PS植入路徑上不同動物椎骨近紅外特性差異研究*

劉洋洋， 孟 琳， 錢志余， 李韙韜

(1.南京航空航天大學 生物醫學工程系，江蘇 南京 210016;2.南京工程學院 信息與通信工程，江蘇 南京 210003)

0 引 言

椎弓根螺釘(pedicle screw,PS)內固定是治療脊柱不穩定的常用方法，PS的準確植入對于手術的成功非常重要[1]。目前檢測PS位置是否準確的技術為術后CT掃描，但這種方法不適用于手術過程中的實時監測[2]。X光實時成像系統可以實現術中實時監測，但限制是輻射劑量較高，需要多次掃描[3]。有學者研究一種能實時檢測不同組織的電導率測量裝置，測試效果好但是難以確定PS在椎體中的準確位置[4]。因此，準確方便的PS實時監測技術仍需要探索。

在之前的研究中，實現了光纖手鉆探針的設計，開發出基于近紅外光譜技術的組織光譜測量系統[5]?；谠撓到y采集到的光譜，通過計算光譜的峰值和斜率，找到了沿PS植入路徑探索豬椎骨不同組織的方法[6]。然而，這些組織識別方法仍存在一些問題需要解決，例如方法穩定性較差，難以實現兩種椎骨組織的完全區分。

考慮到方法的普適性，本文研究并比較了三種不同動物模型的光反射光譜，包括新鮮的豬椎骨、牛椎骨和羊椎骨。其中，豬的椎骨與人類相似，而牛和羊的椎骨成分相似，這些模型的選取有利于提高方法的穩定性[7,8]。

本文的目標是通過分析不同動物的光譜特征，開發一種更加準確的方法來區分PS植入路徑上的測試點位置。具體地，首先提取特定波段的近紅外光譜斜率進行計算比較，然后結合前期研究計算不同的特征識別因子[6]，最后將不同的識別因子進行比較，確定最優的特征識別因子為后續PS植入模型提供支撐。實驗結果表明最優識別因子針對豬、牛、羊的不同椎骨組織分類效果良好，該結論為臨床手術中植釘準確率的提高提供了新方向。

1 實驗方法

1.1 近紅外光譜測試系統

光譜測量的實驗裝置如圖1所示，該系統由計算機鹵鎢光源(HL2000-HP-FHSA，Ocean Optics，Inc.，Dunedin，FL)、光纖探針和光譜儀(USB2000，Ocean Optics，Inc.，Dunedin，FL)組成[5]。自制的光纖手鉆探頭包含兩個直徑為200 μm的光纖，分別用于光傳輸和采集?？刂破饔糜谡{節光強度。使用LabVIEW和MATLAB(Math Works，Natick，MA)編寫軟件分析光學反射光譜。

圖1 測試系統示意

1.2 近紅外光譜采集實驗

人的椎骨與豬的相似，尤其是在T6和T10之間[7,8]，因而實驗中選擇了這段豬椎骨。豬椎骨實驗中選用10塊新鮮成年豬椎骨作為實驗對象，成年豬的質量約為38～45 kg。采用醫用手術刀剝離骨膜外的所有軟組織，并用生理鹽水清洗干凈，放在實驗臺準備實驗。首先，將豬椎骨標本從軸面切成兩半。在豬椎體表面用箭頭線標出了PS的植入路徑(圖2)，路徑長度為22～35 mm,沿著軌跡繪制了9個采樣點，如圖2所示，兩個采樣點之間的距離為5 mm。然后對每個采樣點進行光譜采集，每一點測試并存儲30個光譜。積分時間為100 ms，每條反射光譜的像素點數為2 048。最后，使用編寫的軟件基于光譜計算出不同的識別因子。

在牛椎骨實驗中，仍選取10塊新鮮的椎骨，成年牛的質量約為300～350 kg，實驗過程與豬椎骨實驗相似。由于牛椎骨尺寸較大，選擇了9個采樣點后點之間的距離為8 mm。羊椎骨實驗采用10塊新鮮的椎骨，成年羊的質量約為70～80 kg，由于羊椎骨的尺寸小于豬或牛椎體，其采樣點之間的距離最小。其他實驗步驟與豬脊椎實驗相似。實驗數據采用t檢驗進行統計分析，選擇95 %的置信水平來確定兩組間差異的顯著性，P值大于0.05表示無顯著性差異。

圖2 椎骨實驗中椎骨規劃路徑

1.3 豬、牛、羊椎骨組織識別因子研究

1)面積因子、峰值因子、特定斜率因子

圖3為動物的典型椎骨組織近紅外光譜，不同的動物椎骨組織具有不同的近紅外光譜數值，考慮從近紅外光譜的面積、峰值、特定波段的斜率等方面區別不同組織，根據前期研究這些因子都可以通過光譜曲線計算出來的，包括峰值(最大值)，面積值和斜率值(600～650 nm)隨深度變化的曲線[6]。

圖3 典型椎骨組織近紅外光譜

2)優化斜率因子

研究發現，當波長為460～590 nm時，骨密質和骨疏質的原始光譜具有明顯區別的。兩個峰分別穩定在約510 nm(λ1) 和 550 nm(λ3)，這兩個峰之間的谷值為542 nm(λ2)，與HBO2的吸收特性相符合。將兩個峰之間的差異模式定義斜率因子slope，如式(1)～式(3)所示。分別計算slope1，slope2，slope，選擇差異最大的因子作為優化斜率因子

(1)

(2)

slope=slope2-slope1

(3)

2 實驗結果與討論

2.1 豬、牛、羊椎骨組織光譜特性分析

實驗中，獲取了新鮮的豬、牛、羊椎骨的近紅外光譜，圖4顯示了不同椎骨表面標記線上9個采樣點的近紅外光譜，每個頻譜曲線表示一個采樣點的數據，圖4(a)表示豬椎骨實驗測試結果，(b)表示牛椎骨實驗測試結果，(c)表示羊椎骨實驗測試結果，其中點1和點9在骨密質中和從點2到點8在骨疏質中。結果表明，通過路徑上9個點的不同光譜曲線形狀可以基本區別兩種不同的組織，如圖4所示，在骨密質中的點1和點9的值區別于骨疏質中的點2到點8。

圖4 不同椎骨近紅外光譜

然而，圖4(a)中，點1和點9的值與點2到點8的值區分較為明顯，而在圖4(b)和(c)，點1和點9的值與點2到點8的值的區分性較差，可能單從光譜面積、峰值上不能明顯區分不同動物的不同椎骨組織光譜?？紤]到豬椎骨實驗結果中骨密質的波形和骨疏質的波形較為統一，而牛椎骨實驗結果和羊椎骨實驗結果中，骨密質波形和骨疏質的波形變動較大，推測要提取與結構差異相關的特征因子(例如與近紅外吸收特性相關的波段斜率因子)，才能夠區分PS植入路徑上不同動物的椎骨組織。導致這種現象可能是在三種動物中豬椎骨的結構最為致密，而羊椎骨的結構中具有較大的空洞，牛椎骨具有很大的體積并且結構相當不均勻，因而提取的特征識別因子不應受到動物本身椎骨差異的影響。

2.2 面積因子、峰值因子、特定斜率因子計算結果

根據前期研究計算不同動物的面積因子、峰值因子、特定斜率因子，如表1所示。從表中發現，基于同一動物的不同椎骨組織具有區分性，但是不能夠完全區分，骨疏質與骨密質的識別因子具有一定重疊性。這種現象可能導致監測過程中不同的采樣點不能夠明顯區分。

表1 不同動物椎骨的面積因子、峰值因子、特定斜率因子

2.3 優化斜率因子計算結果

為了找到區分不同光譜的敏感參數，對初始光譜進行了分析，以豬脊椎實驗的結果為例。在圖4(a)中，在480～580 nm范圍內有兩個峰，這兩個峰在骨疏質的光譜中幾乎處于相同的位置，這與骨密質的光譜非常不同。豬椎骨的斜率因子可以從方程(3)中推導出來，如圖5所示所有椎骨中每個測量點的slope1均為正，而骨疏質每個測量點的slope2均為負值，骨密質的slope2均為正值，由此發現9個測量點的slope均為負值，從圖中發現，slope的組織區分敏感性要優于slope1和slope2，定義為Tslope。繼續研究其它兩種動物，是否存在這種規律。

圖5 豬椎骨的光譜斜率

用同樣的方法計算了牛骨和羊骨的光譜斜率。計算并比較slope1和slope2，如圖6(a)和(c)所示。圖6(b)為牛椎骨slope，圖6(d)為羊椎骨slope。同樣，骨疏質各測量點的slope2對于牛椎骨和羊椎骨均為負值。骨疏質和骨密質的slope(slope2-slope1)均為負值，基于slope能明顯區分兩種不同組織。

圖6 牛、羊椎骨的光譜斜率

2.4 最優識別因子計算

從上述的研究成果中發現：面積因子、峰值因子、特定斜率因子和優化斜率因子能夠對單一動物的不同椎骨組織進行區分，但本文旨在尋找能夠應用PS植入路徑上的椎骨區分因子并求取最優識別因子，歸一化計算結果如圖7所示，研究結果表明優化斜率因子對于豬、牛、羊的不同椎骨組織都具有較好的區分性。

圖7 不同動物椎骨采樣點的組織識別因子計算

3 結 論

開發新的實時術中PS監測方法是一個熱點[9]，本文基于近紅外光譜技術，沿著PS植入路徑上對不同動物(豬、牛、羊)椎骨組織進行了光譜采集。本研究計算四種識別因子，其中面積因子、峰值因子、特定斜率因子可以從均值上區分不同椎骨組織，但基于PS植入路徑上的各點的區分性較差。而優化斜率因子不僅實現豬的不同椎骨的區分，也能實現牛椎骨、羊椎骨在PS植入路徑上的組織區分，并且具有較大的差異性，并建立了PS植入采樣點的識別模型。通過比較不同識別因子的區分穩定性和準確性，證明了優化斜率因子可作為最佳識別因子。研究結果對開發具有自主知識產權的高科技醫療器械具有重要意義。