椎弓根螺钉(Pedicle Screw，PS)植入手术，又称椎弓根螺钉内固定手术，是脊柱后路内固定方法显著的进展。自法国人Roy-Camille在1960年研制出完整的椎弓根螺钉钢板用于治疗不稳定胸腰椎骨骨折获得良好效果以来，椎弓根螺钉内固定技术已经广泛应用于治疗脊柱骨折脱位、脊柱畸形、腰椎滑脱和脊柱不稳定等疾病。由于椎弓根螺钉内固定技术在临床上的安全性、有效性和适用性得到了不断的验证，1993年北美脊柱学会正式认可和批准了椎弓根螺钉在临床上的使用，FDA在1996年也认可了此项技术。此后，以椎弓根螺钉为基础的脊柱矫形固定系统不断被研制开发应用于临床，从而推动了脊柱外科手术的发展。椎弓根是椎体和椎板直接的桥梁，是脊柱经椎弓根后路内固定技术的必经之路。在临床手术过程中，椎弓根螺钉进钉通道的正确与否直接关系到手术的成败。椎弓根形成椎管的外侧壁及椎间孔的上、下缘，内邻脊髓、外侧是重要的器官和血管、上下有神经根跨过。硬膜囊位于椎弓根的内侧，神经根直接走向尾侧穿出相应的椎间孔。椎弓根螺钉只有从正确的途径通过椎弓根，才能避免对其他组织造成损伤。由于在整个手术过程中，临床医生无法直视椎弓根的结构，建立螺钉通道基本靠“手感法”来判断是否处于合理的范围，椎弓根的准确植入难道较大。另外椎弓根结构存在个体差异大、畸形、变异等情况，又增加了椎弓根螺钉植入的难度，所以临床上椎弓根螺钉植入的失误率普遍较高。Castro和Gertzbein报道经术后，CT证实误值发生率分别是40％和28.1％，而Weinstein报道为21％。以上数据可以看出螺钉误植已经成为影响椎弓根螺钉植入手术成功的重要原因。为改善椎弓根螺钉植入的成功率，传统的研究方向是从形态学（如:解剖学、影像学等）出发对椎弓根各种外部参数指标进行观察，包括椎弓根宽、高、轴线角度和长度等，所用的方法一般都是解剖标本测量、X片、CT断层图像，或者是三维重建后的表面测量和对照分析等。国内外学者根据临床解剖学研究结果和临床经验总结出了以下几种椎弓根螺钉植入的方法:Roy-Camille法、Weinstein法、Krag法、Mager法、Louis法、唐天驷法等等。传统的方法只是根据经验以横突关节突等脊柱后方某一解剖标志作为参照物来确定椎弓根轴心恒定植钉点。由于个体的差别，这种以参照物来进行手术容易导致手术的失败，此外，这些方法也无法得到开路器在椎弓根里行进的情况。　　 本文提出将生物阻抗测量应用到椎弓根螺钉植入手术。生物电阻抗测量(Electrical Bioimpedance Measurement)，或简称阻抗技术，是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息检测技术。生物电阻抗测量具有成本低、操作简单和功能信息丰富的特点，更为关键的是生物电阻抗技术无辐射。由于该技术的明显优势，它现在已应用到血流图、人体成分分析、阻抗成像等领域。本文创新性地将该技术应用到椎弓根螺钉植入手术中，利用生物电阻抗技术进行导航，提高该手术的成功率。首先采用生物阻抗测量法对家猪的不同生物组织进行生物阻抗的测量，以论证基于生物阻抗法的椎弓根螺钉植入导航系统在家猪的螺钉植入的可行性，其后在活体的家猪上进行实验论证。　　 本研究主要内容包括：⑴研制了一种新型的基于生物电阻抗测量的椎弓根螺钉植入手术导航系统。导航系统由两大部分组成:生物电阻抗测量仪和PC机显示界面。仪器设计以MSP430F1612微处理器为核心，外围电路则是由直接数字合成芯片AD9850和芯片AD8302等组成，并经USB将数据发送到个人电脑实时显示。⑵设计了一种新型的开路器，既作为椎弓根螺钉植入的开路器同时也是生物电阻抗测量的电极，而且其电极是集正负电极于一体，电极的两端之间采用绝缘材料进行绝缘。开路器的直径为3mm，符合椎弓根螺钉植入钉道的要求。⑶对家猪的不同生物组织进行阻抗测量，得到数据用于构建椎弓根螺钉钉道开辟的整个过程。利用统计学的方法对数据进行分析，得出开路器在椎骨与将要突破内壁时的生物阻抗值的大小关系。同样的道理，测出了椎骨与将要突破内壁时的生物阻抗值的大小关系。⑷在活体的家猪身上进行实验，记录整个电极进入所检测到的生物阻抗的幅值的变化，同时也对基于生物电阻抗法的椎弓根螺钉植入的导航系统的有效性进行了验证。　　 本研究表明：在基于生物电阻抗法椎弓根螺钉植入导航系统的研究当中完成了上述四项工作并获得了以下研究结果：①成功设计制作集正负电极于一体的椎弓根开路器，经过在活体家猪身上实验证明其连接可靠，符合生物阻抗测量的电学要求。同时该开路器符合在椎弓根骨质内进行开辟钉道的生物力学要求。②成功设计制作了具有两刺激频率的生物电阻抗测量仪，并在PC机上设计软件实时显示生物电阻抗的数据变化，将椎骨的电学特性转换为可视化数据，进而协助手术人员对椎弓根刺激情况进行判断。③在频率为50KHz和500KHz信号源下，记录家猪不同生物组织的阻抗值，记录提示是肌肉组织与椎骨组织、椎骨组织与椎孔内壁组织都存在着显著的差异(P＜0.05)。④基于生物电阻抗法的椎弓根螺钉植入导航系统在活体家猪椎弓根螺钉植入实验过程中具有良好的导航效果。