盘状指针式拉力传感器的研制与应用基础研究

摘要

目的 为实现夹板局部外固定治疗骨折的定量化，我们研制了盘状指针式拉力传感器以便实时监控夹板固定带约束力。其基本构造由主体结构和拉力弹簧组成，其中拉力弹簧是传感器的动力来源，主体结构采用非线性工作原理设计，使传感器在固定带约束力固定最有效的范围内变化最为灵敏。针对这一专题，我们进行应用基础性研究。 方法 本项课题应用生物力学的原理与实验方法，1.说明盘状指针式拉力传感器的设计原理、基本结构与工作原理；2.针对临床需要，我们对拉力弹簧进行拉伸实验、标定实验与耐久试验研究；3.根据我们的设计与构思，盘状指针式拉力传感器采用非线性设计，针对这一技术关键，我们对传感器进行了整体的标定试验研究，以确定其在治疗学当中的生物力学敏感参数；4.为了确保该传感装置应用于临床实践中的安全性与有效性，为此进行了有针对性的模拟实验研究。 结果 1.盘状指针式拉力传感器由主体框架、指针、拉杆、拉簧、透明刻度盘、底托、固定带组成。 2.弹簧在拉伸载荷的作用下载荷-变形关系呈现线性上升，符合虎克定律。弹性强度为19.57N，仪器整体位移为13.85mm。最大强度值为41.23N，位移为56.76mm，属于可以在小负荷大变形的元件。标定加载与卸载实验数据接近，在0～200g范围内，弹簧拉伸约为0.1mm，位移变化平缓。在加载800克拉力下其弹簧变形为8.745±0.005mm；卸载至800克拉力下，弹簧变形为8.755±0.011mm。在加载1400克拉力下其弹簧变形为11.223±0.007mm；卸载至1400克拉力下，弹簧变形为11.24±0.015mm。两组比较并无统计学差异，说明弹簧力学性能非常稳定。该拉簧在加载0～1500g区间，耐久试验表现出良好的弹性变形，加载至2000g时，出现明显的塑性变形。提示我们该拉簧符合临床实际应用范围。 3.以整体标定试验而言，不同拉力下传感器的加载-角度、卸载-角度两种图像变化规律均符合余切函数图形，前后对比无统计学差异。在受力200～400g区间，其角度由42.25±2.71°转至53.00±3.02°，增长幅度为7～9°。受力600～800g区间，其角度由80.88±1.96°转至112.38±1.60°，其增长幅度为27～32°。受力1000～1200g区间，其角度由131.75±2.05。转至145.50±1.51°，其增长幅度为19～14°。在临床实际应用中，固定带约束力在700～900g时，传感器最为灵敏。 4.由临床生物力学模拟测试数据可见，在功能锻炼的状态下，随手部力量的增加位移基本呈现上升递增趋势，Marker1+Marker2位移变化由0.1013±0.0198mm升至1.9509±0.0386mm，固定带约束力值相对增加了426g。Marker3+Marker4位移变化由0.1196±0.0198mm升至1.9981±0.0642mm，固定带约束力值相对增加了429g。Marker5+Marker6位移变化由0.0949±0.016mm升至1.9366±0.0553mm，固定带约束力值相对增加了423g。对于桡骨下端骨折夹板固定3条固定带约束力，在盘状指针式拉力传感器的监控下，可以有效地控制为800g左右。 结论 1.盘状指针式拉力传感器由主体框架、指针、拉杆、拉簧、透明刻度盘、底托、固定带组成。具有简便实用、工艺简单、造价低廉、便于监控特点。 2.弹簧在拉伸载荷的作用下载荷-变形关系呈现线性上升，符合虎克定律，属于可以在小负荷下能够产生大变形的元件。标定加载与卸载实验数据接近，说明弹簧力学性能非常稳定。耐久试验表明符合临床实际应用范围。 3.以整体标定试验而言，不同拉力下传感器的加载-角度、卸载-角度两种图像变化规律均符合余切函数图形，在临床实际应用中，固定带约束力在700至900g时，传感器最为灵敏。 4.对于桡骨下端骨折夹板固定带约束力，在盘状指针式拉力传感器的监控下，可以有效地控制为800g左右。在功能锻炼的状态下，固定带约束力值相对增加了400g左右。 5.该传感器适合对固定带约束力进行监控，功能锻炼状态下的夹板固定为一弹性固定系统，它不但固定有效，而且增加了系统得安全性。

目录

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前言

实验研究

讨论

结论

参考文献

附图

综述 夹板固定带约束力现代测试技术进展

致谢