基于生物電阻抗法的椎弓根螺釘植入術(shù)導(dǎo)航.pdf

1、椎弓根螺釘(Pedicle Screw，PS)植入手術(shù)，又稱椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)，是脊柱后路內(nèi)固定方法顯著的進(jìn)展。自法國(guó)人Roy-Camille在1960年研制出完整的椎弓根螺釘鋼板用于治療不穩(wěn)定胸腰椎骨骨折獲得良好效果以來，椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于治療脊柱骨折脫位、脊柱畸形、腰椎滑脫和脊柱不穩(wěn)定等疾病。由于椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)在臨床上的安全性、有效性和適用性得到了不斷的驗(yàn)證，1993年北美脊柱學(xué)會(huì)正式認(rèn)可和批準(zhǔn)了椎弓根螺釘在

2、臨床上的使用，F(xiàn)DA在1996年也認(rèn)可了此項(xiàng)技術(shù)。此后，以椎弓根螺釘為基礎(chǔ)的脊柱矯形固定系統(tǒng)不斷被研制開發(fā)應(yīng)用于臨床，從而推動(dòng)了脊柱外科手術(shù)的發(fā)展。椎弓根是椎體和椎板直接的橋梁，是脊柱經(jīng)椎弓根后路內(nèi)固定技術(shù)的必經(jīng)之路。在臨床手術(shù)過程中，椎弓根螺釘進(jìn)釘通道的正確與否直接關(guān)系到手術(shù)的成敗。椎弓根形成椎管的外側(cè)壁及椎間孔的上、下緣，內(nèi)鄰脊髓、外側(cè)是重要的器官和血管、上下有神經(jīng)根跨過。硬膜囊位于椎弓根的內(nèi)側(cè)，神經(jīng)根直接走向尾側(cè)穿出相應(yīng)的椎間孔。

3、椎弓根螺釘只有從正確的途徑通過椎弓根，才能避免對(duì)其他組織造成損傷。由于在整個(gè)手術(shù)過程中，臨床醫(yī)生無法直視椎弓根的結(jié)構(gòu)，建立螺釘通道基本靠“手感法”來判斷是否處于合理的范圍，椎弓根的準(zhǔn)確植入難道較大。另外椎弓根結(jié)構(gòu)存在個(gè)體差異大、畸形、變異等情況，又增加了椎弓根螺釘植入的難度，所以臨床上椎弓根螺釘植入的失誤率普遍較高。Castro和Gertzbein報(bào)道經(jīng)術(shù)后，CT證實(shí)誤值發(fā)生率分別是40％和28.1％，而Weinstein報(bào)道為21％。

4、以上數(shù)據(jù)可以看出螺釘誤植已經(jīng)成為影響椎弓根螺釘植入手術(shù)成功的重要原因。為改善椎弓根螺釘植入的成功率，傳統(tǒng)的研究方向是從形態(tài)學(xué)（如:解剖學(xué)、影像學(xué)等）出發(fā)對(duì)椎弓根各種外部參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行觀察，包括椎弓根寬、高、軸線角度和長(zhǎng)度等，所用的方法一般都是解剖標(biāo)本測(cè)量、X片、CT斷層圖像，或者是三維重建后的表面測(cè)量和對(duì)照分析等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)臨床解剖學(xué)研究結(jié)果和臨床經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了以下幾種椎弓根螺釘植入的方法:Roy-Camille法、Weinstein法

5、、Krag法、Mager法、Louis法、唐天駟法等等。傳統(tǒng)的方法只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以橫突關(guān)節(jié)突等脊柱后方某一解剖標(biāo)志作為參照物來確定椎弓根軸心恒定植釘點(diǎn)。由于個(gè)體的差別，這種以參照物來進(jìn)行手術(shù)容易導(dǎo)致手術(shù)的失敗，此外，這些方法也無法得到開路器在椎弓根里行進(jìn)的情況。
　　 本文提出將生物阻抗測(cè)量應(yīng)用到椎弓根螺釘植入手術(shù)。生物電阻抗測(cè)量(Electrical Bioimpedance Measurement)，或簡(jiǎn)稱阻抗技術(shù)，是一種利用

6、生物組織與器官的電特性及其變化規(guī)律提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)技術(shù)。生物電阻抗測(cè)量具有成本低、操作簡(jiǎn)單和功能信息豐富的特點(diǎn)，更為關(guān)鍵的是生物電阻抗技術(shù)無輻射。由于該技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)，它現(xiàn)在已應(yīng)用到血流圖、人體成分分析、阻抗成像等領(lǐng)域。本文創(chuàng)新性地將該技術(shù)應(yīng)用到椎弓根螺釘植入手術(shù)中，利用生物電阻抗技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航，提高該手術(shù)的成功率。首先采用生物阻抗測(cè)量法對(duì)家豬的不同生物組織進(jìn)行生物阻抗的測(cè)量，以論證基于生物阻抗法的椎弓根螺釘

7、植入導(dǎo)航系統(tǒng)在家豬的螺釘植入的可行性，其后在活體的家豬上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。
　　 本研究主要內(nèi)容包括：⑴研制了一種新型的基于生物電阻抗測(cè)量的椎弓根螺釘植入手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)由兩大部分組成:生物電阻抗測(cè)量?jī)x和PC機(jī)顯示界面。儀器設(shè)計(jì)以MSP430F1612微處理器為核心，外圍電路則是由直接數(shù)字合成芯片AD9850和芯片AD8302等組成，并經(jīng)USB將數(shù)據(jù)發(fā)送到個(gè)人電腦實(shí)時(shí)顯示。⑵設(shè)計(jì)了一種新型的開路器，既作為椎弓根螺釘植入的開路器

8、同時(shí)也是生物電阻抗測(cè)量的電極，而且其電極是集正負(fù)電極于一體，電極的兩端之間采用絕緣材料進(jìn)行絕緣。開路器的直徑為3mm，符合椎弓根螺釘植入釘?shù)赖囊?。⑶?duì)家豬的不同生物組織進(jìn)行阻抗測(cè)量，得到數(shù)據(jù)用于構(gòu)建椎弓根螺釘釘?shù)篱_辟的整個(gè)過程。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出開路器在椎骨與將要突破內(nèi)壁時(shí)的生物阻抗值的大小關(guān)系。同樣的道理，測(cè)出了椎骨與將要突破內(nèi)壁時(shí)的生物阻抗值的大小關(guān)系。⑷在活體的家豬身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄整個(gè)電極進(jìn)入所檢測(cè)到的生物阻

9、抗的幅值的變化，同時(shí)也對(duì)基于生物電阻抗法的椎弓根螺釘植入的導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 本研究表明：在基于生物電阻抗法椎弓根螺釘植入導(dǎo)航系統(tǒng)的研究當(dāng)中完成了上述四項(xiàng)工作并獲得了以下研究結(jié)果：①成功設(shè)計(jì)制作集正負(fù)電極于一體的椎弓根開路器，經(jīng)過在活體家豬身上實(shí)驗(yàn)證明其連接可靠，符合生物阻抗測(cè)量的電學(xué)要求。同時(shí)該開路器符合在椎弓根骨質(zhì)內(nèi)進(jìn)行開辟釘?shù)赖纳锪W(xué)要求。②成功設(shè)計(jì)制作了具有兩刺激頻率的生物電阻抗測(cè)量?jī)x，并在PC機(jī)上設(shè)計(jì)