超声背散射信号评价椎弓根螺钉钉道周围骨密度及骨微结构的方法研究

The instability of pedicle screws in osteoporosis patients is a big problem in spine surgery. The evaluation of bone strength around the screw is important. However, there is no evaluation method which can accurately evaluate the local bone mineral density and bone microstructure around the screw. The evaluation can help to decide whether an augmentation should be done. In previous research, we found that the ultrasonic backscattering signal contains abundant information of cancellous bone microstructure. The signal parameters associated with bone density and bone microstructure. The measurement precision affected by ultrasonic backscattering signal amplitude, resolution, etc. This is a further research to use ultrasonic backscatter signal to image thes crew path and to establish a detection method of bone density and bone microstructure. Combined with the biomechanics evaluation of holding power of the screw, we wish to provide a quantitative standard for intra-operative judgment of screw augmentation. The subject will broaden the application of ultrasound. An ultrasonic evaluation device will be developed to guide the operation. This device will improve the clinical treatment and reduce the complication rate.

骨质疏松条件下椎弓根螺钉的稳定性是内固定手术成功的关键，评估钉道周围骨强度是判断钉道强化是否必要的先决条件，现有评估方法多通过测量椎体骨密度反映钉道骨强度，忽略了另一决定骨强度的重要因素骨微结构，评估方法不准确，是此类手术中亟待解决的重要问题。超声背散射信号带有丰富的骨微结构信息，其信号参数与骨密度和骨微结构具有较高的相关性，测量精度受到超声背散射信号幅值、分辨率等影响。申请人前期研究已发现满足透射深度和测量精度需求的超声背散射信号频段，本课题拟在此基础上进一步研究基于超声背散射信号参数量化评估钉道周围骨强度的方法，并与生物力学钉道把持力研究相结合，建立骨质疏松条件下钉道强化的量化标准，为是否采取钉道强化提供理论依据。并有望研发一种术中进入预建立钉道内部的超声装置，评估钉道对螺钉的把持力，为术中判断钉道强化的必要性提供指导，提高螺钉置入的安全性和准确性，具有重要的临床意义。

椎弓根螺钉的准确性和稳定性是内固定手术成功的关键，评估钉道准确性和完整性，以及钉道的质量是此类手术中亟待解决的重要问题，传统方法多存在电离辐射，且设备体积大、成本高。本课题使用超声透射法和超声背散射法对不同频率，不同骨质密度的椎体松质骨的超声传导参数和穿透深度进行了研究，对比了超声信号在椎体内纵向和横向传播的衰减，并对使用超声进行椎体内松质骨距离的准确性进行了研究，探索了利用背散射信号进行椎体超声测量、成像的可行性。应用文献计量学和可视化分析法明确超声在脊柱外科应用的研究现状和研究趋势，了解利用超声进行骨质质量研究的可行性和研究方法。进行了超声容积导航技术引导腰椎经皮后外侧入路完全内镜下微创手术椎间孔穿刺的研究。该课题率先开展了脊柱椎体松质骨中的超声信号研究，较为全面的研究了不同频率的超声应用于脊柱钉道探测、成像的可能性，为超声在脊柱骨密度测量及椎体成像方面的积累了实验数据、图像和初步研究结论，为实现基于超声的脊柱导航、钉道评估系统的建立提供了理论基础，拓宽了超声在骨科的应用领域，对于减少射线辐射，降低设备成本开拓了新的思路。