椎弓根螺钉PS(Pedicle Screw)植入技术已应用在骨折脱臼、腰椎滑脱等脊柱疾病中[1]。椎弓根螺钉植入手术的难点在于PS需要以正确的方式由椎弓板经椎弓根到达椎体，PS进入的角度和深度都需要做到准确无误。手术中需要用开路器将PS进入的轨迹做好，但由于不同的椎骨结构变异性大，而且不同的人的椎骨存在差异，所以PS植入在临床手术成功率不高，并直接导致了手术后的多种并发症，从而引发病情加重。目前PS植入技术可分为徒手技术和影像辅助技术[2]，借助影像设备临床医师能准确判断椎弓根的形态、神经脊髓的解剖位置。影像辅助设备虽然能在一定程度降低PS误植率，但却存在强辐射污染和医疗费用大幅增加的问题。因此研发一套安全、廉价、无辐射的手术导航系统在椎弓根螺钉植入手术中具有广泛的应用前景。

    生物电阻抗测量(简称阻抗技术)是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术[3]。生物电阻抗测量具有成本低、操作简单和功能信息丰富的特点，且生物电阻抗技术无辐射，可减少对人体的伤害。由于该技术的明显优势，现在已应用到血流图、人体成份分析、阻抗成像等领域，各种基于生物电阻抗的测量技术也已广泛应用于临床。
    本文根据生物组织的电阻抗特性，研制一套适合于椎弓根螺钉植入手术的系统。系统通过生物电阻抗测量仪测得阻抗幅值,然后以USB通信方式向个人电脑传输。PC软件将接收到的数据显示到屏幕上，手术人员可以通过数据的实时显示界面直观、清晰地看到开路器的轨迹情况。从而提高椎弓根螺钉植入手术的成功率。
1 生物电阻抗测量仪的设计
1.1测量电路设计
    在椎弓根螺钉植入手术导航系统中，生物电阻抗测量仪是核心部件，测量仪电路设计是整个系统的基础，其结构框图如图1所示。系统包括的模块有：直接数字合成器DDS(Direct Digital Synthesis)、压控恒流源VCCS(Voltage-controlled Constant Current Source)、低通滤波、特制的电极(手术中的开路器)、增益相位检测芯片AD8302、微处理器系统、RS232转USB接口电路等。

 
    根据本课题组前期实验的结果[6],系统采用了50 kHz和500 kHz交替测量在这两个频率刺激下的生物电阻抗的幅度，并需要不断对AD9850进行初始化操作。将32位控制输出信号的数字通过并口写入到芯片。

1.1.3 压控恒流源VCCS电路
    在进行生物阻抗测量时，需要保证刺激电流的恒定。为此在正弦信号用于刺激之前加入一级压控恒流电路。压控恒流源的设计电路应满足人体阻抗的负载要求，本系统采用了图2所示的电路设计。AD844是一种宽频带单芯片运算放大器，具有很强的负载能力。此外通过调节电阻R0可以改变刺激电流的大小。

1.1.4 增益检测电路
    本系统设计采用了比值测量法。其基本原理示意图如图3所示。利用一个已知大小的纯电阻Rs求解未知生物电阻抗Zx。计算公式为：

    由式(3)可得到输入和输出的关系,利用MSP430F1612的A/D采样将VMAG的电压值转换成数字信号，从而得到VX/VY的值，进而求出生物组织阻抗值Zx的幅值。
1.2 测量程序设计
    MSP430F1612微处理器的软件开发是在IAR嵌入式开发平台上进行的，在该系统中需要进行的操作主要有A/D信号采集、生物组织阻抗值计算、对AD9850进行编程并将数据上传至个人电脑。为了使手术人员在进行椎弓根螺钉植入手术过程中能实时观测到生物组织阻抗值的变化，系统利用微软公司的Visual Basic 6.0进行显示界面的开发。其功能模块主要有：对通信端口的初始化、数据保存和数据图形化显示的界面。
2 实验与分析
    为了验证本系统的可靠性，采用家猪的椎骨作为实验对象，对6节离体的椎骨进行实验。
    从表1所示系统能很好的反应不同生物组织电阻抗的变化，其中，R1为500 kHz作为刺激源得到的阻抗幅值的平均值，R2为50 kHz时阻抗幅值的平均值。由于生物电阻抗易受到电极的极化干扰,系统采用双频刺激以减小误差。考虑采用50 kHz阻抗幅值减去500 kHz的幅值来减少干扰，图4反应了在不同组织中两频率阻抗幅值差(R2-R1)平均值的变化。可以看出本系统适应于椎弓根螺钉植入手术的导航。

    本文基于生物电阻抗法测量原理，研制了一种新型的椎弓根螺钉植入导航系统，它能有效反应生物组织电阻抗特性的改变。对家猪进行的椎骨实验表明，本系统能实时、准确地反应插入电极到达不同椎骨组织的部位。通过与生物组织电阻抗的测量比较得出辅助技术具有无辐射、成本低廉的优势，且能对整个手术过程进行实时监测，从而可望在未来椎弓根螺钉植入手术中获得广泛的应用。今后的研究包括： (1)两电极间的绝缘层保障阻抗测量的基础，需进一步检测绝缘材料对人体的无害性； (2)扩大对大小和形态不同的椎骨组织进行生物电阻抗幅值的测量实验，从而使系统获得广泛的适用性。
参考文献
[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] 刘良乐,汤呈宣,杨国敬. 胸椎椎弓根螺钉置入技术的研究现状与展望[J].中国脊柱脊椎杂志, 2012, 21(2):148-150.
[3] 任超世. 生物电阻抗测量技术[J]. 中国医疗器械信息，2004，10(1):21－24.
[4] 沈建华，杨艳琴，翟晓曙．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004．
[5] AnaLog Devices.AD9850 Datasheet[EB／OL].[2012-11-13]. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9850.pdf.
[6] 赵硕峰,王智运,邓亲恺，等.家猪骨与软组织电阻抗特性研究[J]. 中国医疗设备，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.