PS植入路徑上不同動(dòng)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(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇 南京 210016;2.南京工程學(xué)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(nèi)固定是治療脊柱不穩(wěn)定的常用方法，PS的準(zhǔn)確植入對(duì)于手術(shù)的成功非常重要[1]。目前檢測(cè)PS位置是否準(zhǔn)確的技術(shù)為術(shù)后CT掃描，但這種方法不適用于手術(shù)過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。X光實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但限制是輻射劑量較高，需要多次掃描[3]。有學(xué)者研究一種能實(shí)時(shí)檢測(cè)不同組織的電導(dǎo)率測(cè)量裝置，測(cè)試效果好但是難以確定PS在椎體中的準(zhǔn)確位置[4]。因此，準(zhǔn)確方便的PS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)仍需要探索。

在之前的研究中，實(shí)現(xiàn)了光纖手鉆探針的設(shè)計(jì)，開發(fā)出基于近紅外光譜技術(shù)的組織光譜測(cè)量系統(tǒng)[5]。基于該系統(tǒng)采集到的光譜，通過計(jì)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(shí)別方法仍存在一些問題需要解決，例如方法穩(wěn)定性較差，難以實(shí)現(xiàn)兩種椎骨組織的完全區(qū)分。

考慮到方法的普適性，本文研究并比較了三種不同動(dòng)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(wěn)定性[7,8]。

本文的目標(biāo)是通過分析不同動(dòng)物的光譜特征，開發(fā)一種更加準(zhǔn)確的方法來區(qū)分PS植入路徑上的測(cè)試點(diǎn)位置。具體地，首先提取特定波段的近紅外光譜斜率進(jìn)行計(jì)算比較，然后結(jié)合前期研究計(jì)算不同的特征識(shí)別因子[6]，最后將不同的識(shí)別因子進(jìn)行比較，確定最優(yōu)的特征識(shí)別因子為后續(xù)PS植入模型提供支撐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最優(yōu)識(shí)別因子針對(duì)豬、牛、羊的不同椎骨組織分類效果良好，該結(jié)論為臨床手術(shù)中植釘準(zhǔn)確率的提高提供了新方向。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 近紅外光譜測(cè)試系統(tǒng)

光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)鹵鎢光源(HL2000-HP-FHSA，Ocean Optics，Inc.，Dunedin，F(xiàn)L)、光纖探針和光譜儀(USB2000，Ocean Optics，Inc.，Dunedin，F(xiàn)L)組成[5]。自制的光纖手鉆探頭包含兩個(gè)直徑為200 μm的光纖，分別用于光傳輸和采集?？刂破饔糜谡{(diào)節(jié)光強(qiáng)度。使用LabVIEW和MATLAB(Math Works，Natick，MA)編寫軟件分析光學(xué)反射光譜。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)示意

1.2 近紅外光譜采集實(shí)驗(yàn)

人的椎骨與豬的相似，尤其是在T6和T10之間[7,8]，因而實(shí)驗(yàn)中選擇了這段豬椎骨。豬椎骨實(shí)驗(yàn)中選用10塊新鮮成年豬椎骨作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，成年豬的質(zhì)量約為38～45 kg。采用醫(yī)用手術(shù)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(shí)驗(yàn)臺(tái)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。首先，將豬椎骨標(biāo)本從軸面切成兩半。在豬椎體表面用箭頭線標(biāo)出了PS的植入路徑(圖2)，路徑長(zhǎng)度為22～35 mm,沿著軌跡繪制了9個(gè)采樣點(diǎn)，如圖2所示，兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的距離為5 mm。然后對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行光譜采集，每一點(diǎn)測(cè)試并存儲(chǔ)30個(gè)光譜。積分時(shí)間為100 ms，每條反射光譜的像素點(diǎn)數(shù)為2 048。最后，使用編寫的軟件基于光譜計(jì)算出不同的識(shí)別因子。

在牛椎骨實(shí)驗(yàn)中，仍選取10塊新鮮的椎骨，成年牛的質(zhì)量約為300～350 kg，實(shí)驗(yàn)過程與豬椎骨實(shí)驗(yàn)相似。由于牛椎骨尺寸較大，選擇了9個(gè)采樣點(diǎn)后點(diǎn)之間的距離為8 mm。羊椎骨實(shí)驗(yàn)采用10塊新鮮的椎骨，成年羊的質(zhì)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(diǎn)之間的距離最小。其他實(shí)驗(yàn)步驟與豬脊椎實(shí)驗(yàn)相似。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)驗(yàn)中椎骨規(guī)劃路徑

1.3 豬、牛、羊椎骨組織識(shí)別因子研究

1)面積因子、峰值因子、特定斜率因子

圖3為動(dòng)物的典型椎骨組織近紅外光譜，不同的動(dòng)物椎骨組織具有不同的近紅外光譜數(shù)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(qū)別不同組織，根據(jù)前期研究這些因子都可以通過光譜曲線計(jì)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(yōu)化斜率因子

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波長(zhǎng)為460～590 nm時(shí)，骨密質(zhì)和骨疏質(zhì)的原始光譜具有明顯區(qū)別的。兩個(gè)峰分別穩(wěn)定在約510 nm(λ1) 和 550 nm(λ3)，這兩個(gè)峰之間的谷值為542 nm(λ2)，與HBO2的吸收特性相符合。將兩個(gè)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(jì)算slope1，slope2，slope，選擇差異最大的因子作為優(yōu)化斜率因子

(1)

(2)

slope=slope2-slope1

(3)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 豬、牛、羊椎骨組織光譜特性分析

實(shí)驗(yàn)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(biāo)記線上9個(gè)采樣點(diǎn)的近紅外光譜，每個(gè)頻譜曲線表示一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，圖4(a)表示豬椎骨實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，(b)表示牛椎骨實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，(c)表示羊椎骨實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，其中點(diǎn)1和點(diǎn)9在骨密質(zhì)中和從點(diǎn)2到點(diǎn)8在骨疏質(zhì)中。結(jié)果表明，通過路徑上9個(gè)點(diǎn)的不同光譜曲線形狀可以基本區(qū)別兩種不同的組織，如圖4所示，在骨密質(zhì)中的點(diǎn)1和點(diǎn)9的值區(qū)別于骨疏質(zhì)中的點(diǎn)2到點(diǎn)8。

圖4 不同椎骨近紅外光譜

然而，圖4(a)中，點(diǎn)1和點(diǎn)9的值與點(diǎn)2到點(diǎn)8的值區(qū)分較為明顯，而在圖4(b)和(c)，點(diǎn)1和點(diǎn)9的值與點(diǎn)2到點(diǎn)8的值的區(qū)分性較差，可能單從光譜面積、峰值上不能明顯區(qū)分不同動(dòng)物的不同椎骨組織光譜?？紤]到豬椎骨實(shí)驗(yàn)結(jié)果中骨密質(zhì)的波形和骨疏質(zhì)的波形較為統(tǒng)一，而牛椎骨實(shí)驗(yàn)結(jié)果和羊椎骨實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，骨密質(zhì)波形和骨疏質(zhì)的波形變動(dòng)較大，推測(cè)要提取與結(jié)構(gòu)差異相關(guān)的特征因子(例如與近紅外吸收特性相關(guān)的波段斜率因子)，才能夠區(qū)分PS植入路徑上不同動(dòng)物的椎骨組織。導(dǎo)致這種現(xiàn)象可能是在三種動(dòng)物中豬椎骨的結(jié)構(gòu)最為致密，而羊椎骨的結(jié)構(gòu)中具有較大的空洞，牛椎骨具有很大的體積并且結(jié)構(gòu)相當(dāng)不均勻，因而提取的特征識(shí)別因子不應(yīng)受到動(dòng)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(jì)算結(jié)果

根據(jù)前期研究計(jì)算不同動(dòng)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(fā)現(xiàn)，基于同一動(dòng)物的不同椎骨組織具有區(qū)分性，但是不能夠完全區(qū)分，骨疏質(zhì)與骨密質(zhì)的識(shí)別因子具有一定重疊性。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)過程中不同的采樣點(diǎn)不能夠明顯區(qū)分。

表1 不同動(dòng)物椎骨的面積因子、峰值因子、特定斜率因子

2.3 優(yōu)化斜率因子計(jì)算結(jié)果

為了找到區(qū)分不同光譜的敏感參數(shù)，對(duì)初始光譜進(jìn)行了分析，以豬脊椎實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為例。在圖4(a)中，在480～580 nm范圍內(nèi)有兩個(gè)峰，這兩個(gè)峰在骨疏質(zhì)的光譜中幾乎處于相同的位置，這與骨密質(zhì)的光譜非常不同。豬椎骨的斜率因子可以從方程(3)中推導(dǎo)出來，如圖5所示所有椎骨中每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的slope1均為正，而骨疏質(zhì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的slope2均為負(fù)值，骨密質(zhì)的slope2均為正值，由此發(fā)現(xiàn)9個(gè)測(cè)量點(diǎn)的slope均為負(fù)值，從圖中發(fā)現(xiàn)，slope的組織區(qū)分敏感性要優(yōu)于slope1和slope2，定義為Tslope。繼續(xù)研究其它兩種動(dòng)物，是否存在這種規(guī)律。

圖5 豬椎骨的光譜斜率

用同樣的方法計(jì)算了牛骨和羊骨的光譜斜率。計(jì)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(zhì)各測(cè)量點(diǎn)的slope2對(duì)于牛椎骨和羊椎骨均為負(fù)值。骨疏質(zhì)和骨密質(zhì)的slope(slope2-slope1)均為負(fù)值，基于slope能明顯區(qū)分兩種不同組織。

圖6 牛、羊椎骨的光譜斜率

2.4 最優(yōu)識(shí)別因子計(jì)算

從上述的研究成果中發(fā)現(xiàn)：面積因子、峰值因子、特定斜率因子和優(yōu)化斜率因子能夠?qū)我粍?dòng)物的不同椎骨組織進(jìn)行區(qū)分，但本文旨在尋找能夠應(yīng)用PS植入路徑上的椎骨區(qū)分因子并求取最優(yōu)識(shí)別因子，歸一化計(jì)算結(jié)果如圖7所示，研究結(jié)果表明優(yōu)化斜率因子對(duì)于豬、牛、羊的不同椎骨組織都具有較好的區(qū)分性。

圖7 不同動(dòng)物椎骨采樣點(diǎn)的組織識(shí)別因子計(jì)算

3 結(jié) 論

開發(fā)新的實(shí)時(shí)術(shù)中PS監(jiān)測(cè)方法是一個(gè)熱點(diǎn)[9]，本文基于近紅外光譜技術(shù)，沿著PS植入路徑上對(duì)不同動(dòng)物(豬、牛、羊)椎骨組織進(jìn)行了光譜采集。本研究計(jì)算四種識(shí)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(qū)分不同椎骨組織，但基于PS植入路徑上的各點(diǎn)的區(qū)分性較差。而優(yōu)化斜率因子不僅實(shí)現(xiàn)豬的不同椎骨的區(qū)分，也能實(shí)現(xiàn)牛椎骨、羊椎骨在PS植入路徑上的組織區(qū)分，并且具有較大的差異性，并建立了PS植入采樣點(diǎn)的識(shí)別模型。通過比較不同識(shí)別因子的區(qū)分穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，證明了優(yōu)化斜率因子可作為最佳識(shí)別因子。研究結(jié)果對(duì)開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高科技醫(yī)療器械具有重要意義。