基于生物阻抗测量的椎弓根手术辅助导航系统及其关键参量研究

论文摘要

课题背景椎弓根螺钉（Pedicle screw,PS）在脊柱外科中的应用已经有超过50多年的历史,是脊柱外科发展史上的重要里程碑。Bouchert在1959年报道了螺钉经椎弓根到椎体用于腰骶椎融合的固定,获得了良好的效果。之后,各种使用椎弓根螺钉的固定系统被用来治疗脊柱骨折、肿瘤、畸形、各种退性行变等,这些系统都是利用经椎弓根螺钉来维持节段的稳定直至牢固的关节融合的出现,在1993年北美脊柱学会正式认可了椎弓根螺钉在临床上的使用。椎弓根是椎体和椎板之间的桥梁,脊柱经椎弓根后路内固定技术的必经之路。经椎弓根螺钉内固定相对于其它内固定方法具有更好的力学强度,更好的椎体去旋转和预防曲轴现象,能节省固定和融合节段,从而获得更好的矫形效果。经椎板、椎弓根到达椎体是一个连续性的过程,在临床手术中,由于椎弓根结构无法直视,建立椎弓根螺钉进钉通道基本属于“盲视操作”,而螺钉必须从空间唯一正确的通道置入,所以置入难度较大,再加上椎弓根结构的个体差异、畸形、变异等因素,使得椎弓根的准确置入更为困难,临床上椎弓根螺钉置入的失误率在10～33.8%。椎弓根结构和位置的特殊一直被视为研究的重中之重,如何提高椎弓根螺钉置入的准确率已经成为目前脊柱外科医师最为关注的问题,也是脊柱外科发展的重要基础。已有的研究成果主要是基于形态学（如：解剖学、影像学等）的方法,对椎弓根各种外部参数指标进行观测,包括椎弓根宽、高、轴线角度和长度等,应用的方法一般是解剖标本测量、X片和CT断层图像,或者是三维重建后的表面测量和对照分析等。国内外学者根据大量的应用解剖学研究结果和总结临床经验,归纳出以下几种定位方法：Roy-Camille法、Weinstein法、Mager法、Louis法、Krag法、Muller法、AO法、唐天驷法等,然而传统的椎弓根螺钉置入技术特点是直接以横突关节突等脊柱后方某一解剖标志为参照物来确定椎弓根轴心恒定置钉点,研究发现椎弓根轴心线是在脊柱后方的一个区域内移动,个体间变异发生率为4.9%,尤其与体重和身高有关,所以个体化差异是不可忽视的。为了降低个体性差异带来的潜在手术风险,各种辅助定位手段被引入脊柱外科手术来提高椎弓根螺钉的准确性和安全性,例如：X线监测、计算机辅助导航、体感诱发电位、运动诱发电位、肌电图监测等。这些辅助技术的出现在一定程度上降低了PS误置率,但是目前仍然不能完全解决螺钉误置的问题,同时带来了辐射污染、医疗费用大幅增高等问题。因此发展一种精确、安全、价廉、无放射性、操作简单的手术引导系统变得十分迫切。从18世纪起,人们就一直致力于将生物阻抗测量技术引入到人体健康领域。1780年意大利神经生物学家Galvani通过观察蛙的神经肌肉收缩现象,建立了生物电理论。这个早期的发现促使Galvani和其他研究人员开始使用可控电流来测试人体的反应。在接下来的一个世纪里,在一些疾病的治疗中,电被认为是一种有效的潜在的治疗方法。最早研究生物组织阻抗的是德国科学家Hermann,他于1871年成功地测量了骨骼肌的电阻。1930年Sapegno用交流电桥第一次测出生物组织的电容。1944年Cole K.S提出生物组织的阻抗可能用复平面上的一段圆弧表示。后来Cole R.H再进一步将其发展为Cole-Cole理论,并建立了生物组织的三元件等效模型。1960年Schwan成功提出了频散理论,表明生物组织电特性随频率在不同频段呈显著变化。至此,生物组织电特性理论基本形成。把生物阻抗测量与生物功能首先联系起来的是Nyboer,他利用电阻抗体积描记术研究动脉脉冲波与流入人体器官中的动脉血流,还将阻抗特性用于人体肢体测量并获得了较好的效果。而把生物阻抗测量用于人体成分分析的开拓者是Thomasset,他把生物阻抗作为全身水量测定法的一个指标进行初始研究。后来,Hoffer等建立了总体阻抗与全身水量的关系。在此基础上,Henry等人开始了用生物阻抗测量评价人体成分的方法研究,研究结果初步显示了阻抗法分析人体成分的可行性与有效性。现在,生物阻抗测量被医学研究人员及医务工作者认为是非常有前途的一种技术,并已广泛应用于心、脑、肺等血流图。呼吸及肺通气功能测量以及人体组成成分分析和阻抗成像等诸多方面。本课题研究工作本文采用生物阻抗测量法,在对8头成年家猪共64个椎节样本和9名患者共27块人体骨样本的研究工作的基础上,确立了相关组织的阻抗特性参数,并构建立了相应的实验仪器系统。以期将生物阻抗测量技术应用到骨外科手术,在术中动态提示骨外科医生不同的PS参数：如复阻抗数值和姿态值,从而有助于提高手术的成功率。本文主要工作：（1）为将电阻抗技术引入骨外科手术中,通过家猪脊椎骨的皮质骨,松质骨和肌肉组织的电阻抗特性研究以及人体的松质骨的电学特性研究,寻找合适的骨外科手术的电学参数。（2）依据上述所得出的参数和实验结果所总结出来的规律,以椎弓根手术必须的开路器作为原型,设计制作具有双极性结构的开路器,使之具有阻抗测量的电学功能同时符合进行椎弓根穿刺的生物力学要求。（3）设计制作椎弓根复合结构的实验仪器系统。（4）建立以此系统的测量生物阻抗的标准化方法。（5）在前述的测量系统,方法和研究结果的基础上建立动物性实验,模拟手术操作过程,观察和分析实验结果,验证前期研究结果的正确性和系统对椎弓根螺钉手术进行监测和引导的有效性。本课题主要结论本文通过对家猪的骨组织和肌肉组织的电学阻抗特性在5Hz～13MHz这个频段上进行研究,获得了以下成果：（1）对生物组织进行阻抗差异检测时,比较适合的频率点,应在5KHz-200KHz范围内选择。在此频段内皮质骨和松质骨,皮质骨与软组织阻抗差值变化较为恒定且生物电阻抗测量可重复性较好。（2）在α频段内,可以通过检测骨组织的相位来推测个体年龄和健康状况；在β频段内不适合用来检测三种组织的阻抗差别,此时三个组织的阻抗模的均值之差很小,不易区分。（3）冰冻会使骨组织微结构（如骨板）遭到破坏,骨基质中的组成蛋白变性,一些骨细胞的破裂等变化而对阻抗值产生影响。因而为了避免这些问题和影响,在研究骨组织的电学属性是不宜采用冰冻后的生物样本。对于骨科手术特殊的应用而言,电极的设计极为重要,本文对电极形状,电极材料,以及几何尺寸等也进行了探索,发现内置式和外置式两种双层不锈钢穿刺器具的套筒与内芯的组合方式,均能达到在椎弓根内进行穿刺、开孔操作的力学强度要求；经过多次在家猪骨内穿刺之后,两种开路器尖端填充的骨水泥均有不同的损耗,但仍能保持其力学稳定性和电学可测量性。对于阻抗测试电路部分,本文提出了一个使用2片AD5933片上系统构成的方案,使测量的频率范围从1Hz到100KHz拓展到0.01Hz到100KHz的频段上,同时使可以测量阻抗范围从1K欧姆到10M欧姆拓展到100欧姆到10G欧姆的这个阻抗测量范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题研究工作
• 参考文献
• 第二章 阻抗测量关键参量的研究
• 2.1 家猪骨与软组织电阻抗特性
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 设备,材料及方法
• 2.1.3 结果
• 2.1.4 讨论
• 2.2 人松质骨电阻抗特性
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 设备,材料及方法
• 2.2.3 结果
• 2.2.4 讨论
• 参考文献
• 第三章 椎弓根生物阻抗测量系统的研制
• 3.1 系统总体设计方案与设计指标
• 3.1.1 总体设计方案
• 3.1.2 设计指标
• 3.2 椎弓根测量装置的电极设计
• 3.2.1 方法
• 3.2.2 结果
• 3.2.3 讨论
• 3.3 椎弓根测量装置的控制检测电路设计
• 3.3.1 系统核心元件介绍
• 3.3.2 微控制器
• 3.3.3 硬件系统总体构成
• 3.4 电源与串行通讯设计
• 3.4.1 系统的无线电源管理部分
• 3.4.2 系统的串行通讯模块
• 3.5 基于计算机部分的软件设计
• 3.5.1 基于MSP430F247单片机数据采集的软件设计
• 3.5.2 基于VB的上位机数据处理程序设计
• 3.6 小结
• 参考文献
• 总结和展望
• 论文附件清单
• 攻读硕士学位期间发表的论著
• 致谢
• 统计学证明