题目：基于生物阻抗的椎弓根内固定 手术辅助装置的研究

脊柱内固定手术（Spine Internal Fixation Surgery）是利用椎弓根特殊的解剖学位置结构，将椎弓根螺钉（Pedicle Screw, PS）经椎板、椎弓根固定到椎体中，并形成力学稳定的螺钉内固定系统，实现对病态脊柱节段的固定和融合。椎弓根螺钉内固定手术已经是脊柱外科中治疗脊柱疾病的重要手段。手术的关键和难点是将椎弓根螺钉固定在椎弓根内一定的空间螺钉钉道中。螺钉钉道形成的过程中，医生只能凭借手感和经验进行操作，使得临床上椎弓根螺钉内固定的误置率在10%~40%。椎弓根螺钉的误置不但不能达到手术的治疗效果，还很容易引起神经损伤性的并发症。为提高椎弓根螺钉植入的准确性，降低椎弓根内固定手术治疗疾病的风险，诸多学者引进和开展了很多技术研究工作。目前，术中X线监测技术已成熟运用于临床中，但过多射线的介入对病人和医生造成很大的伤害；计算机辅助导航手术的费用昂贵，使得其不能够得到普及；体感诱发电位监测等电位检测技术对手术环境条件要求严格。

针对以上问题，本文研究建立了一种基于生物电阻抗的椎弓根螺钉植入过程中的辅助装置。首先，根据生物阻抗测量原理，研究了动物椎骨组织阻抗值特性，对猪椎骨不同组织的阻抗值特性进行了实验测定，探索了不同组织之间的差异，验证了松质骨、皮质骨和软组织的电阻抗具有明显差异。在此基础上，利用生物电阻抗测量技术，建立了以STM32微处理器和AD5933电阻抗测量芯片为中心的便携式实验装置。通过一系列实验对所建立的装置进行验证。首先，利用定值电阻标定了装置测量阻抗的误差在2%到5%之间，满足了应用要求。然后，利用实验装置，对100节猪脊椎骨上的不同组织进行实验，在穿刺椎骨过程中，其能实时监测松质骨、皮质骨、软组织的阻抗值，并通过不同的音频信号反馈开路装置前端所接触组织的类别。最后进一步类比手术中制作螺钉钉道的操作步骤，对24例猪椎骨进行穿刺，研究连续穿刺椎弓根过程中的阻抗及提示音变化情况。连续穿刺实验发现电极钻头接触到椎弓根内缘皮质骨的时候阻抗值明显增大，而在刺破皮质骨的时候阻抗值会迅速减小。这些实验验证了所建立装置的有效性。

为了更系统旳评估生物电阻抗辅助方法的预警性能，并研究装置参数（电极面积和电极间距）对阻抗测量的影响，本文利用多物理场耦合仿真软件Comsol对装置进行了建模，并仿真探究了穿刺过程。仿真测得的阻抗结果与实际实验结果具有一致性，电极的面积和间距大小与阻抗测量结果分别具有负相关性和正相关性。

本文工作实现了椎弓根内固定手术辅助装置的设计及研究，为今后将其引入临床并提高椎弓根螺钉植入的准确性奠定了技术基础。