基于超聲背散射信號(hào)成像的脊柱側(cè)凸椎弓根螺釘植入導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)研究.pdf_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、背景:
   脊柱側(cè)凸是一種復(fù)雜的三維畸形,以特發(fā)性脊柱側(cè)凸最為常見(jiàn),約占全部脊柱側(cè)凸的80%,好發(fā)于青少年,文獻(xiàn)報(bào)道其發(fā)病率高達(dá)0.75%~2.4%。對(duì)于側(cè)凸角度較小的患者,通??刹捎弥Ь哌M(jìn)行保守治療,而對(duì)于嚴(yán)重脊柱側(cè)凸的患者手術(shù)矯形是唯一有效的治療方法,但脊柱側(cè)凸矯形術(shù)是脊柱外科手術(shù)的難點(diǎn)之一。后路全椎弓根螺釘內(nèi)固定矯形術(shù)成為脊柱側(cè)凸矯形手術(shù)的最常用術(shù)式,然而脊柱側(cè)凸的椎弓根螺釘植入具有極高的難度和風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)報(bào)道胸椎椎弓根螺

2、釘?shù)恼`置率高達(dá)6%-54.7%。
   目前常用的椎弓根螺釘安全植入輔助方法包括手術(shù)技術(shù)的革新,如“漏斗技術(shù)”;手術(shù)器械的改良;常用的是術(shù)中X線透視,但該方法僅能顯示椎弓根的二維平面圖形,影像質(zhì)量較差,容易出現(xiàn)失誤,術(shù)中醫(yī)患雙方均受到射線的輻射。計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)可顯著降低誤置并發(fā)癥,但也有配準(zhǔn)誤差,產(chǎn)生不正確的導(dǎo)航信息,導(dǎo)致釘?shù)澜⑹。淮讼到y(tǒng)設(shè)備昂貴,操作復(fù)雜,影響其臨床應(yīng)用與推廣。神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)可以有效預(yù)防神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥的

3、發(fā)生,但無(wú)菌要求高,需要手術(shù)醫(yī)生和麻醉醫(yī)生的術(shù)中配合,需要專業(yè)技術(shù)人員的操作和分析判斷,臨床應(yīng)用未普及。
   超聲具有無(wú)電離輻射、費(fèi)用低廉、安裝攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)。Mujagic等在水槽中,使用1MHz和3.5MHz兩種頻率的超聲探頭測(cè)得超聲信號(hào)在人椎體松質(zhì)骨內(nèi)的穿透深度為1.65-1.9cm。Raphael等使用頻率為2.5MHz超聲在水槽中對(duì)羊椎體松質(zhì)骨成像研究,發(fā)現(xiàn)在椎弓根徑路內(nèi)距離皮質(zhì)骨1.5cm處可觀察到振幅增高的波形。

4、國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)未見(jiàn)此類研究的報(bào)告。上述作者的研究可滿足超聲導(dǎo)航的基本要求。
   目的:
   1.應(yīng)用超聲透射法明確脊柱松質(zhì)骨的超聲參數(shù)。
   2.應(yīng)用超聲背散射法明確超聲信號(hào)在椎體松質(zhì)骨內(nèi)的穿透深度。
   3.應(yīng)用超聲時(shí)域有限差分仿真對(duì)照,探討超聲信號(hào)對(duì)椎體松質(zhì)骨-皮質(zhì)骨界面預(yù)判的波形特點(diǎn)和預(yù)判距離
   4.探討對(duì)椎體松質(zhì)骨-皮質(zhì)骨界面預(yù)判具備優(yōu)勢(shì)中心頻率的探頭。
   方法:

5、   所有實(shí)驗(yàn)在內(nèi)壁襯有吸聲材料的恒溫水槽中進(jìn)行,水溫控制在20℃左右,水槽中加入蒸餾水及適量表面活性劑,激發(fā)探頭發(fā)射超聲信號(hào),接收信號(hào)經(jīng)超聲分析儀放大,顯示于示波器,信號(hào)輸入PC機(jī),應(yīng)用MATLAB軟件整理分析數(shù)據(jù),重建波形。
   1.超聲透射實(shí)驗(yàn):超聲信號(hào)分別由0.5MHz、1MHz、1.5MHz、2.25MHz、3.5MHz中心頻率的激發(fā)探頭發(fā)射,透射通過(guò)七枚腰椎松質(zhì)骨樣本,厚度為0.9cm,由接收探頭接收信號(hào),分析圖

6、形特點(diǎn),測(cè)量中心頻率衰減、寬帶頻率衰減和聲速。
   2.椎體穿透深度實(shí)驗(yàn):超聲信號(hào)分別由0.5MHz、1MHz、1.5MHz、2.25MHz、3.5MHz中心頻率的探頭發(fā)射,透射通過(guò)不同厚度的人體七枚腰椎松質(zhì)骨樣本,經(jīng)由鋼板反射,再次透射通過(guò)骨樣本,由同一探頭接收信號(hào)。分析圖形特點(diǎn),測(cè)量樣本的背散射穿透深度。
   3.脊柱超聲導(dǎo)航基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn):超聲信號(hào)分別由1MHz、1.5MHz、2.25MHz、中心頻率的探頭發(fā)射,

7、透射通過(guò)不同厚度的人體七枚腰椎椎體骨樣本,經(jīng)由皮質(zhì)骨反射,再次透射通過(guò)骨樣本,由同一探頭接收信號(hào)。分析圖形特點(diǎn),獲取有效波形及距離皮質(zhì)骨的距離。
   超聲時(shí)域有限差分仿真實(shí)驗(yàn):一枚腰椎椎體骨樣本行Micro-CT掃描,截取二維圖像,建立時(shí)域有限差分仿真模型,設(shè)置初始條件、邊界條件和激勵(lì)條件,完成有限差分仿真,獲取仿真超聲背散射信號(hào)。
   結(jié)果:
   1.超聲透射實(shí)驗(yàn):七枚人第三腰椎椎體松質(zhì)骨樣本,應(yīng)用0.5

8、MHz、1MHz、1.5MHz、2.25MHz、3.5MHz超聲探頭,每個(gè)樣本選取五個(gè)感興趣區(qū),應(yīng)用超聲透射法測(cè)量聲學(xué)數(shù)據(jù)。中心頻率衰減為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);歸一化寬帶超聲衰減(nBUA)為28.70±6.37dB/

9、(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);聲速為1514.41±16.81m/s(1501.67-1506.30m/s),(0.5MHz);1508.61±4.97m/s,(1502.03-1518.23m/s),(1

10、Mnz);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)。統(tǒng)計(jì)分析:組間比較中心頻率衰減在各組間均有顯著性差異;nBUA:顯示1、1.5、2.25MHz三組間無(wú)顯著性差異,在其余各組間均有顯著性差異;SOS:各

11、組間均有顯著性差異
   2.以鋼板為反射的超聲背散射穿透距離實(shí)驗(yàn):七枚人第四腰椎椎體松質(zhì)骨樣本,應(yīng)用0.5MHz、1MHz、1.5MHz、2.25MHz、3.5MHz超聲探頭測(cè)量超聲信號(hào)在松質(zhì)骨內(nèi)的穿透距離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)。統(tǒng)計(jì)分析各組間比較無(wú)顯著性

12、差異。
   3、超聲仿真與椎體背散射實(shí)驗(yàn):超聲FDTD仿真,在距離腹側(cè)皮質(zhì)骨0.2cm處出現(xiàn)振幅數(shù)倍增高于鄰近波形的仿真超聲信號(hào),振幅升高前的距離內(nèi)振幅波動(dòng)較大。實(shí)驗(yàn)研究七枚腰五椎體松質(zhì)骨樣本,距離皮質(zhì)骨0.6cm距離處的時(shí)域波形圖振幅,整體趨勢(shì)顯著升高,在1MHz和1.5MHz振幅有一倍以上增長(zhǎng),2.25MHz未達(dá)到一倍增長(zhǎng)。振幅升高前的距離振幅波動(dòng)較大。與超聲仿真趨勢(shì)表現(xiàn)一致。將三種不同頻率距離1.2cm、0.9cm和0.

13、6cm處的歸一化振幅均值統(tǒng)計(jì)分析,0.6cm距離處的歸一化振幅顯著高于1.2cm和0.9cm兩組,有顯著性差異;1.2cm和0.9cm兩組間歸一化振幅無(wú)顯著性差異
   結(jié)論:
   1.取得了不同頻率椎體松質(zhì)骨的超聲參數(shù)。超聲衰減與頻率的關(guān)系在1MHz、1.5MHz、2.25MHz,近似呈線性關(guān)系。超聲衰減與BMD密切相關(guān)。聲速在椎體松質(zhì)骨內(nèi)呈負(fù)色散現(xiàn)象。超聲透射實(shí)驗(yàn)顯示1MHz、1.5MHz、2.25MHz的超聲探頭

14、在椎弓根置入超聲導(dǎo)航的探頭頻率的選擇上具有優(yōu)越性。
   2.取得了超聲背散射法在椎體松質(zhì)骨的穿透深度數(shù)據(jù),以鋼板為反射穿透距離有可能高于實(shí)際穿透距離。穿透深度與超聲頻率、BMD、骨微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。超聲背散射實(shí)驗(yàn)顯示1MHz、1.5MHz、2.25MHz的超聲探頭在椎弓根置入超聲導(dǎo)航的探頭頻率的選擇上具有優(yōu)越性。
   3.超聲FDTD仿真可以有效模擬超聲信號(hào)在松質(zhì)骨至皮質(zhì)骨的傳導(dǎo)趨勢(shì),但二維模型丟失了部分實(shí)際三維機(jī)構(gòu)的

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