椎弓根手术中电子导航系统的研制

王建波

临沂市人民医院 设备与医学工程部，山东 临沂 276003

椎弓根手术中电子导航系统的研制

王建波

临沂市人民医院 设备与医学工程部，山东 临沂 276003

本文介绍了椎弓根手术中电子导航系统的设计与实现。系统采用生物阻抗法，通过检测两电极间的电阻值的变化，为椎弓根手术提供导航。样机基于MSP430单片机，实现了低功耗便携式设计。对样机的动物实验表明，系统运行稳定，抗干扰能力强。

手术电子导航系统；椎弓根；生物阻抗；MSP430单片机

0 前言

目前，临床上进行椎弓根手术时，对植入骨钉的位置以及钉进的深度，只是凭医生的经验，手术完成后再进行CT扫描，检查植入的骨钉是否到达合适的位置，这不仅增加了手术的风险，而且会对患者造成很大的伤害，增加了进行二次手术的几率[1-2]。为了降低这种风险，本文采用生物阻抗法设计实现了椎弓根手术中的电子导航系统。

1 生物阻抗法测量原理[3-5]

人体的组织相当于一段容积导体，其阻抗包括电阻Z、感抗L和容抗 C 。由于人体感抗很小，一般可忽略不计，而容抗在高频电流作用下也很小，所以对高频电流来说，组织阻抗基本上就是电阻的变化。其电阻变化与容积变化的关系，1940年Nyboer根据血管圆柱体电阻抗模型推导出来，并通过动物实验得到了证实，如下式。

式中，V为圆柱体的体积，ρ为电阻率，L为长度，Z为电阻。

阻抗法测量人体电阻主要有电桥法、恒流法和恒压法3种。电桥法对皮肤处理要求较高，而且电桥平衡调节比较困难，实际操作中很少用到；恒压法与恒流法本质上是一样的，最为常用的是恒流法。

2 系统的硬件设计

样机由上位机和下位机组成，两部分通过串行方式进行通讯，通讯方式利用 VB 提供的 MSComm通信控件来实现[6]。上位机以PC机为平台，用VB编写了良好的人机交互操作界面，主要功能是负责数据处理以及电阻、电压值的显示。下位机以TI公司的16位超低功耗单片机MSP430为核心，主要功能是负责产生50kHz的方波作为激励信号，获取最终的电压信号，并采集获取的信号，进行A/D转换，然后进行数据处理。椎弓根导航系统的硬件设计，主要包括MSP430单片机电路、脉冲发生器、阻抗转换电路、差分比例运算电路、整流滤波电路、串口通讯电路、电源电路。系统框图，见图1。

图1 系统硬件框图

MSP430F149单片机产生50kHz的高频激励，经过阻抗转换电路达到恒流后分别先后通过定标电阻和人体组织，其中，定标电阻的作用是为测量人体组织的电阻值提供一个标准，并以此标准来进行测量；在进行测量之前先将选择开关打到定标电阻一边，进行测量之前的定标工作，为后续测量提供基础；再将开关打到人体组织一边进行测量，在信号经过差分运算电路和整流滤波电路处理后，将最终提取的电压信号送入MSP430F149单片机进行A//D转换以及初步的滤波处理，同时将A/D转换后的数据传至PC以显示电压值和电阻值，并可以对比较满意的数据进行保存。

3 系统的软件设计

系统的软件设计，上位机部分采用VB作为开发工具，主要是进行信号和阻抗值的实时显示；下位机部分采用的开发工具是IAR公司为MSP430系列提供的一套C430的集成开发环境和C语言调试器[7]，主要是对采集的信号进行数字滤波处理，并进行阻抗值的转换。系统的软件流程图，见图2。

图2 软件流程图

采集到的数据经过滤波处理后显示波形，通过电压与阻抗的关系计算相应的阻抗值，并进行显示，对于比较理想的数据进行保存。

4 实验验证

为了检验样机的灵敏性，我们选取家猪进行了动物实验，实验结果为：当电阻抗值突然增大时，证明已经达到骨质边缘；当电阻抗值突然减小时，证明已经穿透骨组织，达到软组织。通过动物实验模拟椎弓根螺钉置入手术，证实该系统的阳性提示率为100%，阴性提示率为95.8%，假阳性率4.2%，假阴性率0%。动物实验结果表明样机能够在椎弓根手术中提供导航功能，系统运行稳定。

5 小结与讨论

初步的动物实验表明，该系统能够在阻抗值突然变化时起到明显的指示作用，能够起到较好的导航作用，具有重要的临床应用价值。存在的问题及不足：

（1）选取动物进行试验的例数有限，需要进一步的试验验证，以便进一步提高系统的精度；

（2）样机没有进行人体试验验证，需要通过进一步的人体骨骼实验来对系统进行反复的验证，以保证系统性能的准确可靠，以便使其早日应用于临床。

[1] 何飞,何波,邓亚,等.多层螺旋CT三维重建技术辅助脊柱经椎弓根内固定手术[J].中国介入影像与治疗学,2008,5(2):131-134.

[2] 王智运,邓亲恺,尹庆水,等.在体骨组织穿刺生物电学信息采集系统样机的研制与应用[J].中国医疗器械杂志,2010,34(3): 164-166.

[3] 邓亲恺.现代医学仪器设计原理[M].北京:科学出版社,2004.

[4] 王建波,邓亲恺,郭劲松,等.一种新型的阻抗式呼吸检测系统[J].中国医疗器械杂志,2009,33(2):91-94.

[5] 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.

[6] 梁海英.Visual Basic程序设计[M].北京:清华大学出版社,2010.

[7] 张福才.MSP430单片机自学笔记[M].北京:北京航空航天大学出版社,2 0 1 1.

Design and Implementation of Electronic Navigation in the Operation of Pedicle

WANG Jian-bo
Equipment and Medical Engineering Department of Linyi People’s Hospital, Linyi Shandong 276003, China

R318

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.06.013

1674-1633(2012)06-0036-002

2012-01-16

2012-04-09

本文作者：王建波，硕士研究生，研究方向：生物医学信号检测处理。

作者邮箱：wjb0917@163.com

Abstract:This paper introduces the design and implementation of electronic navigation in the operation of pedicle based on bio-impedance method. The system can detect the resistance between the two electrodes in order to provide navigation for the operation of pedicle. A low consumption and portable type instrument was designed based on MSP430 Micro Controller Unit (MCU). Animal experiment has proved that it can make better performance in the reduction of interference noise.

Key words:operation electronic navigation system; pedicle; bio-impedance; micro controller unit