椎弓根手術中電子導航系統的研制

王建波

臨沂市人民醫院 設備與醫學工程部，山東 臨沂 276003

椎弓根手術中電子導航系統的研制

王建波

臨沂市人民醫院 設備與醫學工程部，山東 臨沂 276003

本文介紹了椎弓根手術中電子導航系統的設計與實現。系統采用生物阻抗法，通過檢測兩電極間的電阻值的變化，為椎弓根手術提供導航。樣機基于MSP430單片機，實現了低功耗便攜式設計。對樣機的動物實驗表明，系統運行穩定，抗干擾能力強。

手術電子導航系統；椎弓根；生物阻抗；MSP430單片機

0 前言

目前，臨床上進行椎弓根手術時，對植入骨釘的位置以及釘進的深度，只是憑醫生的經驗，手術完成后再進行CT掃描，檢查植入的骨釘是否到達合適的位置，這不僅增加了手術的風險，而且會對患者造成很大的傷害，增加了進行二次手術的幾率[1-2]。為了降低這種風險，本文采用生物阻抗法設計實現了椎弓根手術中的電子導航系統。

1 生物阻抗法測量原理[3-5]

人體的組織相當于一段容積導體，其阻抗包括電阻Z、感抗L和容抗 C 。由于人體感抗很小，一般可忽略不計，而容抗在高頻電流作用下也很小，所以對高頻電流來說，組織阻抗基本上就是電阻的變化。其電阻變化與容積變化的關系，1940年Nyboer根據血管圓柱體電阻抗模型推導出來，并通過動物實驗得到了證實，如下式。

式中，V為圓柱體的體積，ρ為電阻率，L為長度，Z為電阻。

阻抗法測量人體電阻主要有電橋法、恒流法和恒壓法3種。電橋法對皮膚處理要求較高，而且電橋平衡調節比較困難，實際操作中很少用到；恒壓法與恒流法本質上是一樣的，最為常用的是恒流法。

2 系統的硬件設計

樣機由上位機和下位機組成，兩部分通過串行方式進行通訊，通訊方式利用 VB 提供的 MSComm通信控件來實現[6]。上位機以PC機為平臺，用VB編寫了良好的人機交互操作界面，主要功能是負責數據處理以及電阻、電壓值的顯示。下位機以TI公司的16位超低功耗單片機MSP430為核心，主要功能是負責產生50kHz的方波作為激勵信號，獲取最終的電壓信號，并采集獲取的信號，進行A/D轉換，然后進行數據處理。椎弓根導航系統的硬件設計，主要包括MSP430單片機電路、脈沖發生器、阻抗轉換電路、差分比例運算電路、整流濾波電路、串口通訊電路、電源電路。系統框圖，見圖1。

圖1 系統硬件框圖

MSP430F149單片機產生50kHz的高頻激勵，經過阻抗轉換電路達到恒流后分別先后通過定標電阻和人體組織，其中，定標電阻的作用是為測量人體組織的電阻值提供一個標準，并以此標準來進行測量；在進行測量之前先將選擇開關打到定標電阻一邊，進行測量之前的定標工作，為后續測量提供基礎；再將開關打到人體組織一邊進行測量，在信號經過差分運算電路和整流濾波電路處理后，將最終提取的電壓信號送入MSP430F149單片機進行A//D轉換以及初步的濾波處理，同時將A/D轉換后的數據傳至PC以顯示電壓值和電阻值，并可以對比較滿意的數據進行保存。

3 系統的軟件設計

系統的軟件設計，上位機部分采用VB作為開發工具，主要是進行信號和阻抗值的實時顯示；下位機部分采用的開發工具是IAR公司為MSP430系列提供的一套C430的集成開發環境和C語言調試器[7]，主要是對采集的信號進行數字濾波處理，并進行阻抗值的轉換。系統的軟件流程圖，見圖2。

圖2 軟件流程圖

采集到的數據經過濾波處理后顯示波形，通過電壓與阻抗的關系計算相應的阻抗值，并進行顯示，對于比較理想的數據進行保存。

4 實驗驗證

為了檢驗樣機的靈敏性，我們選取家豬進行了動物實驗，實驗結果為：當電阻抗值突然增大時，證明已經達到骨質邊緣；當電阻抗值突然減小時，證明已經穿透骨組織，達到軟組織。通過動物實驗模擬椎弓根螺釘置入手術，證實該系統的陽性提示率為100%，陰性提示率為95.8%，假陽性率4.2%，假陰性率0%。動物實驗結果表明樣機能夠在椎弓根手術中提供導航功能，系統運行穩定。

5 小結與討論

初步的動物實驗表明，該系統能夠在阻抗值突然變化時起到明顯的指示作用，能夠起到較好的導航作用，具有重要的臨床應用價值。存在的問題及不足：

（1）選取動物進行試驗的例數有限，需要進一步的試驗驗證，以便進一步提高系統的精度；

（2）樣機沒有進行人體試驗驗證，需要通過進一步的人體骨骼實驗來對系統進行反復的驗證，以保證系統性能的準確可靠，以便使其早日應用于臨床。

[1] 何飛,何波,鄧亞,等.多層螺旋CT三維重建技術輔助脊柱經椎弓根內固定手術[J].中國介入影像與治療學,2008,5(2):131-134.

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[3] 鄧親愷.現代醫學儀器設計原理[M].北京:科學出版社,2004.

[4] 王建波,鄧親愷,郭勁松,等.一種新型的阻抗式呼吸檢測系統[J].中國醫療器械雜志,2009,33(2):91-94.

[5] 趙碩峰,王智運,鄧親愷,等.家豬骨與軟組織電阻抗特性研究[J].中國醫療設備,2011,26(4):17-21.

[6] 梁海英.Visual Basic程序設計[M].北京:清華大學出版社,2010.

[7] 張福才.MSP430單片機自學筆記[M].北京:北京航空航天大學出版社,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，碩士研究生，研究方向：生物醫學信號檢測處理。

作者郵箱：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