基于MSP430的自控式骨矯形器的設計與實現(xiàn)

自1904年Codivilla報告骨延長術開始，肢體延長術已經(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，與此同時肢體延長器械也在不斷發(fā)展。目前肢體延長的手術技術和器械經(jīng)歷了三個發(fā)展階段[1]: (1)骨外固定支架技術;(2)髓內(nèi)釘結合外固定支架;(3)完全植入式肢體延長器。骨外固定支架技術采用人工外力控制實現(xiàn)骨矯形器的拉伸，拉伸的控制精度低，操作難度大，臨床應用中容易引發(fā)針道感染，不利于延長區(qū)骨質(zhì)愈合，同時長時間攜帶外固定器也會在患者的生理和心理上造成不良影響。髓內(nèi)釘結合外固定支架技術在穩(wěn)定性、延長精度上有了長足的發(fā)展，但仍無法避免外固定支架帶來的不良后果。完全植入式骨延長器,因其內(nèi)置動力發(fā)生裝置可精確控制延長速率同時又可避免針道感染問題等優(yōu)勢，成為骨延長器的發(fā)展方向。目前此技術最成熟和最具代表性的是ORTHOFIX公司研制開發(fā)的髓腔內(nèi)置式骨骼動力延長器(ISKD), 它由外置的監(jiān)測器和手術植入的類似伸縮望遠鏡桶式的髓內(nèi)釘組成,其基本原理是靠患者的關節(jié)活動旋轉(zhuǎn)帶動內(nèi)部牽張器牽張。但其缺點是只能牽張，不能回縮加壓固定，一旦活動度大，超過單次牽張長度，不能回縮，有可能導致斷骨面不能生長，存在極大的臨床應用風險。
　目前，我國肢體延長的手術技術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)作為鼓勵投資和自主創(chuàng)新的新領域。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,也克服了ISKD不能回縮加壓固定的缺點。采用電機控制，操作簡單方便，用戶可以根據(jù)需要自控骨矯形器的伸縮，延長精度高，具有廣闊的應用前景。
1 系統(tǒng)總體設計
　系統(tǒng)由植入長骨骨髓腔的內(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、電機驅(qū)動電路、電源模塊、信號處理模塊、鍵盤及液晶顯示系統(tǒng)等相關單元組成。體內(nèi)骨矯形器通過精密電機的運行實現(xiàn)自身伸縮，單片機通過由磁敏傳感器構成的參數(shù)反饋模塊及信號處理模塊實現(xiàn)對骨矯形器的精確控制。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

為滿足用戶對便攜性的要求，矯形器系統(tǒng)采用電池供電。因此低功耗是系統(tǒng)的一個主要指標，為此系統(tǒng)選用具有超低功耗特點的MSP430系列單片機。在MSP430F169單片機的基礎上搭建系統(tǒng)平臺，同時配合軟件中斷處理機制，非常好地實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗指標。高精度控制是系統(tǒng)的另一個主要指標，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運行信號，信號經(jīng)過放大處理后送回單片機處理，實現(xiàn)精確控制。根據(jù)軟件設計，系統(tǒng)實現(xiàn)運行精度為0.1 mm，其精度遠高于現(xiàn)有矯形器。
2 系統(tǒng)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地址空間內(nèi), 最大尋址地址為62 KB;具有強大的中斷功能, 48個I/O 引腳, 每個I/O口分別對應輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個寄存器, 在對同一個I/O口進行操作前,選擇其要實現(xiàn)的功能便可實現(xiàn)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時鐘條件下時，工作電流視工作模式不同僅為0.1～280 μA;同時它具有良好的仿真開發(fā)技術,設置有JTAG仿真接口和高級語言編譯器。