椎弓根螺釘PS(Pedicle Screw)植入技術(shù)已應(yīng)用在骨折脫臼、腰椎滑脫等脊柱疾病中[1]。椎弓根螺釘植入手術(shù)的難點(diǎn)在于PS需要以正確的方式由椎弓板經(jīng)椎弓根到達(dá)椎體，PS進(jìn)入的角度和深度都需要做到準(zhǔn)確無誤。手術(shù)中需要用開路器將PS進(jìn)入的軌跡做好，但由于不同的椎骨結(jié)構(gòu)變異性大，而且不同的人的椎骨存在差異，所以PS植入在臨床手術(shù)成功率不高，并直接導(dǎo)致了手術(shù)后的多種并發(fā)癥，從而引發(fā)病情加重。目前PS植入技術(shù)可分為徒手技術(shù)和影像輔助技術(shù)[2]，借助影像設(shè)備臨床醫(yī)師能準(zhǔn)確判斷椎弓根的形態(tài)、神經(jīng)脊髓的解剖位置。影像輔助設(shè)備雖然能在一定程度降低PS誤植率，但卻存在強(qiáng)輻射污染和醫(yī)療費(fèi)用大幅增加的問題。因此研發(fā)一套安全、廉價(jià)、無輻射的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)在椎弓根螺釘植入手術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

    生物電阻抗測(cè)量(簡(jiǎn)稱阻抗技術(shù))是一種利用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)信息的檢測(cè)技術(shù)[3]。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)，且生物電阻抗技術(shù)無輻射，可減少對(duì)人體的傷害。由于該技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在已應(yīng)用到血流圖、人體成份分析、阻抗成像等領(lǐng)域，各種基于生物電阻抗的測(cè)量技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于臨床。
    本文根據(jù)生物組織的電阻抗特性，研制一套適合于椎弓根螺釘植入手術(shù)的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過生物電阻抗測(cè)量?jī)x測(cè)得阻抗幅值,然后以USB通信方式向個(gè)人電腦傳輸。PC軟件將接收到的數(shù)據(jù)顯示到屏幕上，手術(shù)人員可以通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示界面直觀、清晰地看到開路器的軌跡情況。從而提高椎弓根螺釘植入手術(shù)的成功率。
1 生物電阻抗測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)
1.1測(cè)量電路設(shè)計(jì)
    在椎弓根螺釘植入手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中，生物電阻抗測(cè)量?jī)x是核心部件，測(cè)量?jī)x電路設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括的模塊有：直接數(shù)字合成器DDS(Direct Digital Synthesis)、壓控恒流源VCCS(Voltage-controlled Constant Current Source)、低通濾波、特制的電極(手術(shù)中的開路器)、增益相位檢測(cè)芯片AD8302、微處理器系統(tǒng)、RS232轉(zhuǎn)USB接口電路等。

 
    根據(jù)本課題組前期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[6],系統(tǒng)采用了50 kHz和500 kHz交替測(cè)量在這兩個(gè)頻率刺激下的生物電阻抗的幅度，并需要不斷對(duì)AD9850進(jìn)行初始化操作。將32位控制輸出信號(hào)的數(shù)字通過并口寫入到芯片。

1.1.3 壓控恒流源VCCS電路
    在進(jìn)行生物阻抗測(cè)量時(shí)，需要保證刺激電流的恒定。為此在正弦信號(hào)用于刺激之前加入一級(jí)壓控恒流電路。壓控恒流源的設(shè)計(jì)電路應(yīng)滿足人體阻抗的負(fù)載要求，本系統(tǒng)采用了圖2所示的電路設(shè)計(jì)。AD844是一種寬頻帶單芯片運(yùn)算放大器，具有很強(qiáng)的負(fù)載能力。此外通過調(diào)節(jié)電阻R0可以改變刺激電流的大小。

1.1.4 增益檢測(cè)電路
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了比值測(cè)量法。其基本原理示意圖如圖3所示。利用一個(gè)已知大小的純電阻Rs求解未知生物電阻抗Zx。計(jì)算公式為：

    由式(3)可得到輸入和輸出的關(guān)系,利用MSP430F1612的A/D采樣將VMAG的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而得到VX/VY的值，進(jìn)而求出生物組織阻抗值Zx的幅值。
1.2 測(cè)量程序設(shè)計(jì)
    MSP430F1612微處理器的軟件開發(fā)是在IAR嵌入式開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行的，在該系統(tǒng)中需要進(jìn)行的操作主要有A/D信號(hào)采集、生物組織阻抗值計(jì)算、對(duì)AD9850進(jìn)行編程并將數(shù)據(jù)上傳至個(gè)人電腦。為了使手術(shù)人員在進(jìn)行椎弓根螺釘植入手術(shù)過程中能實(shí)時(shí)觀測(cè)到生物組織阻抗值的變化，系統(tǒng)利用微軟公司的Visual Basic 6.0進(jìn)行顯示界面的開發(fā)。其功能模塊主要有：對(duì)通信端口的初始化、數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)圖形化顯示的界面。
2 實(shí)驗(yàn)與分析
    為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性，采用家豬的椎骨作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)6節(jié)離體的椎骨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
    從表1所示系統(tǒng)能很好的反應(yīng)不同生物組織電阻抗的變化，其中，R1為500 kHz作為刺激源得到的阻抗幅值的平均值，R2為50 kHz時(shí)阻抗幅值的平均值。由于生物電阻抗易受到電極的極化干擾,系統(tǒng)采用雙頻刺激以減小誤差?？紤]采用50 kHz阻抗幅值減去500 kHz的幅值來減少干擾，圖4反應(yīng)了在不同組織中兩頻率阻抗幅值差(R2-R1)平均值的變化?？梢钥闯霰鞠到y(tǒng)適應(yīng)于椎弓根螺釘植入手術(shù)的導(dǎo)航。

    本文基于生物電阻抗法測(cè)量原理，研制了一種新型的椎弓根螺釘植入導(dǎo)航系統(tǒng)，它能有效反應(yīng)生物組織電阻抗特性的改變。對(duì)家豬進(jìn)行的椎骨實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)插入電極到達(dá)不同椎骨組織的部位。通過與生物組織電阻抗的測(cè)量比較得出輔助技術(shù)具有無輻射、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，且能對(duì)整個(gè)手術(shù)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而可望在未來椎弓根螺釘植入手術(shù)中獲得廣泛的應(yīng)用。今后的研究包括： (1)兩電極間的絕緣層保障阻抗測(cè)量的基礎(chǔ)，需進(jìn)一步檢測(cè)絕緣材料對(duì)人體的無害性； (2)擴(kuò)大對(duì)大小和形態(tài)不同的椎骨組織進(jìn)行生物電阻抗幅值的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，從而使系統(tǒng)獲得廣泛的適用性。
參考文獻(xiàn)
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