基于生物電阻抗法的椎弓根螺釘植入術(shù)導航.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)固定方法顯著的進展。自法國人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證，1993年北美脊柱學會正式認可和批準了椎弓根螺釘在

2、臨床上的使用，F(xiàn)DA在1996年也認可了此項技術(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)應用于臨床，從而推動了脊柱外科手術(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，才能避免對其他組織造成損傷。由于在整個手術(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，椎弓根的準確植入難道較大。另外椎弓根結(jié)構(gòu)存在個體差異大、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報道經(jīng)術(shù)后，CT證實誤值發(fā)生率分別是40％和28.1％，而Weinstein報道為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（如:解剖學、影像學等）出發(fā)對椎弓根各種外部參數(shù)指標進行觀察，包括椎弓根寬、高、軸線角度和長度等，所用的方法一般都是解剖標本測量、X片、CT斷層圖像，或者是三維重建后的表面測量和對照分析等。國內(nèi)外學者根據(jù)臨床解剖學研究結(jié)果和臨床經(jīng)驗總結(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)驗以橫突關(guān)節(jié)突等脊柱后方某一解剖標志作為參照物來確定椎弓根軸心恒定植釘點。由于個體的差別，這種以參照物來進行手術(shù)容易導致手術(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的情況。
　　 本文提出將生物阻抗測量應用到椎弓根螺釘植入手術(shù)。生物電阻抗測量(Electrical Bioimpedance Measurement)，或簡稱阻抗技術(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)學信息檢測技術(shù)。生物電阻抗測量具有成本低、操作簡單和功能信息豐富的特點，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，它現(xiàn)在已應用到血流圖、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)應用到椎弓根螺釘植入手術(shù)中，利用生物電阻抗技術(shù)進行導航，提高該手術(shù)的成功率。首先采用生物阻抗測量法對家豬的不同生物組織進行生物阻抗的測量，以論證基于生物阻抗法的椎弓根螺釘

7、植入導航系統(tǒng)在家豬的螺釘植入的可行性，其后在活體的家豬上進行實驗論證。
　　 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量的椎弓根螺釘植入手術(shù)導航系統(tǒng)。導航系統(tǒng)由兩大部分組成:生物電阻抗測量儀和PC機顯示界面。儀器設(shè)計以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)送到個人電腦實時顯示。⑵設(shè)計了一種新型的開路器，既作為椎弓根螺釘植入的開路器

8、同時也是生物電阻抗測量的電極，而且其電極是集正負電極于一體，電極的兩端之間采用絕緣材料進行絕緣。開路器的直徑為3mm，符合椎弓根螺釘植入釘?shù)赖囊蟆＂菍邑i的不同生物組織進行阻抗測量，得到數(shù)據(jù)用于構(gòu)建椎弓根螺釘釘?shù)篱_辟的整個過程。利用統(tǒng)計學的方法對數(shù)據(jù)進行分析，得出開路器在椎骨與將要突破內(nèi)壁時的生物阻抗值的大小關(guān)系。同樣的道理，測出了椎骨與將要突破內(nèi)壁時的生物阻抗值的大小關(guān)系。⑷在活體的家豬身上進行實驗，記錄整個電極進入所檢測到的生物阻

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