的变化转化成电压的变化［56］，并且进行放大滤波处理，经电压比较器后，将判断结果输送给控制模块。裂纹检测模块的电路图如图2所示。

2.2控制模块

本文设计采用STC89C52作为控制模块的核心器件。裂纹检测模块的电压放大器输出信号送入电压比较器LM358，单片机的P3.1接口与电压比较器的输出端连接，当电压比较器的输入电压低于预置电压时，表示外固定支架没有裂纹，芯片向STC单片机输出低电平，选择P2.1作为单片机的输出管脚，P2.1输出高电平;当电压比较器的输入电压高于预置电压时，P2.1输出低电平，表示外固定支架存在裂纹，触发报警模块工作。

2.3报警模块

报警模块主要由声光报警和GSM提示模块组成。

2.3.1声光报警

声光报警模块包含发光二极管、蜂鸣器、三极管等电子器件。发光二极管的正极与电源正极连接，采用拉电流方式，负极接一个300欧姆的电阻到单片机的输出管脚P2.1，构成光线报警电路。当单片机内的报警状态改变时，管脚P2.1输出为低电平，光线报警电路导通，发光二极管发出红光提示患者外固定支架出现裂纹。三极管的基极通过负载电阻与单片机的输出管脚P2.1相连，集电极与蜂鸣器连接，发射极连接5V电源，有源蜂鸣器的负极接地，构成声音报警电路。当单片机内的报警状态改变时，管脚P2.1输出为低电平，三极管导通，蜂鸣器发出报警声音。

2.3.2GSM提示模块

GSM提示模块由无线通信模块SIM900A和外围电路组成。SIM900A芯片能够提供语音和短信功能［78］。为实现中文短信息提示功能，程序中规定SIM900A芯片在协议数据单元（protocd date unit， PDU）模式下工作。

为实现单片机和GSM模块的串口通信，设计将SIM900A的接收端脚与单片机的反射端连接［910］。当检测电路检测到外固定支架出现裂纹时， GSM提示模块将向程序预置的手机发送短信。

3系统软件设计及验证

打开开关按钮后，GSM提示模块的发光二极管灯持续闪烁，表明模块与网络通信处于正常状态。接着单片机开始初始化，清空缓存内容，发送连接测试指令，关闭回显，发送信息格式指令，持续判断P3.1接口收到的电平的高低。一旦出现高电平，将激发报警装置，声光报警电路和GSM短信提示电路导通，持续工作，直到关闭电源开关为止;同时，程序预置手机将接收到6条报警短信，提示患者外固定支架出现裂纹。具体的工作流程如图3所示。

用金属丝代表外固定支架，应变片直接贴在金属丝表面，焊接实物。合上电源开关，GSM模块连续闪烁，表明连接成功。手动断开代表外固定支架的金属丝，此时程序预置手机收到如图4所示的短信，提醒患者外固定支架出现裂纹。

4结论

本文设计的骨科外固定支架裂纹检测系统能实时、准确地检测支架产生的裂纹，并通过发光二极管、蜂鸣器、GSM短信3种方式提醒患者设备出现裂纹，需要及时就医处理，为外固定支架的有效使用提供了保障。同时，系统具有结构简单、质量轻、体积小等优点，具有一定的使用价值。

参考文献：

［1］罗栋新，黄英，刘承俊. 外固定支架在治疗小腿骨折中的应用效果及对住院时间的影响分析［J］. 当代医学， 2021，27（34）：160-162.

［2］何莉莉，连礼熠，潘惠玲，等. 应用聚氨酯泡沫敷料预防骨科外固定支架针道感染的效果观察［J］. 传染、炎症、修复， 2021，22（2）：7678，129.

［3］张雷鸣. 外固定支架治疗严重多发伤合并四肢闭合性长管骨骨折疗效研究［J］. 中国继续医学教育， 2021，13（32）：143-146.

［4］梁小洁，张薇，罗重阳，等. 基于单片机的电子秤设计［J］. 电子设计工程， 2018，26（4）：154-157.

［5］秦正波. 一种改进惠斯通电桥和交流电桥实验教学效果的简单方法［J］. 大学物理实验， 2022，35（1）：60-62.

［6］白旭峰，杨艳丽，曲保平. 惠斯通电桥实验中的桥臂电阻确定分析［J］. 集成电路应用， 2021，38（12）：286-287.

［7］李鑫，李妍敏，刘超，等. 基于GSM的核辐射测量系统［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2021，44（7）：881-885.

［8］罗伟芳. 基于GSM模块的电子信息双机自动化处理系统设计［J］. 自动化与仪器仪表， 2021，（12）：125-128.

［9］毕杨，郭少祖. 基于单片机的电动车震动防盗报警器装置设计［J］. 西安航空学院学报， 2020，38（3）：66-70.

［10］刘云，郑汉松. 基于STM32的GSM远程温度检测系统设计［J］. 信息与电脑（理论版）， 2021，33（9）：14-17.