骨科外固定支架裂紋檢測系統設計

摘要：在社會經濟快速發展、人民生活水平逐步提高的同時，交通事故及工傷帶來的高能量骨折亦隨之增多，四肢開放性骨折已成為各醫院或診所較為常見的骨科病例。目前，外固定是治療開放性骨折的主要方案之一。為了加快骨折的愈合，減少患者的治療時間，保障支架的有效使用，實時進行裂紋檢測便成為術后治療的關鍵。設計一個骨科外固定支架裂紋檢測系統，該系統由應變片、單片機、全球移動通信系統（global system for mobile communications， GSM）提示模塊并結合外圍電路組成。實驗室測試表明，設計的系統能實時、準確地檢測支架產生的裂紋，并通過發光二極管、蜂鳴器、GSM短信3種方式提醒患者設備出現裂紋，需及時就醫處理，具有一定的實用性，為外固定支架的有效使用提供了保障。

關鍵詞：外固定支架; 應變片; 全球移動通信系統提示模塊; 單片機

中圖分類號：TP368文獻標志碼：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

隨著經濟和交通的快速發展，交通事故、礦藏事故、爆炸性事故和工業意外導致的骨折患者越來越多，骨折在外科手術中所占比例呈上升的趨勢［1］。目前在中國，骨折最常用、療效最顯著的術后治療方法是外固定治療法［2］。外固定支架治療骨折具有固定簡單、減少愈合時間、降低并發癥、減輕骨膜損傷、 降低死亡率等優點［3］，受到骨科醫生和患者的推崇。

骨科外固定支架在使用的過程中，由于金屬疲勞、設計缺陷等內部原因或者外部沖擊、酸堿環境等外部原因，容易產生裂紋，從而喪失固定的功能。為了及時發現外固定支架的裂紋缺陷，保障其能夠有效使用，有必要對其進行實時裂紋檢測。本文設計的系統使用應變片測量外固定支架的裂紋，通過聲、光、全球移動通信系統（global system for mobile communications， GSM）的短信功能對裂紋進行實時報警，具有結構簡單、經濟實惠、攜帶方便、體積小等優點。

1應變片檢測裂紋原理

將應變片貼在待測的骨科外固定支架表面，當金屬表面因受力等原因發生形變時，由于應變片的敏感柵與金屬的形變一致，敏感柵中金屬絲的長度和橫截面積發生變化，導致應變片的電阻阻值改變，測量敏感柵的阻值變化量就可知道外固定支架的形變量。敏感柵的電阻變化與形變成正比［4］，即

ΔRR=Kε

式中：R為應變片的電阻;ΔR為電阻變化量;K為比例常數;ε為應變量。

2系統硬件設計

本文設計的骨科外固定支架裂紋檢測系統主要包含4個模塊： 裂紋檢測模塊、中央控制模塊、聲光報警模塊和GSM提示模塊。圖1為系統的框圖。

系統利用應變片的電阻變化對合金錘的裂紋進行檢測，STC89C52根據裂紋檢測模塊采集到的信息，判斷外固定支架是否出現裂紋，同時控制聲光報警模塊和GSM提示模塊工作狀態，當支架出現裂紋時，啟動聲光報警，關聯手機會有短信提示。

2.1裂紋檢測模塊

裂紋檢測模塊通過應變片敏感柵的電阻阻值變化來判斷外固定支架是否存在裂紋，在實際測量過程中，由于應變片敏感柵的電阻阻值變化很小，本文設計采用惠斯通電橋將電阻的變化轉化成電壓的變化［56］，并且進行放大濾波處理，經電壓比較器后，將判斷結果輸送給控制模塊。裂紋檢測模塊的電路圖如圖2所示。

2.2控制模塊

本文設計采用STC89C52作為控制模塊的核心器件。裂紋檢測模塊的電壓放大器輸出信號送入電壓比較器LM358，單片機的P3.1接口與電壓比較器的輸出端連接，當電壓比較器的輸入電壓低于預置電壓時，表示外固定支架沒有裂紋，芯片向STC單片機輸出低電平，選擇P2.1作為單片機的輸出管腳，P2.1輸出高電平;當電壓比較器的輸入電壓高于預置電壓時，P2.1輸出低電平，表示外固定支架存在裂紋，觸發報警模塊工作。

2.3報警模塊

報警模塊主要由聲光報警和GSM提示模塊組成。

2.3.1聲光報警

聲光報警模塊包含發光二極管、蜂鳴器、三極管等電子器件。發光二極管的正極與電源正極連接，采用拉電流方式，負極接一個300歐姆的電阻到單片機的輸出管腳P2.1，構成光線報警電路。當單片機內的報警狀態改變時，管腳P2.1輸出為低電平，光線報警電路導通，發光二極管發出紅光提示患者外固定支架出現裂紋。三極管的基極通過負載電阻與單片機的輸出管腳P2.1相連，集電極與蜂鳴器連接，發射極連接5V電源，有源蜂鳴器的負極接地，構成聲音報警電路。當單片機內的報警狀態改變時，管腳P2.1輸出為低電平，三極管導通，蜂鳴器發出報警聲音。

2.3.2GSM提示模塊

GSM提示模塊由無線通信模塊SIM900A和外圍電路組成。SIM900A芯片能夠提供語音和短信功能［78］。為實現中文短信息提示功能，程序中規定SIM900A芯片在協議數據單元（protocd date unit， PDU）模式下工作。

為實現單片機和GSM模塊的串口通信，設計將SIM900A的接收端腳與單片機的反射端連接［910］。當檢測電路檢測到外固定支架出現裂紋時， GSM提示模塊將向程序預置的手機發送短信。

3系統軟件設計及驗證

打開開關按鈕后，GSM提示模塊的發光二極管燈持續閃爍，表明模塊與網絡通信處于正常狀態。接著單片機開始初始化，清空緩存內容，發送連接測試指令，關閉回顯，發送信息格式指令，持續判斷P3.1接口收到的電平的高低。一旦出現高電平，將激發報警裝置，聲光報警電路和GSM短信提示電路導通，持續工作，直到關閉電源開關為止;同時，程序預置手機將接收到6條報警短信，提示患者外固定支架出現裂紋。具體的工作流程如圖3所示。

用金屬絲代表外固定支架，應變片直接貼在金屬絲表面，焊接實物。合上電源開關，GSM模塊連續閃爍，表明連接成功。手動斷開代表外固定支架的金屬絲，此時程序預置手機收到如圖4所示的短信，提醒患者外固定支架出現裂紋。

4結論

本文設計的骨科外固定支架裂紋檢測系統能實時、準確地檢測支架產生的裂紋，并通過發光二極管、蜂鳴器、GSM短信3種方式提醒患者設備出現裂紋，需要及時就醫處理，為外固定支架的有效使用提供了保障。同時，系統具有結構簡單、質量輕、體積小等優點，具有一定的使用價值。

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