自1904年Codivilla報(bào)告骨延長(zhǎng)術(shù)開(kāi)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(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(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(wèn)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(kāi)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(lèi)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(guò)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(hù)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(guò)生物硅膠管引線(xiàn)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(pán)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(guò)精密電機(jī)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自身伸縮，單片機(jī)通過(guò)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(mǎn)足用戶(hù)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(hù)帶來(lái)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(guò)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(kāi)發(fā)技術(shù),設(shè)置有JTAG仿真接口和高級(jí)語(yǔ)言編譯器。
2.2 骨矯形器系統(tǒng)
2.2.1矯形器機(jī)械
    矯形器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中左端頭(1)和右端頭(11)分別與外部部件依靠螺釘固聯(lián)。左端頭(1)與電機(jī)(3)、電機(jī)支架(4)和外套筒(7)依靠過(guò)盈固聯(lián)在一起，為左端部件。而右端頭(11)與內(nèi)套筒(8)依靠螺紋固聯(lián)在一起，為右端部件。在內(nèi)套筒和外套筒之間有一個(gè)導(dǎo)向鍵(6),它可以限制內(nèi)套筒和外套筒之間相互的周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)度方向、行程范圍內(nèi)(100 mm)的自由運(yùn)動(dòng)。左端部件和右端部件之間沿長(zhǎng)度方向的滑動(dòng)是靠電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)輸出經(jīng)過(guò)減速器減速，電機(jī)減速器的輸出軸通過(guò)電機(jī)薄鍵將中心螺桿(9)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，然后中心螺桿通過(guò)螺紋推動(dòng)受到導(dǎo)向鍵周向固定的內(nèi)套筒前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的伸縮。電機(jī)的精確控制是整個(gè)矯形器系統(tǒng)的核心。

2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)
　骨矯形器內(nèi)部精密電機(jī)最大可承受電壓為6 V，其驅(qū)動(dòng)電壓為4 V左右，電壓每下降1 V，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就下降2 800 r/m，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路不僅需要很大的驅(qū)動(dòng)能力，而且其輸出還需要很高的穩(wěn)定性。
　本設(shè)計(jì)采用電機(jī)專(zhuān)用控制芯片LG9110[4]作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。該芯片是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的2通道推挽式功率放大專(zhuān)用集成電路器件，它將分立電路集成在單片IC中，不再需要任何外圍器件, 降低了應(yīng)用成本，提高了整機(jī)可靠性。LG9110具有良好的抗干擾能力和較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，LG9110的6腳接正轉(zhuǎn)信號(hào)，7腳接反轉(zhuǎn)信號(hào)，1腳和4腳之間接精密電機(jī)。

2.2.3 參數(shù)反饋
　本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)骨矯形器精確控制的同時(shí)保持系統(tǒng)低功耗的特性,因此骨矯形器內(nèi)部安裝了ZP系列零功耗磁敏傳感器，該傳感器是一種工作時(shí)無(wú)需外加電源的新型傳感器，為雙磁極交替觸發(fā)工作方式。轉(zhuǎn)盤(pán)安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)盤(pán)上固定有小磁鐵，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)、小磁鐵經(jīng)過(guò)磁敏元件正下方時(shí)，磁敏元件產(chǎn)生電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳給外圍電路，而且電信號(hào)幅值與磁場(chǎng)的變化速度無(wú)關(guān)。
2.2.4 信號(hào)處理
　ZP系列傳感器輸出信號(hào)電流很小，將信號(hào)進(jìn)行后級(jí)放大處理后的輸出脈沖信號(hào)通過(guò)74HC14進(jìn)行整形后，送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。使用MSP430F169具有定時(shí)/捕獲功能的16位定時(shí)器A對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，采用外部引腳信號(hào)作為定時(shí)器A的輸入時(shí)鐘源，定時(shí)器A的工作模式采用增計(jì)數(shù)到CCR0模式。
2.3 鍵盤(pán)顯示
　為了降低系統(tǒng)功耗、減少占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目，鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)為3×3個(gè)按鍵的行列式鍵盤(pán)，采用中斷方式進(jìn)行處理,P2.0~P2.2作為行線(xiàn)，P2.5~P2.7作為列線(xiàn)。只要按鍵被按下，便會(huì)觸發(fā)中斷，進(jìn)入鍵盤(pán)處理程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)定初始位移、目標(biāo)位移，控制骨矯形器微電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和讀取、保存數(shù)據(jù)等功能。
　骨矯形器需要為用戶(hù)提供豐富的交互信息，本設(shè)計(jì)選用HG1286413單色點(diǎn)陣圖形液晶顯示器作為用戶(hù)的交互界面，它最大可顯示4行8列32個(gè)字符。P3.0~P3.7作為液晶的數(shù)據(jù)線(xiàn), P5.4~5.7作為液晶使能、內(nèi)部命令寄存器/顯示存儲(chǔ)器選擇控制和讀寫(xiě)模式控制位，P5.3為復(fù)位信號(hào)的控制位。LCD顯示屏為用戶(hù)顯示操作提示、工作狀態(tài)、電池欠壓告警等信息。
2.4 電源模塊
　電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)電源的干擾很大，為不影響單片機(jī)的正常工作，系統(tǒng)選用雙電源供電,采用1個(gè)5 V/4.8 Ah鋰電池供電。一組經(jīng)AMS1117轉(zhuǎn)換成3.3 V給單片機(jī)及外圍電路供電；另一組經(jīng)紋波極低的DC/CD模塊B0505S-1W實(shí)現(xiàn)電壓隔離后給電機(jī)供電。
　LG9110的驅(qū)動(dòng)電壓不應(yīng)低于4 V，否則電機(jī)不能正常工作，為此設(shè)計(jì)了電壓檢測(cè)電路。MSP430F169內(nèi)部的比較器A的反向輸入端P2.4電壓取自分壓電阻,同向輸入端為參考電壓，選用內(nèi)部電壓VCC/2,即1.65 V。當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值4 V時(shí)，觸發(fā)比較器A中斷，程序進(jìn)入低壓服務(wù)程序，保存現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)到信息存儲(chǔ)器A、B中，同時(shí)提示用戶(hù)對(duì)電池進(jìn)行充電。而電壓在4 V~5.0 V之間變動(dòng)時(shí)，電路不會(huì)產(chǎn)生誤操作。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1主程序
　為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)和降低電路功耗, 系統(tǒng)全部功能都使用中斷方式實(shí)現(xiàn)。主程序進(jìn)行一些必要的初始化工作后進(jìn)入低功耗死循環(huán)狀態(tài)并等待中斷。一旦有中斷, CPU從低功耗模式中喚醒,進(jìn)行中斷處理, 中斷結(jié)束后再次返回低功耗死循環(huán)。主程序的流程圖如圖4所示。

3.2 電機(jī)控制
　矯形器的調(diào)速功能通過(guò)MSP430F169的定時(shí)器B輸出PWM方波來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。通過(guò)改變捕獲/比較寄存器CCR1、CCR2中的數(shù)值就可以改變定時(shí)器B產(chǎn)生的2路（P4.1、P4.2）PWM方波信號(hào)的占空比, 通過(guò)改變捕獲/比較寄存器CCR0中的數(shù)值就可改變PWM方波信號(hào)的周期，由此達(dá)到改變微電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)P4.1輸出PWM信號(hào)時(shí)，矯形器正向運(yùn)行;當(dāng)P4.2輸出PWM信號(hào)時(shí)，矯形器反向運(yùn)行；當(dāng)P4.1與P4.2都輸出或者都不輸出信號(hào)時(shí)，矯形器停止運(yùn)行。
　矯形器運(yùn)行位移通過(guò)定時(shí)器A所記錄的脈沖數(shù)來(lái)確定。微電機(jī)的轉(zhuǎn)速為8 000 r/m，經(jīng)過(guò)減速器4 096:1的減速，輸出速度為1.95 r/m，因此中心螺桿的轉(zhuǎn)速也為1.95 r/m，而中心螺桿的螺紋導(dǎo)程為0.5 mm。所以?xún)?nèi)套筒相對(duì)外套筒的運(yùn)行速度為0.975 mm/min，整個(gè)矯形器的運(yùn)行速度即為0.975 mm/min。通過(guò)運(yùn)算可知矯形器每運(yùn)行0.1 mm,微電機(jī)就運(yùn)行819.2轉(zhuǎn),而碼盤(pán)上固定了4個(gè)小磁鐵，計(jì)數(shù)器就記錄了3 277個(gè)脈沖。用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)選擇當(dāng)次運(yùn)行位移，程序中通過(guò)設(shè)置CCR0值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)矯形器運(yùn)行位移的精確控制。電機(jī)控制程序流程圖如圖5所示。

　本文介紹了一種新型高精度自控式骨矯形器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。該骨矯形器安放在長(zhǎng)骨骨髓腔內(nèi)，以避免外固定器械的高并發(fā)癥，既可作內(nèi)固定器，又具有牽張作用，能夠在單次牽張后，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定的牽張效果；肢體牽張手術(shù)創(chuàng)傷小，手術(shù)操作及術(shù)后護(hù)理簡(jiǎn)單；性能安全可靠、操控簡(jiǎn)單穩(wěn)定實(shí)用而又不困擾患者日常生活，在實(shí)際應(yīng)用中效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的骨矯形器，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。
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