立體定向技術的研究進展

吳卓晉，潘超，張萍，唐穎馨，伍國峰，劉文杰，唐欣，唐洲平

隨著科學技術水平的提高，立體定向技術不斷發(fā)展，衍生出立體定向神經(jīng)外科（stereotactic neurosurgery）、立體定向放射外科（stereotactic radiosurgery）、功 能 性 神 經(jīng) 外 科（functional neurosurgery）等分支學科，其在神經(jīng)系統(tǒng)和精神系統(tǒng)疾病的治療中起重要作用，并逐漸向其他學科發(fā)展。本文就立體定向技術的發(fā)展概況、臨床應用、現(xiàn)存問題、總結與展望4個方面進行綜述。

1 立體定向技術的發(fā)展概況

立體定向技術自創(chuàng)立到廣泛應用于臨床已有100多年，該項技術從有框架立體定向逐步向無框架立體定向發(fā)展，并進一步與各種技術相結合，衍生出功能神經(jīng)導航和立體定向機器人等技術，在臨床上廣泛應用。

1.1 有框架立體定向階段

1908 年，Horsley 和Clarke 醫(yī)生[1]采用三維直角坐標系統(tǒng)研制出首臺立體定位儀并用于動物試驗，該儀器也被視為有框架立體定位儀的雛形，他們還首次使用了“stereotaxy and stereotaxic apparatus”的術語[2]。1947年，Spiegel教授和Wycis醫(yī)生[3]在腦室造影數(shù)據(jù)的基礎上發(fā)明了第1臺適用于人體的有框架立體定向裝置，并首次將其用于手術治療1 例亨廷頓病患者。此后，Leksell、Reichert等有框架立體定向儀先后出現(xiàn)。1964年，蔣大介教授[4]研制出中國第1臺立體定位儀。1976年，Bergstr?m[5]將CT 與有框架立體定向技術結合并首次成功應用于臨床。之后，立體定向技術逐步與MRI等技術相結合。

1.2 無框架立體定向階段或神經(jīng)導航階段

無框架定向系統(tǒng)不依賴于傳統(tǒng)定位的基準框架，而是采用數(shù)枚基準標志物粘附在頭上取代沉重的定位框架。1986 年Roberts[6]首次報告使用聲波數(shù)字化儀跟蹤手術器械或顯微鏡的方法，從而開創(chuàng)了神經(jīng)外科導航系統(tǒng)（neuronavigation），又稱無框架立體定向技術或影像引導神經(jīng)外科。此后10余年間，該項技術在全球范圍內(nèi)迅速推廣，包括Watanabe 和Schlondroff 設計的關節(jié)臂神經(jīng)導航系統(tǒng)（1987 年）、Brainlab 公司生產(chǎn)的VectorVision 光學數(shù)字化導航儀（1998 年）、Medtronic 公司的Stealthstation 電磁數(shù)字化導航儀（1986 年）等。我國自1998 年陸續(xù)有深圳安科高技術股份有限公司、上海復旦數(shù)字醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)的ASA-610V 型和Excelim-04 型神經(jīng)外科手術導航系統(tǒng)在臨床試用[7]。

1.3 功能神經(jīng)導航

以往大腦皮質的功能區(qū)域是根據(jù)其大致的解剖結構進行定位，準確性不足，對大腦功能區(qū)內(nèi)或鄰近的病灶進行手術時通常會損害皮質和皮質核束，導致術后并發(fā)癥[4]。功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）等技術的出現(xiàn)彌補了這一不足。與傳統(tǒng)的神經(jīng)導航相比，功能性神經(jīng)導航結合解剖成像（如CT、MRI、DSA 等）和代謝功能性成像（如PET、fMRI、DTI等），達到信息互補，在此基礎上進行手術規(guī)劃有利于最大程度上去除病灶和最小化功能損傷[4,7]。我國的一項前瞻性隨機對照研究證明了基于DTI的功能性神經(jīng)導航有助于最大程度地切除腫瘤，減少患者術后的運動功能障礙，提高患者的高質量生存率[8]。

1.4 立體定向技術與機器人

醫(yī)療機器人系統(tǒng)的應用提高了手術的精確度，穩(wěn)定性和效率，1985年Kuoh率先將PUMA 200機器人與有框架立體定位儀聯(lián)合用于顱內(nèi)穿刺活檢術[9]。1997年，美國食品和藥物管理局（FDA）批準了neuromate 機器人，其也是第1 個能夠同時提供有框架和無框架立體定向注冊的機器人[10]，我國自主研制的CRAS-HB 型機械系統(tǒng)于2000 年成功應用于顱內(nèi)多種病變的手術[11]。臨床上常用的立體定向機器人系統(tǒng)還有ROSATM、iSYS1?等，其中以ROSATM臨床應用較多[12]。

2 立體定向技術的臨床應用

2.1 立體定向抽吸引流術

立體定向抽吸引流術作為一種治療性手術，被用于治療腦出血[13-16]，腦膿腫[17]、腦囊性病變[18]等疾病，其中治療腦出血的研究和報道最多。

血腫清除是治療腦出血的重要手段，臨床上多采取開顱或微創(chuàng)的方式進行手術。立體定向血腫清除術作為一種微創(chuàng)手術方式，使用影像引導將導管置入血腫并抽吸血液，在血腫腔內(nèi)留置導管，注入溶栓藥物，從而清除血腫。其定位精確，損傷小，在小血腫、深部血腫的治療上有明顯優(yōu)勢[13]，該技術已在我國多地開展，并已作為推薦治療方式被列入我國多部腦出血指南[14,15]。目前臨床對腦出血立體定向手術的手術時機尚未形成共識，2020 年《高血壓性腦出血中國多學科診治指南》指出利用立體定向血腫穿刺聯(lián)合纖溶藥物治療＞30 mL的小腦幕上血腫是安全的，血腫殘存量＜15 mL可能會改善預后，但其不能改善腦室出血患者的神經(jīng)功能預后[15]。置管錯位、再出血和感染是立體定向血腫清除術的主要并發(fā)癥[16]。

2.2 立體定向腦活檢術

立體定向腦活檢術由于其準確性和微侵襲性已逐漸成為腦組織活檢的主要手段，其適用于通過影像學檢查不能確診、不可行開顱手術切除的顱內(nèi)病變，病灶位于重要功能區(qū)或深部腦區(qū)、危重以及不能夠耐受全麻手術的患者，但應慎用于血管性病變或血管極豐富的病灶以及凝血功能異常有出血傾向的患者[19]。

立體定向活檢的并發(fā)癥主要有死亡、出血、水腫、感染、術后癲癇發(fā)作，其中出血是最主要的并發(fā)癥[20]。大多數(shù)并發(fā)癥首發(fā)表現(xiàn)為神經(jīng)系統(tǒng)障礙、癲癇發(fā)作和神志不清。并發(fā)癥多于術后迅速出現(xiàn)臨床癥狀[21]，常在數(shù)分鐘或數(shù)小時以內(nèi)，但若是與腦水腫相關則可能推遲至術后48 h內(nèi)出現(xiàn)[22]。

2.3 立體定向技術與腦部深刺激

腦深部刺激（deep brain stimulation，DBS）是運動障礙性疾病如帕金森病、原發(fā)性震顫和肌張力障礙的有效治療方法，該手術的成功取決于能否將電極準確放置于特定的神經(jīng)核團內(nèi)，有框架立體定向技術是其常用技術。一項meta分析[23]表明，與有框架立體定向引導的DBS比較，使用無框架系統(tǒng)的定位準確性在有統(tǒng)計學上顯著下降，但絕對誤差差異很小，無臨床意義，故無框架系統(tǒng)可以替代有框架系統(tǒng)。2019 年的一項研究表明利用無框架立體定向機器人輔助DBS治療具有安全性與準確性，而且可以提高手術效率[24]。

2.4 立體定向放射治療

立體定向放射治療由立體定向技術和放射治療結合發(fā)展而來，并衍生出立體定向放射外科，其利用立體定向技術，將大劑量高能射線精確地聚集在局部的病變組織（靶區(qū)），通過局灶性放射性壞死而達到治療疾病的目的[25]。常用的技術如伽馬刀、x刀等。伽馬刀手術采用多點輻射，能更好地對形狀不規(guī)則的腫瘤進行治療，其能同時針對大腦淺層和深層結構、微創(chuàng)、無需手術和麻醉的優(yōu)點，可適用于多種腫瘤[26]。此外，射波刀是一種無框架的立體定向放射手術設備，已被用于顱內(nèi)和顱外腫瘤，并已證明與有框架設備同樣有效[27]。立體定向放射外科手術已廣泛應用于治療腦的良惡性疾病和功能障礙。惡性疾病如腦轉移瘤和膠質母細胞瘤，良性疾病如腦膜瘤、動靜脈畸形、前庭神經(jīng)鞘瘤、垂體腺瘤，功能障礙性疾病如三叉神經(jīng)痛、震顫、癲癇等[28]。

3 立體定向技術的尚存問題與挑戰(zhàn)

至今，立體定向技術已取得巨大的進步并廣泛應用，但定位的準確性仍是其主要挑戰(zhàn)之一。目前的定位技術多依賴術前的影像學資料，但存在影像學圖像失真、注冊中的漂移等問題需要解決[29]。同時，由于腦組織是非剛性的，在手術期間受組織的生物力學特性、重力、顱內(nèi)壓變化和麻醉等影響，不可避免地會出現(xiàn)腦組織移位或變形[30]，降低了導航的定位精度，也降低了手術的準確性、安全性和有效性，臨床上利用術中CT和術中MRI來彌補術中目標移位。利用軟件進行模型模擬來預測腦移位也是提高定位準確性的一種手段[31]。

成本與效益是立體定向技術發(fā)展的另一大挑戰(zhàn)，尤其是對于立體定向機器人系統(tǒng)，既往報道雷尼紹（Renishaw）公司的neuromate?和捷邁邦美（Zimmer Biomet）公司的ROSATM 的成本分別為$297 000 和$700 000[12]，此外還有每年的設備維護成本。立體定向設備和機器人多為高度專業(yè)化的機器，其使用常常需要對醫(yī)生、護士等相關人員進行培訓，這也需要時間成本和經(jīng)濟成本。此外，設備的大小、重量以及觸覺反饋缺乏等也是其不足之處[32]，為容納機器人和設備，手術室將需要更大的空間。除此，機器故障的風險也將對患者的生命健康造成威脅[33]。

4 總結與展望

立體定向技術自創(chuàng)立以來，從有框架到無框架，并發(fā)展出功能神經(jīng)導航和立體定向機器人，臨床上廣泛應用于腦腫瘤、腦血管疾病和運動障礙性疾病等神經(jīng)和精神性疾病，并逐漸向其他學科發(fā)展。

立體定向技術將更多的與各種先進技術相結合，如虛擬現(xiàn)實技術（virtual reality，VR）、增強現(xiàn)實技術（augmented reality，AR）、分子生物學技術等。與VR 結合將使醫(yī)生能在術前模擬手術的每個步驟以及可能的遇到問題，完善治療策略，從而使手術更加安全、有效和個體化[34]。AR的應用可以提供一個實時更新的3D虛擬解剖學型，其疊加于真實的手術領域，使外科醫(yī)生可以保持對手術部位的觀察，并且對定位結構、指導手術切除以及更精確地規(guī)劃手術非常有利，提高了手術的安全性，使患者獲得更好的臨床結果[35,36]。

未來的立體定向技術將具有更高的準確性、安全性，并朝著自動化、便攜化、低成本化等方向發(fā)展。低成本的設備有助于在基層醫(yī)院進行推廣，進而推進技術的改進和臨床應用；便攜化設備可使其應對更多復雜的環(huán)境；自動化、智能化的設備將使自動化手術成為可能，從而更好地為醫(yī)生和患者提供幫助。