椎弓根螺釘PS(Pedicle Screw)植入技術已應用在骨折脫臼、腰椎滑脫等脊柱疾病中[1]。椎弓根螺釘植入手術的難點在于PS需要以正確的方式由椎弓板經椎弓根到達椎體，PS進入的角度和深度都需要做到準確無誤。手術中需要用開路器將PS進入的軌跡做好，但由于不同的椎骨結構變異性大，而且不同的人的椎骨存在差異，所以PS植入在臨床手術成功率不高，并直接導致了手術后的多種并發癥，從而引發病情加重。目前PS植入技術可分為徒手技術和影像輔助技術[2]，借助影像設備臨床醫師能準確判斷椎弓根的形態、神經脊髓的解剖位置。影像輔助設備雖然能在一定程度降低PS誤植率，但卻存在強輻射污染和醫療費用大幅增加的問題。因此研發一套安全、廉價、無輻射的手術導航系統在椎弓根螺釘植入手術中具有廣泛的應用前景。

    生物電阻抗測量(簡稱阻抗技術)是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規律提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的檢測技術[3]。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，且生物電阻抗技術無輻射，可減少對人體的傷害。由于該技術的明顯優勢，現在已應用到血流圖、人體成份分析、阻抗成像等領域，各種基于生物電阻抗的測量技術也已廣泛應用于臨床。
    本文根據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的系統。系統通過生物電阻抗測量儀測得阻抗幅值,然后以USB通信方式向個人電腦傳輸。PC軟件將接收到的數據顯示到屏幕上，手術人員可以通過數據的實時顯示界面直觀、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的成功率。
1 生物電阻抗測量儀的設計
1.1測量電路設計
    在椎弓根螺釘植入手術導航系統中，生物電阻抗測量儀是核心部件，測量儀電路設計是整個系統的基礎，其結構框圖如圖1所示。系統包括的模塊有：直接數字合成器DDS(Direct Digital Synthesis)、壓控恒流源VCCS(Voltage-controlled Constant Current Source)、低通濾波、特制的電極(手術中的開路器)、增益相位檢測芯片AD8302、微處理器系統、RS232轉USB接口電路等。

 
    根據本課題組前期實驗的結果[6],系統采用了50 kHz和500 kHz交替測量在這兩個頻率刺激下的生物電阻抗的幅度，并需要不斷對AD9850進行初始化操作。將32位控制輸出信號的數字通過并口寫入到芯片。

1.1.3 壓控恒流源VCCS電路
    在進行生物阻抗測量時，需要保證刺激電流的恒定。為此在正弦信號用于刺激之前加入一級壓控恒流電路。壓控恒流源的設計電路應滿足人體阻抗的負載要求，本系統采用了圖2所示的電路設計。AD844是一種寬頻帶單芯片運算放大器，具有很強的負載能力。此外通過調節電阻R0可以改變刺激電流的大小。

1.1.4 增益檢測電路
    本系統設計采用了比值測量法。其基本原理示意圖如圖3所示。利用一個已知大小的純電阻Rs求解未知生物電阻抗Zx。計算公式為：

    由式(3)可得到輸入和輸出的關系,利用MSP430F1612的A/D采樣將VMAG的電壓值轉換成數字信號，從而得到VX/VY的值，進而求出生物組織阻抗值Zx的幅值。
1.2 測量程序設計
    MSP430F1612微處理器的軟件開發是在IAR嵌入式開發平臺上進行的，在該系統中需要進行的操作主要有A/D信號采集、生物組織阻抗值計算、對AD9850進行編程并將數據上傳至個人電腦。為了使手術人員在進行椎弓根螺釘植入手術過程中能實時觀測到生物組織阻抗值的變化，系統利用微軟公司的Visual Basic 6.0進行顯示界面的開發。其功能模塊主要有：對通信端口的初始化、數據保存和數據圖形化顯示的界面。
2 實驗與分析
    為了驗證本系統的可靠性，采用家豬的椎骨作為實驗對象，對6節離體的椎骨進行實驗。
    從表1所示系統能很好的反應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,系統采用雙頻刺激以減小誤差。考慮采用50 kHz阻抗幅值減去500 kHz的幅值來減少干擾，圖4反應了在不同組織中兩頻率阻抗幅值差(R2-R1)平均值的變化。可以看出本系統適應于椎弓根螺釘植入手術的導航。

    本文基于生物電阻抗法測量原理，研制了一種新型的椎弓根螺釘植入導航系統，它能有效反應生物組織電阻抗特性的改變。對家豬進行的椎骨實驗表明，本系統能實時、準確地反應插入電極到達不同椎骨組織的部位。通過與生物組織電阻抗的測量比較得出輔助技術具有無輻射、成本低廉的優勢，且能對整個手術過程進行實時監測，從而可望在未來椎弓根螺釘植入手術中獲得廣泛的應用。今后的研究包括： (1)兩電極間的絕緣層保障阻抗測量的基礎，需進一步檢測絕緣材料對人體的無害性； (2)擴大對大小和形態不同的椎骨組織進行生物電阻抗幅值的測量實驗，從而使系統獲得廣泛的適用性。
參考文獻
[1] ESSES S J, SACHS B L, DREYZIN V. Complications associated with the technique of Pedicle screw fixation: a selected survey of ABS members[J].1993,18(15):2231-2238.
[2] 劉良樂,湯呈宣,楊國敬. 胸椎椎弓根螺釘置入技術的研究現狀與展望[J].中國脊柱脊椎雜志, 2012, 21(2):148-150.
[3] 任超世. 生物電阻抗測量技術[J]. 中國醫療器械信息，2004，10(1):21－24.
[4] 沈建華，楊艷琴，翟曉曙．MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M]．北京：清華大學出版社，2004．
[5] AnaLog Devices.AD9850 Datasheet[EB／OL].[2012-11-13]. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9850.pdf.
[6] 趙碩峰,王智運,鄧親愷，等.家豬骨與軟組織電阻抗特性研究[J]. 中國醫療設備，2011,26(4):17－21.
[7] AnaLog Devices.AD8302 Datasheet[EB／OL].[2012-11-13].http://www.analog.com/static/Imported-filesdata_sheets/AD8302.pdfi.