目的:高速磨钻是脊柱后路手术中不可取代的切骨动力装置,但是面临着术后神经并发症的风险。掌握安全使用高速磨钻是目前脊柱外科医生必须跨越的最具挑战性的操作技术,但学习曲线较长。在前期工作基础上,本研究拟通过标本及临床实验,在脊柱后路减压和固定手术中,采集、检析磨钻切磨过程中的声压特征,基于声压特征辨识被切磨组织类型(松质骨、皮质骨、关节突关节)并检测皮质穿透,实现风险预警,为基于声压特征的脊柱后路减压和固定手术提供实验依据。方法:1、将微型实验猪颈椎标本以俯卧位固定于操作台上,仔细解剖,暴露脊柱后方骨性结构。利用高速磨钻以垂直递进方式沿椎板-关节突间沟或椎板三角穹窿顶部切磨C3-C7椎板。首先使用5mm西瓜磨头切断椎板背侧皮质骨和松质骨,形成5mm宽的骨槽;用2mm西瓜钻头将骨槽底部(椎板腹侧皮质骨)磨穿,作为单开门手术开门侧或用作切除椎板。垂直递进即连续垂直切磨:切磨方向垂直于椎板,依次切开背侧皮质、松质、腹侧皮质直至穿透,加深骨槽深度;递进轨迹为自尾端向头端,递进步距为磨头半径,延长骨槽的长度;经连续垂直切磨,最终形成以磨头直径为宽度的纵行骨槽。2、将微型实验猪胸、腰椎标本以俯卧位固定于操作台上,暴露棘突、椎板、关节突等结构并尽量保留周围软组织。在高速磨钻辅助下,采用垂直递进方式,以八边法首先切除上一椎体的椎板(第1边)和两侧的下关节突(第2、8边,上根黄通道);然后切除下一椎体的椎板至两侧椎弓根内缘(第5边);切除下一椎体的峡部背侧皮质,将两侧上关节突基底与椎弓根的交界部铲薄、切断下根黄通道(第4、6边),至此,上关节突的骨性依托已经完全切断;最后,切断椎旁肌、肋间肌筋膜、神经根悬韧带在上关节突外侧的附着(第3、7边),完成T8-L5节段经根黄通道八边法关节突整块切除。使用高速磨钻以垂直递进方式沿双侧椎板-关节突沟纵行开槽,切断椎弓根内侧的椎板双层皮质及下关节突内侧半,在与上、下椎体交界的椎板间开横槽,切断椎板与椎弓的骨性连结,整块抬起椎板,完成T8-L5节段传统椎板切除。3、将微型实验猪颈、胸、腰椎标本以俯卧位固定于操作台上,去除周围软组织,直至暴露椎板、关节突关节、侧块、横突等进钉点骨性标志。确定C3-C7、T8-T12、L1-L5椎弓根钉入钉位置,颈椎置钉点位于上关节突侧缘与侧块交界处的内侧、尾侧1mm处;胸椎入钉位置位于上关节面、椎弓峡部和横突形成的三角形的中间;腰椎置钉点为椎弓峡部和横突的交界处。利用2mm高速磨钻自入钉位置平行于终板、以一定的内倾角建立椎弓根钉置钉导孔,颈椎内倾角为25-45°,胸椎内倾角为15°,腰椎内倾角为5-10°。以上一椎体棘突基底部中上1/3为L1-L5经椎板关节突钉入钉点,利用2mm高速磨钻自一侧入钉点依次穿过对侧椎板、关节突关节面、下一椎体椎弓根建立置钉导孔,置钉方向为向外侧倾斜40-50°,向尾侧倾斜45-60°。4、临床实验前前报送天津医科大学总医院伦理委员会,并与患者签署临床研究知情同意书。2020年2月-2020年5月,采用单纯椎板切除、单开门及双开门减压治疗颈椎管狭窄患者各2例,采用经根黄通道关节突整块切除和传统椎板切除减压治疗胸椎管狭窄患者各1例。术前所有患者均经X线、CT及MRI确诊。患者全麻后以右侧卧位固定于手术床上,手术过程如方法1-2所示。为避免磨钻穿透椎板损伤脊髓,在各手术中,均不采集皮质穿透的声压信号。5、在以上标本及临床实验中,用微型麦克风采集磨钻切磨过程中的声压信号,标本实验中麦克风以金属夹具固定于磨钻手柄侧面,临床试验中麦克风以无菌手术膜覆盖后固定于床旁输液架上,远离术野。利用时频联合分析方法,对以上声压信号进行多层小波包分解直至每一个节点只含有一种谐波成分,其频率为磨钻主轴频率整数倍。各次谐波幅度的大小可反映切磨状态,计算前几次谐波成分的幅值,作为声压特征,以分辨被切磨组织类型并检测皮质穿透。结果:1、颈椎后路减压手术中,在门轴侧,椎板松质骨幅值小于腹侧皮质骨幅值,在1-4 k Hz具有统计学差异(p<0.001),在5 k Hz没有统计学差异(p>0.05);在开门侧或椎板切除部位,椎板腹侧皮质骨的幅值明显大于皮质穿透的幅值且具有统计学差异(1-5 k Hz,p<0.001)。2、胸、腰椎后路减压手术中,椎板松质骨和皮质骨、椎板皮质骨和皮质穿透、根黄通道皮质骨和皮质穿透的谐波幅值在各个频率下具有显著差异(1-5 k Hz,p<0.001),根黄通道松质骨和皮质骨幅值在2-4 k Hz具有显著差异(2 k Hz,p<0.001;3-4 k Hz,p<0.05),在1 k Hz和5 k Hz没有差异(p>0.05)。3、椎弓根钉置入过程中,椎弓根/椎体松质骨和皮质骨幅值在所有频率下均具有显著差异(1 k Hz,2 k Hz,4 k Hz,5 k Hz,p<0.001;3 k Hz,p<0.05);皮质骨和皮质穿透幅值在所有频率下均具有显著差异(1-5 k Hz,p<0.001)。经椎板关节突钉置入手术中,松质骨和皮质骨幅值在所有频率均具有显著差异(1-4 k Hz,p<0.001;5 k Hz,p<0.05);松质骨和皮质穿透幅值、松质骨和关节突关节面幅值、皮质骨和皮质穿透幅值、皮质穿透和关节突关节面幅值在在所有频率均具有显著差异(1-5 k Hz,p<0.001);皮质骨和关节突关节面幅值在1、2、4、5 k Hz具有显著差异(p<0.001),在3 k Hz没有统计学意义(p>0.05)。4、临床筛选与验证:颈椎后路减压手术中,松质骨幅值始终小于皮质骨(1-3 k Hz,p<0.001;4 k Hz,p<0.01;5 k Hz,p>0.05);胸椎传统椎板切除手术中,在1-4 k Hz皮质骨幅值大于松质骨(p<0.001),而在5 k Hz松质骨幅值大于皮质骨(p>0.05);胸椎经根黄通道关节突整块切除手术中,松质骨幅值在1 k Hz大于腹侧皮质骨(p>0.05),在2-5 k Hz小于腹侧皮质骨(3 k Hz,p>0.05;2、4、5k Hz,p<0.001)。结论:标本实验结果及临床筛选验证证明,在脊柱后路减压和固定手术中,利用声压特征可以准确实时辨识切磨状态(松质骨、皮质骨、皮质穿透和关节突关节面),精准控制磨钻界深和方向,实现风险预警。该研究丰富了脊柱手术感知物理量,确立了声压反馈辨识磨钻切磨状态的方法,为建立基于声压特征的安全脊柱后路减压和固定手术提供实验依据。