基于MSP430的自控式骨矯形器的設計與實(shí)現

自1904年Codivilla報告骨延長(cháng)術(shù)開(kāi)始，肢體延長(cháng)術(shù)已經(jīng)發(fā)展了100多年，骨緩慢牽張再生理論已經(jīng)形成且不斷完善，與此同時(shí)肢體延長(cháng)器械也在不斷發(fā)展。目前肢體延長(cháng)的手術(shù)技術(shù)和器械經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段[1]: (1)骨外固定支架技術(shù);(2)髓內釘結合外固定支架;(3)完全植入式肢體延長(cháng)器。骨外固定支架技術(shù)采用人工外力控制實(shí)現骨矯形器的拉伸，拉伸的控制精度低，操作難度大，臨床應用中容易引發(fā)針道感染，不利于延長(cháng)區骨質(zhì)愈合，同時(shí)長(cháng)時(shí)間攜帶外固定器也會(huì )在患者的生理和心理上造成不良影響。髓內釘結合外固定支架技術(shù)在穩定性、延長(cháng)精度上有了長(cháng)足的發(fā)展，但仍無(wú)法避免外固定支架帶來(lái)的不良后果。完全植入式骨延長(cháng)器,因其內置動(dòng)力發(fā)生裝置可精確控制延長(cháng)速率同時(shí)又可避免針道感染問(wèn)題等優(yōu)勢，成為骨延長(cháng)器的發(fā)展方向。目前此技術(shù)最成熟和最具代表性的是ORTHOFIX公司研制開(kāi)發(fā)的髓腔內置式骨骼動(dòng)力延長(cháng)器(ISKD), 它由外置的監測器和手術(shù)植入的類(lèi)似伸縮望遠鏡桶式的髓內釘組成,其基本原理是靠患者的關(guān)節活動(dòng)旋轉帶動(dòng)內部牽張器牽張。但其缺點(diǎn)是只能牽張，不能回縮加壓固定，一旦活動(dòng)度大，超過(guò)單次牽張長(cháng)度，不能回縮，有可能導致斷骨面不能生長(cháng)，存在極大的臨床應用風(fēng)險。
　目前，我國肢體延長(cháng)的手術(shù)技術(shù)及器械還停留在第二階段[2]，遠遠落后于發(fā)達國家。我國的國家中長(cháng)期科技發(fā)展綱要中，已經(jīng)把新型醫療器械的研發(fā)作為鼓勵投資和自主創(chuàng )新的新領(lǐng)域。為此，本文設計了一種以MSP430F169單片機為核心的高精度、自控式骨矯形器。該骨矯形器不但克服了外固定器的缺點(diǎn),也克服了ISKD不能回縮加壓固定的缺點(diǎn)。采用電機控制，操作簡(jiǎn)單方便，用戶(hù)可以根據需要自控骨矯形器的伸縮，延長(cháng)精度高，具有廣闊的應用前景。
1 系統總體設計
　系統由植入長(cháng)骨骨髓腔的內部骨矯形器和體外的控制器兩部分組成。體外的控制器通過(guò)生物硅膠管引線(xiàn)與內部骨矯形器相連，主要由MSP430F169單片機、電機驅動(dòng)電路、電源模塊、信號處理模塊、鍵盤(pán)及液晶顯示系統等相關(guān)單元組成。體內骨矯形器通過(guò)精密電機的運行實(shí)現自身伸縮，單片機通過(guò)由磁敏傳感器構成的參數反饋模塊及信號處理模塊實(shí)現對骨矯形器的精確控制。系統總體結構框圖如圖1所示。

為滿(mǎn)足用戶(hù)對便攜性的要求，矯形器系統采用電池供電。因此低功耗是系統的一個(gè)主要指標，為此系統選用具有超低功耗特點(diǎn)的MSP430系列單片機。在MSP430F169單片機的基礎上搭建系統平臺，同時(shí)配合軟件中斷處理機制，非常好地實(shí)現了系統的低功耗指標。高精度控制是系統的另一個(gè)主要指標，骨矯形器必須保持高精度牽張、回縮控制，任何誤差都會(huì )給用戶(hù)帶來(lái)不良影響。系統使用ZP系列傳感器傳回微電機運行信號，信號經(jīng)過(guò)放大處理后送回單片機處理，實(shí)現精確控制。根據軟件設計，系統實(shí)現運行精度為0.1 mm，其精度遠高于現有矯形器。
2 系統硬件設計
2.1 MSP430F169單片機
MSP430F169[3]單片機是美國德州儀器公司生產(chǎn)的具有超低功耗、功能強大的16位單片機。它采用“馮·諾依曼”結構, RAM、ROM及全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間內, 最大尋址地址為62 KB;具有強大的中斷功能, 48個(gè)I/O 引腳, 每個(gè)I/O口分別對應輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器, 在對同一個(gè)I/O口進(jìn)行操作前,選擇其要實(shí)現的功能便可實(shí)現功能口和通用I/O口的復用, 大大地增強了端口的功能和靈活性;MSP430F系列超單片機自帶閃速存儲器,運行在1 MHz時(shí)鐘條件下時(shí)，工作電流視工作模式不同僅為0.1～280 μA;同時(shí)它具有良好的仿真開(kāi)發(fā)技術(shù),設置有JTAG仿真接口和高級語(yǔ)言編譯器。