腦立體定向技術發(fā)展和趨勢

1、,,,,腦立體定向技術發(fā)展和趨勢,安徽省立醫(yī)院神經(jīng)外科 安徽省立體定向神經(jīng)外科研究所 汪業(yè)漢,開展立體定向和功能性神經(jīng)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(fā)展，特別是與計算機結合，衍生出立體定向放射外科,立體定向輔助神經(jīng)外科等新理念。,1986年Robert又創(chuàng)造了無框架立體定向系統(tǒng)——又

2、稱神經(jīng)外科導航系統(tǒng)。目前又出現(xiàn)功能性磁共振(fMRI),術中磁共振(iMRI),術中CT(iCT)與神經(jīng)外科導航技術，極大地豐富了神經(jīng)外科技術手段。,到了21世紀,神經(jīng)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(tǒng)神經(jīng)外科將是立體定向和功能性神經(jīng)外科微創(chuàng)時代。 21世紀立體定向和功能性神經(jīng)外科發(fā)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(tǒng) 15世紀末，Leonando da Vinc

3、i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(tǒng)。,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Rob

4、ert介紹了無框架立體定向導航系統(tǒng)。 目前神經(jīng)外科導航系統(tǒng)發(fā)展很快，已經(jīng)有多種類型，如聲波數(shù)字化儀、遙感關節(jié)臂、光學數(shù)字化儀、電磁數(shù)字化儀。,隨著無框架導航系統(tǒng)臨床應用，發(fā)現(xiàn)術中腦脊液丟失，病灶組織切除以及腦腫脹等因素可產(chǎn)生目標移位。因而，又出現(xiàn)了術中實時掃描影像導航手術或功能性影像導航手術( iMRI fMRI iCT導航技術，來彌補術中目標移位)。,目前Neuro-navigation，不論Brain－LAB神經(jīng)外科導航系統(tǒng)，s

5、tryker導航系統(tǒng)、stealth station treon導航系統(tǒng)，均具有一定智能功能，神經(jīng)外科手術計劃系統(tǒng)，Talairach 和schatenbrand圖譜，大腦功能多種圖像融合功能和有框架立體定向手術計劃系統(tǒng)，可在顱內作任意導航。,無框架立體定向技術 （ 神經(jīng)外科導航系統(tǒng) ），他已走出神經(jīng)外科向其他學科滲透，目前已有了五官科導航系統(tǒng)，脊柱外科導航系統(tǒng)，不久將擴大到全身各個部位和器官,應用這種技術方法定位和治療。,骨科手術導航

6、系統(tǒng),耳鼻喉科—頭頸外科手術影像導航系統(tǒng),二、虛擬現(xiàn)實技術（VR）在立體定向神經(jīng)外科中應用 虛擬的意思是“事實上不存在的，但在效果上和功能上是與其存在物體相同的”; 現(xiàn)實是指客觀存在的環(huán)境或物體。虛擬現(xiàn)實技術不僅僅是計算機技術，也可能包含多項其他領域的技術，通過模擬技術實現(xiàn)人的各種感官，如同在實際環(huán)境中相同或類似的感覺。這項技術稱為虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality VR）。,在醫(yī)學中，虛擬現(xiàn)實最主要的當然就是虛擬人體

7、。所謂虛擬人體就是要利用各種技術手段來重現(xiàn)一個人的各個系統(tǒng)和臟器。主要的是形態(tài)和功能再現(xiàn)。 目前虛擬現(xiàn)實技術分為三種：①簡單型VR（simplified VR）。②加強型VR（Augmented VR）。③智能型VR（Immersive VR）。,VR技術的基礎——計算機融合技術和導航技術。“融合”是計算機將CT、MRI、DSA等圖像配準融合為一體，還可將立體定向顯微鏡，軌跡監(jiān)視等得以一個計算機圖像?！皩Ш健笔鞘中g之前把帶有標記物

8、，標定在病人的CT或MRI圖像上，并輸入到計算機工作站，根據(jù)這些資料進行多維重建，手術時進行配準，使術前掃描圖像和手術實時相結合并融為一體，根據(jù)導航系統(tǒng)進行手術。,具體來說：就是利用計算機對大量數(shù)據(jù)信息的高速處理和控制能力，對CT、MRI等圖信息進行多維重建，為外科醫(yī)師提供給手術時了解病變部位、手術徑路和腫瘤切除范圍等進行手術模擬、手術導航、手術定位、制定手術計劃，使手術方案客觀、準確、直觀在顯示屏上實時顯象。,VR技術的核心：通過頭帶

9、式顯示屏（head mounted disp lais, HMDS）的設備，觸覺反饋感，使人產(chǎn)生視、聽、觸模擬的感覺，在計算機工作站中形成動態(tài)化，虛擬的內環(huán)境。醫(yī)師在虛擬環(huán)境中，通過提供給醫(yī)師的立體圖象裝置，把醫(yī)師帶到一個可視、聽、觸虛擬的病灶（如腫瘤）空間去，從各個方向檢查腫瘤，模擬手術過程，達到最小損傷組織的真正“微創(chuàng)”境地一種預先演習。,目前虛擬現(xiàn)實技術在神經(jīng)外科手術中的應用，還存在很多缺點：①被模擬的對象均為靜止的，不能模擬腦搏

10、動，血管搏動，腦脊液流動。②不能再生組織和生物化學特性；不同組織之間的界面，組織的質感、光澤和紋理，組織的彈性，牽拉變形達不到；切斷血管后無搏動性血液流出等。③部分虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)雖然增加了感覺反饋系統(tǒng)，但操作不靈敏。④圖象的組織分辨力有待改善。⑤人工智能的應用不夠廣泛。,我們正期待著，VR技術將進入到真正的實時時代（really real in the coming yeas），把形態(tài)和功能兩方面結合起來，成為更加逼真的虛擬人，對醫(yī)學研究

11、，診斷和治療作出更大貢獻。,三、機器人輔助神經(jīng)外科手術 醫(yī)用機器人系統(tǒng)由輔助規(guī)劃導航系統(tǒng)和輔助操作子系統(tǒng)組成。醫(yī)生在外科手術前就可以得到三方面的了解,即對病人手術部位及鄰近區(qū)域的解剖結構有一個明確的認識，可進行手術規(guī)劃，手術路徑設想等;進行手術的仿真操作;了解手術器械在病變組織中位置和周邊的組織信息。,最早的機器人只是一個簡單的機械臂，它只能在手術者的操縱下完成極其有限的工作，無法自行去完成一個完整的手術。隨著影像技術的發(fā)展，一些

12、特別設計的計算機軟件能夠將圖像重建，并且將機器人與計算機工作站相連，由機器人去完成計算機工作站預先設計好的手術程序。,隨著無框架立體定向技術的出現(xiàn)，神經(jīng)外科導航系統(tǒng)與機器人相結合。德國的西門子公司和美國的ISS公司等分別研制出不同類型的機器人系統(tǒng)－（RAMS）。通過機器人的機械臂，將特定的神經(jīng)外科手術器械，如神經(jīng)內鏡、活檢針、激光器、電凝器等送到手術區(qū)。機器人還能使用環(huán)鉆鋸開顱骨，在手術過程中，手術者無須親自操作，并且可以通過計算機工作

13、站的顯示屏觀察手術器械到達的位置，及時調整，做到微侵襲切除腫瘤或活檢。,目前,美國科學家還設計一種機器人，利用探針感受壓力的功能，當它碰到血管的時候會自動感受壓力變化并及時反饋給計算機，從而使手術者能及時調整手術方案，減少了出血的并發(fā)癥。這種探針腫瘤與正常腦組織的質地不同，辨別出腫瘤的邊界，以利于手術中全切除腫瘤。,他們還設計出的一些機器人能夠正確地縫合大鼠的頸動脈。但是，這些研究成果尚未用于臨床，另外報道的一些機器人尚能在手術時將可攜

14、式微型攝像機,送到腦內以觀察顱內病變情況,機器人開始應用于神經(jīng)外科。,我國田增民等，曾用機器人輔助手術。進行了如顱內病灶的活檢、腦室內病灶的手術、腦內小病灶的切除。機器人協(xié)助神經(jīng)外科手術，它對于一些大的病灶及出血較多的病灶尚無法應用。,四．立體定向放射外科——新方法 立體定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery.SRS）是指應用立體定向技術將大劑量高能射線精確地（一次或分次）匯聚于某一局限性的靶點組織，使靶點

15、受到不可逆毀損。它既不同于常規(guī)外科手術，也不同于常見的放療與間質放療—即伽瑪?shù)? X刀。,目前立體定向放射外科使用放射源主要有三種：①放射線核素釋放的α、β、γ射線（光子線）。②X線機和各種加速器產(chǎn)生不同能量的光子線。③各種加速器產(chǎn)生的電子束、質子束、中子束、負π介子等。伽瑪?shù)妒氢?0為放射源；X刀是直線加速器為放射源； 質子刀是帶電粒子為放射源，質子束放射又優(yōu)于X刀或伽瑪?shù)丁?近年來立體定向間質內放療 ( intersti- t

16、ial irradiation）又受到臨床各界關注，其方法--放射微粒治療計劃系統(tǒng)。粒子植入方式有模板種植、CT導向下種植、術中種植,均能收到滿意效果,光子放射治療儀（photon RadioSurgery System .PRS） 他是應用微型X射線治療裝置――PRS400，利用立體定向儀精確定位，安裝在立體定向儀上，通過立體定位計算，將探針直接插入腫瘤中心靶點。因為PRS體積小，便于攜帶，可在手術室內進行，成為外科手術治療

17、的一部分。,Cyber knife——機器人立體定向放射外科治療系統(tǒng) 是一個全新的立體定向放射外科體系,它結構簡單，輕便的直線加速器安裝在機器人的機械臂上，可以靈活地做任意方向的旋轉。采用計算機立體定位導向，自動跟蹤靶區(qū)，無需使用定向儀框架和體架。，他提供多種治療選擇——正向治療計劃或逆向治療計劃，它無需中心投射，可分期分次治療,使病人放射劑量和病變部位達到最大的均勻分布和適形性。,目前世界上有少數(shù)醫(yī)院使用質子治療系統(tǒng)(30),中國

18、山東萬杰醫(yī)院巳安裝完畢,臨床開始治療病人,費用較高。,目前立體定向放射神經(jīng)外科是什么狀態(tài)?,(1)調強適形放療時代 (IMRT) 20世紀90年代,就開始應用調強適形放射治療（IMRT 和3D -CRT）,它是放射治療的先進技術，它以直線加速器為放射源，由立體定位擺位框架、三維治療計劃系統(tǒng)，電動多葉準直器（DMLC）等部分組成，調強適形放射治療是射野形狀和腫瘤的形狀一致，大大降低了腫瘤周圍正常組織的受照劑量，提高了治療增益比

19、。,,(2)圖像引導放療(IGRT) 調強適形放療技術的最新進展是影像引導的放射治療，稱為四維放射治療 (4D-IGRT)。 如果用分子生物影像引導又稱五維 (5D-IGRT)， 目前臨床已經(jīng)開始多種圖像引導放療 : 解剖影像引導放療（CT, MRI）

20、 病理影像引導放療 功能影像引導（PET/CT） 分子影像引導放療 乏氧影像引導放療,,RT Planning Based on Bioloical Imaging-BIMRT,,,,,,Whole org

21、anRT not be required,Dose inhomogeneity preferred,靶區(qū)勾畫的發(fā)展 From Physical to Biological TRT,多學科結合勾畫靶區(qū)是放射治療發(fā)展主要方向,Dose painting,,,,,影像引導放療從過去X-ray 進入CT、MRI ,目 前又進入到PET

22、/CT階段，以后再進入分子生物 影像引導放療。為了達到精確定位、精確計劃、 精確治療,這樣投入大量的新設備和掌握知識的 人才。,在機MRI技術: MRI集成到加速器上(原機Philips1.5TMR和Elekta6MV加速器構成),Medical Imaging Innovation & Image Guided RT,Radiology has been driving developments in Radi

23、ation Oncology,Morphology--- Function--- Cells---Genes/Proteins,Nuclear Medicine is playing increasing roleIn Radiation Oncology,準確的射線投照 PTV Margin Reduction,,Precise but not accurate,Precise but not accurate,精確優(yōu)化物理劑量分

24、布,IMRT,Precise and accurate,準確控制劑量分布位置,IGRT,,我們都知道當前放射外科治療都是利用高劑量輻射，對組織細胞毀損和抑制作用，用來治療各種性質腫瘤和功能性疾病。 低劑量輻射能否對人體組織細胞起“興奮效應”，這是目前科學工作感興趣的課題，正在做大量探索性工作。如果一定的低劑量輻射，照射特定的組織，激活靶組織細胞，達到治療疾病的目的，這樣會把立體定向放射外科治療臨床應用推向新的高峰。,五、計算機網(wǎng)絡與

25、立體定向神經(jīng)外科 計算機網(wǎng)絡工程，它是通過電話線、光纜、衛(wèi)星通訊等不同設備，將計算機系統(tǒng)之間進行連接和分享信息。計算機網(wǎng)絡將逐漸取代如今應用的計算機外部硬盤，借助互聯(lián)網(wǎng)、局部網(wǎng)、影像數(shù)據(jù)和計算機軟件，得到廣泛、安全地應用，從而打破地域界限，更好地為立體定向神經(jīng)外科服務。通過遠距離傳輸和實時視覺（VR）技術的發(fā)展，促進遠程醫(yī)療的發(fā)展。,六、修復神經(jīng)外科——21世紀神經(jīng)外科研究重點 盡管顯微神經(jīng)外科、神經(jīng)放射外科、神經(jīng)內鏡、介

26、入神經(jīng)外科出現(xiàn)與發(fā)展，化療和放療技術的不斷提高，對病人生存率，生活質量沒有明顯改善。每日仍有大量地顱內腫瘤、創(chuàng)傷、腦血管疾病，中毒、帕金森病、Alzheimer病等引起組織結構缺損，重要功能的喪失，使醫(yī)生們仍束手無策。,修復神經(jīng)外科,立體定向神經(jīng)外科來完成,,,（1）、精神外科過去、現(xiàn)在與將來,,,,1、精神外科,修復神經(jīng)外科,,（2）神經(jīng)調控術 精神外科（Neuromodulation） 深部

27、腦電刺激術（DBS）—— 精神外科 在腦深部電刺激（deep brain stimulation, DBS）技術被廣泛應用于運動障礙性疾病的治療基礎上，并開始試用于其他神經(jīng)精神疾病的治療。目前，直接對神經(jīng)元進行電刺激的一種治療方法，起神經(jīng)調控（neuromodulation）作用。 DBS已試用于神經(jīng)精神疾病的治療有癲癇、慢性疼痛、叢集性頭痛、顱腦損傷、永久性植物狀態(tài)以及強迫癥（obsessive compulsive dis

28、order, OCD）和抑郁癥等。,,DBS確切的作用機制尚未明了，DBS治療中常采用高頻電刺激（high frequency stimulation, HFS），即頻率為100Hz或高于100Hz，抑制神經(jīng)元的活動，減少了來自刺激部位的輸出,目前嘗試的DBS靶點主要包括內囊前肢、伏核和腹側尾狀核和扣帶回膝下部等。正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission tomography, PET）檢測發(fā)現(xiàn)患者眶額皮質區(qū)葡萄糖代謝率顯

29、著下降，推測DBS降低眶額皮質代謝活動從而發(fā)揮治療作用。也可能與邊緣系統(tǒng)－運動系統(tǒng)網(wǎng)絡的存在有關，這一發(fā)現(xiàn)提示伏核DBS可能成為治療情緒障礙的一種有效手段。,小腦刺激術 精神外科 早在20世紀70年代Cooper首先應用該技術治療腦性癱瘓、精神病和癲癇。Dario采用小腦刺激技術治療各類精神病，經(jīng)過長期隨訪和醫(yī)學心理測驗，沒有發(fā)現(xiàn)行為和心理障礙現(xiàn)象。 該手術適應于嚴重抑郁癥，焦慮、偏執(zhí)狂和

30、攻擊行為。國內已有采用國產(chǎn)部分植入性小腦刺激器治療癲癇的報告，對精神疾病外科治療臨床尚未應用。,,迷走神經(jīng)刺激術（VNS） 精神外科 臨床應用迷走神經(jīng)刺激(Vagal Nerve Stimulation, VNS)治療癲癇開始于1938年,由Bailey和Bremuer’s 倡導,1988年Penry和Dean第一次報道用于頑固性癲癇患者,并取得滿意效果。此方法是一種新的、非藥物性治療癲癇,安全、

31、易于耐受,能緩解復雜性部分性癲癇發(fā)作。在國內已開展了此項工作。,VNS抗精神病作用機理——VNS是調節(jié)情緒而應用于臨床,來治療抑郁癥和強迫癥。Rush等(2000)報道30例抑郁癥,VNS后50%對焦慮不安得到改善,70%精神激動好轉。George等(2003),應用VNS治療10例OCD，隨訪10周,用Hamilton量表評分，下降23%。VNS治療精神疾病,在我國還未開展。,,,（ 1） 采用深部腦刺激法（DBS) 約70％的感受傷

32、害性疼痛患者和50％的神經(jīng)性傳導阻滯性疼痛患者可獲得緩解。并發(fā)癥約有20%發(fā)生率，主要有電極斷裂、電極故障、感染、出血、輕偏癱、癲癇、導水管阻塞、眼肌運動障礙。其中4％患者的并發(fā)癥是永久性的，嚴重并發(fā)癥或死亡率小于1％。對于采用其他方法治療無效的慢性疼痛者，深部腦刺激術無疑是一種有價值的手段。,2、疼 痛 修復神經(jīng)外科治 療,,（2）脊髓刺激治療疼痛,（3）運動皮層刺激 治療 疼痛,隨著科

33、技發(fā)展，目前癲癇各種手術方式（如大腦半球切除術、顳葉切除術、前額葉切除術、多處軟腦膜下橫切術等大骨瓣、大切口、多處創(chuàng)傷），肯定不符合微侵襲理念和生理解剖入路。 改變上述理念，能達到解剖生理入路治療癲癇——唯有立體定向技術。,3 癲癇,修復神經(jīng)外科治 療,,(1)經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation ,TMS)---治療癲癇 利用一定強度的時變磁場在生物體內誘發(fā)感應電

34、流，此電流刺激來調節(jié)大腦皮質網(wǎng)絡的興奮性，用來抑制癲癇。 低頻rTMS參數(shù)：0.3~0.5Hz，每天兩次，每次15分鐘，500~600個脈沖閾刺激，可減少癲癇發(fā)作50%以上。 (高頻可誘發(fā)癲癇),(2)腦內慢性電刺激---治療癲癇（DBS，VNS，……）,,(3) 癲癇外科治療未來趨勢 1). 腦內慢性電刺激（DBS，VNS，TMS……）。 2). 腦組織移植術及神經(jīng)干細胞治療

35、。 3). 致病灶形態(tài)學和功能性定位方法改進 （fMRI,MRS,SPECT,PET,MEG,EEG……）。 4 ). 立體定向放射外科治療癲癇（高劑量、低劑量、Gene-SAS, ch-SRS）。 5). 大腦可塑性開展研究進行系列基礎和臨床研究，使手術 方式 以最小損傷，達到最好療效，特別手術 時間窗。,4、戒毒 已進入全國十一五計劃,手術示意圖-伏核,5、

36、帕金森?。ㄕ痤?、 僵直 、運動減少） 神經(jīng)修復術 （1） Vim-DBS Gpi-DBS STN -DBS,,（2）腦組織移植和基因治療 自1979年Perlow等報告多巴胺(DA)類神經(jīng)元植入黑質損傷的大鼠腦內糾正運動異常，首先證明腦移植物的功能，1985年Backlund報道了2例自身腎上腺髓質植入尾狀核頭部帕金森病(PD)患者癥狀緩解，使全世界看到腦組

37、織移植的光明前途。,基因工程技術的發(fā)展為腦組織移植提供了廣闊的發(fā)展前景。但是，理想的基因轉移方法應具備安全性、高效性、特異性、穩(wěn)定性、簡便性、可控性等特點。 目前用于腦組織移植的基因轉移方法大體分為病毒介導和非病毒介導兩大類。在移植方式上應該使用微移植（microtransplantation, Mit）技術。,隨著分子生物學的發(fā)展，NCS移植方法，基因治療卻具有十分誘人的臨床應用前景，修復（Resterative）神經(jīng)外科，很

38、多需要立體定向技術協(xié)作完成。 目前又有新的科學技術發(fā)現(xiàn)：基因組學，基因芯片技術，蛋白組學，蛋白芯片技術，代謝組學…..,七．立體定向技術未來 立體定向技術發(fā)展，取決于科學技術的不斷進步，特別是電子計算機飛躍發(fā)展，引出光子計算機，量子計算機，還是生物計算機（Biological Computer）等等。這些計算機正在不斷的充實擴大它的功能，同時促進神經(jīng)影像學、放大技術改進，使神經(jīng)外科走入可視化階段(Visualization

39、System)。也使虛擬現(xiàn)實技術（Virtual reality）臨床應用，來完成醫(yī)師不能完成高難度技術任務。,另外，微纖維技術，激光技術，納米技術發(fā)展，促進臨床上有納米神經(jīng)外科（Nanonaurosurgery）產(chǎn)生，將來有20nm～200nm微小儀器(diminutive devices)問世，利用這些儀器可通過細胞間隙，在細胞膜表面檢查，進行診斷和治療。 今后神經(jīng)外科醫(yī)師在跨入臨床實踐以前，將不再應用動物實驗或尸體解剖練習

40、基本功，而是應用虛擬實驗系統(tǒng)接受教育、培養(yǎng)、培訓，達到成熟后，才可在臨床上實踐。,那么，以后手術環(huán)境是一個全新多維立體定向概念，在計算機幫助下，運用納米技術(nanotechuology)，生物感應技術（Biosensor technology）,虛擬現(xiàn)實技術（VR），機器人（Robotic device）等先進技術，這些設備在功能上更加復雜，在外觀形式和使用上具有極其簡單。它們的目標是一個，使缺失功能神經(jīng)組織修復或再構筑，這些是立體定