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1、 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,立 体定向辅助神经外科等新理念。 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
2、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，Leonando da Vinci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ClarkeHorsley设计出三维坐标 定向系统。 1947年SpiegelWycis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
3、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( iMRI fMRI iCT导航技术，来 弥补术中目标移位)。 目前Neuro-navigation，不论BrainLAB 神经外科导航系统，stryker导航系统、 stealth station treon导航系统，均具有
4、一 定智能功能，神经外科手术计划系统， Talairach 和schatenbrand图谱，大脑功能 多种图像融合功能和有框架立体定向手术计 划系统，可在颅内作任意导航。 无框架立体定向技术 （ 神经外科导航系统 ），他已走出神经外科向其他学科渗透，目前已 有了五官科导航系统，脊柱外科导航系统，不久 将扩大到全身各个部位和器官,应用这种技术方 法定位和治疗。 骨科手术导航系统耳鼻喉科头颈外科手术影像导航系统 二、虚拟现实技术（VR）在立体定向神经外科 中应用 虚拟的意思是“事实上不存在的，但在效果上和 功能上是与其存在物体相同的”; 现实是指客观存在 的环境或物体。虚拟现实技术不仅仅是计算机技
5、术， 也可能包含多项其他领域的技术，通过模拟技术实现 人的各种感官，如同在实际环境中相同或类似的感觉 。这项技术称为虚拟现实技术（Virtual Reality VR ）。 在医学中，虚拟现实最主要的当然就是虚拟人体 。所谓虚拟人体就是要利用各种技术手段来重现一 个人的各个系统和脏器。主要的是形态和功能再现 。 目前虚拟现实技术分为三种：简单型VR （simplified VR）。加强型VR（ Augmented VR）。智能型VR（Immersive VR）。 VR技术的基础计算机融合技术和导航技术。 “融合”是计算机将CT、MRI、DSA等图像配准融合为 一体，还可将立体定向显微镜，轨迹监
6、视等得以一 个计算机图像。“导航”是手术之前把带有标记物， 标定在病人的CT或MRI图像上，并输入到计算机工作 站，根据这些资料进行多维重建，手术时进行配准 ，使术前扫描图像和手术实时相结合并融为一体， 根据导航系统进行手术。 具体来说：就是利用计算机对大量数据信息的 高速处理和控制能力，对CT、MRI等图信息进行多 维重建，为外科医师提供给手术时了解病变部位、 手术径路和肿瘤切除范围等进行手术模拟、手术导 航、手术定位、制定手术计划，使手术方案客观、 准确、直观在显示屏上实时显象。 VR技术的核心：通过头带式显示屏（head mounted disp lais, HMDS）的设备，触觉反馈感
7、， 使人产生视、听、触模拟的感觉，在计算机工作站 中形成动态化，虚拟的内环境。医师在虚拟环境中 ，通过提供给医师的立体图象装置，把医师带到一 个可视、听、触虚拟的病灶（如肿瘤）空间去，从 各个方向检查肿瘤，模拟手术过程，达到最小损伤 组织的真正“微创”境地一种预先演习。 目前虚拟现实技术在神经外科手术中的应用，还 存在很多缺点：被模拟的对象均为静止的，不能 模拟脑搏动，血管搏动，脑脊液流动。不能再生 组织和生物化学特性；不同组织之间的界面，组织 的质感、光泽和纹理，组织的弹性，牵拉变形达不 到；切断血管后无搏动性血液流出等。部分虚拟 现实系统虽然增加了感觉反馈系统，但操作不灵敏 。图象的组织分
8、辨力有待改善。人工智能的应 用不够广泛。 我们正期待着，VR技术将进入到真正的实时时代 （really real in the coming yeas），把形态和 功能两方面结合起来，成为更加逼真的虚拟人，对 医学研究，诊断和治疗作出更大贡献。 三、机器人辅助神经外科手术 医用机器人系统由辅助规划导航系统和辅助操 作子系统组成。医生在外科手术前就可以得到三方 面的了解,即对病人手术部位及邻近区域的解剖结构 有一个明确的认识，可进行手术规划，手术路径设 想等;进行手术的仿真操作;了解手术器械在病变组 织中位置和周边的组织信息。 最早的机器人只是一个简单的机械臂，它只能 在手术者的操纵下完成极其有
9、限的工作，无法自行 去完成一个完整的手术。随着影像技术的发展，一 些特别设计的计算机软件能够将图像重建，并且将 机器人与计算机工作站相连，由机器人去完成计算 机工作站预先设计好的手术程序。 随着无框架立体定向技术的出现，神经外科导航 系统与机器人相结合。德国的西门子公司和美国的 ISS公司等分别研制出不同类型的机器人系统（ RAMS）。通过机器人的机械臂，将特定的神经外科 手术器械，如神经内镜、活检针、激光器、电凝器 等送到手术区。机器人还能使用环钻锯开颅骨，在 手术过程中，手术者无须亲自操作，并且可以通过 计算机工作站的显示屏观察手术器械到达的位置， 及时调整，做到微侵袭切除肿瘤或活检。 目
10、前,美国科学家还设计一种机器人，利用探针 感受压力的功能，当它碰到血管的时候会自动感受压 力变化并及时反馈给计算机，从而使手术者能及时调 整手术方案，减少了出血的并发症。这种探针肿瘤与 正常脑组织的质地不同，辨别出肿瘤的边界，以利于 手术中全切除肿瘤。 他们还设计出的一些机器人能够正确地缝合大 鼠的颈动脉。但是，这些研究成果尚未用于临床， 另外报道的一些机器人尚能在手术时将可携式微型 摄像机,送到脑内以观察颅内病变情况,机器人开始 应用于神经外科。 我国田增民等，曾用机器人辅助手术。 进行了如颅内病灶的活检、脑室内病灶的 手术、脑内小病灶的切除。机器人协助神 经外科手术，它对于一些大的病灶及出
11、血 较多的病灶尚无法应用。 四立体定向放射外科新方法 立体定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery.SRS）是指应用立体定向技术将大剂量 高能射线精确地（一次或分次）汇聚于某一局限性的 靶点组织，使靶点受到不可逆毁损。它既不同于常规 外科手术，也不同于常见的放疗与间质放疗即伽玛 刀, X刀。 目前立体定向放射外科使用放射源主要有三种 ：放射线核素释放的、射线（光子线 ）。X线机和各种加速器产生不同能量的光子线 。各种加速器产生的电子束、质子束、中子束 、负介子等。伽玛刀是钴60为放射源；X刀是直 线加速器为放射源； 质子刀是带电粒子为放射源，质子束放射又优 于X刀或伽玛
12、刀。 近年来立体定向间质内放疗 ( intersti- tial irradiation）又受到临床各界关注，其方 法-放射微粒治疗计划系统。粒子植入方式有模 板种植、CT导向下种植、术中种植,均能收到满意 效果 光子放射治疗仪（photon RadioSurgery System .PRS） 他是应用微型X射线治疗装置PRS400，利用 立体定向仪精确定位，安装在立体定向仪上，通过 立体定位计算，将探针直接插入肿瘤中心靶点。因 为PRS体积小，便于携带，可在手术室内进行，成 为外科手术治疗的一部分。 Cyber knife机器人立体定向放射外科治疗系统 是一个全新的立体定向放射外科体系,它结
13、构简单 ，轻便的直线加速器安装在机器人的机械臂上，可以 灵活地做任意方向的旋转。采用计算机立体定位导向 ，自动跟踪靶区，无需使用定向仪框架和体架。，他 提供多种治疗选择正向治疗计划或逆向治疗计划 ，它无需中心投射，可分期分次治疗,使病人放射剂 量和病变部位达到最大的均匀分布和适形性。 目前世界上有少数医院使用质子治疗系统 (30),中国山东万杰医院巳安装完毕,临床开始治疗 病人,费用较高。 目前立体定向放射神经外科是什么状态目前立体定向放射神经外科是什么状态? ? (1)调强适形放疗时代 (IMRT) 20世纪90年代,就开始应用调强适形放射治疗（IMRT 和3D -CRT）,它是放射治疗的先
14、进技术，它以直线加 速器为放射源，由立体定位摆位框架、三维治疗计划 系统，电动多叶准直器（DMLC）等部分组成，调强 适形放射治疗是射野形状和肿瘤的形状一致，大大降 低了肿瘤周围正常组织的受照剂量，提高了治疗增益 比。 (2)图像引导放疗(IGRT) 调强适形放疗技术的最新进展是影像引导的放射治疗 ，称为四维放射治疗 (4D-IGRT)。 如果用分子生物 影像引导又称五维 (5D-IGRT)， 目前临床已经开始多种图像引导放疗 : 解剖影像引导放疗（CT, MRI） 病理影像引导放疗 功能影像引导（PET/CT） 分子影像引导放疗 乏氧影像引导放疗 lRT Planning Based on
15、Bioloical Imaging-BIMRT GTV PTV Classical Anatomical Or Physical Planning, IMRT Whole organ irradiation required Dose homogeneity preferred Whole organ RT not be required Dose inhomogeneity preferred 靶区勾画的发展 From Physical to Biological TRT 多学科结合勾画靶区 是放射治疗发展主要方向 Dose painting 影像引导放疗从过去X-ray 进入CT、MRI
16、,目 前又进入到PET/CT阶段，以后再进入分子生物 影像引导放疗。为了达到精确定位、精确计划 、 精确治疗,这样投入大量的新设备和掌握知识的 人才。 在机在机MRIMRI技术技术: MRI: MRI集成到加速器上集成到加速器上 ( (原机原机Philips1.5TMRPhilips1.5TMR和和Elekta6MVElekta6MV加速器构成加速器构成) ) Medical Imaging Innovation & Image Guided RTMedical Imaging Innovation & Image Guided RT X-Ray 1895 195819721980 1995 2000 20012020 U/S CT MR PET Digital XR CT/PET NM Molecular Imaging XMR, XU/S Optical Imaging 3D U/S MR/PET VCT Free electron
