基于近红外光谱技术的椎弓根钉内固定手术中约化散射系数的研究

基于近红外光谱技术的椎弓根钉内固定手术中约化散射系数的研究

1腰椎弓根螺钉植入的监测,可提高术由于狭窄的三维固定效果，脊柱内固定系统具有牢固的三维固定效果，广泛用于脊柱外科，有力地促进了脊柱外科的发展。但随着临床上的广泛应用,由于螺钉位置不良出现了一些并发症,如螺钉穿破椎体侧前方,可损伤侧前方大血管或内脏器官;穿破椎弓根,可损伤脊髓、神经根及使内固定强度下降。因此,如何有效监测椎弓根螺钉植入的技术一直是备受骨科医生关注的课题。目前普遍使用的椎弓根钉植入监测方法是在传统的手术条件下,基于C形臂X光机的图像引导椎弓根钉的植入,但医生的可视区域有限,依靠反复获取患骨的X光片,不连续地获取植入物或手术工具与患骨之间的相对位置信息。这很大程度上依靠手术医生的经验,增加了X光辐射量,提高了手术风险。另外,Ciaran、Linda等人采用微电极矩阵技术监测椎弓根钉的植入。我们利用近红外光谱技术对椎弓根螺钉植入过程进行监控,实时获得猪椎骨样本穿刺路径上骨密质、骨疏质和骨髓等不同组织的约化散射系数(reducedscatteringcoefficient,μ′s)。分析了不同穿刺路径下的约化散射系数的变化规律,为近红外光谱技术用于监测椎弓根内固定手术中椎弓根螺钉植入提供参考。2采集系统硬件组成利用近红外光谱研究生物组织特性的原理是通过分析经过生物组织内部多次散射和吸收后的出射光谱,获得生物组织的光学参数和血氧参数等信息。我们采用基于USB2000光纤光谱仪的近红外光谱采集测试系统,它主要包括:光纤光谱仪(USB2000,OceanOpticsInc.)、OOIBase32操作软件、卤素光源(HL-2000,OceanOpticsInc.)、Y型光纤探头和PC机。图1是光谱采集系统的硬件组成原理图。本系统采用的光源是卤素光源,波长范围的360～1700nm,稳定时间5min,输出功率7W。光纤探头为Y型结构,内含两根光纤,探头一根与光源相连,用于将光源发出的光传输到生物组织;另一根与光纤光谱仪相连,用于接收经生物组织反射和散射光,并将其传回光纤光谱仪。光源发出的光经传输光纤进入生物组织,经过吸收和散射作用后,反射以及散射回来的光经过接收光纤进入光纤光谱仪,USB2000光纤光谱仪采集到的光谱数据通过USB接口传给PC机进行实时显示,并对实时采集的数据进行处理和存储。系统可以实时在位测试生物组织参数,如吸收系数、约化散射系数等。针对椎弓根穿刺实验的特点,我们重新设计了前端带30mm的M5攻丝螺纹、光纤直径200um、间距375um的带手柄的双光纤探头,并和上述近红外光谱测试系统组成专门用于本实验的近红外光椎弓根约化散射系数测试系统。3约化散射系数的测量实验使用专门设计的近红外椎弓根约化散射系数测试系统,以猪脊椎骨为实验对象,测量不同穿刺路径下组织约化散射系数随深度的变化,并分析不同路径下穿刺过程中每一深度上的约化散射系数的变化,总结变化规律用于监测穿刺路径的异常。4约化散射系数的变化选择新鲜猪腰椎段椎骨,使用生理盐水冲洗干净,用手术刀片剔除椎骨表面肌肉组织,以暴露横突和关节突关节的交汇处。分别测量正常穿刺、外侧穿破、内侧穿破(见图2)三种穿刺路径的约化散射系数的变化情况。将猪椎骨放置在支架上固定好,规划穿刺路径方向,使用攻丝手转按照规划的方向缓慢穿刺,并观察夹具上刻度变化,每向下穿刺1mm,测量该深度上的约化散射系数(μ′s),并每隔0.5s记录一个值,每个深度记录100个数值,用于分析。然后再向下穿刺1mm,重复上述步骤,测量一组约化散射系数数值,直到穿刺过程结束。实验以1mm为步长,分别测量了三种穿刺路径上的约化散射系数。5骨疏质与g点s的变化利用系统实时采集了猪椎骨椎弓根穿刺过程中约化散射系数数据,下面分别研究正常穿刺路径下,向内侧穿破路径下和向外侧穿破路径下μ′s的变化曲线,研究不同穿刺情况相同深度的约化散射系数的差异。图3为正常穿刺组实验路径示意图及μ′s变化曲线,穿刺过程中,探头依次穿过骨膜、骨皮质、骨疏质,最后测量点在椎体骨疏质中,曲线为每个深度100个值的平均值。图中穿刺路径示意图中特征点A、B、C、D、E等均在相对应μ′s变化曲线中标注。图3(b)为正常穿刺过程中的μ′s变化情况,其μ′s值先由骨膜上的A点μ′s=13.60cm-1开始升高,到最高点B点骨皮质与骨疏质边界处的μ′s=18.34cm-1之后呈下降趋势,降低到骨疏质中的C点μ′s=15.02cm-1,再上升到骨疏质中的D点μ′s=17.59cm-1,变化略有起伏,趋于平稳,到穿刺过程结束时骨疏质中的E点μ′s值为17.46cm-1。图4(b)为内侧穿破过程中的μ′s变化情况,其μ′s值先由骨膜上的A点μ′s=11.72cm-1开始上升,到达最高点骨皮质与骨疏质边界处的B点μ′s=20.27cm-1,之后开始下降,直至最低点骨疏质中的C点μ′s=12.50cm-1,而后上升到骨疏质与骨皮质交界处的D点μ′s=19.75cm-1,再次下降,直到穿破椎弓根进入骨髓腔时的E点μ′s的值为17.50cm-1。图5(b)为外侧穿破过程中的μ′s平均值变化情况,其μ′s值先由起始值骨膜上的A点μ′s=13.13cm-1开始上升,到最高点骨皮质与骨疏质边界处的B点μ′s=21.23708cm-1,又下降到骨疏质中的C点μ′s=13.68cm-1,又上升到骨疏质与骨皮质边界处的D点μ′s=20.15cm-1,再次下降,直到穿刺过程结束,穿破椎弓根外侧E点时的μ′s值为14.49cm-1。6正常穿刺和外侧穿破c-d-e峰的变化通过对以上实验曲线进行初步计算,对比三种情况的变化趋势,可以发现当穿刺路径从外周的骨密质进入中间骨疏质或由中间骨疏质进入骨密质时,μ′s出现明显的由小变大、再变小的过程。而该变化仅在穿入椎骨过程和穿破椎骨过程中出现。如表1所示,正常穿刺情况的A-B-C峰的上升、降低的幅度小于外侧穿破和内侧穿破情况的A-B-C峰的上升降低幅度。而正常穿刺情况的C-D-E峰的上升幅度为17.09%,下降幅度为0.7%,均明显小于内侧穿破情况的C-D-E峰的上升幅度57.96%和下降幅度11.4%,以及小于外侧穿破情况的C-D-E峰的上升幅度47.3%和下降幅度28.01%。综上可以看出C-D-E峰的上升、下降幅度的急剧增大,可以反映椎弓根穿刺路径的异常即内侧穿破或外侧穿破的情况的发生。图6所示为正常穿刺、内侧穿破和外侧穿破三种情况0～9mm的深度上μ′s平均值变化曲线。可以看出正常穿刺的μ′s值随深度变化值和其他两组异常情况比较,起伏较为平缓。内侧穿破组7mm的μ′s为19.76cm-1,外侧穿破组的7mm的μ′s为20.16cm-1,而正常穿刺路径下由于对应深度的组织仍为骨疏质,μ′s值在17.51cm-1左右,小于两种非正常穿刺下的μ′s值。而该点μ′s值的上升是出现在穿入椎骨引起的第一次μ′s上升、下降峰(A-B-C峰)之后,则A-B-C峰后的约化散射系数的急剧上升可以作为椎弓根向内侧和向外侧异常穿刺的表现规律。7微创穿刺路径