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发布时间:2020-06-02 09:46:53

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作者:许百男

出版社:人民卫生出版社

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精准神经外科  术中磁共振和功能神经导航

精准神经外科 术中磁共振和功能神经导航试读:

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图书在版编目(CIP)数据

精准神经外科:术中磁共振和功能神经导航/许百男主编.—北京:人民卫生出版社,2013

ISBN 978-7-117-17554-8

Ⅰ.①精… Ⅱ.①许… Ⅲ.①核磁共振成像-临床应用-神经外科手术 Ⅳ.①R445.2②R651

中国版本图书馆CIP数据核字(2013)第167807号

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精准神经外科

术中磁共振和功能神经导航

主  编:许百男

出版发行:人民卫生出版社有限公司       人民卫生电子音像出版社有限公司

地  址:北京市朝阳区潘家园南里19号

邮  编:100021

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制作单位:人民卫生电子音像出版社有限公司

排  版:人民卫生电子音像出版社有限公司

制作时间:2014年11月

版 本 号:V1.1

格  式:mobi

标准书号:ISBN 978-7-117-17554-8/R·17555

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作者简介

许百男

解放军总医院神经外科主任、教授、博士生导师。1977年毕业于中国医科大学,1982年入解放军总医院攻读研究生,获博士学位。1989—1990年和1994—1997年先后赴日本、美国研修,分别在日本顺天堂大学、美国霍普金斯大学神经外科和美国宾夕法尼亚大学神经外科攻读神经外科博士、做访问学者并做博士后。现任中华医学会神经外科分会副主任委员兼秘书长,解放军神经外科专业委员会主任委员,中国医师协会神经外科分会副会长,北京医学会神经外科学分会副主任委员、中国医师协会神经外科脑血管病专家委员会主任委员。《中华神经外科杂志》等多种专业杂志副主编、常务编委或编委。

主要从事颅内肿瘤、脑血管病、颅脑损伤的临床诊治和基础研究。在复杂颅内动脉瘤的手术治疗、颅底和脑深部病变及脑干肿瘤、颅脑损伤等方面取得了显著成绩,例如开展国内首例深低温停循环夹闭并切除基底动脉瘤获得成功,开展国内首例颅内巨大动脉瘤切除并直接吻合载瘤动脉获得成功,为提高我国颅内动脉瘤手术治疗水平作出了重要贡献。《颅内复杂动脉瘤的显微外科治疗》曾获亚洲神经外科年会一等奖及王忠诚神经外科年度学术奖。对于大型听神经瘤手术全切率达95%,面神经保存率达90%,耳蜗神经保存率达29%。2009年在中国(包括港澳台地区)率先引进首套高场强术中核磁和功能神经导航技术平台,首次提出“精准神经外科”的理论,实现了“病变切除最大化,功能损伤最小化,手术结果最佳化”,推动了我国神经外科的发展,并在2010年美国神经外科年会和美国放射科年会就此项技术做专题发言,引起了海内外强烈反响,使我国术中影像和功能神经导航技术跨入世界先进水平。

主编专著有《脑血管病显微手术图谱》、《神经外科疾病病案分析》等,主译《神经外科手术学》,参编多部神经外科专著。在国内外发表论文百余篇。曾获国家及军队各项科技进步和医疗成果奖16项,其中重大医疗成果奖1项,一等奖1项,二等奖10项,三等奖5项。承担多项国家和省部级重点课题。曾获总后科技银星称号及第二届王忠诚神经外科年度医师奖,享受国务院颁发的政府特殊津贴。序 一

在现代神经外科发展史中,有两个重要里程碑:显微神经外科和微侵袭神经外科。显微神经外科在国外开展是上世纪60年代,我国因受文化大革命的影响,在1976年才开展,比国外晚10余年。神经导航外科是微侵袭神经外科一个重要组成部分,因为它不仅使几代神经外科医生的梦想成真,而且使显微神经外科、锁孔外科、内镜神经外科、颅底外科如虎添翼,改变了现代神经外科虽有先进的影像诊断手段和微侵袭外科技术,却在手术方案设计、病灶定位和切除等方面仅凭主观和经验的落后局面,使现代神经外科更趋于微创、精确、安全和有效。神经导航外科所用的手术导航系统,是在1986年研发和应用于临床。我国广州、北京、天津和上海在1997年引进该设备,开展临床应用和研究。但是,在临床实践和实验的研究中发现,神经导航外科仍有其固有的局限性,例如,神经导航应用术前影像资料(如CT、MRI)来指导手术,手术中脑移位(或称漂移)会影响导航的准确性和安全性。因此,人们致力于研发术中成像技术和术中影像导航。

最早应用术中成像的技术是CT(Shalif,1979)和超声(Rubin,1980)。虽然这两种技术近来有很大改进,但它们对软组织的分辨率不如MRI,加之CT有放射性,长期在此环境下工作,对人体有一定伤害。因此,目前MRI是术中成像的主要技术。最早报道应用术中MRI是Alexander(1976),经10余年努力,术中MRI成像技术和术中MR导航设备均有很大的进步。现在术中MRI已从低场强(< 1Tesla),发展到高(1.5T)和超高(≥3.0T)场强,从诊断用的MRI发展到手术专用或手术/诊断两用、可移动性的MRI设备。国外应用低、高和超高场强术中MRI分别是1996、2002和2008年,我国则分别是2006、2009和2010年。可见,在术中MRI硬件上我国与国外的差距在逐步缩小。更可喜的是,我们不仅在引进和应用,而且开展临床应用研究和创新。中国人民解放军总医院在2009年引进国内第一台高场强术中MRI,许百男教授率领该院神经外科应用该设备,不仅治疗大量病人,而且开展研究,提出了“精准神经外科”(Precise and accurate neurosurgery)的理念。此理念强调充分应用多模态脑功能成像、术中影像和神经导航等高科技手段,全面细致地进行术前计划、风险评估,并以影像导航指导术中病变切除和功能结构保护。虽然新理念的提出,还须大量实践验证,但是,许教授勇于创新和开拓的精神是值得赞许和令人钦佩的。

许百男教授主编《精准神经外科:术中磁共振和功能神经导航》一书不仅充分展现“精准神经外科”的理念,而且在大量临床资料、丰富的临床经验基础上,详细阐述术中MRI导航的应用、对术时麻醉、围手术期护理、MRI应用序列等也进行了详细描述,图文并茂,可读性强。我相信,该书的出版不仅对正在或准备开展术中MRI导航外科临床应用和研究的有关人员大有裨益,造福病人,而且促进我国微侵袭神经外科发展,并跻身世界先进行列。复旦大学附属华山医院上海市神经外科临床医学中心复旦大学神经外科研究所2013年3月18日序 二

中国人民解放军总医院于2002年引入神经导航系统,迈入了现代术中影像导航的新时期。2009年2月,又引进了国内首台高场强术中磁共振(iMRI),建设了设施一流、功能先进的磁共振复合手术平台。2012年6月28日,第1000例iMRI引导的手术顺利完成,成为解放军总医院神经外科影像导航手术快速发展的里程碑。

四年来,在国内尚乏既往经验可以借鉴的情况下,总医院神经外科在许百男教授的带领下,克服种种困难,在术中磁共振引导下手术这一高精尖领域,创立了一整套安全高效的运行管理机制,培养了一批优秀的复合型人才,建立了完善的数据库,取得了骄人的成绩。在此基础上,许百男教授又率先提出“精准神经外科”的理念,并在国内外各类学术会议上多次报告,得到广泛的认可和赞许,被认为是“微创神经外科”的延伸和拓展。

本书在大量临床实践的基础上编纂而成,是国内第一部详细阐述精准神经外科理论、技术细节和临床应用的专著,内容翔实,图文并茂,相信会对神经外科及相关专科医师有益。其他专业,如耳鼻喉科、骨科、医学工程和医学计算机工作人员也可从中得到启示。中华医学会神经外科学分会主任委员解放军总医院全军神经外科研究所所长2013年3月·北京前 言

早在1917年,现代神经外科的奠基人,Harvey Cushing教授就提出“神经外科手术操作必须精细准确,手法细腻,要尽力保护脑组织”等概念,这可以认为是最早期的精准神经外科理念。然而,在相当长的时期内,由于诊疗技术和手段的落后,神经外科的发展还很难达到“精准”的要求。20世纪60年代以后,得益于科技的进步和高科技手段在临床的广泛应用,现代神经外科有了大的飞跃。电子计算机X线体层扫描(CT)及磁共振成像(MRI)技术的临床应用,解决了神经外科准确定位颅内病变的难题。而1968年以瑞士学者 Yasargil为代表的神经外科学家首先开展在显微镜下进行手术操作,由于手术视野放大及良好的照明,使得手术精细性大为提高,邻近组织的损害机会明显减少。得益于这些高科技手段在神经外科的应用,当代神经外科才逐步过渡到了“微侵袭神经外科”时代,并引起了过去20~30年间神经外科的技术飞跃,尤其是在颅底外科和内镜手术方面。然而,几乎是在同一时期内,大脑半球实质内,尤其是涉及功能区的手术方法却并无很大改进。究其原因,主要在于缺乏客观、准确的术中质量控制手段和脑功能区显像方法,只能依靠手术者的经验和解剖知识去判断功能区位置和肿瘤切除程度,这显然称不上“精准”,也很难做到“微侵袭”。近年来,随着影像科学和计算机技术的进步,术中成像(intra-operative imaging)和功能神经导航(functional neuro-navigation)得到临床应用。借助于术中成像手段,不仅能在术中精确、高效地定位脑功能区,还可以及时更新病灶的术中影像,并提供实时的导航指示,具有很高的临床实用价值。再次得益于高科技手段,当代神经外科又向“精准神经外科”的目标迈进了一大步。

回顾历史,自微侵袭神经外科的概念被提出以来,神经外科技术、设备和理念已经有了很大的进步。神经外科的治疗目的也有了很大改变,由保护运动、感觉等基本神经功能,逐步发展到保护语言、情感等高级精神活动功能,以求真正能使患者在获得救治后最大程度地重新积极参与到社会生活中去。在这种背景下,当代精准神经外科应运而生。它脱胎于微侵袭神经外科,是微侵袭神经外科理念的合理延伸和升华。精准神经外科以近年来神经影像学、显微神经解剖学和功能神经导航的深入发展为理论基础,以显微神经外科为技术基础,并结合了最新的影像导航(image guided surgery,IGS)和术中成像(intra-operative imaging)技术,代表了神经外科未来的发展方向。该理念的核心内容强调神经外科术前评估和手术计划制订,应将神经影像学分析、解剖学评估和计算机辅助技术相结合。在手术时则应利用术中成像和功能神经导航技术及时更新手术计划,以求真正实现“3M”目标,即最大化地切除病变(maximal removal of lesion),最小化地损伤脑功能(minimal injury to neurologic function)和最佳的术后恢复(maximal recovery)。

中国人民解放军总医院神经外科自2009年2月在国内率先开展高场强(1.5T)术中磁共振和多模态功能神经导航的临床工作,在过去的3年中,积累了丰富的临床应用经验。为了能在国内更好地推广精准神经外科的理念及术中磁共振和功能神经导航的应用,特地编写了这本《精准神经外科:术中磁共振和功能神经导航》。在本书中,我们力求能根据不同病变的具体特点,提供简便可靠的操作流程,给从事相关工作的人员提供一本实用简洁的参考书。许百男中国人民解放军总医院神经外科上篇 总 论第一章 术中磁共振的历史和现状

20世纪80年代初Lunsford首先使用术中CT指导手术,开创了术中影像学的新纪元。但CT扫描有许多不足,如放射线的副作用、仅能进行横断面扫描、软组织显像质量差等,限制了术中CT的发展。磁共振(MRI)具有无放射损伤,软组织分辨率高,并可提供矢状面、冠状面、横断面图像等优点,因此,术中磁共振便成为了神经外科医师的自然诉求。1993年世界第一台术中磁共振(intraoperative magnetic resonance imaging,iMRI)在美国哈佛大学医学院Brigham医院投入临床使用,此后,术中磁共振逐渐被认为是神经外科非常重要的影像指导工具。Brigham医院的术中磁共振系统为垂直双圈的开放磁体系统,又被称为“双甜甜圈”(double donuts)系统(图1-1)。磁体间有56cm的间隙,供放置患者头部及手术之用,场强0.5T。此后,在明尼苏达等地,又有少数此类系统投入使用。使用此类系统时,手术操作在磁体间进行(图1-2),因此可以快速更新手术区域的T2扫描图像(约2秒/次),能够得到近似于实时动态的术中磁共振图像。但正因如此,所以要求使用磁共振兼容的手术设备(如显微镜、电凝机等)和手术器械,投资费用很高,而狭小的手术操作空间(56cm)也使手术者手术时的舒适程度大大降低。此外,由于场强较低,此类系统仅能进行术中解剖结构成像,且成像质量较低,无法进行脑功能成像(如纤维束成像等)。图1-1 垂直双圈的开放磁体术中磁共振该系统为世界上第一台术中磁共振系统,1993年在美国哈佛大学医学院Brigham医院投入临床使用

为了降低系统成本,使用常规手术设备和器械,并改善手术者的舒适程度,20世纪90年代中期,德国Erlangen-Nuernberg大学医学院神经外科开发了新型的术中磁共振系统。患者在磁体外的手术床上接受手术,因为手术区域此时位于5高斯线(5G)以外,所以可以使用常规手术器械。当需要术中磁共振扫描时,将患者转运至滑动检查床上,并滑动进上下排列的0.2T场强开放磁体内进行扫描。类似的系统还有Odin公司的PoleStar系统(图1-3)。图1-2 垂直双圈的开放磁体术中磁共振使用此系统时,手术操作在磁体间进行,所用的设备及手术器械均需磁共振兼容

2006年,我国上海华山医院引进国内第1台0.15T低场强术中磁共振即为PoleStarN20系统。此类系统的优势是,可以使用常规手术器械,降低了整体成本,同时,手术者有足够的操作空间,操作舒适度较好,但同样存在场强太低,无法进行术中功能成像等缺点。

高质量磁共振图像和脑功能成像要求使用高场强封闭磁体系统,为了解决这一难题,1999年,Sutherland等报道了移动磁体的术中磁共振系统(图1-4)。图1-3 PoleStar系统该系统有一个可升降的0.12T(后升级为0.15T)开放磁体,当需要进行术中磁共振扫描时,才将磁体升起至手术区域进行扫描图1-4 移动磁体式的术中磁共振系统1.5T磁体被安装在天花板上的特制轨道上。通常情况下,磁体位于手术室外,在需要进行术中磁共振扫描时,将磁体沿轨道滑动至手术室内进行成像

2003年,德国Erlangen-Nuernberg大学医学院神经外科率先使用了旋转床式的高场强(1.5T)术中磁共振系统(BrainSuite,BrainLAB公司)(图1-5A)。在此系统内,手术区域位于5G线以外,可以使用常规手术器械(图1-5B)。当需要进行术中MRI扫描时,将手术床旋转进入磁体内进行扫描(图1-5C)。

该系统的优点是:磁体场强高,图像质量好,且能进行术中脑功能成像;使用标准手术器械,节省了开支。缺点是:间断进行扫描,不能实时获取图像;由于磁体和手术患者在同一房间内,因此,在手术过程中,即使未进行术中扫描时,其他患者也不能使用该磁共振机,降低了系统的使用效率。图1-5 德国Erlangen-Nuernberg大学术中磁共振系统A.术中磁共振系统由固定的磁体及可旋转手术床构成,手术床位于5高斯线(5G)以外,可以使用常规手术器械;B.患者固定在手术床上进行常规麻醉及手术;C.术中进行磁共振扫描时,将手术床连同患者旋转进入磁体进行扫描

为了提高系统使用效率,同时采用高场强磁体以提高图像质量,两种新的系统被开发出来。这两种系统基本设计都是双房间系统,一间是手术室,一间是诊断室,使用高场强磁体(1.5T或3T),因此能在获得良好术中影像的同时,进行脑功能成像。这两种系统的根本区别在于进行扫描时,是移动患者还是移动磁体。

以比利时Louven大学(图1-6)和日本Tokai大学(图1-7)为代表的系统中,磁体固定于诊断室内,在不需要进行术中扫描时,可以进行常规诊断性扫描。当需要进行术中扫描时,将患者包裹无菌巾后,连同手术床、麻醉机和监护仪等,沿地轨或是转运床,运送至诊断室内进行扫描。此类系统的主要问题在于移动患者时,麻醉、监护设备和管道需要和患者一起移动,存在安全隐患。而为了确保安全,又需要多个工作人员陪同患者一起移动,费时费力。

另一种设计为移动磁体,当不需要进行术中扫描时,磁体位于诊断室内,可以进行诊断性扫描(图1-8A)。需要进行术中扫描时,将磁体沿轨道滑动至手术室内进行扫描(图1-8B)。该系统由于不用移动患者,在很大程度上提高了安全性,只需一人即可完成移动磁体的工作,省时省力。2008年,中国人民解放军总医院引进国内第1台1.5T高场强术中磁共振(加拿大IMRIS公司)即为移动磁体的双室系统(图1-8)。

场强是影响磁共振成像质量和成像功能的一个重要因素。高场强术中磁共振多指磁场强度为1.5T或以上系统,主要产品有西门子Magnetom Symphony系统(1.5T)、Magnetom Espree系统(1.5T)、GE公司Waukesha WI系统(3T)和Philips系统(3T)等。高场强术中磁共振系统术中成像质量很高,而且能进行脑功能成像。高场强系统成像时将患者移入系统内或根据需要将磁体移入、移出手术室,术中仍可使用多数传统手术器械及仪器,节约了器械方面的投资,患者体位和医师操作与常规手术一样不受限制。此外,高场强术中磁共振系统信噪比、空间分辨率提高,成像质量更佳,可完成常规诊断MRI的各种功能成像。这些功能使高场强术中磁共振既有诊断功能又有治疗功能。但高场强术中磁共振系统使用成本高,多需专业改建和严密屏蔽的手术室。此类系统更适合具有一定术中磁共振使用经历,需要进行临床研发的较大型医疗机构使用。在术中磁共振问世之初,由于技术和经济条件的限制,多数单位使用低场强术中磁共振系统。近年来,高场强术中磁共振系统因图像清晰且不限制患者体位和医师的操作空间,吸引了许多单位选择使用。图1-6 比利时Louven大学术中磁共振系统双室设计,术中扫描时手术床沿地轨运送至诊断室进行扫描图1-7 日本Tokai大学术中磁共振系统双室设计,术中扫描时应用转运床将患者运送至诊断室进行扫描图1-8 解放军总医院术中磁共振系统双室设计,需要进行术中扫描时,将磁体沿轨道滑动至手术室内进行扫描,不需要移动患者,单人即可完成

低场强术中磁共振指磁场强度低于0.5T的系统,主要产品有GE公司Signa SP(0.5T)、西门子公司MAGNETOM Open(0.2T)和以色列Odin公司PoleStarN10(0.12T)、PoleStarN20(0.15T)等。低场强术中磁共振多为开放式系统。使用成本低,对手术室改建要求不高,手术及麻醉器械要求低磁性,术中成像较方便,可以确认肿瘤边界、指导穿刺活检、纠正脑移位。但低场强磁体导致成像时间延长,信噪比低,空间分辨率低,扫描序列单一,且无法进行术中脑功能成像,多数设备限制了患者的体位及医师的操作空间,造成使用效率下降。低场强术中磁共振适合刚刚开始采用术中磁共振的医疗机构使用。(陈晓雷)参考文献

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导航辅助下的神经外科手术是微侵袭神经外科技术的重要组成部分之一,是由立体定向手术、数字化扫描技术、计算机软硬件技术和显微外科技术等的最新进展综合发展而来,是一种人工智能化的神经外科手术辅助系统,它使神经外科手术的定位更精准,术中精细测量变得非常简单,误差降低到最小,减少手术时间和侵袭性,能够保证手术的精确定位、最大切除病灶、最小神经功能损伤,使一些神经外科手术禁区得以突破。如果说显微镜是对神经外科的第一次革命性发展,那么神经导航技术无疑是神经外科的第二次革命。

虽然20世纪90年代才逐渐发展起来,随着计算机技术日新月异的发展,神经导航技术已经从最早的单纯解剖导航发展成为了功能神经导航,即通过图像融合技术,将脑磁图(magneto encephalography,MEG)、功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)、磁共振波谱成像(magnetic resonance spectroscopy,MRS)等功能影像资料与CT、磁共振解剖成像等融合在一起并进行三维重建,从而直观地定位病变与功能皮层、传导束及血管之间的空间关系,在术前帮助手术医师制订虚拟手术计划。通过先进的注册配准技术,将影像坐标系统与手术野内的位置动态链接起来,能够提供术中实时持续定位。如果神经导航系统与手术显微镜整合在一起,还可以实现显微镜下导航,术者能够在显微镜下更加直观地看到导航的指示。此外,神经导航系统与术中磁共振系统、术中超声、术中皮层电刺激等结合在一起能够不同程度地纠正术中脑移位造成的导航偏差,其中术中磁共振成像技术能够根据术中成像结果实时更新导航,被认为是目前纠正脑移位的最佳办法。神经导航技术的发展简史

1908年首次出现立体定向技术,Horsely等应用立体定向框架进行神经系统术中定位,可以比较精确地定位幕上的病变,虽然立体定向框架有很多局限性,但其定向技术的基本概念和原理奠定了立体定向手术的基础。随着人们对神经系统解剖、生理和病理学知识的不断深入了解,出现了多种更精确实用的立体定向头架,立体定向手术技术得到不断地完善和发展。1947年Spiegel等将有框架立体定向仪做了进一步改进,使有框架立体定向技术开始在神经外科广泛应用而且日趋成熟。但有框架立体定向技术操作过程繁琐,不能动态地指导手术操作,手术计划不能实时改变,且器械笨重,立体定向框架阻碍手术操作,计算复杂等,给患者带来一定痛苦,有时会影响到开颅手术操作及术野的显露,对于颅后窝及颅底手术也有其局限性,因而其主要应用于功能神经外科或定向组织活检。

20世纪中后期,随着计算机体层摄影术(computed tomography,CT)及磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)的相继问世和计算机技术的发展,影像引导技术(image guidance)逐渐被引入外科手术过程,由于对高精度的特殊要求,影像引导技术被神经外科医师最早接受并大力发展。1982年Kelly等首先将计算机系统应用于神经外科手术,利用计算机准确、快速的三维矢量计算能力辅助有框架立体定向仪进行术中定位,明显地提高了手术的速度和精度。1986年Robert等利用CT影像资料为数据源,将计算机技术与立体定向技术结合应用于手术操作,由于当时技术上的限制,导航精度不高,但无框架导航能够给术者提供实时的三维影像,可以明显提高手术的精确性。1991年Kato等将计算机辅助的无框架导航系统应用于临床,并提出计算机辅助神经外科(computer assisted neurosurgery)这一概念。1993年Barnett等利用二维B超或CT、MRI影像资料重建三维模型,首次将超声影像应用于导航系统。1998年,Kelly等提出立体定向等体积切除的概念,将立体定向头架固定在患者头部,并与手术显微镜连接,实现了实时反馈手术部位与CT坐标间的关系。几乎同时,Watanabe等发明了一种不用侵袭性头架的立体定向系统来解决手术中的实时空间监测问题,将其命名为“神经导航仪”(neuronavigator),又称立体定向电脑探针或观察棒(viewing wand)。它由一个六关节铝制定位臂、影像扫描仪和一台计算机工作站组成,属于第一代关节臂导航仪。虽然其误差< 2.5mm,在不同条件和环境中都很可靠,但设备较大,并只有一支探针。第二代为无线电(电磁)导航,又称无架、无臂导航,由三维磁场源、磁场探测器、三维数字化仪和计算机组成,定位精度为4mm。该系统的优点为磁场探测器可以任意安置,不需要框架和关节臂,使用简便,但手术室内的各种金属设施会干扰电磁场。目前广泛应用的是第三代光学导航仪,全球约85%导航采用光学导航,手术器械与导航系统之间以红外线来追踪,主要由位置侦察仪、导航手术器械和计算机工作站组成。位置侦察仪用以接收主动有线导航手术器械发出的红外线信号,或发射红外线信号给被动无线导航手术器械。导航手术器械上装有3个以上红外线追踪器,负责将信号传递给位置侦察仪,从而确定手术器械的空间位置。导航手术器械分主动有线器械和被动无线器械两类,前者发射红外线信号,后者反射红外线信号。电脑工作站是整个导航系统的核心,各种影像学资料输入工作站后可转换成三维图像,术者可以在三维图像上进行术前计划,选择最佳手术入路和手术演示。光学导航仪的代表是Sofamor Danek公司的Stealth Station系统,兼容主动和被动导航,Carl Zeiss公司的SMN系统和国产Anchor系统为主动导航,Brain LAB公司的Vector vision 2及Stryker公司的Leibinger系统是被动导航。第四代导航仪是结合了术中磁共振成像技术的导航系统,能够实时更新导航计划,从而评价病变切除程度并纠正脑移位造成的导航偏差。

20世纪90年代起,国内各大神经外科医学中心相继从国外引进神经导航系统,应用于临床工作,取得了良好的效果。经过20余年的发展,神经导航系统在各个方面均得到了进一步的改进和完善,影像学资料越来越精细、准确,但是国内大部分的神经导航系统大部分还停留在单纯的解剖学导航水平,功能神经导航的应用并不普及。(赵岩)参考文献

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5. Kelly DJ WH,Marks M. Computer-assisted stereotactic microsurgery for the treatment of intracranial neoplasms. Neurosurgery,1982,10:324-331.第二节 原理及技术流程一、 神经导航系统的原理和构成

目前神经导航系统分为:机械臂导航系统、红外线导航系统、电磁导航系统、超声导航系统等,应用最广泛的是红外线导航系统。其原理是将患者术前的CT、MRI、MEG等影像学资料融入到神经导航计算机图像处理工作站,通过注册将术前的影像学资料与患者实际的脑解剖结构在空间上建立动态关联的对应的关系,进行术中导航定位。

神经导航系统主要由三个基本部分组成:①计算机图形工作站;②持续追踪定位系统;③导航工具及手术器械。计算机工作站是能够快速处理大量数据信息的计算机系统,安装有导航系统所需的专用软件,Brain LAB导航系统包括两个工作站,一个用于术前计划的制订,术前将CT、MRI、MEG或正电子发射体层扫描(positron emission tomography,PET)等影像资料,利用局域网、移动硬盘或光盘等载体传送到工作站,工作站将这些信息加工处理,生成三维模型;另一个工作站用于术中处理追踪定位系统传回的数据信息。持续追踪定位系统包括红外线发射仪、探针和导航参考架,其中探针和参考架上装有红外线反射球,参考架固定在头架上,在手术中与头的相对位置必须保持不变,红外线发射仪发出红外线并不断接受反光球反射回的红外线,从而持续探测靶点和手术器械在三维空间内位置的动态变化,并将信息传递到工作站。导航工具包括激光注册器,贴在头皮表面的标记物(marker),以及能够按照于各种手术器械的反光球适配器,如图2-1所示。图2-1 各类导航适配工具可与吸引器,穿刺针等各种手术器械匹配,不需要专门的手术器械二、 功能神经导航的技术流程

功能神经导航的技术流程包括术前患者影像学资料的采集,术前手术计划的制订,导航注册,术中实时定位等,如果与显微镜结合使用需要与显微镜进行连接、校准,以实现显微镜下导航,如果与术中磁共振联合使用,则需要更新手术计划。

术前数据的采集要根据患者的病变特点来进行,通常在术前一周之内完成,最好是术前一天进行所有数据采集工作。数据包括解剖影像和功能影像两种,解剖影像通常包括三维薄层T1加权像(层厚1mm)、T2加权像、T1加权增强像、MRA、MRV、CT、CTA等,功能影像通常包括fMRI、DTI、MEG、PET、SPECT、MRS等。其中用以检测局部脑血流变化的影像技术如PET、fMRI及用以检测磁偶极MEG可以用来标记脑皮层上特殊的功能区,如运动区、视觉皮层、语言相关皮层等,整合入导航后可以帮助术者在术中避免损伤相应的功能区。此外,SPECT和MEG可用于定位和切除不正常皮质,同时保护正常功能,而这种功能异常的脑皮质往往在解剖学影像资料上是正常的。DTI影像可以依据脑白质纤维内水分子弥散运动的各向异性,清晰地显示脑白质结构,并能分辨不同传导束和纤维投射方向。

数据采集之后,即可以通过移动硬盘、网络或光盘的方式将原始数据传入导航计划工作站,制订手术计划。首先通过软件将不同的影像资料进行图像融合(image fusion),图像融合技术包括两种,一种为对点融合,即将两种影像资料通过一些对应点如眼睛、门氏孔、固定坐标等进行吻合,另一种为表面融合法,如Analyze技术。确定图像融合准确无误后,即可进行三维重建,分别用不同的影像资料将病变、功能区、传导束、血管等重建成三维图像,然后将重建的结果通过U盘或网络传入用于术中导航的工作站。

导航计划制订好之后就可以进行导航注册了,将术前三维影像坐标系统中的位置与患者实际解剖位置联系起来的过程称为注册(registration)。导航手术的精度主要取决于实际术野中的三维坐标系统与术前三维影像坐标系统的吻合情况。注册与动态参考(dynamic referencing)两个概念是理解导航系统工作原理的核心,正确理解两个概念对提高导航辅助手术的精度和速度、避免误差非常重要。目前注册的方法主要有两种:①表面注册,即运用形态匹配的方法将手术床上的患者头部外形与重建的三维图像进行吻合的注册方法,如Brain LAB的Z-touch激光注册技术,这种注册技术需要激光扫描患者眶额部皮肤以达到准确的注册,所以目前只限于仰卧位及侧卧位的手术,如图2-2所示。②坐标注册,即选择术野与影响资料上至少四个相应的坐标点进行点对点吻合的注册方法,坐标点一般为粘在患者头皮上的皮肤坐标(marker)。在注册时使用未消毒的探针轻触坐标中心,从而与影像资料中相应的坐标进行吻合。

确认注册准确后就可以进行术中导航了,如果将红外线定位装置安装在显微镜上,并通过数据线将显微镜与导航工作站相连接,这样经过校正后就能将手术显微镜的焦点中心当做手持定位装置的探针尖,除了定位和导航外,还可以在术者目镜视野下显示出术前计划在焦点平面的投影或者三维图像,并用不同颜色加以区分,这样手术医师不必为了看显示器上的图像而中断手术,如图2-3所示。图2-2 Brain LAB的Z-touch激光注册技术运用形态匹配的方法将手术床上的患者头部外形与重建的三维图像进行吻合的注册方法,这种注册技术需要激光扫描患者眶额部皮肤以达到准确的注册,目前只限于仰卧位及侧卧位的手术图2-3 术中显微镜下导航A.肿瘤与锥体束,感觉传导束,皮层运动区的三维重建;B.显微镜下显示上述结构的体表三维投影;C.术中显微镜下显示的上述结构在焦点平面的投影(赵岩)参考文献

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5. 杜固宏,周良辅,毛颖,等.神经导航术中脑移位的研究.中国微侵袭神经外科杂志,2002,7:65-68.第三节 准确性及临床应用一、 影响导航准确性的因素及解决策略

神经导航是一个非常复杂的系统,任何一个环节出现偏差都有可能造成最终导航结果的不准确。可能造成导航误差的因素主要包括以下几个方面。(一) 影像资料的误差

为了确保导航注册的准确性,用于注册的三维CT或MRI影像要尽量减小误差。神经导航要求CT和MRI为无缝隙连续扫描,扫描层厚越薄,观察野(FOV)越小,准确性越高,一般使用层厚1mm的T1加权磁共振影像资料,扫描时FOV尽可能接近皮肤表面。CT和MRI扫描时患者头部不能活动,否则可引起移动伪影,造成某一张图片的解剖结构与相邻上下两张图像不一致,即使肉眼难以察觉的移动,在三维重建的图像上也非常明显,这样可能会影响注册的准确性。此外,CT和MRI扫描应尽可能在手术前一天或当天早晨进行,如果间隔时间过长,患者颅内解剖结构可能由于疾病的进展、脑肿胀或脑室引流等发生变化,也会影响定位的准确性。(二) 导航系统机械误差以及注册误差

导航系统自身的误差包括工作站软件、红外线发射与接收系统等的准确性与稳定性等,Brain LAB导航系统平均精度± 0.35mm,实际可达0.1mm。注册误差是产生神经导航手术误差的一个重要方面,CT或MRI扫描时或打头架时marker的受压移位,都有可能造成注册误差。在粘贴marker时尽可能包住肿瘤,且均匀分布,marker的位置应不在同一直线上,且两侧不对称,任意两点连线的中点最好在靶点上,理论上4个marker即可完成注册,但8~10个marker可以进一步减少注册误差,避免个别脱落或位置变化影响导航精度。尽量沿发际内侧粘贴marker,目的是防止头皮较软的部分注册时移动,在粘贴marker时,要使用油性笔在marker边缘做标志,以防手术前marker脱落。(三) 术中脑移位造成的导航误差

基于红外线的导航系统,头架上固定的参考架与患者头部的相对位置必须保持不变,如果头钉滑动或者参考架滑动会造成导航的严重误差,因此要求术者开颅时不能用力过大。此外由于神经导航系统采用的影像资料来自术前,随着手术的进行脑组织发生移位,会造成术中导航定位不同程度的误差。影响因素包括病理生理性和物理性因素,其中病理生理因素包括肿瘤性质、部位、体积,脑水肿,麻醉剂、脱水剂的使用,机械性通气等;物理性因素包括重力,脑脊液流失,骨窗范围,患者体位,脑室引流,脑组织牵拉及组织切除等。采集术中影像资料并更新导航数据是纠正术中脑移位误差的主要办法,包括术中超声、术中CT、术中MRI等。术中超声具有使用灵活、简单、安全、相对成本较低等优点,但缺点是分辨率较低,不能发现小的、深在的病灶,不能作出实质性肿瘤的定性诊断,不能明确病灶边界;术中CT组织分辨率较超声高,使用较灵活,缺点是X线剂量较高,增加患者的X线暴露,不适合多次扫描;术中MRI组织分辨率最高,术者能够利用术中扫描的影像资料更 新导航计划,重新注册,高场强的术中磁共振图像质量与术前几乎相当,术中DTI成像还能够显示手术对传导束的影响,判断残余肿瘤与传导束的关系,缺点是设备昂贵,目前还不能普及应用。术中成像技术能够纠正脑解剖结构的移位,但难以精确定位脑功能皮层,术中唤醒及皮层电刺激技术能够在术中定位皮层功能区,解决导航下功能区移位的问题,但是术中皮层电刺激有一定风险,手术需要暴露的皮层面积要更大一些,电刺激有可能导致癫痫的发生,此外术中唤醒也有一定的失败率,为了更好地发挥导航的作用,我们一般在打开硬膜后还未发生脑移位时即在导航指示下用无菌纸片标记出皮层功能区,这样即使发生了脑移位也能明确皮层功能区的位置。二、 功能神经导航系统的临床应用

自1986年神经导航系统技术首次应用于临床以来,经过30余年的发展和推广,已广泛应用于临床神经外科。下面简单介绍一下功能神经导航在颅脑肿瘤、脑血管病,穿刺活检、功 能神经外科、脊髓及脊柱病变等领域的应用,在后面章节的病例示范中有更加详细的论述。(一) 功能神经导航辅助下颅脑肿瘤外科治疗

1.胶质瘤 呈浸润性生长,与周围正常组织没有明确的边界,实性Ⅰ级星形细胞瘤在显微镜下很难与正常脑实质 相鉴别,皮层表面也无明显异常,即使经验丰富的手术医师也必须在探查中多次取组织进行快速冷冻病理检查,以确定切除范围,术中借助导航可提示当前手术操作的部位与肿瘤边界的关系,如果肿瘤位于功能区附近,术前导航计划可以标记出功能区皮层及相邻 传导束的空间位置关系,并在术中提供进一步切除病灶的方向,避免伤及周围组织。

2.垂体腺瘤及鞍区脊索瘤 经蝶垂体腺瘤及鞍区脊索瘤手术中导航有助于定位,内镜下经鼻腔蝶窦入路切除垂体腺瘤已经广泛开展,目前手术并发症的发生率仍较高。甲介型蝶窦患者的蝶窦发育不良,过去是经鼻蝶入路手术的禁忌证,在神经导航辅助下经蝶入颅手术切除甲介型蝶窦垂体微腺瘤能够取得满意的疗效。对于解剖变异及二次手术的患者,术者更加难以判断蝶窦前壁、鞍底、鞍膈、鞍旁及海绵窦等主要结构,利用神经导航系统可以摆脱对骨性标志的依赖,使操作更准确。在术前进行导航计划时,利用MRA影像将颈内动脉进行三维重建可以更加直观地了解肿瘤与颈内动脉的关系,并在导航的辅助下防止损伤颈内动脉。

3.脑膜瘤 对于中央区及窦旁脑膜瘤等,术前导航计划可以利用fMRI和MRV成像将运动皮层和静脉窦标记出来,导航可确定手术切口的位置及范围,评价受压移位的中央前回、锥体束、矢状窦等,最大限度地利用皮瓣及骨窗,避免开颅误伤引起大出血。

4.转移瘤、淋巴瘤、血管网织细胞瘤、神经鞘瘤、生殖细胞瘤、炎性肉芽肿等均为导航的选择性适应证,尤其是病灶位置处于重要功能区或位置较深时。(二) 功能神经导航辅助下脑血管病的外科治疗1.动脉瘤

由于传统血管造影的图像不能用于导航系统,导航对于动脉瘤手术的辅助作用受到限制。在对多数动脉瘤的导航手术中,术前计划的意义大于术中影像引导。术前利用CTA及MRA资料进行三维血管重建,可直观了解动脉瘤大小、形状、瘤颈、走行、及与周围血管、神经的毗邻关系,分析动脉瘤与载瘤动脉的角度,选择最合适的手术入路,在最安全的位置、最好的显露角度下彻底夹闭动脉瘤,从而减少术中动脉瘤破裂出血及术后脑梗死的发生率。对于复杂性动脉瘤,如巨大动脉瘤、大脑前动脉远端、小脑后下动脉(PICA)、小脑前下动脉(AICA)的动脉瘤,导航辅助下制订详尽的术前计划是非常必要的。2.动静脉血管畸形

神经导航对一些位置深、体积小、位于运动语言功能区、脑干、丘脑的动静脉血管畸形显得尤为重要。术前将MRA和MRV影像学数据输入到神经导航系统中进行三维重建,获得动静脉畸形的供血血管及引流,对手术提供重要的帮助。利用fMRI和DTI成像将皮层功能区及重要传导束进行标记,能够帮助术中避免损伤功能皮层及传导束。3.海绵状血管瘤

常位于脑实质的深部,甚至在脑干、丘脑等致命部位,病灶一般较小,传统的手术治疗方法易造成周围结构的损伤,引起术后不同程度的神经功能障碍。术前导航计划可以标记病变位置及邻近的功能区、传导束等,术中根据导航所确定的皮质切口位置,在导航引导下寻找病灶,能最大可能地减少对周围正常脑组织、神经功能的损伤。如果结合术中磁共振成像技术,可以在术中更新导航计划以纠正脑脊液流失造成的脑漂移。(三) 功能神经导航辅助下无框架穿刺活检和功能神经外科

传统的神经外科穿刺活检是利用有框架立体定向仪进行的,患者术前安装金属框架有一定痛苦,而术者需要进行复杂的运算,有一定的操作难度。Kratimenos等在1992年最早将神经导航系统应用于癫痫外科手术,称之为计算机辅助的立体定向选择性海马杏仁核切除术,取得了良好的效果。现代导航系统平均精确度在2mm以内,不需要安装头颅框架,且可提供穿刺过程的多角度动态图像,使得穿刺过程更安全、更精确。安装专用的功能神外手术导航软件及相关附件后,导航系统可完全取代传统的框架立体定向仪,完成苍白球损毁术、海马切除等手术。术前应用fMRI,DTI和MEG成像进行导航计划,将癫痫灶、重要传导束和皮层功能区融合到神经导航系统中,能在术中标记出病灶和重要传导束及功能区的位置,从而在准确切除病灶的同时保护重要功能区。Rydenhag等报告654例手术,较严重并发症仅占3.1%。Oertel等在神经导航系统辅助下进行37例颞叶癫痫手术,结果发生轻度偏瘫、脑神经麻痹、失语、术后感染等并发症的几率明显小于没有应用神经导航系统的颞叶癫痫手术。(四) 功能神经导航辅助下的脊髓及脊柱外科治疗

新一代导航系统均开发了脊髓脊柱手术软件包及专用配件,使导航系统得以应用于脊髓及脊柱外科手术。王德江等使用此项技术,通过41例手术的分析,认为神经导航可适用于髓内星形细胞瘤、室管膜瘤、神经纤维瘤、海绵状血管瘤等常见髓内外病变的手术治疗,并可引导椎弓钉的固定,降低手术损伤的发生率。三、 功能神经导航技术的发展趋势

随着微创神经外科学观念不断深入人心,导航系统日益为神经外科医师所重视,成为现代神经外科手术不可缺少的辅助设备,随着神经影像技术、计算机技术的不断进步,传统的单纯神经解剖导航技术正在逐渐退出历史舞台,取而代之的是多影像融合技术为基础的功能神经导航技术。多影像融合技术应用于神经导航可以提供更多的影像信息,实现个体化、最优化的术前计划和术中指导,在精确定位病变的同时,还可以评价与其关系密切的重要皮层功能区及传导束等,符合微创、精准功能神经外科的发展趋势。(赵岩)参考文献

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5. 王德江,杨俊,赵继宗,等.计算机辅助导航在脊柱脊髓手术中的应用.中华医学杂志,2004,84:1154-1157.第三章 术中磁共振手术中的麻醉配合

20世纪90年代初,术中磁共振逐渐应用于神经外科手术,手术医师可在实时提供的影像资料指导下实施手术,但低场强(0.1~0.2T)磁共振扫描的图像质量受限,不能进行功能MRI,基于这些不足,高场强(1.5T)MRI被引入手术室,使成像更清晰,定位更精确,肿瘤切除更完全,神经功能保护更完善。术中高场强磁共振系统对手术室环境、医护人员安全及患者围术期处理均有特殊要求。手术室的结构和设备设置前面已经述及,本节主要讲述麻醉中的相关问题。一、 仪器设备

术中磁共振手术室特殊的磁场环境,对手术和麻醉设备均有特殊要求。本节中介绍的术中磁共振手术室为双室设计,即检查室及手术室,磁体可在手术室及检查室间移动,其间有防护门相隔。术中患者需要扫描时,磁体由检查室移入手术室,手术室标志了50G、5G磁力线。手术设备在磁体进入手术室前均须撤到5G线以外的安全区域,不会产生危险,因此,除手术床和头架外,均可使用普通手术器械。而麻醉设备由于在扫描过程中仍需紧邻患者,维持麻醉,所以,必须使用磁兼容设备以保证术中安全。目前,磁共振专用的麻醉及监护设备为数不少,大多产于美国、德国、瑞典等欧美国家,主要是GE、Invivo、MIPM及Siemens公司。现就部分设备做一些简单介绍(图3-1)。

磁兼容的麻醉机(Datex Ohmeda,Aestiva/5 MRI,USA),可安全用于300G磁场内(0.03T),带有磁场强度监测报警装置,配备了磁兼容的异氟烷及七氟烷挥发罐(TEC7)。由于扫描时,磁体占据患者身体大部,麻醉机只能放置于患者脚部,因此需要加长的螺纹管。TM

磁兼容监护仪(Invivo precess,3160 series,USA),在MRI系统中磁感应强度为5000G(0.5T),该系统包括以下元件:无线处理器(WPU)、患者连接装置(PCU)及两个可移动的无线传输的显示控制器(DCU,分别置于手术室及控制室)、无线心电图(ECG)模块、无线脉氧饱和度(SpO)模块,各元件均可由交流电及电池2供电。可监测双导联ECG、SpO、无创血压(NIBP)、两道有创压2力、呼气末二氧化碳(ETCO)、氧浓度、麻醉气体浓度(氧化亚氮、2异氟烷、七氟烷、地氟烷、氟烷)、体温(光纤传感器)及呼吸频率。图3-1 麻醉设备(从左至右)分别是磁共振兼容的麻醉机,监护仪,输液泵

磁兼容静脉输注系统(MRI-Caddy,MIPM,Mammendorf,Germany),在MRI系统中磁感应强度为200G(0.02T),配备了三个输液泵(medfusion 2010 syringe pump),设置了四种输注模式,可在交流电及电池供电下工作。并配备了明显的报警指示灯,以便在MRI高噪声环境下及时发现问题。二、 与术中磁共振相关的安全问题

术中磁共振手术室特殊的工作环境对患者及医护人员的安全带来挑战。安全工作是整个医疗行为的重中之重,在术中磁共振手术室的工作人员都应充分了解相关的工作制度。因此,所有参加手术的人员包括医护人员、患者、医疗和后勤保障人员都应进行安全培训和筛查,未通过培训和筛查的人员不得进入术中磁共振手术室工作。(一) 患者安全

对所有拟进行术中磁共振扫描的患者都应进行严格的安全筛查并填写安全筛查表。对于拟进入术中磁共振手术室进行手术的患者,出于安全的考虑,以下情况应慎重对待。(1) 体内存在金属物(如心脏起搏器、体内植入药物泵)的患者禁止入iMRI-OR,因磁环境下可能会危及患者生命;其他慎入的患者为,体内留有电子耳蜗、眼内金属碎片、体内弹片、假肢等,患者金属义齿可能影响图像质量,金属假肢/关节可 能在磁成像时吸收射频产热,造成严重烧伤。(2) 高敏体质患者(可能对增强剂过敏),妊娠妇女(尚无确实

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