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研究

脊柱侧凸矫形手术的螺钉植入具有较高的难度和风险，现有螺钉植入导航系统易产生配准误差，导致手术失败，且存在射线辐射。超声具有无电离辐射、可实时显像等优点，已用于普外科、神经外科等手术的实时导航，但现有超声对椎弓根内松质骨的透过距离和分辨率难以满足螺钉植入的导航要求。超声在组织中的透过距离和分辨率与超声参数和成像方法有关，我们的前期研究表明：基于超声背散射信号成像法对松质骨结构的显示更加准确清晰。我们认为采用此成像方法，并对超声参数进行优化，有可能使超声对椎弓根成像达到螺钉植入的导航要求。本课题拟基于超声背散射信号研究超声在松质骨内传导特性，探索椎弓根内松质骨成像的最佳超声参数，并在此基础上研究螺钉植入导航系统。该课题拓宽了超声的应用领域，丰富了骨超声成像理论，为椎弓根螺钉的安全植入提供了新的辅助方法，并为骨科其他类型的螺钉植入导航装置的研究奠定基础，具有较大的临床意义和社会价值。

本课题明确了超声背散射信号的椎体松质骨内传导特性和成像特点，丰富了骨超声成像理论，为基于超声的导航建立提供了重要的依据，主要研究结果如下:.1. 基于超声透射法的人脊柱椎体超声参数研究。超声衰减与频率的关系在1MHz、1.5MHz、2.25MHz，线性关系良好，随频率升高，声速更稳定。中心频率为0.5MHz的探头的衰减系数波动比较大，中心频率为3.5MHz的探头，分辨能力虽提高，但衰减严重。1MHz、1.5MHz、2.25MHz探头衰减系数波动较小，呈近似线性关系，这提示我们这三种频率的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，该研究结果为超声导航系统的频率选择提供了重要的依据。.2. 基于超声背向散射技术的椎体穿透深度研究。超声信号在松质骨内的穿透距离分别为2.19±0.34 cm(0.5MHz)， 1.17±0.38 cm(1MHz)，0.93±0.44 cm(1.5MHz)，0.69±0.20 cm(2.25MHz)，0.69±0.20 cm(3.5MHz)。1MHz、1.5MHz、2.25MHz三种探头的衰减适中，振幅较高，异常增大的波形对比明确，在信号连续性，异常信号间差异性及探头直径等因素上具备优势。.3. 基于时域有限差分仿真的脊柱超声导航基础研究。成功建立时域有限差分仿真模型，模拟结果显示：在1MHz、1.5MHz、2.25MHz三种中心频率均可在距离皮质骨0.2cm的距离处出现与邻近信号归一化振幅成倍数关系增高的仿真超声信号。其中1MHz、1.5MHz与邻近最低信号振幅有一倍以上增长，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。. 在基金资助下，撰写SCI论文一篇，发表在J Spinal Disord Tech（IF=1.503），另有一篇文章发表在核心期刊《国际骨科学杂志》，另已撰写完成SCI论文一篇，投往PLOS ONE杂志，已修回。获得国家实用新型专利授权三项（201120031255.6，201020266843.3，201420156583），申请国家发明专利一项 （201110032046.8），目前为实质审查阶段。在基金资助下成功研发椎弓根螺钉辅助植入装置Changhai Guard，已成功生产，拟临床推广。