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颅脑手术定位系统概述

TIME:2023-10-30READ:555

颅内病变定位对于神经外科手术至关重要,定位的精准性与手术的难易程度以及手术顺利实施紧密相关。

现代意义颅内病变的定位主要依赖于CT和MR的影像学技术的发展。除了采用解剖标志定位外,根据对影像检查资料的后处理不同,借助定位工具,发展出了几种主要方向:脑立体定向框架定位、神经导航系统辅助定位、手术机器人、数字神经外科辅助定位等。

下面就这些定位方法特点一一介绍。

一、脑立体定向框架

脑立体定向框架以Leksell为代表,采用基座和头架、头钉、头托与患者颅骨建立笛卡尔坐标系,通过三维坐标进行精准定位,国内几家品牌也采用相近的原理。

这种脑立体定向头架最早用于γ刀治疗手术,其定位精准误差可以控制在1mm范围内,后来逐渐在颅脑手术中广泛应用,尤其应用于功能神经外科。在治疗帕金森的DBS手术和治疗癫痫的SEEG手术,目前还在广泛使用。

脑立体定向框架以精准、可靠特点受到医生的信任,但在使用中,需要患者在清醒状态下在患者颅骨上安装基座,对患者易造成恐惧心理;昏迷患者不能配合,需要三至四名医生进行安装,对于夜间急诊手术,很难操作;安装时需要头钉将基座固定在患者颅骨上,容易造成皮下出血,甚至是颅骨骨折、硬膜外出血;对医生的操作有较高的要求。





二、神经导航系统

神经导航系统是无框架定位,按照定位原理主要分为电磁导航定位和光学导航定位。

电磁导航需要患者在头皮上贴磁点,CT影像检查之后,通过软件建立颅骨和病灶的三维模型,建立虚拟手术通道。在手术中,需要根据贴磁点进行器械的注册,电磁导航遇到的最大问题在于定位精度偏低,且容易受到干扰,每半个小时会出现影像漂移现象,需要重新注册。

光学导航在患者做CT检查前在患者头皮上贴多个Mark点,通过三维重建,建立具有Mark的颅骨模型和病灶模型,在术中通过近红外定位仪捕捉Mark点位置信息,根据术前规划的针道方向和深度引导器械到达病灶位置。光学导航的XY方向定位精度高,在Z轴方向定位精度较低,Z轴定位精度问题已经受到临床医生的关注;光学导航在手术中容易受到遮挡。

两种导航系统偏重于精准定位,在操作中,需要临床医生对解剖关系有较好的认知,选择安全的手术入路,才能实现微创手术的目的。





三、手术机器人

神经外科手术机器人通过面部扫描注册,引导机械臂将穿刺针、电极送至靶点。

神经外科手术机器人近年来得到飞速的发展,但还有很多技术需要提高,神经外科手术机器人在颅内病变治疗中,由于机械臂的灵活性不够,动作比人手要慢;脑组织性状接近,机械臂触觉和压力反馈需要提高,NASA研制的有多种显微感受器的探针较好的解决这个问题,目前还没有应用于临床;因此能够做的手术仅限于将手术器械或电极送至靶点。由于采用面部扫描注册,对额叶入路的手术能够实现高精度定位,比如治疗帕金森的DBS手术对STN核团的定位以及癫痫的SEEG手术,属于适应症。在国外,将从后路进针的后颅窝手术和脑干手术列为禁忌症,国内专家常采用加骨性标记点注册实施后颅窝以及脑干手术,术前先局部麻醉经头皮钻入注册螺钉固定在颅骨上,用来提高定位精度,但是螺钉的使用容易造成患者恐惧,也增加感染几率,与医生的微创治疗理念相悖。

在国内,大量宣传的是缩短了手术时间,而其操作的繁琐性和总手术时间的延长少有提及。这也是采购了机器人的医院利用率不高的重要原因。

由于颅内结构的解剖学复杂性和神经外科医生必须操作的密闭空间,与其他外科专业相比,神经外科手术对小错误的容忍度明显较低,因为神经结构的任何损伤都是永久性的;这些固有的风险可能阻碍了机器人辅助在神经外科领域的采用。





四、数字神经外科辅助定位

数字神经外科是利用计算机技术,结合先进的以Mimics、3D Slicer和3D eMIPs为代表,将患者的CT、MR等影像检查资料进行三维重建,实现二维图像向三维模型转换,简化病灶周围的毗邻关系,实施模拟手术,提高容错度,降低手术风险。并通过3D打印的方式将手术导板制作出来,结合脑立体定向头架的特点,克服磁导航和光学定位等间接定位的一些漂移或遮挡的弊端,直接进行物理定位,在保证定位精度前提下,提高了手术操作便利性。

(一) Mimics是比利时马瑞斯公司的一款三维重建产品。使用患者影像检查资料,能够进行多模态数据联合配准,充分利用CT、MR等不同的影像检查特点,获取更多与病灶特性相关的影像资料,将二维图像建成三维模型,能够在一个三维空间显示,能够大幅度降低病灶周围的毗邻关系复杂性,简化手术设计。手术规划后,使用Materialise 3-matic设计软件进行手术导板设计。通过3D打印机输出所需要的模型。

(二)3D Slicer是美国国家卫生研究院(National Institutes of Health)支持开发的开源软件,在全球有广泛的应用。与Mimics相同,3D Slicer软件也是通过对患者的影像检查资料处理,将二维图像转化为三维模型,通过第三方软件设计手术导板,通过3D打印方式输出实体模型。3D Slicer软件功能强大,更新速度快,模块多,因此深受计算机爱好者青睐,在国内的神经外科专家中有广泛的用户群体。能够充分满足神经外科医生的临床需求,在国内有大量的文章和材料用于3D Slicer的技术推广。

由于是开源软件,设计思路属于发散式,模块之间虽然可以共享平台,但操作思路迥异,导致学习曲线长,建模时间长。

3D Slicer不属于医疗器械产品,在其官网的使用许可(License)中,明确使用范围,限于非商业用途,在医疗上不建议不阻止。

在法律风险上,2020-12-27 英国伦敦的《经济学人》报道,“美国国家卫生研究院的官员已经对60余家美国机构中的200名国立卫生研究院资助的研究人员进行了调查,他们有可能会违反国立卫生研究院的利益冲突、承诺冲突或研究诚信规定。其中许多想法和技术都对国家安全至关重要。”

(三)3D eMIPs(多模态三维医学影像处理系统)

3D eMIPs是以患者的影像检查资料为基础,对开放性手术、内镜手术所涉及的病灶、组织和器官进行三维重建,规划合理手术方案,建立手术通道并在术中进行定位的整套产品。

3D eMIPs 是具有自主知识产权的国产软件,全中文界面,操作流程简洁,实现功能专业。3D eMIPs吸收Mimics和3D Slicer的优点,采用模块化设计,功能独立,衔接紧凑,能够快速实现二维图像到三维模型的转化;界面友好,在与临床结合中,3D eMIPs广泛吸取临床专家的建议,增加一些实用功能,不仅有利于手术规划,也可以减少患者的影像检查。产品应用特点可以总结为“3分钟手术设计,30分钟打印定位导板,1mm定位精度”。

3D eMIPs通过设计手术入路,在术前进行手术模拟,在术后能够进行回顾性分析,简化了医患沟通,3D打印的手术导板能够实现物理定位。





Mimics、3D eMIPs两个产品以及3D Slicer软件伴随医学影像的发展,功能在快速同步增加,在影像检查数据后处理上具有明显优势,能够更好满足临床应用场景。除了使用3D打印方式输出模型以外,还可以使用MR头显设备、投影设备、激光定位等进行三维模型的应用。

随着微创手术理念的不断深入,手术的指导思想从解决病灶向保护功能迈进,不仅要把手术做好,更要有良好的预后。无论是硬件的发展还是软件的进步,都会最终作用于手术的效果,两者相互影响,共同构建神经外科微创手术的基石。

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