基于近紅外光譜技術(shù)的椎弓根釘內(nèi)固定手術(shù)中約化散射系數(shù)的研究

1腰椎弓根螺釘植入的監(jiān)測,可提高術(shù)由于狹窄的三維固定效果，脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)具有牢固的三維固定效果，廣泛用于脊柱外科，有力地促進(jìn)了脊柱外科的發(fā)展。但隨著臨床上的廣泛應(yīng)用,由于螺釘位置不良出現(xiàn)了一些并發(fā)癥,如螺釘穿破椎體側(cè)前方,可損傷側(cè)前方大血管或內(nèi)臟器官;穿破椎弓根,可損傷脊髓、神經(jīng)根及使內(nèi)固定強(qiáng)度下降。因此,如何有效監(jiān)測椎弓根螺釘植入的技術(shù)一直是備受骨科醫(yī)生關(guān)注的課題。目前普遍使用的椎弓根釘植入監(jiān)測方法是在傳統(tǒng)的手術(shù)條件下,基于C形臂X光機(jī)的圖像引導(dǎo)椎弓根釘?shù)闹踩?但醫(yī)生的可視區(qū)域有限,依靠反復(fù)獲取患骨的X光片,不連續(xù)地獲取植入物或手術(shù)工具與患骨之間的相對位置信息。這很大程度上依靠手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn),增加了X光輻射量,提高了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。另外,Ciaran、Linda等人采用微電極矩陣技術(shù)監(jiān)測椎弓根釘?shù)闹踩?。我們利用近紅外光譜技術(shù)對椎弓根螺釘植入過程進(jìn)行監(jiān)控,實(shí)時(shí)獲得豬椎骨樣本穿刺路徑上骨密質(zhì)、骨疏質(zhì)和骨髓等不同組織的約化散射系數(shù)(reducedscatteringcoefficient,μ′s)。分析了不同穿刺路徑下的約化散射系數(shù)的變化規(guī)律,為近紅外光譜技術(shù)用于監(jiān)測椎弓根內(nèi)固定手術(shù)中椎弓根螺釘植入提供參考。2采集系統(tǒng)硬件組成利用近紅外光譜研究生物組織特性的原理是通過分析經(jīng)過生物組織內(nèi)部多次散射和吸收后的出射光譜,獲得生物組織的光學(xué)參數(shù)和血氧參數(shù)等信息。我們采用基于USB2000光纖光譜儀的近紅外光譜采集測試系統(tǒng),它主要包括:光纖光譜儀(USB2000,OceanOpticsInc.)、OOIBase32操作軟件、鹵素光源(HL-2000,OceanOpticsInc.)、Y型光纖探頭和PC機(jī)。圖1是光譜采集系統(tǒng)的硬件組成原理圖。本系統(tǒng)采用的光源是鹵素光源,波長范圍的360～1700nm,穩(wěn)定時(shí)間5min,輸出功率7W。光纖探頭為Y型結(jié)構(gòu),內(nèi)含兩根光纖,探頭一根與光源相連,用于將光源發(fā)出的光傳輸?shù)缴锝M織;另一根與光纖光譜儀相連,用于接收經(jīng)生物組織反射和散射光,并將其傳回光纖光譜儀。光源發(fā)出的光經(jīng)傳輸光纖進(jìn)入生物組織,經(jīng)過吸收和散射作用后,反射以及散射回來的光經(jīng)過接收光纖進(jìn)入光纖光譜儀,USB2000光纖光譜儀采集到的光譜數(shù)據(jù)通過USB接口傳給PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,并對實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在位測試生物組織參數(shù),如吸收系數(shù)、約化散射系數(shù)等。針對椎弓根穿刺實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),我們重新設(shè)計(jì)了前端帶30mm的M5攻絲螺紋、光纖直徑200um、間距375um的帶手柄的雙光纖探頭,并和上述近紅外光譜測試系統(tǒng)組成專門用于本實(shí)驗(yàn)的近紅外光椎弓根約化散射系數(shù)測試系統(tǒng)。3約化散射系數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)使用專門設(shè)計(jì)的近紅外椎弓根約化散射系數(shù)測試系統(tǒng),以豬脊椎骨為實(shí)驗(yàn)對象,測量不同穿刺路徑下組織約化散射系數(shù)隨深度的變化,并分析不同路徑下穿刺過程中每一深度上的約化散射系數(shù)的變化,總結(jié)變化規(guī)律用于監(jiān)測穿刺路徑的異常。4約化散射系數(shù)的變化選擇新鮮豬腰椎段椎骨,使用生理鹽水沖洗干凈,用手術(shù)刀片剔除椎骨表面肌肉組織,以暴露橫突和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的交匯處。分別測量正常穿刺、外側(cè)穿破、內(nèi)側(cè)穿破(見圖2)三種穿刺路徑的約化散射系數(shù)的變化情況。將豬椎骨放置在支架上固定好,規(guī)劃穿刺路徑方向,使用攻絲手轉(zhuǎn)按照規(guī)劃的方向緩慢穿刺,并觀察夾具上刻度變化,每向下穿刺1mm,測量該深度上的約化散射系數(shù)(μ′s),并每隔0.5s記錄一個(gè)值,每個(gè)深度記錄100個(gè)數(shù)值,用于分析。然后再向下穿刺1mm,重復(fù)上述步驟,測量一組約化散射系數(shù)數(shù)值,直到穿刺過程結(jié)束。實(shí)驗(yàn)以1mm為步長,分別測量了三種穿刺路徑上的約化散射系數(shù)。5骨疏質(zhì)與g點(diǎn)s的變化利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集了豬椎骨椎弓根穿刺過程中約化散射系數(shù)數(shù)據(jù),下面分別研究正常穿刺路徑下,向內(nèi)側(cè)穿破路徑下和向外側(cè)穿破路徑下μ′s的變化曲線,研究不同穿刺情況相同深度的約化散射系數(shù)的差異。圖3為正常穿刺組實(shí)驗(yàn)路徑示意圖及μ′s變化曲線,穿刺過程中,探頭依次穿過骨膜、骨皮質(zhì)、骨疏質(zhì),最后測量點(diǎn)在椎體骨疏質(zhì)中,曲線為每個(gè)深度100個(gè)值的平均值。圖中穿刺路徑示意圖中特征點(diǎn)A、B、C、D、E等均在相對應(yīng)μ′s變化曲線中標(biāo)注。圖3(b)為正常穿刺過程中的μ′s變化情況,其μ′s值先由骨膜上的A點(diǎn)μ′s=13.60cm-1開始升高,到最高點(diǎn)B點(diǎn)骨皮質(zhì)與骨疏質(zhì)邊界處的μ′s=18.34cm-1之后呈下降趨勢,降低到骨疏質(zhì)中的C點(diǎn)μ′s=15.02cm-1,再上升到骨疏質(zhì)中的D點(diǎn)μ′s=17.59cm-1,變化略有起伏,趨于平穩(wěn),到穿刺過程結(jié)束時(shí)骨疏質(zhì)中的E點(diǎn)μ′s值為17.46cm-1。圖4(b)為內(nèi)側(cè)穿破過程中的μ′s變化情況,其μ′s值先由骨膜上的A點(diǎn)μ′s=11.72cm-1開始上升,到達(dá)最高點(diǎn)骨皮質(zhì)與骨疏質(zhì)邊界處的B點(diǎn)μ′s=20.27cm-1,之后開始下降,直至最低點(diǎn)骨疏質(zhì)中的C點(diǎn)μ′s=12.50cm-1,而后上升到骨疏質(zhì)與骨皮質(zhì)交界處的D點(diǎn)μ′s=19.75cm-1,再次下降,直到穿破椎弓根進(jìn)入骨髓腔時(shí)的E點(diǎn)μ′s的值為17.50cm-1。圖5(b)為外側(cè)穿破過程中的μ′s平均值變化情況,其μ′s值先由起始值骨膜上的A點(diǎn)μ′s=13.13cm-1開始上升,到最高點(diǎn)骨皮質(zhì)與骨疏質(zhì)邊界處的B點(diǎn)μ′s=21.23708cm-1,又下降到骨疏質(zhì)中的C點(diǎn)μ′s=13.68cm-1,又上升到骨疏質(zhì)與骨皮質(zhì)邊界處的D點(diǎn)μ′s=20.15cm-1,再次下降,直到穿刺過程結(jié)束,穿破椎弓根外側(cè)E點(diǎn)時(shí)的μ′s值為14.49cm-1。6正常穿刺和外側(cè)穿破c-d-e峰的變化通過對以上實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行初步計(jì)算,對比三種情況的變化趨勢,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)穿刺路徑從外周的骨密質(zhì)進(jìn)入中間骨疏質(zhì)或由中間骨疏質(zhì)進(jìn)入骨密質(zhì)時(shí),μ′s出現(xiàn)明顯的由小變大、再變小的過程。而該變化僅在穿入椎骨過程和穿破椎骨過程中出現(xiàn)。如表1所示,正常穿刺情況的A-B-C峰的上升、降低的幅度小于外側(cè)穿破和內(nèi)側(cè)穿破情況的A-B-C峰的上升降低幅度。而正常穿刺情況的C-D-E峰的上升幅度為17.09%,下降幅度為0.7%,均明顯小于內(nèi)側(cè)穿破情況的C-D-E峰的上升幅度57.96%和下降幅度11.4%,以及小于外側(cè)穿破情況的C-D-E峰的上升幅度47.3%和下降幅度28.01%。綜上可以看出C-D-E峰的上升、下降幅度的急劇增大,可以反映椎弓根穿刺路徑的異常即內(nèi)側(cè)穿破或外側(cè)穿破的情況的發(fā)生。圖6所示為正常穿刺、內(nèi)側(cè)穿破和外側(cè)穿破三種情況0～9mm的深度上μ′s平均值變化曲線?？梢钥闯稣４┐痰摩獭鋝值隨深度變化值和其他兩組異常情況比較,起伏較為平緩。內(nèi)側(cè)穿破組7mm的μ′s為19.76cm-1,外側(cè)穿破組的7mm的μ′s為20.16cm-1,而正常穿刺路徑下由于對應(yīng)深度的組織仍為骨疏質(zhì),μ′s值在17.51cm-1左右,小于兩種非正常穿刺下的μ′s值。而該點(diǎn)μ′s值的上升是出現(xiàn)在穿入椎骨引起的第一次μ′s上升、下降峰(A-B-C峰)之后,則A-B-C峰后的約化散射系數(shù)的急劇上升可以作為椎弓根向內(nèi)側(cè)和向外側(cè)異常穿刺的表現(xiàn)規(guī)律。7微創(chuàng)穿刺路徑