腦立體定向技術發展和趨勢

安徽省立醫院神經外科安徽省立體定向神經外科研究所

汪業漢開展立體定向和功能性神經外科工作是Horsley和Clarke(1908年)，真正用于臨床是1947年Spiegel和Wycis。隨CT、MRI、DSA、PET等影像發展，特別是與計算機結合，衍生出立體定向放射外科。1986年Robert又創造了無框架立體定向系統——又稱神經外科導航系統。目前又出現功能性磁共振(fMRI),術中磁共振(iMRI),術中CT(iCT)與神經外科導航技術，極大地豐富了神經外科技術手段。

到了21世紀,神經外科進展不再是單純停留在切除病灶，還要考慮到腦功能缺失的改善和修復。21世紀傳統神經外科將是立體定向和功能性神經外科微創時代。

21世紀立體定向和功能性神經外科發展方向是什么呢？

一、有框架定向儀走入無框架立體定向導航系統15世紀末，LeonandodaVinci就提出了立體定向術的構思；

1873年Dittmen介紹了立體定向術原理和動物實驗；1889年Zernov制造了極坐標形式定向儀；

1906年～1908年Clarke＆Horsley設計出三維坐標定向系統。

1947年Spiegel＆Wycis報道了立體定向技術臨床應用，并取得了成功。1979年Brown又提出了定向儀與CT相匹配，不久定向儀與MRI、DSA、PET結合相繼有了報道；1986年Robert介紹了無框架立體定向導航系統。

目前神經外科導航系統發展很快，已經有多種類型，如聲波數字化儀、遙感關節臂、光學數字化儀、電磁數字化儀。

隨著無框架導航系統臨床應用，發現術中腦脊液丟失，病灶組織切除以及腦腫脹等因素可產生目標移位。因而，又出現了術中實時掃描影像導航手術或功能性影像導航手術(iMRIfMRIiCT導航技術，來彌補術中目標移位)。

目前Neuro-navigation，，不論Brain－LAB神經外外科導導航系系統，，stryker導航系系統、、stealthstationtreon導航系系統，，均具具有一一定智智能功功能，，神經經外科科手術術計劃劃系統統，Talairach和schatenbrand圖譜，，大腦腦功能能多種種圖像像融合合功能能和有有框架架立體體定向向手術術計劃劃系統統，可可在顱顱內作作任意意導航航。無框架架立體體定向向技術術（（神神經外外科導導航系系統）），，他已已走出出神經經外科科向其其他學學科滲滲透，，目前前已有有了五五官科科導航航系統統，脊脊柱外外科導導航系系統，，不久久將擴擴大到到全身身各個個部位位和器器官,應用用這種種技術術方法法定位位和治治療。。骨科手手術導導航系系統耳鼻喉喉科——頭頸頸外科科手術術影像像導航航系統統二、虛虛擬現現實技技術（（VR））在立體體定向向神經經外科科中應應用虛擬的的意思思是“事實上不不存在的的，但在在效果上上和功能能上是與與其存在在物體相相同的”;現實是指指客觀存存在的環環境或物物體。虛擬現實實技術不不僅僅是是計算機機技術，，也可能能包含多多項其他他領域的的技術，，通過模模擬技術術實現人人的各種種感官，，如同在在實際環環境中相相同或類類似的感感覺。這這項技術術稱為虛虛擬現實實技術（（VirtualRealityVR））。在醫學中中，虛擬擬現實最最主要的的當然就就是虛擬擬人體。。所謂虛虛擬人體體就是要要利用各各種技術術手段來來重現一一個人的的各個系系統和臟臟器。主主要的是是形態和和功能再再現。目前虛擬擬現實技技術分為為三種：：①簡單單型VR（simplifiedVR）。②②加強型VR（AugmentedVR））。③智能型VR（ImmersiveVR））。VR技術的基基礎——計算機融融合技術術和導航航技術。。“融合”是計算機機將CT、MRI、、DSA等圖像配配準融合合為一體體，還可可將立體體定向顯顯微鏡，，軌跡監監視等得得以一個個計算機機圖像。。“導航”是手術之之前把帶帶有標記記物，標標定在病病人的CT或MRI圖像上，，并輸入入到計算算機工作作站，根根據這些些資料進進行多維維重建，，手術時時進行配配準，使使術前掃掃描圖像像和手術術實時相相結合并并融為一一體，根根據導航航系統進進行手術術。具體來說說：就是利用用計算機機對大量量數據信信息的高高速處理理和控制制能力，，對CT、MRI等圖信息息進行多多維重建建，為外外科醫師師提供給給手術時時了解病病變部位位、手術術徑路和和腫瘤切切除范圍圍等進行行手術模模擬、手手術導航航、手術術定位、、制定手手術計劃劃，使手手術方案案客觀、、準確、、直觀在在顯示屏屏上實時時顯象。。VR技術的核核心：通過頭帶帶式顯示示屏（headmounteddisplais,HMDS）的設備，，觸覺反反饋感，，使人產產生視、、聽、觸觸模擬的的感覺，，在計算算機工作作站中形形成動態態化，虛虛擬的內內環境。。醫師在虛虛擬環境境中，通通過提供供給醫師師的立體體圖象裝裝置，把把醫師帶帶到一個個可視、、聽、觸觸虛擬的的病灶（（如腫瘤瘤）空間間去，從從各個方方向檢查查腫瘤，，模擬手手術過程程，達到到最小損損傷組織織的真正正“微創”境地一種種預先演演習。目前虛擬擬現實技技術在神神經外科科手術中中的應用用，還存存在很多多缺點：①被模擬擬的對象象均為靜靜止的，，不能模模擬腦搏搏動，血血管搏動動，腦脊脊液流動動。②不不能再生生組織和和生物化化學特性性；不同同組織之之間的界界面，組組織的質質感、光光澤和紋紋理，組組織的彈彈性，牽牽拉變形形達不到到；切斷斷血管后后無搏動動性血液液流出等等。③部部分虛擬擬現實系系統雖然然增加了了感覺反反饋系統統，但操操作不靈靈敏。④④圖象的的組織分分辨力有有待改善善。⑤人人工智能能的應用用不夠廣廣泛。我們正期待待著，VR技術將進入入到真正的的實時時代代（reallyrealinthecomingyeas）），把形態和功能能兩方面結合合起來，成為為更加逼真的的虛擬人，對對醫學研究，，診斷和治療療作出更大貢貢獻。三、機器人輔輔助神經外科科手術醫用機器人系系統由輔助規規劃導航系統統和輔助操作作子系統組成成。醫生在外科手手術前就可以以得到三方面面的了解,即即對病人手術術部位及鄰近近區域的解剖剖結構有一個個明確的認識識，可進行手手術規劃，手手術路徑設想想等;進行手手術的仿真操操作;了解手手術器械在病病變組織中位位置和周邊的的組織信息。。最早的機器人人只是一個簡簡單的機械臂臂，它只能在在手術者的操操縱下完成極極其有限的工工作，無法自自行去完成一一個完整的手手術。隨著影影像技術的發發展，一些特特別設計的計計算機軟件能能夠將圖像重重建，并且將將機器人與計計算機工作站站相連，由機機器人去完成成計算機工作作站預先設計計好的手術程程序。隨著無框架立立體定向技術術的出現，神神經外科導航航系統與機器器人相結合。。德國的西門門子公司和美美國的ISS公司等分別研研制出不同類類型的機器人人系統－（RAMS）。。通過機器人的的機械臂，將將特定的神經經外科手術器器械，如神經經內鏡、活檢檢針、激光器器、電凝器等等送到手術區區。機器人還能使使用環鉆鋸開開顱骨，在手手術過程中，，手術者無須須親自操作，，并且可以通通過計算機工工作站的顯示示屏觀察手術術器械到達的的位置，及時時調整，做到到微侵襲切除除腫瘤或活檢檢。目前,美國科科學家還設計計一種機器人人，利用探針針感受壓力的的功能，當它它碰到血管的的時候會自動動感受壓力變變化并及時反反饋給計算機機，從而使手手術者能及時時調整手術方方案，減少了了出血的并發發癥。這種探探針腫瘤與正正常腦組織的的質地不同，，辨別出腫瘤瘤的邊界，以以利于手術中中全切除腫瘤瘤。他們還設計出出的一些機器器人能夠正確確地縫合大鼠鼠的頸動脈。。但是，這些些研究成果尚尚未用于臨床床，另外報道道的一些機器器人尚能在手手術時將可攜攜式微型攝像像機,送到腦腦內以觀察顱顱內病變情況況,機器人開開始應用于神神經外科。我國田增民等等，曾用機器器人輔助手術術。進行了如如顱內病灶的的活檢、腦室室內病灶的手手術、腦內小小病灶的切除除。機器人協協助神經外科科手術，它對對于一些大的的病灶及出血血較多的病灶灶尚無法應用用。四．立體定向向放射外科——新方法立體定向放射射外科（StereotacticRadiosurgery.SRS）是指應用立體體定向技術將將大劑量高能能射線精確地地（一次或分分次）匯聚于于某一局限性性的靶點組織織，使靶點受受到不可逆毀毀損。它既不不同于常規外外科手術，也也不同于常見見的放療與間間質放療—即伽瑪刀,X刀。目前立體定向向放射外科使使用放射源主主要有三種：：①放射線核核素釋放的α、β、γ射線（光子線線）。②X線機和各種加加速器產生不不同能量的光光子線。③各各種加速器產產生的電子束束、質子束、、中子束、負負π介子等。伽瑪瑪刀是鈷60為放射源；X刀是直線加速速器為放射源源；質子刀是帶電電粒子為放射射源，質子束束放射又優于于X刀或伽瑪刀。。近年來立體定定向間質內放放療(intersti-tialirradiation）又受到臨床各各界關注，其其方法--放射微微粒治療計劃劃系統。粒子子植入方式有有模板種植、CT導向下種植、、術中種植,均能收到滿滿意效果光子放射治療療儀（photonRadioSurgerySystem.PRS）他是是應應用用微微型型X射線線治治療療裝裝置置――――PRS400，，利用用立立體體定定向向儀儀精精確確定定位位，，安安裝裝在在立立體體定定向向儀儀上上，，通通過過立立體體定定位位計計算算，，將將探探針針直直接接插插入入腫腫瘤瘤中中心心靶靶點點。。因因為為PRS體積積小小，，便便于于攜攜帶帶，，可可在在手手術術室室內內進進行行，，成成為為外外科科手手術術治治療療的的一一部部分分。。Cyberknife———機器器人人立立體體定定向向放放射射外外科科治治療療系系統統是一一個個全全新新的的立立體體定定向向放放射射外外科科體體系系,它它結結構構簡簡單單，，輕輕便便的的直直線線加加速速器器安安裝裝在在機機器器人人的的機機械械臂臂上上，，可可以以靈靈活活地地做做任任意意方方向向的的旋旋轉轉。。采采用用計計算算機機立立體體定定位位導導向向，，自自動動跟跟蹤蹤靶靶區區，，無無需需使使用用定定向向儀儀框框架架和和體體架架。。，，他他提提供供多多種種治治療療選選擇擇——正向治療計劃劃或逆向治療療計劃，它無無需中心投射射，可分期分分次治療,使使病人放射劑劑量和病變部部位達到最大大的均勻分布布和適形性。。目前世界上有有少數醫院使使用質子治療療系統(30),中國山東萬萬杰醫院巳安安裝完畢,臨臨床開始治療療病人,費用用較高。目前立體定向向神經外科是是什么狀態?(1)調強適形放療療時代(IMRT)20世紀90年代,就開始應用調調強適形放射射治療（IMRT和3D-CRT）,它是放射治療療的先進技術術，它以直線線加速器為放放射源，由立立體定位擺位位框架、三維維治療計劃系系統，電動多多葉準直器（（DMLC）等部分組組成，調強強適形放射射治療是射射野形狀和和腫瘤的形形狀一致，，大大降低低了腫瘤周周圍正常組組織的受照照劑量，提提高了治療療增益比。。(2)圖像引導放放療(IGRT)調強適形放放療技術的的最新進展展是影像引引導的放射射治療，稱稱為四維放放射治療(4D-IGRT)。如果果用分子生生物影像引引導又稱五五維(5D-1GRT)，目前臨床已已經開始多多種圖像引引導放療:解剖影像引引導放療（（CT,MRI）病理影像引引導放療功能影像引引導（PET/CT）分子影像引引導放療乏氧影像引引導放療RTPlanningBasedonBioloicalImaging-BIMRTGTVPTVClassicalAnatomicalOrPhysicalPlanning,

IMRTWholeorganirradiationrequiredDosehomogeneitypreferredWholeorganRTnotberequiredDoseinhomogeneitypreferred靶區勾畫的的發展FromPhysicaltoBiologicalTRT多學科結合合勾畫靶區區是放射治療療發展主要要方向Dosepainting影像像引引導導放放療療從從過過去去X-ray進入入CT、MRI,目前又又進進入入到到PET/CT階段段，，以以后后再再進進入入分分子子生生物物影像像引引導導放放療療。。為為了了達達到到精精確確定定位位、、精精確確計計劃劃、、精確確治治療療,這樣樣投投入入大大量量的的新新設設備備和和掌掌握握知知識識的的人才才。。在機機MRI技技術術:MRI集集成成到到加加速速器器上上(原機機Philips1.5TMR和和Elekta6MV加加速速器器構構成成)MedicalImagingInnovation&ImageGuidedRTX-Ray18951958 1972 1980199520002001 2020

U/S

CT

MR

PETDigitalXRCT/PET

NM

MolecularImagingXMR,XU/SOpticalImaging3DU/SMR/PETVCTFreeelectron

3DXRRadiologyhasbeendrivingdevelopmentsinRadiationOncologyMorphology---Function---Cells---Genes/ProteinsNuclearMedicineisplayingincreasingroleInRadiationOncology準確的的射線線投照照PTVMarginReductionPrecisebutnotaccuratePrecisebutnotaccurate精確優優化物物理劑劑量分分布IMRTPreciseandaccurate準確控控制劑劑量分分布位位置IGRT我們都都知道道當前前放射射外科科治療療都是是利用用高劑量量輻射射，對組組織細細胞毀毀損和和抑制制作用用，用用來治治療各各種性性質腫腫瘤和和功能能性疾疾病。。低劑量量輻射射能否對對人體體組織織細胞胞起“興奮效效應”，這是是目前前科學學工作作感興興趣的的課題題，正正在做做大量量探索索性工工作。。如果一定定的低劑劑量輻射射，照射射特定的的組織，，激活靶靶組織細細胞，達達到治療療疾病的的目的，，這樣會會把立體體定向放放射外科科治療臨臨床應用用推向新新的高峰峰。五、計算算機網絡絡與立體體定向神神經外科科計算機網網絡工程程，它是是通過電電話線、、光纜、、衛星通通訊等不不同設備備，將計計算機系系統之間間進行連連接和分分享信息息。計算算機網絡絡將逐漸漸取代如如今應用用的計算算機外部部硬盤，，借助互互聯網、、局部網網、影像像數據和和計算機機軟件，，得到廣廣泛、安安全地應應用，從從而打破破地域界界限，更更好地為為立體定定向神經經外科服服務。通通過遠距距離傳輸輸和實時時視覺（（VR）技術的發發展，促促進遠程程醫療的的發展。。六、修復復神經外外科——21世紀紀神經外外科研究究重點盡管顯微神經經外科、神經經放射外科、、神經內鏡、、介入神經外外科出現與發發展，化療和和放療技術的的不斷提高，，對病人生存存率，生活質質量沒有明顯顯改善。每日日仍有大量地地顱內腫瘤、、創傷、腦血血管疾病，中中毒、帕金森森病、Alzheimer病等引起組組織結構缺缺損，重要要功能的喪喪失，使醫醫生們仍束束手無策。。修復神經外外科立體定向神神經外科來來完成（1）、精神外外科過去、、現在與將將來1、精神外科科修復神經外外科（2）、1935年Folton和Jacobksen首先先進進行行兩兩側側前前連連切斷斷術術的的動動物物實實驗驗1935年EgasMoniz受到到啟啟發發，，與與神神經經外外醫醫生生Lima進行行第第一一例例手手術術———雙側側前前額額葉葉腦腦白白質質切切斷斷術術來來治療嚴重重精神病病，從而開創創了真正正的精神神外科。（3)1947年Wycis和Spiegel應用立體體定向技技術破壞丘腦背背內側核治治療嚴重的的精神疾患患，隨后治治療部位向向扣帶回、、尾狀核下下束、內囊囊前肢等部部位擴展，，直到目前前這些部位位仍是立體體定向技術術治療難治治性精神病病的主要靶靶點。（4）神經調控術術精精神外外科（Neuromodulation）深部腦電刺刺激術（DBS）——精神外科在腦深部電電刺激（deepbrainstimulation,DBS）技術被被廣泛應應用于運運動障礙礙性疾病病的治療療基礎上上，并開開始試用用于其他他神經精精神疾病病的治療療。目前前，直接接對神經經元進行行電刺激激的一種種治療方方法，起起神經調調控（neuromodulation）作用。DBS已試用于神經經精神疾病的的治療有癲癇癇、慢性疼痛痛、叢集性頭頭痛、顱腦損損傷、永久性性植物狀態以以及強迫癥（（obsessivecompulsivedisorder,OCD）和抑郁癥等等。DBS確切的作用機機制尚未明了了，DBS治療中常采用用高頻電刺激激（highfrequencystimulation,HFS），即頻率為為100Hz或高于100Hz，抑制神經元元的活動，減減少了來自刺刺激部位的輸輸出目前嘗試的DBS靶點主要包括括內囊前肢、、伏核和腹側側尾狀核和扣扣帶回膝下部部等。正電子發射斷斷層掃描（positronemissiontomography,PET）檢測發現患患者眶額皮質質區葡萄糖代代謝率顯著下下降，推測DBS降低眶額皮質質代謝活動從從而發揮治療療作用。也可可能與邊緣系系統－運動系系統網絡的存存在有關，這這一發現提示示伏核DBS可能成為治療療情緒障礙的的一種有效手手段。小腦刺激術精神外科早在20世紀70年代Cooper首先應用該技技術治療腦性性癱瘓、精神神病和癲癇。。Dario采用小腦刺激激技術治療各各類精神病，，經過長期隨隨訪和醫學心心理測驗，沒沒有發現行為為和心理障礙礙現象。該手術適應于于嚴重抑郁癥癥，焦慮、偏偏執狂和攻擊擊行為。國內內已有采用國國產部分植入入性小腦刺激激器治療癲癇癇的報告，對對精神疾病外外科治療臨床床尚未應用。。迷走神經刺激激術（VNS）精精神外科科臨床應應用迷迷走神神經刺刺激(VagalNerveStimulation,VNS)治療癲癲癇開開始于于1938年,由Bailey和Bremuer’s倡導,1988年Penry和Dean第一次次報道道用于于頑固固性癲癲癇患患者,并取得得滿意意效果果。此此方法法是一一種新新的、、非藥藥物性性治療療癲癇癇,安全、、易于于耐受受,能緩解解復雜雜性部部分性性癲癇癇發作作。在在國內內已開開展了了此項項工作作。VNS抗精神神病作作用機機理——VNS是調節節情緒緒而應應用于于臨床床,來治治療療抑抑郁郁癥癥和和強強迫迫癥癥。。Rush等(2000)報道道30例抑抑郁郁癥癥,VNS后50%對焦焦慮慮不不安安得得到到改改善善,70%精神神激激動動好好轉轉。。George等(2003),應用用VNS治療療10例OCD，隨隨訪訪10周,用Hamilton量表表評評分分，，下下降降23%。VNS治療療精精神神疾疾病病,在我我國國還還未未開開展展。。（1）采用用深深部部腦腦刺刺激激法法（DBS)約70％的的感感受受傷傷害害性性疼疼痛痛患患者者和和50％的的神神經經性性傳傳導導阻阻滯滯性性疼疼痛痛患患者者可可獲獲得得緩緩解解。。并發癥約約有20%發生率，，主要有有電極斷斷裂、電電極故障障、感染染、出血血、輕偏偏癱、癲癲癇、導導水管阻阻塞、眼眼肌運動動障礙。。其中4％患者的的并發癥癥是永久久性的，，嚴重并并發癥或或死亡率率小于1％。對于于采用其其他方法法治療無無效的慢慢性疼痛痛者，深深部腦刺刺激術無無疑是一一種有價價值的手手段。2、疼痛痛修修復神經經外科治治療（2）脊髓刺刺激治療療疼痛（3）運動皮層層刺激治療疼疼痛痛隨著科技技發展，，目前癲癲癇各種種手術方方式（如如大腦半半球切除術、、顳葉切切除術、、前額葉葉切除術術、多處處軟腦膜膜下橫切切術等大大骨瓣、、大切口口、多處處創傷）），肯定不符符合微侵侵襲理念念和生理理解剖入入路。改變上述述理念，，能達到到解剖生生理入路路治療癲癲癇——唯有立體體定向技技術。3癲癇修復神經經外科治治療(1)關于癲癇癇的定義義,目前尚無無統一的的看法。。癲癇是不不是一個個獨立的的疾病?大多數學學者認為為癲癇是是一個臨臨床綜合合征，其其特征為為大腦神神經元異異放電所所致的突突然、反反復和短短暫的中中樞神經經系統功功能失調調，表現現為運動動、感覺覺、意識識、植物物神經、、精神等等不同障障礙或兼兼而有之之。(2)判定是否否為癲癇癇和位置置是關鍵鍵除了臨床床癥狀體體征外診斷的方方法有腦腦電圖（（EEG，V-EEG）,腦磁圖（MEG）單光子發射射斷層掃掃描成像像（SPECT）、正電子子發射斷層掃描（PET）、CT、MRI、fMRI和MRS（質子磁共振頻譜分分析）以及及經顱電/磁激發皮層層成像(TES/TMS)等。但是，EEG是癲癇診斷斷與分類上上的主要手手段，具有較高的的臨床應用用價值，特特別是V-EEG偶極子定位位。隨著科技發發展,還有許多影影像新技術術正在研究究中，今后后臨床癲癇癇診斷和治治療將有新新的突破。。經顱磁刺激激(transcranialmagneticstimulation,TMS)---治療療癲癇利用一定強強度的時變變磁場在生生物體內誘誘發感應電電流，此電電流刺激來來調節大腦腦皮質網絡絡的興奮性性，用來抑抑制癲癇。。低頻rTMS參數：0.3~0.5Hz，每天兩次次，每次15分鐘，500~600個脈沖閾刺刺激，可減減少癲癇發發作50%以上。(高頻可誘發發癲癇)腦內慢性電電刺激---治療療癲癇（DBS，VNS，……）(3)癲癇外科治治療未來趨趨勢1).腦內慢性電電刺激（DBS，VNS，TMS……）。2).腦組織移植植術及神經經干細胞治治療。3).致病灶形態態學和功能能性定位方方法改進（（fMRI,MRS,SPECT,PET,MEG,EEG……）。4).立體定向放放射外科治治療癲癇（（高劑量、、低劑量、、Gene-SAS,ch-SRS）。5).大腦可塑性性開展研究究進行系列列基礎和臨臨床研究，，使手術方式以以最小損損傷，達到到最好療效效，特別手手術時時間窗。4、戒毒已已進入全全國十一五五計劃另一講---闡述述5、帕金森病病（震顫、、僵直直、運動動減少）神神經經修復術（1）Vim-DBSGpi-DBSSTN-DBSPD-DBS治療療示意圖（2）腦組織移移植和基因因治療自1979年Perlow等報告多巴巴胺(DA)類神經元植植入黑質損損傷的大鼠鼠腦內糾正正運動異常常，首先證證明腦移植植物的功能能，1985年Backlund報道了2例例自身腎上上腺髓質植植入尾狀核核頭部帕金金森病(PD)患者癥狀緩緩解，使全全世界看到到腦組織移移植的光明明前途。國內在1986年年6月北京宣武醫醫院首次開開展此項工工作。由于于腦內移植植存在很多多懸而未決決的問題，，同時還存存在著很多多爭論，加加上移植效效果差，還還有一定并并發癥，到到1991年以后逐逐漸被冷落落。基因工程技技術的發展展為腦組織織移植提供供了廣闊的的發展前景景。但是，，理想的基基因轉移方方法應具備備安全性、、高效性、、特異性、、穩定性、、簡便性、、可控性等等特點。目前用于腦腦組織移植植的基因轉轉移方法大大體分為病病毒介導和和非病毒介介導兩大類類。在移植植方式上應應該使用微微移植（microtransplantation,Mit）技術。一種以組織織移植為主主要手段，，進行外科科手術，促促進組織形形態修復和和功能重建建一門新學學科，成為為人們追求求方向－－－首推干細細胞胚胎干細胞胞（ESC）神經干細胞胞（NSC）骨髓基質干干細胞（BMSC）目前將干細細胞移植入入受損部位位以替代受受損細胞和和組織，或或者誘導自自體NCS活化，用