立体定向技术发展趋势

脑立体定向技术发展和趋势

安徽省立医院神经外科安徽省立体定向神经外科研究所

汪业汉开展立体定向和功能性神经外科工作是Horsley和Clarke(1908年)，真正用于临床是1947年Spiegel和Wycis。随CT、MRI、DSA、PET等影像发展，特别是与计算机结合，衍生出立体定向放射外科。1986年Robert又创造了无框架立体定向系统——又称神经外科导航系统。目前又出现功能性磁共振(fMRI),术中磁共振(iMRI),术中CT(iCT)与神经外科导航技术，极大地丰富了神经外科技术手段。

到了21世纪,神经外科进展不再是单纯停留在切除病灶，还要考虑到脑功能缺失的改善和修复。21世纪传统神经外科将是立体定向和功能性神经外科微创时代。

21世纪立体定向和功能性神经外科发展方向是什么呢？

一、有框架定向仪走入无框架立体定向导航系统15世纪末，LeonandodaVinci就提出了立体定向术的构思；

1873年Dittmen介绍了立体定向术原理和动物实验；1889年Zernov制造了极坐标形式定向仪；

1906年～1908年Clarke＆Horsley设计出三维坐标定向系统。

1947年Spiegel＆Wycis报道了立体定向技术临床应用，并取得了成功。1979年Brown又提出了定向仪与CT相匹配，不久定向仪与MRI、DSA、PET结合相继有了报道；1986年Robert介绍了无框架立体定向导航系统。

目前神经外科导航系统发展很快，已经有多种类型，如声波数字化仪、遥感关节臂、光学数字化仪、电磁数字化仪。

随着无框架导航系统临床应用，发现术中脑脊液丢失，病灶组织切除以及脑肿胀等因素可产生目标移位。因而，又出现了术中实时扫描影像导航手术或功能性影像导航手术(iMRIfMRIiCT导航技术，来弥补术中目标移位)。

目前Neuro-navigation，，不论Brain－LAB神经外外科导导航系系统，，stryker导航系系统、、stealthstationtreon导航系系统，，均具具有一一定智智能功功能，，神经经外科科手术术计划划系统统，Talairach和schatenbrand图谱，，大脑脑功能能多种种图像像融合合功能能和有有框架架立体体定向向手术术计划划系统统，可可在颅颅内作作任意意导航航。无框架架立体体定向向技术术（（神神经外外科导导航系系统）），，他已已走出出神经经外科科向其其他学学科渗渗透，，目前前已有有了五五官科科导航航系统统，脊脊柱外外科导导航系系统，，不久久将扩扩大到到全身身各个个部位位和器器官,应用用这种种技术术方法法定位位和治治疗。。骨科手手术导导航系系统耳鼻喉喉科——头颈颈外科科手术术影像像导航航系统统二、虚虚拟现现实技技术（（VR））在立体体定向向神经经外科科中应应用虚拟的的意思思是“事实上不不存在的的，但在在效果上上和功能能上是与与其存在在物体相相同的”;现实是指指客观存存在的环环境或物物体。虚拟现实实技术不不仅仅是是计算机机技术，，也可能能包含多多项其他他领域的的技术，，通过模模拟技术术实现人人的各种种感官，，如同在在实际环环境中相相同或类类似的感感觉。这这项技术术称为虚虚拟现实实技术（（VirtualRealityVR））。在医学中中，虚拟拟现实最最主要的的当然就就是虚拟拟人体。。所谓虚虚拟人体体就是要要利用各各种技术术手段来来重现一一个人的的各个系系统和脏脏器。主主要的是是形态和和功能再再现。目前虚拟拟现实技技术分为为三种：：①简单单型VR（simplifiedVR）。②②加强型VR（AugmentedVR））。③智能型VR（ImmersiveVR））。VR技术的基基础——计算机融融合技术术和导航航技术。。“融合”是计算机机将CT、MRI、、DSA等图像配配准融合合为一体体，还可可将立体体定向显显微镜，，轨迹监监视等得得以一个个计算机机图像。。“导航”是手术之之前把带带有标记记物，标标定在病病人的CT或MRI图像上，，并输入入到计算算机工作作站，根根据这些些资料进进行多维维重建，，手术时时进行配配准，使使术前扫扫描图像像和手术术实时相相结合并并融为一一体，根根据导航航系统进进行手术术。具体来说说：就是利用用计算机机对大量量数据信信息的高高速处理理和控制制能力，，对CT、MRI等图信息息进行多多维重建建，为外外科医师师提供给给手术时时了解病病变部位位、手术术径路和和肿瘤切切除范围围等进行行手术模模拟、手手术导航航、手术术定位、、制定手手术计划划，使手手术方案案客观、、准确、、直观在在显示屏屏上实时时显象。。VR技术的核核心：通过头带带式显示示屏（headmounteddisplais,HMDS）的设备，，触觉反反馈感，，使人产产生视、、听、触触模拟的的感觉，，在计算算机工作作站中形形成动态态化，虚虚拟的内内环境。。医师在虚虚拟环境境中，通通过提供供给医师师的立体体图象装装置，把把医师带带到一个个可视、、听、触触虚拟的的病灶（（如肿瘤瘤）空间间去，从从各个方方向检查查肿瘤，，模拟手手术过程程，达到到最小损损伤组织织的真正正“微创”境地一种种预先演演习。目前虚拟拟现实技技术在神神经外科科手术中中的应用用，还存存在很多多缺点：①被模拟拟的对象象均为静静止的，，不能模模拟脑搏搏动，血血管搏动动，脑脊脊液流动动。②不不能再生生组织和和生物化化学特性性；不同同组织之之间的界界面，组组织的质质感、光光泽和纹纹理，组组织的弹弹性，牵牵拉变形形达不到到；切断断血管后后无搏动动性血液液流出等等。③部部分虚拟拟现实系系统虽然然增加了了感觉反反馈系统统，但操操作不灵灵敏。④④图象的的组织分分辨力有有待改善善。⑤人人工智能能的应用用不够广广泛。我们正期待待着，VR技术将进入入到真正的的实时时代代（reallyrealinthecomingyeas）），把形态和功能能两方面结合合起来，成为为更加逼真的的虚拟人，对对医学研究，，诊断和治疗疗作出更大贡贡献。三、机器人辅辅助神经外科科手术医用机器人系系统由辅助规规划导航系统统和辅助操作作子系统组成成。医生在外科手手术前就可以以得到三方面面的了解,即即对病人手术术部位及邻近近区域的解剖剖结构有一个个明确的认识识，可进行手手术规划，手手术路径设想想等;进行手手术的仿真操操作;了解手手术器械在病病变组织中位位置和周边的的组织信息。。最早的机器人人只是一个简简单的机械臂臂，它只能在在手术者的操操纵下完成极极其有限的工工作，无法自自行去完成一一个完整的手手术。随着影影像技术的发发展，一些特特别设计的计计算机软件能能够将图像重重建，并且将将机器人与计计算机工作站站相连，由机机器人去完成成计算机工作作站预先设计计好的手术程程序。随着无框架立立体定向技术术的出现，神神经外科导航航系统与机器器人相结合。。德国的西门门子公司和美美国的ISS公司等分别研研制出不同类类型的机器人人系统－（RAMS）。。通过机器人的的机械臂，将将特定的神经经外科手术器器械，如神经经内镜、活检检针、激光器器、电凝器等等送到手术区区。机器人还能使使用环钻锯开开颅骨，在手手术过程中，，手术者无须须亲自操作，，并且可以通通过计算机工工作站的显示示屏观察手术术器械到达的的位置，及时时调整，做到到微侵袭切除除肿瘤或活检检。目前,美国科科学家还设计计一种机器人人，利用探针针感受压力的的功能，当它它碰到血管的的时候会自动动感受压力变变化并及时反反馈给计算机机，从而使手手术者能及时时调整手术方方案，减少了了出血的并发发症。这种探探针肿瘤与正正常脑组织的的质地不同，，辨别出肿瘤瘤的边界，以以利于手术中中全切除肿瘤瘤。他们还设计出出的一些机器器人能够正确确地缝合大鼠鼠的颈动脉。。但是，这些些研究成果尚尚未用于临床床，另外报道道的一些机器器人尚能在手手术时将可携携式微型摄像像机,送到脑脑内以观察颅颅内病变情况况,机器人开开始应用于神神经外科。我国田增民等等，曾用机器器人辅助手术术。进行了如如颅内病灶的的活检、脑室室内病灶的手手术、脑内小小病灶的切除除。机器人协协助神经外科科手术，它对对于一些大的的病灶及出血血较多的病灶灶尚无法应用用。四．立体定向向放射外科——新方法立体定向放射射外科（StereotacticRadiosurgery.SRS）是指应用立体体定向技术将将大剂量高能能射线精确地地（一次或分分次）汇聚于于某一局限性性的靶点组织织，使靶点受受到不可逆毁毁损。它既不不同于常规外外科手术，也也不同于常见见的放疗与间间质放疗—即伽玛刀,X刀。目前立体定向向放射外科使使用放射源主主要有三种：：①放射线核核素释放的α、β、γ射线（光子线线）。②X线机和各种加加速器产生不不同能量的光光子线。③各各种加速器产产生的电子束束、质子束、、中子束、负负π介子等。伽玛玛刀是钴60为放射源；X刀是直线加速速器为放射源源；质子刀是带电电粒子为放射射源，质子束束放射又优于于X刀或伽玛刀。。近年来立体定定向间质内放放疗(intersti-tialirradiation）又受到临床各各界关注，其其方法--放射微微粒治疗计划划系统。粒子子植入方式有有模板种植、CT导向下种植、、术中种植,均能收到满满意效果光子放射治疗疗仪（photonRadioSurgerySystem.PRS）他是是应应用用微微型型X射线线治治疗疗装装置置――――PRS400，，利用用立立体体定定向向仪仪精精确确定定位位，，安安装装在在立立体体定定向向仪仪上上，，通通过过立立体体定定位位计计算算，，将将探探针针直直接接插插入入肿肿瘤瘤中中心心靶靶点点。。因因为为PRS体积积小小，，便便于于携携带带，，可可在在手手术术室室内内进进行行，，成成为为外外科科手手术术治治疗疗的的一一部部分分。。Cyberknife———机器器人人立立体体定定向向放放射射外外科科治治疗疗系系统统是一一个个全全新新的的立立体体定定向向放放射射外外科科体体系系,它它结结构构简简单单，，轻轻便便的的直直线线加加速速器器安安装装在在机机器器人人的的机机械械臂臂上上，，可可以以灵灵活活地地做做任任意意方方向向的的旋旋转转。。采采用用计计算算机机立立体体定定位位导导向向，，自自动动跟跟踪踪靶靶区区，，无无需需使使用用定定向向仪仪框框架架和和体体架架。。，，他他提提供供多多种种治治疗疗选选择择——正向治疗计划划或逆向治疗疗计划，它无无需中心投射射，可分期分分次治疗,使使病人放射剂剂量和病变部部位达到最大大的均匀分布布和适形性。。目前世界上有有少数医院使使用质子治疗疗系统(30),中国山东万万杰医院巳安安装完毕,临临床开始治疗疗病人,费用用较高。目前立体定向向神经外科是是什么状态?(1)调强适形放疗疗时代(IMRT)20世纪90年代,就开始应用调调强适形放射射治疗（IMRT和3D-CRT）,它是放射治疗疗的先进技术术，它以直线线加速器为放放射源，由立立体定位摆位位框架、三维维治疗计划系系统，电动多多叶准直器（（DMLC）等部分组组成，调强强适形放射射治疗是射射野形状和和肿瘤的形形状一致，，大大降低低了肿瘤周周围正常组组织的受照照剂量，提提高了治疗疗增益比。。(2)图像引导放放疗(IGRT)调强适形放放疗技术的的最新进展展是影像引引导的放射射治疗，称称为四维放放射治疗(4D-IGRT)。如果果用分子生生物影像引引导又称五五维(5D-1GRT)，目前临床已已经开始多多种图像引引导放疗:解剖影像引引导放疗（（CT,MRI）病理影像引引导放疗功能影像引引导（PET/CT）分子影像引引导放疗乏氧影像引引导放疗RTPlanningBasedonBioloicalImaging-BIMRTGTVPTVClassicalAnatomicalOrPhysicalPlanning,

IMRTWholeorganirradiationrequiredDosehomogeneitypreferredWholeorganRTnotberequiredDoseinhomogeneitypreferred靶区勾画的的发展FromPhysicaltoBiologicalTRT多学科结合合勾画靶区区是放射治疗疗发展主要要方向Dosepainting影像像引引导导放放疗疗从从过过去去X-ray进入入CT、MRI,目前又又进进入入到到PET/CT阶段段，，以以后后再再进进入入分分子子生生物物影像像引引导导放放疗疗。。为为了了达达到到精精确确定定位位、、精精确确计计划划、、精确确治治疗疗,这样样投投入入大大量量的的新新设设备备和和掌掌握握知知识识的的人才才。。在机机MRI技技术术:MRI集集成成到到加加速速器器上上(原机机Philips1.5TMR和和Elekta6MV加加速速器器构构成成)MedicalImagingInnovation&ImageGuidedRTX-Ray18951958 1972 1980199520002001 2020

U/S

CT

MR

PETDigitalXRCT/PET

NM

MolecularImagingXMR,XU/SOpticalImaging3DU/SMR/PETVCTFreeelectron

3DXRRadiologyhasbeendrivingdevelopmentsinRadiationOncologyMorphology---Function---Cells---Genes/ProteinsNuclearMedicineisplayingincreasingroleInRadiationOncology准确的的射线线投照照PTVMarginReductionPrecisebutnotaccuratePrecisebutnotaccurate精确优优化物物理剂剂量分分布IMRTPreciseandaccurate准确控控制剂剂量分分布位位置IGRT我们都都知道道当前前放射射外科科治疗疗都是是利用用高剂量量辐射射，对组组织细细胞毁毁损和和抑制制作用用，用用来治治疗各各种性性质肿肿瘤和和功能能性疾疾病。。低剂量量辐射射能否对对人体体组织织细胞胞起“兴奋效效应”，这是是目前前科学学工作作感兴兴趣的的课题题，正正在做做大量量探索索性工工作。。如果一定定的低剂剂量辐射射，照射射特定的的组织，，激活靶靶组织细细胞，达达到治疗疗疾病的的目的，，这样会会把立体体定向放放射外科科治疗临临床应用用推向新新的高峰峰。五、计算算机网络络与立体体定向神神经外科科计算机网网络工程程，它是是通过电电话线、、光缆、、卫星通通讯等不不同设备备，将计计算机系系统之间间进行连连接和分分享信息息。计算算机网络络将逐渐渐取代如如今应用用的计算算机外部部硬盘，，借助互互联网、、局部网网、影像像数据和和计算机机软件，，得到广广泛、安安全地应应用，从从而打破破地域界界限，更更好地为为立体定定向神经经外科服服务。通通过远距距离传输输和实时时视觉（（VR）技术的发发展，促促进远程程医疗的的发展。。六、修复复神经外外科——21世纪纪神经外外科研究究重点尽管显微神经经外科、神经经放射外科、、神经内镜、、介入神经外外科出现与发发展，化疗和和放疗技术的的不断提高，，对病人生存存率，生活质质量没有明显显改善。每日日仍有大量地地颅内肿瘤、、创伤、脑血血管疾病，中中毒、帕金森森病、Alzheimer病等引起组组织结构缺缺损，重要要功能的丧丧失，使医医生们仍束束手无策。。修复神经外外科立体定向神神经外科来来完成（1）、精神外外科过去、、现在与将将来1、精神外科科修复神经外外科（2）、1935年Folton和Jacobksen首先先进进行行两两侧侧前前连连切断断术术的的动动物物实实验验1935年EgasMoniz受到到启启发发，，与与神神经经外外医医生生Lima进行行第第一一例例手手术术———双侧侧前前额额叶叶脑脑白白质质切切断断术术来来治疗严重重精神病病，从而开创创了真正正的精神神外科。（3)1947年Wycis和Spiegel应用立体体定向技技术破坏丘脑背背内侧核治治疗严重的的精神疾患患，随后治治疗部位向向扣带回、、尾状核下下束、内囊囊前肢等部部位扩展，，直到目前前这些部位位仍是立体体定向技术术治疗难治治性精神病病的主要靶靶点。（4）神经调控术术精精神外外科（Neuromodulation）深部脑电刺刺激术（DBS）——精神外科在脑深部电电刺激（deepbrainstimulation,DBS）技术被被广泛应应用于运运动障碍碍性疾病病的治疗疗基础上上，并开开始试用用于其他他神经精精神疾病病的治疗疗。目前前，直接接对神经经元进行行电刺激激的一种种治疗方方法，起起神经调调控（neuromodulation）作用。DBS已试用于神经经精神疾病的的治疗有癫痫痫、慢性疼痛痛、丛集性头头痛、颅脑损损伤、永久性性植物状态以以及强迫症（（obsessivecompulsivedisorder,OCD）和抑郁症等等。DBS确切的作用机机制尚未明了了，DBS治疗中常采用用高频电刺激激（highfrequencystimulation,HFS），即频率为为100Hz或高于100Hz，抑制神经元元的活动，减减少了来自刺刺激部位的输输出目前尝试的DBS靶点主要包括括内囊前肢、、伏核和腹侧侧尾状核和扣扣带回膝下部部等。正电子发射断断层扫描（positronemissiontomography,PET）检测发现患患者眶额皮质质区葡萄糖代代谢率显著下下降，推测DBS降低眶额皮质质代谢活动从从而发挥治疗疗作用。也可可能与边缘系系统－运动系系统网络的存存在有关，这这一发现提示示伏核DBS可能成为治疗疗情绪障碍的的一种有效手手段。小脑刺激术精神外科早在20世纪70年代Cooper首先应用该技技术治疗脑性性瘫痪、精神神病和癫痫。。Dario采用小脑刺激激技术治疗各各类精神病，，经过长期随随访和医学心心理测验，没没有发现行为为和心理障碍碍现象。该手术适应于于严重抑郁症症，焦虑、偏偏执狂和攻击击行为。国内内已有采用国国产部分植入入性小脑刺激激器治疗癫痫痫的报告，对对精神疾病外外科治疗临床床尚未应用。。迷走神经刺激激术（VNS）精精神外科科临床应应用迷迷走神神经刺刺激(VagalNerveStimulation,VNS)治疗癫癫痫开开始于于1938年,由Bailey和Bremuer’s倡导,1988年Penry和Dean第一次次报道道用于于顽固固性癫癫痫患患者,并取得得满意意效果果。此此方法法是一一种新新的、、非药药物性性治疗疗癫痫痫,安全、、易于于耐受受,能缓解解复杂杂性部部分性性癫痫痫发作作。在在国内内已开开展了了此项项工作作。VNS抗精神神病作作用机机理——VNS是调节节情绪绪而应应用于于临床床,来治治疗疗抑抑郁郁症症和和强强迫迫症症。。Rush等(2000)报道道30例抑抑郁郁症症,VNS后50%对焦焦虑虑不不安安得得到到改改善善,70%精神神激激动动好好转转。。George等(2003),应用用VNS治疗疗10例OCD，随随访访10周,用Hamilton量表表评评分分，，下下降降23%。VNS治疗疗精精神神疾疾病病,在我我国国还还未未开开展展。。（1）采用用深深部部脑脑刺刺激激法法（DBS)约70％的的感感受受伤伤害害性性疼疼痛痛患患者者和和50％的的神神经经性性传传导导阻阻滞滞性性疼疼痛痛患患者者可可获获得得缓缓解解。。并发症约约有20%发生率，，主要有有电极断断裂、电电极故障障、感染染、出血血、轻偏偏瘫、癫癫痫、导导水管阻阻塞、眼眼肌运动动障碍。。其中4％患者的的并发症症是永久久性的，，严重并并发症或或死亡率率小于1％。对于于采用其其他方法法治疗无无效的慢慢性疼痛痛者，深深部脑刺刺激术无无疑是一一种有价价值的手手段。2、疼痛痛修修复神经经外科治治疗（2）脊髓刺刺激治疗疗疼痛（3）运动皮层层刺激治疗疼疼痛痛随着科技技发展，，目前癫癫痫各种种手术方方式（如如大脑半半球切除术、、颞叶切切除术、、前额叶叶切除术术、多处处软脑膜膜下横切切术等大大骨瓣、、大切口口、多处处创伤）），肯定不符符合微侵侵袭理念念和生理理解剖入入路。改变上述述理念，，能达到到解剖生生理入路路治疗癫癫痫——唯有立体体定向技技术。3癫痫修复神经经外科治治疗(1)关于癫痫痫的定义义,目前尚无无统一的的看法。。癫痫是不不是一个个独立的的疾病?大多数学学者认为为癫痫是是一个临临床综合合征，其其特征为为大脑神神经元异异放电所所致的突突然、反反复和短短暂的中中枢神经经系统功功能失调调，表现现为运动动、感觉觉、意识识、植物物神经、、精神等等不同障障碍或兼兼而有之之。(2)判定是否否为癫痫痫和位置置是关键键除了临床床症状体体征外诊断的方方法有脑脑电图（（EEG，V-EEG）,脑磁图（MEG）单光子发射射断层扫扫描成像像（SPECT）、正电子子发射断层扫描（PET）、CT、MRI、fMRI和MRS（质子磁共振频谱分分析）以及及经颅电/磁激发皮层层成像(TES/TMS)等。但是，EEG是癫痫诊断断与分类上上的主要手手段，具有较高的的临床应用用价值，特特别是V-EEG偶极子定位位。随着科技发发展,还有许多影影像新技术术正在研究究中，今后后临床癫痫痫诊断和治治疗将有新新的突破。。经颅磁刺激激(transcranialmagneticstimulation,TMS)---治疗疗癫痫利用一定强强度的时变变磁场在生生物体内诱诱发感应电电流，此电电流刺激来来调节大脑脑皮质网络络的兴奋性性，用来抑抑制癫痫。。低频rTMS参数：0.3~0.5Hz，每天两次次，每次15分钟，500~600个脉冲阈刺刺激，可减减少癫痫发发作50%以上。(高频可诱发发癫痫)脑内慢性电电刺激---治疗疗癫痫（DBS，VNS，……）(3)癫痫外科治治疗未来趋趋势1).脑内慢性电电刺激（DBS，VNS，TMS……）。2).脑组织移植植术及神经经干细胞治治疗。3).致病灶形态态学和功能能性定位方方法改进（（fMRI,MRS,SPECT,PET,MEG,EEG……）。4).立体定向放放射外科治治疗癫痫（（高剂量、、低剂量、、Gene-SAS,ch-SRS）。5).大脑可塑性性开展研究究进行系列列基础和临临床研究，，使手术方式以以最小损损伤，达到到最好疗效效，特别手手术时时间窗。4、戒毒已已进入全全国十一五五计划另一讲---阐述述5、帕金森病病（震颤、、僵直直、运动动减少）神神经经修复术（1）Vim-DBSGpi-DBSSTN-DBSPD-DBS治疗疗示意图（2）脑组织移移植和基因因治疗自1979年Perlow等报告多巴巴胺(DA)类神经元植植入黑质损损伤的大鼠鼠脑内纠正正运动异常常，首先证证明脑移植植物的功能能，1985年Backlund报道了2例例自身肾上上腺髓质植植入尾状核核头部帕金金森病(PD)患者症状缓缓解，使全全世界看到到脑组织移移植的光明明前途。国内在1986年年6月北京宣武医医院首次开开展此项工工作。由于于脑内移植植存在很多多悬而未决决的问题，，同时还存存在着很多多争论，加加上移植效效果差，还还有一定并并发症，到到1991年以后逐逐渐被冷落落。基因工程技技术的发展展为脑组织织移植提供供了广阔的的发展前景景。但是，，理想的基基因转移方方法应具备备安全性、、高效性、、特异性、、稳定性、、简便性、、可控性等等特点。目前用于脑脑组织移植植的基因转转移方法大大体分为病病毒介导和和非病毒介介导两大类类。在移植植方式上应应该使用微微移植（microtransplantation,Mit）技术。一种以组织织移植为主主要手段，，进行外科科手术，促促进组织形形态修复和和功能重建建一门新学学科，成为为人们追求求方向－－－首推干细细胞胚胎干细胞胞（ESC）神经干细胞胞（NSC）骨髓基质干干细胞（BMSC）目前将干细细胞移植入入受损部位位以替代受受损细胞和和组织，或或者诱导自自体NCS活化，用