基于MSP430的自控式骨矯形器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自1904年Codivilla報(bào)告骨延長(zhǎng)術(shù)開始，肢體延長(zhǎng)術(shù)已經(jīng)發(fā)展了100多年，骨緩慢牽張?jiān)偕碚撘呀?jīng)形成且不斷完善，與此同時(shí)肢體延長(zhǎng)器械也在不斷發(fā)展。目前肢體延長(zhǎng)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(nèi)釘結(jié)合外固定支架;(3)完全植入式肢體延長(zhǎng)器。骨外固定支架技術(shù)采用人工外力控制實(shí)現(xiàn)骨矯形器的拉伸，拉伸的控制精度低，操作難度大，臨床應(yīng)用中容易引發(fā)針道感染，不利于延長(zhǎng)區(qū)骨質(zhì)愈合，同時(shí)長(zhǎng)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(nèi)釘結(jié)合外固定支架技術(shù)在穩(wěn)定性、延長(zhǎng)精度上有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍無法避免外固定支架帶來的不良后果。完全植入式骨延長(zhǎng)器,因其內(nèi)置動(dòng)力發(fā)生裝置可精確控制延長(zhǎng)速率同時(shí)又可避免針道感染問題等優(yōu)勢(shì)，成為骨延長(zhǎng)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公司研制開發(fā)的髓腔內(nèi)置式骨骼動(dòng)力延長(zhǎng)器(ISKD), 它由外置的監(jiān)測(cè)器和手術(shù)植入的類似伸縮望遠(yuǎn)鏡桶式的髓內(nèi)釘組成,其基本原理是靠患者的關(guān)節(jié)活動(dòng)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)內(nèi)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，超過單次牽張長(zhǎng)度，不能回縮，有可能導(dǎo)致斷骨面不能生長(zhǎng)，存在極大的臨床應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。
　目前，我國(guó)肢體延長(zhǎng)的手術(shù)技術(shù)及器械還停留在第二階段[2]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)的國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展綱要中，已經(jīng)把新型醫(yī)療器械的研發(fā)作為鼓勵(lì)投資和自主創(chuàng)新的新領(lǐng)域。為此，本文設(shè)計(jì)了一種以MSP430F169單片機(jī)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(jī)控制，操作簡(jiǎn)單方便，用戶可以根據(jù)需要自控骨矯形器的伸縮，延長(zhǎng)精度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)由植入長(zhǎng)骨骨髓腔的內(nèi)部骨矯形器和體外的控制器兩部分組成。體外的控制器通過生物硅膠管引線與內(nèi)部骨矯形器相連，主要由MSP430F169單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊、信號(hào)處理模塊、鍵盤及液晶顯示系統(tǒng)等相關(guān)單元組成。體內(nèi)骨矯形器通過精密電機(jī)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自身伸縮，單片機(jī)通過由磁敏傳感器構(gòu)成的參數(shù)反饋模塊及信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)骨矯形器的精確控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

為滿足用戶對(duì)便攜性的要求，矯形器系統(tǒng)采用電池供電。因此低功耗是系統(tǒng)的一個(gè)主要指標(biāo)，為此系統(tǒng)選用具有超低功耗特點(diǎn)的MSP430系列單片機(jī)。在MSP430F169單片機(jī)的基礎(chǔ)上搭建系統(tǒng)平臺(tái)，同時(shí)配合軟件中斷處理機(jī)制，非常好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗指標(biāo)。高精度控制是系統(tǒng)的另一個(gè)主要指標(biāo)，骨矯形器必須保持高精度牽張、回縮控制，任何誤差都會(huì)給用戶帶來不良影響。系統(tǒng)使用ZP系列傳感器傳回微電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過放大處理后送回單片機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)精確控制。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行精度為0.1 mm，其精度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有矯形器。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 MSP430F169單片機(jī)
MSP430F169[3]單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的具有超低功耗、功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)。它采用“馮·諾依曼”結(jié)構(gòu), RAM、ROM及全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間內(nèi), 最大尋址地址為62 KB;具有強(qiáng)大的中斷功能, 48個(gè)I/O 引腳, 每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器, 在對(duì)同一個(gè)I/O口進(jìn)行操作前,選擇其要實(shí)現(xiàn)的功能便可實(shí)現(xiàn)功能口和通用I/O口的復(fù)用, 大大地增強(qiáng)了端口的功能和靈活性;MSP430F系列超單片機(jī)自帶閃速存儲(chǔ)器,運(yùn)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發(fā)技術(shù),設(shè)置有JTAG仿真接口和高級(jí)語言編譯器。