基于超声背散射信号成像的脊柱侧凸椎弓根螺钉植入导航系统基础研究

摘要

背景：
　　 脊柱侧凸是一种复杂的三维畸形，以特发性脊柱侧凸最为常见，约占全部脊柱侧凸的80％，好发于青少年，文献报道其发病率高达0.75％～2.4％。对于侧凸角度较小的患者，通常可采用支具进行保守治疗，而对于严重脊柱侧凸的患者手术矫形是唯一有效的治疗方法，但脊柱侧凸矫形术是脊柱外科手术的难点之一。后路全椎弓根螺钉内固定矫形术成为脊柱侧凸矫形手术的最常用术式，然而脊柱侧凸的椎弓根螺钉植入具有极高的难度和风险。文献报道胸椎椎弓根螺钉的误置率高达6％-54.7％。
　　 目前常用的椎弓根螺钉安全植入辅助方法包括手术技术的革新，如“漏斗技术”；手术器械的改良；常用的是术中X线透视，但该方法仅能显示椎弓根的二维平面图形，影像质量较差，容易出现失误，术中医患双方均受到射线的辐射。计算机辅助导航技术可显著降低误置并发症，但也有配准误差，产生不正确的导航信息，导致钉道建立失败；此系统设备昂贵，操作复杂，影响其临床应用与推广。神经电生理监测可以有效预防神经系统并发症的发生，但无菌要求高，需要手术医生和麻醉医生的术中配合，需要专业技术人员的操作和分析判断，临床应用未普及。
　　 超声具有无电离辐射、费用低廉、安装携带方便的优点。Mujagic等在水槽中，使用1MHz和3.5MHz两种频率的超声探头测得超声信号在人椎体松质骨内的穿透深度为1.65-1.9cm。Raphael等使用频率为2.5MHz超声在水槽中对羊椎体松质骨成像研究，发现在椎弓根径路内距离皮质骨1.5cm处可观察到振幅增高的波形。国内文献未见此类研究的报告。上述作者的研究可满足超声导航的基本要求。
　　 目的：
　　 1.应用超声透射法明确脊柱松质骨的超声参数。
　　 2.应用超声背散射法明确超声信号在椎体松质骨内的穿透深度。
　　 3.应用超声时域有限差分仿真对照，探讨超声信号对椎体松质骨-皮质骨界面预判的波形特点和预判距离
　　 4.探讨对椎体松质骨-皮质骨界面预判具备优势中心频率的探头。
　　 方法：
　　 所有实验在内壁衬有吸声材料的恒温水槽中进行，水温控制在20℃左右，水槽中加入蒸馏水及适量表面活性剂，激发探头发射超声信号，接收信号经超声分析仪放大，显示于示波器，信号输入PC机，应用MATLAB软件整理分析数据，重建波形。
　　 1.超声透射实验：超声信号分别由0.5MHz、1MHz、1.5MHz、2.25MHz、3.5MHz中心频率的激发探头发射，透射通过七枚腰椎松质骨样本，厚度为0.9cm，由接收探头接收信号，分析图形特点，测量中心频率衰减、宽带频率衰减和声速。
　　 2.椎体穿透深度实验：超声信号分别由0.5MHz、1MHz、1.5MHz、2.25MHz、3.5MHz中心频率的探头发射，透射通过不同厚度的人体七枚腰椎松质骨样本，经由钢板反射，再次透射通过骨样本，由同一探头接收信号。分析图形特点，测量样本的背散射穿透深度。
　　 3.脊柱超声导航基础研究实验：超声信号分别由1MHz、1.5MHz、2.25MHz、中心频率的探头发射，透射通过不同厚度的人体七枚腰椎椎体骨样本，经由皮质骨反射，再次透射通过骨样本，由同一探头接收信号。分析图形特点，获取有效波形及距离皮质骨的距离。
　　 超声时域有限差分仿真实验：一枚腰椎椎体骨样本行Micro-CT扫描，截取二维图像，建立时域有限差分仿真模型，设置初始条件、边界条件和激励条件，完成有限差分仿真，获取仿真超声背散射信号。
　　 结果：
　　 1.超声透射实验：七枚人第三腰椎椎体松质骨样本，应用0.5MHz、1MHz、1.5MHz、2.25MHz、3.5MHz超声探头，每个样本选取五个感兴趣区，应用超声透射法测量声学数据。中心频率衰减为7.68±4.06dB/cm(0.5MHz)，18.86±7.49dB/cm(1MHz)，29.96、±11.23dB/cm(1.5MHz)，41.40±21.07dB/cm(2.25MHz)，52.96±15.33dB/cm(3.5MHz)；归一化宽带超声衰减(nBUA)为28.70±6.37dB/(cmMHz)(0.5MHz)，17.31±10.39dB/(cmMnz)(1MHz)，20.70±6.94dB/(cmMnz)(1.5MHz)，16.52±5.35dB/(cmMHz)(2.25MHz)，12.46±5.16dB/(cmMHz)(3.5MHz)；声速为1514.41±16.81m/s(1501.67-1506.30m/s)，(0.5MHz)；1508.61±4.97m/s，(1502.03-1518.23m/s)，(1Mnz)；1502.56±2.19m/s，(1500.20-1507.02m/s)，(1.5MHz)；1500.60±0.59m/s，(1500.04-1502.44m/s)，(2.25MHz)；1500.15±0.15m/s，(1500.00-1500.61m/s)，(3.5MHz)。统计分析：组间比较中心频率衰减在各组间均有显著性差异；nBUA：显示1、1.5、2.25MHz三组间无显著性差异，在其余各组间均有显著性差异；SOS：各组间均有显著性差异
　　 2.以钢板为反射的超声背散射穿透距离实验：七枚人第四腰椎椎体松质骨样本，应用0.5MHz、1MHz、1.5MHz、2.25MHz、3.5MHz超声探头测量超声信号在松质骨内的穿透距离2.19±0.34cm(0.5MHz)，1.17±0.38cm(1MHz)，0.93±0.44cm(1.5MHz)，0.69±0.20cm(2.25MHz)，0.69±0.20cm(3.5MHz)。统计分析各组间比较无显著性差异。
　　 3、超声仿真与椎体背散射实验：超声FDTD仿真，在距离腹侧皮质骨0.2cm处出现振幅数倍增高于邻近波形的仿真超声信号，振幅升高前的距离内振幅波动较大。实验研究七枚腰五椎体松质骨样本，距离皮质骨0.6cm距离处的时域波形图振幅，整体趋势显著升高，在1MHz和1.5MHz振幅有一倍以上增长，2.25MHz未达到一倍增长。振幅升高前的距离振幅波动较大。与超声仿真趋势表现一致。将三种不同频率距离1.2cm、0.9cm和0.6cm处的归一化振幅均值统计分析，0.6cm距离处的归一化振幅显著高于1.2cm和0.9cm两组，有显著性差异；1.2cm和0.9cm两组间归一化振幅无显著性差异
　　 结论：
　　 1.取得了不同频率椎体松质骨的超声参数。超声衰减与频率的关系在1MHz、1.5MHz、2.25MHz，近似呈线性关系。超声衰减与BMD密切相关。声速在椎体松质骨内呈负色散现象。超声透射实验显示1MHz、1.5MHz、2.25MHz的超声探头在椎弓根置入超声导航的探头频率的选择上具有优越性。
　　 2.取得了超声背散射法在椎体松质骨的穿透深度数据，以钢板为反射穿透距离有可能高于实际穿透距离。穿透深度与超声频率、BMD、骨微结构密切相关。超声背散射实验显示1MHz、1.5MHz、2.25MHz的超声探头在椎弓根置入超声导航的探头频率的选择上具有优越性。
　　 3.超声FDTD仿真可以有效模拟超声信号在松质骨至皮质骨的传导趋势，但二维模型丢失了部分实际三维机构的信息，导致具体数据的偏差。
　　 4.在1MHz、1.5MHz两种中心频率探头下，可在距离皮质骨0.6cm距离处出现与邻近信号最低信号振幅有一倍以上增长。1MHz、1.5MHz中心频率探头在松质骨穿透距离和松质骨-皮质骨界面的预判更具优势，适宜应用于超声导航。