【背景】目前老年人脊柱退变性疾病呈明显增多趋势,而脊柱后路的椎弓根螺钉是治疗脊柱疾病的重要手段,其贯穿椎体的前、中、后柱结构,具有较强的把持力及生物力学稳定性。脊柱内固定手术的目的是恢复脊柱稳定性,对于我们目前常用的椎弓根螺钉技术,其周围毗邻重要的神经、血管等组织,螺钉置入过程中穿破椎弓根容易引起神经和血管损伤,造成严重的后果,因此脊柱的内固定手术需要一种能准确评价螺钉周围骨质情况的手段。而临床上判断椎弓根螺钉在位情况主要依靠X线及CT,X线虽然能穿透不同密度、厚度的组织结构,能观察各个结构相互叠加在一起的影像,但是不能观察钉道周围的骨质情况,并且重叠部位的分辨率低。CT虽然能获得脊柱的三维立体图像,对矢状位、冠状位及任意方位的断层图像重建,也能获取椎体的骨微结构,但是CT辐射剂量大,设备昂贵,扫描时间长。随着超声技术的逐步发展,超声应用于骨质结构的分析成为了热点。相对于X线及CT,超声无创伤、无痛苦、无电离辐射,对患者风险较小。超声成像是利用超声扫描人体组织,通过对反射信号的处理,呈现在显示器上的二维图象。国外的学者在椎体超声成像研究方面取得了重大进展——发现一种可以在椎弓根钉道内360度旋转探测的低频超声探头,为探测钉道的完整性提供了技术的可行性。但是相关研究多采用冻干骨和动物骨,难以准确评价人体脊柱超声成像效果,因此本课题采用新鲜的人体脊柱标本,分别对超声成像的影响因素进行相关的分析研究,使超声能辅助脊柱外科手术,有效评价钉道的完整性及钉道周围的骨质情况。【目的】分析不同因素对超声成像效果的影响,为选择合适的超声探头探测脊柱手术椎弓根螺钉钉道,提高脊柱手术安全性提供理论依据:1.超声图像质量评价:通过对新鲜标本采用不同频率的超声背散射信号成像,分析不同频率超声信号及超声不同投射方向对椎体的成像差异。2.不同频率超声探头背散射深度与精度检测:通过对新鲜标本扫描,分析不同频率超声背散射信号在椎体内的成像深度,评价不同频率的超声背散射信号在椎体内透射深度及准确性。3.骨密度与超声透射深度的关系研究:对新鲜标本骨密度检测,分析不同频率超声信号在椎体内的透射深度与椎体骨密度的关系。【方法】1.选取新鲜椎体的骨组织样本(13个)。切除椎板、横突,摆锯切开椎体,获得松质骨骨块,样本浸泡在甲醇中脱脂数天,高压喷水器冲刷松质骨孔隙中的脂肪和骨髓,真空干燥器去除椎体松质骨中的空气,排除气泡。2.在水槽装满常温的水,将标本放入水槽,搅动标本,尽可能排除气泡,让水充分填满松质骨的骨小梁之间,水作为耦合剂。3.目前临床常用的医用探头频率为2-10MHz,根据预实验结果选择了低频-中频的三组频率2.5MHz、3.5MHz、5.0MHz,分别将2.5MHz、3.5MHz、5.0MHz的探头依次测量椎体标本的图像,每个椎体分轴向侧、前后侧两个方向进行超声成像,每个方向扫描三次,并将图像的进行评分(评分标准参照超声图像的质量评价:以能看到皮质骨反射为准,能看到皮质骨背散射信号的即为≥6分,背散射信号经过松质骨衰减消失即为<6分)。4.将三个频率的探头(2.5MHz、3.5MHz、5.0MHz)扫描的图像采用超声测量透射深度(椎体表面到超声信号有皮质骨反射的距离,或椎体表面到超声信号衰减消失的距离),每组测量三次。5.对椎体样本进行进行MicroCT扫描分析实验过程技术路线:处理标本、甲醇中脱脂→在真空干燥器和真空泵的连接→椎体标本骨组织在真空干燥器内去除空气→B型超声和凸探头的连接→去除空气的椎体骨组织放入水槽中→以水作为耦合剂,在水中扫描椎体骨组织→超声信号经过反射、折射、散射后为换能器接收→超声背散射信号在B型超声上显像→椎体样本进行MicroCT扫描分析→图像及数据整理、分析【结果】1.经SPSS软件对数据进行统计学分析,发现2.5MHz频率轴向测得图像分值为7.192±2.2411,前后向测得图像分值为4.136±0.5519;3.5MHz频率轴向测得图像分值为6.538±2.0962,前后向测得图像分值为3.500±0.5000;5MHz频率轴向测得图像分值为5.846±2.2116,前后向测得图像分值为2.409±0.7355;并对不同方向分值进行方差分析,发现轴向和前后向显像评分差异明显(P<0.05),轴向优于前后向的成像效果。2.5MHz频率测得图像分值为5.659±0.335,3.5MHz频率测得图像分值为5.013±0.335,5.0MHz频率测得图像分值为4.138±0.335,并将三组图像数据进行方差分析发现2.5MHz频率与3.5MHz频率、3.5MHz频率与5.0MHz频率图像差异不大(P>0.05);而2.5MHz频率与5.0MHz频率差异较大(P<0.05),说明在显像效果明显较2.5MHz频率组差。我们对2.5MH频率、3.5MHz、5.0MHz三组频率的不同方向进行析因分析,发现不同频率、不同方向的显像评分差异明显(P<0.05)。通过图像评分,发现在2.5MHz频率的图像评分,≥9分图像有6个,≥8分图像有7个(8-9分图像1个),≥7分图像有7个(7-8分图像0个),≥6分图像有7个(6-7分图像0个),<6分图像有17个,也就是说在2.5MHz频率能观察到皮质骨背散射信号的显像效果均≥8分。在3.5MHz频率的图像评分,≥9分图像有2个,≥8分图像有6个(8-9分图像4个),≥7分图像有7个(7-8分图像1个),≥6分图像有7个(6-7分图像0个),<6分图像有17个。在5MHz频率的图像评分,≥9分图像有0个,≥8分图像有5个(8-9分图像5个),≥7分图像有7个(7-8分图像2个),≥6分图像有7个(6-7分图像0个),<6分图像有17个。2.样本按超声显像效果即评分≥6分,也就是在超声背散射信号能透射到椎体皮质骨的样本进行统计学分析:对不同频率的超声背散射信号在椎体内的透视深度(椎体表面到超声信号有皮质骨反射的距离)与实际标本厚度进行比较,分别对三个频率(2.5MHz、3.5MHz、5.0MHz)中同一频率的2组数据进行组内相关系数分析,观察超声所测的数据与标本实际厚度两组数据是否一致(通常情况下,ICC值大于0.75则说明一致性高,0.40~0.75之间为一致性较好,0.4以下说明一致性差),在2.5MHz频率通过超声成像所测的距离与实际游标卡尺的距离无统计学意义(P>0.05),在3.5MHz频率通过超声成像所测的距离与实际游标卡尺的额距离有统计学意义(P<0.05),在5MHz频率通过超声成像所测的距离与实际游标卡尺的额距离有统计学意义(P<0.05),并对三个频率的的7组数据进行组内相关系数分析,观察两组数据的一致性。3.样本按超声显像效果即评分小于6分,也就是在超声背散射信号衰减消失,能透射到椎体松质骨最大深度与椎体MircoCT扫描密度进行统计学分析:对不同频率的超声背散射信号在椎体内的透视深度(椎体表面到超声信号衰减消失的距离)与椎体密度进行相关性分析,发现2.5MH、3.5MHz、5.0MHz频率的样本前后透射深度与标本骨密度为负相关(P<0.05),2.5MH、3.5MHz、5.0MHz频率的样本轴向透射深度与标本骨密度为负相关(P<0.05)。【结论】1.基于我们的实验,我们发现不同方向显像效果有明显的差异,轴向的成像效果明显较前后向成像效果好。在2.5MHz频率成像效果明显优于5MHz频率成像效果,而2.5MHz频率与3.5MHz频率、3.5MHz频率与5MHz频率的成像效果无明显差别。频率接近的超声背散射信号在椎体透射成像的显像结果差别不明显。通过统计学的析因分析,发现不同方向和不同的频率成像效果明显差异,2.5MHz的轴向成像效果最好。在不同频率的图像评分上,在≥9分图像的样本个数2.5MHz频率为6个,3.5MHz频率为2个,5MHz频率的为0个。在≥8分图像的样本个数2.5MHz频率为7个,3.5MHz频率为6个,5MHz频率的为5个。通过分析,我们发现在轴向的成像效果与前后成像效果存在明显差异,说明超声背散信号在不同方向的透射成像效果存在着不同,而本实验说明了超声背散射信号在2.5MHz的轴向成像效果最好。2.对三个频率(2.5MHz、3.5MHz、5.0MHz)显像效果即评分≥6分的7组样本数据进行组内相关系数分析,发现超声所测的数据与标本实际厚度两组数据一致性高。本实验中记录的穿透距离是指B型超声不同频率的探头对不同厚度的椎体样本进行超声背散射信号成像,并以能记录的皮质骨反射为超声测量距离。在实验中我们发现13个样本,有7个样本能在轴向的反射上观察到皮质骨反射,我们分别对2.5MHz、3.5MHz、5.0MHz频率的样本组采用SPSS软件进行配对样本的T检验,发现2.5MHz频率组在超声测得透射距离与实际样本的厚度无明显统计学差异,说明在椎体标本轴向厚度为3.07mm--20.53mm距离观察到的皮质骨的背散射信号距离与实际标本厚度无明显的差异,3.5MHz频率组中超声测得透射距离与实际样本的厚度有明显统计学差异,说明频率3.5MHz在椎体标本轴向厚度为3.07mm--20.53mm距离观察到的皮质骨的背散射信号与实际标本的厚度存在着明显的差异,5MHz频率组中超声测得透射距离与实际样本的厚度有明显统计学差异,说明频率5MHz在椎体标本轴向厚度为3.07mm--20.53mm距离观察到的皮质骨的背散射信号与实际标本的厚度存在着明显的差异。说明本实验证实2.5MHz频率能满足脊柱椎弓根直径的透视深度。3.本实验将显像效果评分(<6分)的超声背散射信号透射深度与MicroCT所测标本密度进行相关性的分析:(1)筛选出前后向背散射信号未穿透椎体观察到皮质骨反射信号的标本,发现在前后方向成像的11个样本背散射信号在椎体衰减消失,通过不同超声频率扫描所观察的衰减深度与骨密度采用SPSS软件进行相关性分析,发现在前后侧2.5MHz、3.5MHz、5MHz频率超声背散射信号衰减距离与骨密度呈现负相关(P<0.05),说明在椎体的前后向在超声背散射信号传导过程中,随着密度的增加,超声背散射信号衰减越快,超声探查的距离越短。(2)筛选出轴向背散射信号未穿透椎体观察到皮质骨反射信号的标本,发现在轴向6个标本背散射信号在椎体衰减消失,通过不同超声频率扫描所观察的衰减深度与骨密度采用spss软件进行相关性分析,发现在轴向2.5MHz、3.5MHz、5MHz频率超声背散射信号衰减距离与骨密度呈现负相关(P<0.05、P<0.05),说明在椎体的轴向超声背散射信号传导过程中,随着密度的增加,超声背散射信号衰减越快,超声探查的距离越短。