神经导航的原理及其应用

　　学术前沿

 

　　简述神经导航的原理、应用及其他

 

　　神经导航（neuronavigation）一词源于navigation,后者指在航海或陆地航行中依赖实时定位系统（real-timepositioningsystem）选择简捷、安全的路径（approach）准确到达目的地。类似的，将导航（navigation）的概念和原理应用于神经外科手术中，凭借电脑图像处理和手术器械追踪定位技术，能辅助外科医生优化手术入路、精确操作范围，这样的手术称为神经导航手术（navigatedneurosurgery）。目前除神经外科以外，导航技术已广泛应用于耳鼻喉科、整形外科、泌尿外科、骨科等多个领域，在外科临床上起到日益重要的独特作用。在神经外科中，导航技术也已应用于脑肿瘤、血管畸形、脊柱和功能神经外科等主要分支，成为不可替代的手段之一。本文概述了神经导航的历史、原理及其应用，着重于介绍其在功能神经外科的临床意义。

 

　　神经导航的发展历史

 

　　导航的概念最早见于1907年Horsley和Clark在小动物身上的研究。他们借助于体外的解剖标志来确定体内脏器的位置。1947年，Spiegal和Wycis借助“气脑造影术”的技术给软组织成功定位，并开创了导航在人体手术的应用。同期间，瑞典的Leksell和Riechert，法国的Talaiach也发展了各自基于投影影像技术的定位方法。20世纪50到60年代，基于平面影像的导航技术被广泛应用于丘脑切开术。之后，CT的出现使三维图像成为现实，大大推动了导航技术的发展。1986-1987年间，Watanabe、Roberts及Basel多人几乎同时开发出不同的导航系统。其后的二十年间，神经导航技术得到了飞速发展和广泛应用，这依托于诸多先进医学影像技术的出现，如功能磁共振成像（functionalMRI）、核磁共振弥散张量成像（MRI-DTI）、核磁共振弥散加权成像（MRI-DWI）、核磁共振波谱分析（MRS）、核磁共振灌注成像（PWI）、磁源成像（MSI）、脑磁图（MEG）、正电子发射断层成像（PET）、术中超声、术中CT/MRI的，以及电生理监护技术的发展。除了影像技术的进步，导航系统中的定位技术也日臻成熟（详见‘原理’部分）。

 

　　神经导航的原理

 

　　手术导航系统的核心包括图像和定位两部分（图1），分别类似于航行中的“地图”和“罗盘”。首先，医学影像学的图像数据被传输到导航仪，这些数据可以包括计算机断层扫描（CT），核磁共振（MRI），正电子发射计算机断层扫描（PET），数字血管剪影（DSA）等。二维的数据经过导航仪的电脑分析处理，得到三维立体图像，作为导航手术的“地图”。接下来，通过对患者头部标记（marker）的注册（registration），将手术室中的患者实际头部位置和导航仪中的患者头部三维图像对应起来。值得一提的是，患者在神经导航系统中的基础图像可以与其他影像学图像（如功能核磁共振、脑磁图等）以及电生理实验结果（如脑皮层功能区电刺激定位图，corticalmappingbyelectricalstimulation）相融合，这样使神经导航不仅能充分辅助手术入路设计，还可以减少或避免术中对功能区的损伤，降低手术并发症。图1展示的是宣武医院功能神经外科使用的Medtronic公司生产的StealthStation神经导航系统。

 

　　注册完毕之后，手术器械在患者脑部的相对空间位置依赖于其发出的信号被导航仪空间定位设备的捕捉和处理，该位置能在电脑屏幕上实时显示，用于指引术者选择入路到达靶点/靶区域以及在靶点/靶区域的手术操作。神经外科手术器械和导航仪空间定位设备之间的信号传递可以通过多种形式，包括机械（mechanic）定位、超声（ultrasound）定位、电磁（electromagnetic）定位和光学（红外，infrared）定位。现在神经导航中使用最广泛的是光学定位（包括我科现在使用的StealthStation系统），即将手术器械上的红外线发光二极管作为测量目标，CCD摄像机（charge-coupleddevicecamera）作为传感器，从而计算出手术器械的位置。

 

　　神经导航的应用

 

　　神经导航技术自发明以来日渐成熟，已广泛应用于神经外科的多个分支，诸如脑肿瘤（胶质瘤、脑膜瘤、转移瘤、淋巴瘤等）、脑血管畸形、癫痫外科手术（致痫灶切除术、胼胝体切开术）、脑深部电刺激器植入术等。

 

　　国内外已有不少文献报道了在各种神经外科手术中，神经导航对于病灶精确定位、最佳手术入路选择、提高病变全切率、以及降低术后并发症方面的积极意义。例如：英国神经外科医生JohnWadley在1999年发表的论文中，使用前瞻式（prospective）的研究设计，分析了2年中（1998-1999年）300例神经外科手术中的神经导航技术应用。这300例神经导航手术覆盖了神经外科多个分支和多种神经外科手术类型，包括163例开颅术、53例立体定向下活检、7例神经内镜以及37例复杂的颅底手术。从病理分型分析，包括98例胶质瘤、64例脑膜瘤以及23例转移瘤。研究中发现，99％的神经外科医生能从导航的使用中增加对手术的信心，95％的神经外科医生认为在这些病例中借助神经导航技术要优于传统手术。此外，瑞典的Eboli医生还报道了神经导航在经蝶骨垂体腺瘤切除术（transsphenoidalpituitaryadenomectomy）中的成功应用。

 

　　神经导航在功能神经外科的应用

 

　　相对于神经导航在其他神经外科分支中的应用，其在功能神经外科的使用较晚，但已同样展现出重要价值和积极意义，成为现代功能神经外科的重要手段之一。癫痫外科是功能神经外科的重要分支。同肿瘤切除术一样，癫痫灶切除术不仅可以借助神经导航技术设计最优的手术入路，尽量减少手术创伤性，准确的寻找到病灶，更为重要的是能通过融合的功能性影像和电生理数据从而在充分的切除致痫灶同时保护运动、感觉、或者语言功能区，减少术后并发症，提高患者生活质量。2001年，Roux在Neurosurgery杂志上发表文章，专门介绍在神经导航术中将功能影像和皮层电刺激结果的融合方法。再例如颞叶癫痫手术：2000年，Wurm提出应用神经导航选择性的切除海马杏仁体（selectiveamygdolohippocampectomy），这一技术既保证了手术切除的精准选择性，又充分减少了对其他脑皮层和血管的损伤。

 

　　此外，对于全面性难治性癫痫，特别是失张力（atonic）发作形式，胼胝体切开是一种可以考虑的姑息性手术。小儿神经外科医生Jea在2008年NeruosurgeryFocus上撰文提出：应用神经导航系统能在胼胝体切开术中帮助医生判断切开的程度（全部性或者部分性），以及选择手术操作的大脑半球侧别（为保护上矢状窦旁桥静脉）。总之，神经导航和神经监测（neuromonitoring）一起，已被认为是现代癫痫外科手术中必备的工具之一，对于提高手术成功率和降低术后并发症方面有不可取代的价值。

 

　　脑深部电刺激（deepbrainstimulation,DBS）是一种微侵袭神经外科手术方法。它采用立体定向的方法进行精确定位，在脑内特定的靶点植入电极进行高频电刺激。从而改变相应核团的兴奋性以达到改善症状的目的。脑深部电刺激在运动障碍疾病中的良好效果取决于良好的患者选择及精准的电极植入等多因素，后者传统上通过有框架（framed）的立体定向外科手术（stereotaxy）实现。

 

　　如果将神经导航应用于脑深部电刺激术中，医生则可不依赖于头框而仅通过无线的红外定位就能在电脑屏幕上实时观察确认手术路径。患者也只需要在头部固定若干标记（markers），较少不适和紧张，并方便术中电刺激测试时的活动和配合，这样的方法称为无框架型脑深部电刺激术（framelessDBS）。和框架型立体定向手术相比，无框型DBS术在患者舒适度、缩短手术时间等方面明显具有优势。较多的国外研究者则认为二者在精度上相当，即新型的无框型DBS也具有令人满意的电极植入精度。目前，国内的DBS术主要采取传统的有框架立体定向方法，尚未见到和无框型的比较研究报告。考虑到无框型DBS（应用神经导航技术）在患者舒适度、缩短手术时间等方面的明显优势，未来值得开展其更多临床应用及相关研究。

 

　　除癫痫外科、脑深部电刺激术外，神经导航技术还已应用于针对神经病理性疼痛的运动皮层电刺激，针对慢性疼痛和抑郁患者的经颅磁刺激的线圈放置等其他功能神经外科疾病的治疗领域，展现出广泛的应用前景和重要的临床、科研价值。比如，在应用脊髓电刺激（spinalcordstimulation）治疗顽固性疼痛的手术中，神经导航可以辅助定位脊椎的节段。在射频热凝治疗三叉神经痛的手术中，神经导航可以适时动态地指示手术部位，保证手术的精确定位和最小损伤。

 

　　神经导航的局限

 

　　神经导航术中脑组织结构可能因为各种原因造成移位，这样导航依据术前扫描和注册判定的手术器械位置与真实位置就可能存在差异，称之影像漂移（又称脑漂移，brainshift），国外统计其发生率高达66％。为了解决这个问题，可以行术中也称实时核磁扫描（intraoperativeorreal-timeMRI）来纠正偏差。另外，掌握尽量减少到达靶点前的脑脊液或囊液流失等实际操作经验可以明显减少漂移的发生，降低对手术精准的影响，这些技巧的获得有赖于充分的技术培训和临床摸索。

 

　　总结

 

　　随着显微神经外科的普及和微创治疗观念的提出，为了更好的保护患者神经功能，提高患者术后生活质量，神经导航系统在神经外科手术中的辅助作用已日益突出。如今，国外很多医院的神经外科已经将神经导航技术作为常规的辅助手段，国内神经导航的应用也不断扩大，特别是其在功能神经外科领域已展现出巨大的应用和研究价值。正如任何一项技术手段，神经导航有独特优点的同时，也有局限性。充分的学习、实践、研究、发展神经导航技术将会促进神经外科包括功能神经外科手术更大的进步。