王凱 王勝利 吳志宏 翁習生 邱貴興

（中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 北京協(xié)和醫(yī)院骨科，北京 100730）

用于測量 Boston支具表面壓力的無線壓力傳感器研制

王凱 王勝利 吳志宏 翁習生 邱貴興*

（中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 北京協(xié)和醫(yī)院骨科，北京 100730）

背景：Boston 支具廣泛應用于青少年特發(fā)性脊柱側凸（AIS）的矯形治療，其力學設計仍待進一步改進。一些研究通過測量支具對軀體的作用力來探究支具的生物力學原理，但均為實驗室測量結果，不能完全反映日常生活中支具對軀體的實際作用力。

目的：研制一種用于測量Boston支具表面壓力的無線傳感器。

方法：利用單點薄膜壓力傳感器及無線應變節(jié)點構建無線傳感器，測量 12 例接受 Boston 支具治療的 AIS 患者佩戴支具的表面壓力以及相關的Cobb角改變。

結果：通過無線壓力傳感器測得支 具 上 下 壓點墊片的壓力以及臀部壓力平 均 值 分 別為（5.11± 0.66）N、（2.93±0.66）N 和（0.86±0.17）N；佩戴支具后 Cobb 角由 33°±13°減小至 18°±13°，矯正了（49±27）%。

結論：所研制的無線壓力傳感器能夠測量支具的表面壓力，并為研制動態(tài)測量支具表面壓力的設備提供了雛形。

Boston支具；無線壓力傳感器；表面壓力；Cobb角

Background:Although Boston brace is widely used in the orthopedic treatment of adolescent idiopathic scoliosis(AIS),the mechanical design needs further improvement.Some studies explore biomechanical principles by measuring the force from the brace on body,but the laboratory results can not fully reflect the actual force in daily life.

Objective:To develop a wireless force system to measure the direct forces exerted by the pads in the Boston brace.

Methods:InthisstudywebuiltawirelessforcesystemwithforcesensorsandwirelesssystemtomeasurethedirectforcesexertedbythepadsintheBostonbrace.Then12AISpatientsworethebrace,andsurfacepressureandCobbanglesweremeasured.

Results:The force on the upper and lower pads of Boston brace and on the hip were(5.11 ± 0.66)N,(2.93 ± 0.66)N and (0.86±0.17)N,respectively.Cobb angle decreased from 33°±13°to 18°±13°with a correcting rate of(49±27)%.

Conclusions:Our system can be used to measure the direct forces exerted by the pads in the Boston brace and allow us to develop a system to investigate the force distribution inside the brace during daily activities.

脊柱側凸是一種伴有椎體旋轉(zhuǎn)的復雜脊柱三維畸形，約80%的患者屬于發(fā)病原因不明的青少年特發(fā)性脊柱側凸（adolescent idiopathic scoliosis,AIS）。據(jù)統(tǒng)計，2%～3%的青少年患有 AIS[1]，其中 10%需要接受治療[2]。有多種非手術方法用于輕微 AIS 的治療，其目的是阻止處于生長期青少年的脊柱側凸進一步發(fā)展，通常采用的方法是長時間佩戴脊柱矯形支具結合系統(tǒng)鍛煉。目前已有 Milwaukee支具和 Boston 支具等多種支具，被設計制作并用于治療AIS。研究表明，Boston 支具系統(tǒng)可在冠狀面上顯著糾正 Cobb 角[3]。

Boston 支具廣泛應用于 AIS 的矯形治療，但其內(nèi)部的生物力學原理尚未完全明確，支具的力學設計仍待進一步改進，以期達到更好的矯形效果。因此，一些研究通過測量支具對軀體的作用力來探究支具的生物力學原理，但這些研究中測量的作用力均是在實驗室中進行的，不能完全反映日常生活中支具對軀體的實際作用力[4-13]。Lou 等[14,15]將無線電技術運用于支具的生物力學研究，以期能監(jiān)測生活中支具的力學作用，但測試的壓力點單一，需進一步增加測試點測試支具的壓力。本研究研制了一種無線壓力傳感器，測量經(jīng)改進制作的 Boston 支具的壓力，并期待將其應用于臨床，以采集監(jiān)測治療過程中支具的壓力變化，為改進支具設計和提高治療效果提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 設備

本研究設計的傳感設備由無線應變節(jié)點和單點薄膜壓力傳感器兩部分組成。傳感器監(jiān)測壓力變化，無線節(jié)點采集記錄數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至電腦。① 無線應變節(jié)點：在無線傳輸領域現(xiàn)有 Zig-Bee、Bluetooth、802.11 a,b,g,n 等多種傳輸協(xié)議[14]。其中 Zig-Bee(2.4GHz)無線傳輸協(xié)議具有近距離、低功耗、低成本、短延遲、高安全性、高容量、免執(zhí)照頻段等特點，非常符合本研究無線協(xié)議的需要，并適合推廣普及，用于傳輸各個患者日常生活中的支具壓力數(shù)據(jù)。本研究使用的無線應變節(jié)點系統(tǒng)基于ZigBee技術，可分別連接4個壓力傳感器，并可根據(jù)需要擴展連接256個壓力傳感器。無線應變節(jié)點采集記錄傳感器測量到的壓力引起的應變量，并將數(shù)據(jù)以無線電的形式發(fā)送到電腦中（圖 1A）。 ② 傳感器：采用 Flexiforce A201 單 點 薄膜 壓力 傳感 器，該傳 感器 具有 靈敏、可靠、輕薄、耐用、高度的可撓性等特點，非常適用于測量支具與體表之間的表面壓力。當壓力作用于感測區(qū)域時，感測區(qū)域的電阻值隨壓力成比例變化，壓力越大，電阻值越小[16]。通過下游的信號采集裝置獲得由電阻變化引起的電壓變化，可測得外力的大?。▓D1B）。

1.2 病例入選標準

入選患者應符合下面的條件：① 均為AIS患者，且側凸 Cobb 角≤60°，頂椎低于 T7；② 脊柱側凸有可被矯正的潛力；③ 無皮膚病的病史，如皮炎、銀屑病、皮膚過敏等；④ 骨骼未成熟的患者。2010年4月至2010年5月共12例在我院骨科接受支具矯形治療的患者入組，年齡為3～18歲，平均12歲（表1）。

1.3 研究方法

留取患者已拍攝的站立位全脊柱正側位X線片資料，以及Cobb角、側凸類型、Risser征。通過無線壓力傳感器測量站立位佩戴支具時所有壓點墊片處壓力及支具臀部下緣無墊片處壓力，并拍攝患者佩戴支具站立時的全脊柱正側位X線片，測量并記錄Cobb角。

表1 入選患者的一般資料

2 結果

通過無線壓力傳感器測量、記錄并由 Zig-Bee協(xié)議無線傳輸至電腦，測得佩戴支具即刻上下壓點以及臀部壓力平均值分別為（5.11±0.66）N、（2.93±0.66）N 和（0.86±0.17）N（表 2），而患者佩戴支具前后 X 線片提示 Cobb角由33°±13°減小到18°±13°，矯正（49± 27）%（表3）。

3 討論

應用支具治療AIS已有很長的歷史，但支具對脊柱的作用機理仍有很多方面不被人們所了解，支具的設計制作仍需進一步改進，以期達到更好的矯形效果。

圖1 無線壓力傳感器的組成

表2 患者佩戴支具時壓力測量值

Cochran 和 Waugh[4]，Chase 等[5]，Lou 等[6]用 壓 力或力的傳感器測量了側面墊片位置的壓力，但僅限于測量單個點的壓力。Chase 等[7]利用牛津壓力傳感器測量 Boston 支具壓點與軀干接觸面的壓力并測量了Cobb角變化，認為支具的矯形效果并不完全取決于矯形力的大小，而是因人而異，并受多種因素影響。Cote等[8]利用有 256 個單元的壓力傳感器測量了Boston 支具的內(nèi)部壓力分布，并報道支具內(nèi)部的平均壓力為 4～9 kPa。Périé等[9]通過壓力傳感器及有限元模型分析 Boston支具的生物力學特性，認為支具是作為一個整體而不僅是單一的壓點墊片產(chǎn)生矯形作用，同時調(diào)節(jié)自身的壓力分布。Wong 等[10]研究支具治療AIS的有效性及其相關生物力學因素，認為主要壓點區(qū)的平均壓力為（7.1±1.8）kPa，墊片處壓力與綁帶的拉力相關。von den Hout等[11]運用 PEDAR 裝置直接測量 16例AIS 患者配戴 Boston支具時的壓點與體表接觸面的表面壓力，認為胸部與腰部墊片處壓力大小與Cobb角改變無明顯關系。Mac-Thiong 等[12]研究并報道了支具綁帶與支具壓力的關系。Pham 等[13]運用 I-scan 系統(tǒng)測量Cheneau支具壓點處的體表壓力值及壓力分布。

表3 患者佩戴支具前后的Cobb角及矯正百分比

上述研究中支具對軀體的作用力測量均在實驗室中進行，不能完全反映日常生活中支具對軀體的實際作用力，也無法監(jiān)測患者在日常生活中是否正確佩戴支具，更無法改進支具佩戴方法和提高患者 依從性 。Lou 等[14,15]為 監(jiān) 測生 活 中支 具 的力 學 作用，將無線電技術運用于支具的生物力學研究，但由于測試的壓力點單一，還需進一步增加測試的壓力點。本研究研制的無線壓力傳感器以無線設備配合輕薄的薄膜傳感器加載在支具上，測量記錄接受Boston 支具治療的患者佩戴支具即刻的壓力數(shù)據(jù)。這套基于無線技術的壓力傳感器也為以后測量患者日常生活中佩戴支具的壓力提供了雛形，如同 24 h動態(tài)心電圖一樣，可以測量記錄患者日常生活中所佩戴支具的一些關鍵點的1天或長期壓力數(shù)據(jù)。

以往研究表明，應用支具治療AIS首先應符合生物力學原理的設計，此外需要患者良好的依從性及正確佩戴支具的方法，方可獲得良好的治療效果[17,18]。我們需要獲取更多日常生活中佩戴支具的數(shù)據(jù)，并以次為依據(jù)改進支具的設計與佩戴使用的方法，如：①每天佩戴支具需多長時間，是依據(jù)經(jīng)驗總結的佩戴時間還是可以減少一部分時間；②睡覺時佩戴支具是積極的還是有負面影響的；③患者日常生活中是否一直堅持佩戴支具、多大的支具壓力比較合適（太大的壓力會降低患者依從性，而太小的壓力又達不到矯正效果，我們需要找到壓力、矯正效果與依從性的平衡點）；④支具壓力在半年內(nèi)會如何改變；⑤復查更換新支具的時間是經(jīng)驗性的半年還是更短時間或更長時間，等等。

為使該套設備用于日常生活中，設計為無線傳輸設備，由電池驅(qū)動，并且盡量輕便小巧。因為患者通常6個月復診一次，所以傳感設備需要足夠內(nèi)存，以儲存6個月以上采樣數(shù)據(jù)，電池也需要能連續(xù)使用6個月以上。整套系統(tǒng)要求低能耗，并且能夠定時自動采樣。當6個月后患者復診時，我們可以下載數(shù)據(jù)并給電池充電，之后繼續(xù)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，直至患者支具治療結束。因而，該套無線壓力傳感器在日常生活中使用時可以長期工作，并且能夠獲取6個月以上治療過程中的全部力學數(shù)據(jù)；同時，我們計劃進一步縮小無線壓力傳感器體積，使傳感器攜帶更方便，甚至成為支具的一部分，構建出壓力可監(jiān)測、可調(diào)節(jié)的Boston 支具，以采集更多患者佩戴支具的長期壓力數(shù)據(jù)。綜上，本研究所設計的無線傳感設備可以應用于Boston 支具的力學測量，并且具有輕便小巧，能耗低，數(shù)據(jù)容量較大等特點，但仍需進一步的臨床應用驗證實這套設備可以長期工作并動態(tài)測量支具壓力。

[1]Loustein JE,Carlson JM.The prediction of curve progression in untreated idiopathic scoliosis during growth.J Bone Joint Surg Am,1984,66(7):1061-1071.

[2]Loustein JE.Adolescent idiopathic scoliosis.Lancet,1999, 344:1407-1412.

[3]Goldberg CJ,Moore DP,Fogarty EE,et al.Adolescent idiopathic scoliosis:the effect of brace treatment on the incidence of surgery.Spine(Phila Pa 1976),2001,26(1):42-47.

[4]Cochran GVB,Waugh TR.The external forces in correction of idiopathic scoliosis.J Bone Joint Surg,1969,51A:201.

[5]Chase AP,Bader DL,Houghton GR.The biomechanical effectiveness of Boston brace in management of adolescent idiopathic scoliosis.Spine(Phila Pa 1976),1989,14(6): 636-642.

[6]Lou E,Raso JV,Hill DL.The daily force pattern of spine orthoses in subject with adolescent idiopathic scoliosis.Prosthet Orthot Int,2002,26(1):58-63.

[7]Chase AP,Bader DL,Houghton GR.The biomechanical effectiveness of the Boston brace in the management of adolescent idiopathic scoliosis.Spine(Phila Pa 1976),1989,14 (6):636-642.

[8]Cote B,Dansereau J,Labelle H,et al.A method for the measurement of the Boston brace biomechanical action on scoliotic deformities.Scoliotic Deformities,1992,81-88.

[9]Périé D,Aubin CE,Petit Y,et al.Boston brace correction in idiopathic scoliosis:a biomechanical study.Spine(Phila Pa 1976),2003,28(15):1672-1677.

[10]Wong MS,Mak AF,Luk KD,et al.Effectiveness and biomechanics of spinal orthoses in the treatment of adolescent idiopathic scoliosis(AIS).Prosthet orthot Int,2000,24(2): 148-162.

[11]van den Hout JA,van Rhijn LW,van den Munckhof RJ,et al.Interface Corrective force Measurements in Boston Brace treatment.Eur Spine j,2002,11(4):332-335.

[12]Mac-Thiong JM,Petit Y,Aubin CE,et al.Biomechanical evaluation of the Boston brace system for the treatment of adolescent idiopathic scoliosis:relationship between strap tension and brace interface forces.Spine(Phila Pa 1976), 2004,29(1):26-32.

[13]Pham VM,Houilliez A,Schill A,et al.Study of the pressures applied by a Cheneau brace for correction of adolescent idiopathic scoliosis.Prosthetics Orthotics Int,2008,32 (3):345-355.

[14]Lou E,Hill DL,Raso JV.A wireless sensor network system to determine biomechanics of spine braces during daily living.Med Biol Eng Comput,2010,48(3):235-243.

[15]Lou E,Hill D,Hedden D,et al.An objective measurement of brace usage for the treatment of adolescent idiopathic scoliosis.Med Eng Phys,2011,33(3):290-294.

[16]Flexiforce Sensor User Manual.Boston,Tekscan company, 2005.

[17]Jonasson-Rahala E,Josefsson E,Lundberg B,et al.Boston thoracic brace in the treatment of idiopathic scoliosis.Clin Orthop Relat Res,1984,(183):37-41.

[18]Carlson JM.Clinical biomechanics of orthotic treatment of idiopathic scoliosis.Journal of Prothsthetic and Othotics, 2003,15(4):17-30.

Development of a wireless pressure sensor for the Boston brace interface pressure measurement

WANG Kai,WANG Shengli,WU Zhihong,WENG Xisheng,QIU Guixing*
(Department of Orthopaedics,Peking Union Medical College Hospital,CAMS&PUMC,Beijing 100730,China)

Boston brace;Wireless sensor;Interface pressure;Cobb angle

*通信作者：邱貴興，E-mail:qiugx@medmail.com.cn