用于測(cè)量 Boston支具表面壓力的無線壓力傳感器研制

王凱 王勝利 吳志宏 翁習(xí)生 邱貴興

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院骨科，北京 100730）

用于測(cè)量 Boston支具表面壓力的無線壓力傳感器研制

王凱 王勝利 吳志宏 翁習(xí)生 邱貴興*

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院骨科，北京 100730）

背景：Boston 支具廣泛應(yīng)用于青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（AIS）的矯形治療，其力學(xué)設(shè)計(jì)仍待進(jìn)一步改進(jìn)。一些研究通過測(cè)量支具對(duì)軀體的作用力來探究支具的生物力學(xué)原理，但均為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果，不能完全反映日常生活中支具對(duì)軀體的實(shí)際作用力。

目的：研制一種用于測(cè)量Boston支具表面壓力的無線傳感器。

方法：利用單點(diǎn)薄膜壓力傳感器及無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無線傳感器，測(cè)量 12 例接受 Boston 支具治療的 AIS 患者佩戴支具的表面壓力以及相關(guān)的Cobb角改變。

結(jié)果：通過無線壓力傳感器測(cè)得支 具 上 下 壓點(diǎn)墊片的壓力以及臀部壓力平 均 值 分 別為（5.11± 0.66）N、（2.93±0.66）N 和（0.86±0.17）N；佩戴支具后 Cobb 角由 33°±13°減小至 18°±13°，矯正了（49±27）%。

結(jié)論：所研制的無線壓力傳感器能夠測(cè)量支具的表面壓力，并為研制動(dòng)態(tài)測(cè)量支具表面壓力的設(shè)備提供了雛形。

Boston支具；無線壓力傳感器；表面壓力；Cobb角

Background:Although Boston brace is widely used in the orthopedic treatment of adolescent idiopathic scoliosis(AIS),the mechanical design needs further improvement.Some studies explore biomechanical principles by measuring the force from the brace on body,but the laboratory results can not fully reflect the actual force in daily life.

Objective:To develop a wireless force system to measure the direct forces exerted by the pads in the Boston brace.

Methods:InthisstudywebuiltawirelessforcesystemwithforcesensorsandwirelesssystemtomeasurethedirectforcesexertedbythepadsintheBostonbrace.Then12AISpatientsworethebrace,andsurfacepressureandCobbanglesweremeasured.

Results:The force on the upper and lower pads of Boston brace and on the hip were(5.11 ± 0.66)N,(2.93 ± 0.66)N and (0.86±0.17)N,respectively.Cobb angle decreased from 33°±13°to 18°±13°with a correcting rate of(49±27)%.

Conclusions:Our system can be used to measure the direct forces exerted by the pads in the Boston brace and allow us to develop a system to investigate the force distribution inside the brace during daily activities.

脊柱側(cè)凸是一種伴有椎體旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜脊柱三維畸形，約80%的患者屬于發(fā)病原因不明的青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（adolescent idiopathic scoliosis,AIS）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2%～3%的青少年患有 AIS[1]，其中 10%需要接受治療[2]。有多種非手術(shù)方法用于輕微 AIS 的治療，其目的是阻止處于生長期青少年的脊柱側(cè)凸進(jìn)一步發(fā)展，通常采用的方法是長時(shí)間佩戴脊柱矯形支具結(jié)合系統(tǒng)鍛煉。目前已有 Milwaukee支具和 Boston 支具等多種支具，被設(shè)計(jì)制作并用于治療AIS。研究表明，Boston 支具系統(tǒng)可在冠狀面上顯著糾正 Cobb 角[3]。

Boston 支具廣泛應(yīng)用于 AIS 的矯形治療，但其內(nèi)部的生物力學(xué)原理尚未完全明確，支具的力學(xué)設(shè)計(jì)仍待進(jìn)一步改進(jìn)，以期達(dá)到更好的矯形效果。因此，一些研究通過測(cè)量支具對(duì)軀體的作用力來探究支具的生物力學(xué)原理，但這些研究中測(cè)量的作用力均是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，不能完全反映日常生活中支具對(duì)軀體的實(shí)際作用力[4-13]。Lou 等[14,15]將無線電技術(shù)運(yùn)用于支具的生物力學(xué)研究，以期能監(jiān)測(cè)生活中支具的力學(xué)作用，但測(cè)試的壓力點(diǎn)單一，需進(jìn)一步增加測(cè)試點(diǎn)測(cè)試支具的壓力。本研究研制了一種無線壓力傳感器，測(cè)量經(jīng)改進(jìn)制作的 Boston 支具的壓力，并期待將其應(yīng)用于臨床，以采集監(jiān)測(cè)治療過程中支具的壓力變化，為改進(jìn)支具設(shè)計(jì)和提高治療效果提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 設(shè)備

本研究設(shè)計(jì)的傳感設(shè)備由無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)和單點(diǎn)薄膜壓力傳感器兩部分組成。傳感器監(jiān)測(cè)壓力變化，無線節(jié)點(diǎn)采集記錄數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至電腦。① 無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)：在無線傳輸領(lǐng)域現(xiàn)有 Zig-Bee、Bluetooth、802.11 a,b,g,n 等多種傳輸協(xié)議[14]。其中 Zig-Bee(2.4GHz)無線傳輸協(xié)議具有近距離、低功耗、低成本、短延遲、高安全性、高容量、免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)，非常符合本研究無線協(xié)議的需要，并適合推廣普及，用于傳輸各個(gè)患者日常生活中的支具壓力數(shù)據(jù)。本研究使用的無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，可分別連接4個(gè)壓力傳感器，并可根據(jù)需要擴(kuò)展連接256個(gè)壓力傳感器。無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)采集記錄傳感器測(cè)量到的壓力引起的應(yīng)變量，并將數(shù)據(jù)以無線電的形式發(fā)送到電腦中（圖 1A）。 ② 傳感器：采用 Flexiforce A201 單 點(diǎn) 薄膜 壓力 傳感 器，該傳 感器 具有 靈敏、可靠、輕薄、耐用、高度的可撓性等特點(diǎn)，非常適用于測(cè)量支具與體表之間的表面壓力。當(dāng)壓力作用于感測(cè)區(qū)域時(shí)，感測(cè)區(qū)域的電阻值隨壓力成比例變化，壓力越大，電阻值越小[16]。通過下游的信號(hào)采集裝置獲得由電阻變化引起的電壓變化，可測(cè)得外力的大?。▓D1B）。

1.2 病例入選標(biāo)準(zhǔn)

入選患者應(yīng)符合下面的條件：① 均為AIS患者，且側(cè)凸 Cobb 角≤60°，頂椎低于 T7；② 脊柱側(cè)凸有可被矯正的潛力；③ 無皮膚病的病史，如皮炎、銀屑病、皮膚過敏等；④ 骨骼未成熟的患者。2010年4月至2010年5月共12例在我院骨科接受支具矯形治療的患者入組，年齡為3～18歲，平均12歲（表1）。

1.3 研究方法

留取患者已拍攝的站立位全脊柱正側(cè)位X線片資料，以及Cobb角、側(cè)凸類型、Risser征。通過無線壓力傳感器測(cè)量站立位佩戴支具時(shí)所有壓點(diǎn)墊片處壓力及支具臀部下緣無墊片處壓力，并拍攝患者佩戴支具站立時(shí)的全脊柱正側(cè)位X線片，測(cè)量并記錄Cobb角。

表1 入選患者的一般資料

2 結(jié)果

通過無線壓力傳感器測(cè)量、記錄并由 Zig-Bee協(xié)議無線傳輸至電腦，測(cè)得佩戴支具即刻上下壓點(diǎn)以及臀部壓力平均值分別為（5.11±0.66）N、（2.93±0.66）N 和（0.86±0.17）N（表 2），而患者佩戴支具前后 X 線片提示 Cobb角由33°±13°減小到18°±13°，矯正（49± 27）%（表3）。

3 討論

應(yīng)用支具治療AIS已有很長的歷史，但支具對(duì)脊柱的作用機(jī)理仍有很多方面不被人們所了解，支具的設(shè)計(jì)制作仍需進(jìn)一步改進(jìn)，以期達(dá)到更好的矯形效果。

圖1 無線壓力傳感器的組成

表2 患者佩戴支具時(shí)壓力測(cè)量值

Cochran 和 Waugh[4]，Chase 等[5]，Lou 等[6]用 壓 力或力的傳感器測(cè)量了側(cè)面墊片位置的壓力，但僅限于測(cè)量單個(gè)點(diǎn)的壓力。Chase 等[7]利用牛津壓力傳感器測(cè)量 Boston 支具壓點(diǎn)與軀干接觸面的壓力并測(cè)量了Cobb角變化，認(rèn)為支具的矯形效果并不完全取決于矯形力的大小，而是因人而異，并受多種因素影響。Cote等[8]利用有 256 個(gè)單元的壓力傳感器測(cè)量了Boston 支具的內(nèi)部壓力分布，并報(bào)道支具內(nèi)部的平均壓力為 4～9 kPa。Périé等[9]通過壓力傳感器及有限元模型分析 Boston支具的生物力學(xué)特性，認(rèn)為支具是作為一個(gè)整體而不僅是單一的壓點(diǎn)墊片產(chǎn)生矯形作用，同時(shí)調(diào)節(jié)自身的壓力分布。Wong 等[10]研究支具治療AIS的有效性及其相關(guān)生物力學(xué)因素，認(rèn)為主要壓點(diǎn)區(qū)的平均壓力為（7.1±1.8）kPa，墊片處壓力與綁帶的拉力相關(guān)。von den Hout等[11]運(yùn)用 PEDAR 裝置直接測(cè)量 16例AIS 患者配戴 Boston支具時(shí)的壓點(diǎn)與體表接觸面的表面壓力，認(rèn)為胸部與腰部墊片處壓力大小與Cobb角改變無明顯關(guān)系。Mac-Thiong 等[12]研究并報(bào)道了支具綁帶與支具壓力的關(guān)系。Pham 等[13]運(yùn)用 I-scan 系統(tǒng)測(cè)量Cheneau支具壓點(diǎn)處的體表壓力值及壓力分布。

表3 患者佩戴支具前后的Cobb角及矯正百分比

上述研究中支具對(duì)軀體的作用力測(cè)量均在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，不能完全反映日常生活中支具對(duì)軀體的實(shí)際作用力，也無法監(jiān)測(cè)患者在日常生活中是否正確佩戴支具，更無法改進(jìn)支具佩戴方法和提高患者 依從性 。Lou 等[14,15]為 監(jiān) 測(cè)生 活 中支 具 的力 學(xué) 作用，將無線電技術(shù)運(yùn)用于支具的生物力學(xué)研究，但由于測(cè)試的壓力點(diǎn)單一，還需進(jìn)一步增加測(cè)試的壓力點(diǎn)。本研究研制的無線壓力傳感器以無線設(shè)備配合輕薄的薄膜傳感器加載在支具上，測(cè)量記錄接受Boston 支具治療的患者佩戴支具即刻的壓力數(shù)據(jù)。這套基于無線技術(shù)的壓力傳感器也為以后測(cè)量患者日常生活中佩戴支具的壓力提供了雛形，如同 24 h動(dòng)態(tài)心電圖一樣，可以測(cè)量記錄患者日常生活中所佩戴支具的一些關(guān)鍵點(diǎn)的1天或長期壓力數(shù)據(jù)。

以往研究表明，應(yīng)用支具治療AIS首先應(yīng)符合生物力學(xué)原理的設(shè)計(jì)，此外需要患者良好的依從性及正確佩戴支具的方法，方可獲得良好的治療效果[17,18]。我們需要獲取更多日常生活中佩戴支具的數(shù)據(jù)，并以次為依據(jù)改進(jìn)支具的設(shè)計(jì)與佩戴使用的方法，如：①每天佩戴支具需多長時(shí)間，是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的佩戴時(shí)間還是可以減少一部分時(shí)間；②睡覺時(shí)佩戴支具是積極的還是有負(fù)面影響的；③患者日常生活中是否一直堅(jiān)持佩戴支具、多大的支具壓力比較合適（太大的壓力會(huì)降低患者依從性，而太小的壓力又達(dá)不到矯正效果，我們需要找到壓力、矯正效果與依從性的平衡點(diǎn)）；④支具壓力在半年內(nèi)會(huì)如何改變；⑤復(fù)查更換新支具的時(shí)間是經(jīng)驗(yàn)性的半年還是更短時(shí)間或更長時(shí)間，等等。

為使該套設(shè)備用于日常生活中，設(shè)計(jì)為無線傳輸設(shè)備，由電池驅(qū)動(dòng)，并且盡量輕便小巧。因?yàn)榛颊咄ǔ?個(gè)月復(fù)診一次，所以傳感設(shè)備需要足夠內(nèi)存，以儲(chǔ)存6個(gè)月以上采樣數(shù)據(jù)，電池也需要能連續(xù)使用6個(gè)月以上。整套系統(tǒng)要求低能耗，并且能夠定時(shí)自動(dòng)采樣。當(dāng)6個(gè)月后患者復(fù)診時(shí)，我們可以下載數(shù)據(jù)并給電池充電，之后繼續(xù)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，直至患者支具治療結(jié)束。因而，該套無線壓力傳感器在日常生活中使用時(shí)可以長期工作，并且能夠獲取6個(gè)月以上治療過程中的全部力學(xué)數(shù)據(jù)；同時(shí)，我們計(jì)劃進(jìn)一步縮小無線壓力傳感器體積，使傳感器攜帶更方便，甚至成為支具的一部分，構(gòu)建出壓力可監(jiān)測(cè)、可調(diào)節(jié)的Boston 支具，以采集更多患者佩戴支具的長期壓力數(shù)據(jù)。綜上，本研究所設(shè)計(jì)的無線傳感設(shè)備可以應(yīng)用于Boston 支具的力學(xué)測(cè)量，并且具有輕便小巧，能耗低，數(shù)據(jù)容量較大等特點(diǎn)，但仍需進(jìn)一步的臨床應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)這套設(shè)備可以長期工作并動(dòng)態(tài)測(cè)量支具壓力。

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Development of a wireless pressure sensor for the Boston brace interface pressure measurement

WANG Kai,WANG Shengli,WU Zhihong,WENG Xisheng,QIU Guixing*
(Department of Orthopaedics,Peking Union Medical College Hospital,CAMS&PUMC,Beijing 100730,China)

Boston brace;Wireless sensor;Interface pressure;Cobb angle

*通信作者：邱貴興，E-mail:qiugx@medmail.com.cn