機械臂輔助腦深部電刺激術(shù)精準(zhǔn)度的研究

李建宇，任志偉，郭松，俞凱佳，胡永生，李勇杰

20世紀(jì)60年代，第一臺機械臂用于硬件制造工業(yè)，最初的設(shè)計理念是想取代人類制造。但隨著科技的發(fā)展，機械臂應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，機械臂更多是幫助人類完成各種精細(xì)重復(fù)的工作[1]。1978年，Sheinmann研發(fā)出第一臺醫(yī)用機械臂(Programmable Universal Manipulation Arm)，應(yīng)用于CT引導(dǎo)下的腦活檢，提高了手術(shù)的精準(zhǔn)度，縮短了手術(shù)時間[2]。隨后幾年，因為腦深部電刺激(deep brain stimulation,DBS)和腦活檢均屬于立體定向手術(shù)，所以機械臂逐漸應(yīng)用于DBS手術(shù)。

首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院功能神經(jīng)外科從2017年開始采用機械臂輔助下埋植sEEG電極，用于癲癇患者的腦電圖監(jiān)測；2019年機械臂開始用于DBS治療運動障礙病的手術(shù)。由于DBS手術(shù)需要埋植電極的精準(zhǔn)度非常高；為此本研究回顧分析10例機械臂輔助埋植電極DBS治療的運動障礙病患者的臨床資料，探討其精準(zhǔn)度。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組患者中男3例，女7例；年齡44～78歲，平均年齡(61.4±9.0)歲；帕金森病8例，肌張力障礙2例；丘腦底核(subthalamic nucleus，STN)作為靶點者6例，蒼白球內(nèi)側(cè)部(globus pallium interior,GPi)作為靶點4例。

1.2 方法

1.2.1 手術(shù)流程 共埋植20根腦深部電極，術(shù)中植入的刺激電極采用四觸點電極(3387型，Medtronic Inc，Minneapolis，MN)。所有病例的電極植入，均在局麻下采用華科精準(zhǔn)神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)SR1進行。安裝Leksell立體定向頭架，適配DBS專用基框，行術(shù)前CT掃描。Sinoplan手術(shù)計劃系統(tǒng)，導(dǎo)入術(shù)前不同掃描序列MRI圖像(T1WI、T2WI、QSM)和CT等，多模態(tài)影像融合后，計算出目標(biāo)靶點的三維坐標(biāo)和電極入路的角度。立體定向頭架通過Y形叉直接和機械臂相連。機械臂位于患者頭部正上方或斜上方(圖1)。固定機械臂后，使用基框標(biāo)記點進行患者注冊和精度驗證。拆除基框消毒鋪巾后，更換DBS專用適配器固定α-Omega微電極記錄系統(tǒng)，機械臂引導(dǎo)下通過套管針確定電極的頭皮入路點。切開頭皮，嚴(yán)格止血后，暴露顱骨，再次在機械臂引導(dǎo)下套管針確定顱骨鉆孔位置；電鉆鉆開顱骨后，再次安裝基框進行術(shù)中注冊和精度驗證。更換DBS專用適配器固定微電極記錄系統(tǒng)，套管針引導(dǎo)下確定硬膜入路位置，切開硬膜，并在皮層上造瘺。機械臂位置距靶點187 mm后,置入套管針后進行微電極測試(圖1)。微電極記錄靶點核團的細(xì)胞放電，更換刺激電極(治療電極)，測試患者治療窗數(shù)值(即癥狀改善的閾值和副反應(yīng)閾值差)。如測試結(jié)果滿意，拆除立體定向頭架后全麻下埋植脈沖發(fā)生器，操作步驟同之前的文獻報道[3]；如果測試結(jié)果不滿意，采用O臂復(fù)查電極位置，根據(jù)設(shè)計靶點進行調(diào)整。

圖1 機械臂的擺放及術(shù)前注冊和術(shù)中引導(dǎo)電極植入其中每個觸點間距3 mm,最遠(yuǎn)端為0觸點,紅色圓點代表設(shè)計電極位置的三維坐標(biāo)圖2 植入4觸點電極術(shù)后CT復(fù)查影像及電極示意圖

1.2.2 實際靶點與設(shè)計靶點差值的計算 采用√(X術(shù)前-X術(shù)后)2+(Y術(shù)前-Y術(shù)后)2+(Y術(shù)前-Y術(shù)后)2公式(即歐基米德公式)計算出術(shù)前設(shè)計靶點與術(shù)后實際靶點的直線距離。實際靶點的坐標(biāo)值采用植入電極0觸點下緣中心(圖2)。

2 結(jié) 果

2.1 植入電極設(shè)計路徑與實際路徑的角度及靶點坐標(biāo)值比較 10例患者20根電極的實際電極與設(shè)計電極路徑的Arc角、Ring角度比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.584，P=0.282)；見表1。雙側(cè)實際電極與設(shè)計電極坐標(biāo)(X,Y,Z)值比較顯示，實際電極與設(shè)計電極的右側(cè)X、Y和左側(cè)Y值的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.043，P=0.030，P<0.01)，其他坐標(biāo)值間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(表2)。

表1 植入電極設(shè)計路徑與實際電極路徑的角度比較

表2 設(shè)計靶點與實際靶點的三維坐標(biāo)值比較(mm)

2.2 實際靶點與設(shè)計靶點的距離 實際靶點與設(shè)計靶點的三維坐標(biāo)之間的距離為(1.81±0.81)mm。去除深度因素，實際靶點與設(shè)計靶點的二維坐標(biāo)間的距離為(1.41±0.82)mm。

2.3 并發(fā)癥 本組患者在術(shù)中及術(shù)后短期內(nèi)均沒有并發(fā)癥發(fā)生，包括與手術(shù)相關(guān)的并發(fā)癥及與刺激器硬件相關(guān)的并發(fā)癥。與刺激參數(shù)相關(guān)的并發(fā)癥均通過調(diào)節(jié)刺激方式(單極、雙極)、刺激觸點和刺激參數(shù)(電壓、頻率和脈寬)得到解決。

3 討 論

機械臂輔助DBS和sEEG手術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于功能神經(jīng)外科。本研究3年前開始采用華科精準(zhǔn)機械臂輔助sEEG手術(shù)，近期又將此項技術(shù)應(yīng)用于DBS植入術(shù)；總結(jié)分析10例運動障礙患者機械臂輔助電極植入的數(shù)據(jù)，探討此種手術(shù)的精準(zhǔn)度。

DBS手術(shù)需要非常高的精準(zhǔn)度，如果電極植入的誤差超過2 mm，手術(shù)的效果就會受到明顯的影響[4]。手術(shù)的精度是指電極植入的實際靶點坐標(biāo)與設(shè)計靶點坐標(biāo)之間的差值；手術(shù)的準(zhǔn)度是指此項技術(shù)的可重復(fù)性，即統(tǒng)計學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)差。手術(shù)路徑的精準(zhǔn)度會影響到電極穿過靶點核團的長度，也就是核團內(nèi)有效電極的長度，會影響到術(shù)后刺激觸點選擇的余地和參數(shù)的調(diào)整范圍。

本研究采用華科精準(zhǔn)機械臂輔助下植入20根電極，實際靶點與設(shè)計靶點的平面誤差為(1.41±0.82)mm；因為深度誤差可以通過調(diào)節(jié)刺激觸點的方式進行代償，所以可以忽略，在文獻報道中也有類似算法[5,15]。DBS電極植入精確度的統(tǒng)計結(jié)果與其他中心的結(jié)果基本一致[13,15-19]。De Benedictis報道[6]116例兒童患者采用機械臂輔助植入電極，用3D歐幾里德距離測算法計算實際靶點與設(shè)計靶點的差距；其中sEEG(n=36)為1.96 mm，蒼白球毀損術(shù)(n=12)為1.33 mm，DBS(n=3)為1.60 mm。Goia等報道[7]，24例采用ROSA機械臂全麻下埋植的DBS患者，實際靶點與設(shè)計靶點的誤差左右側(cè)分別為1.12 mm和0.81 mm。Ho等報道[5]，20例機械臂輔助下DBS患者，實際電極與設(shè)計電極的平面誤差為(1.40±0.11)mm，深度誤差為(1.05±0.18)mm。本組患者計算的設(shè)計靶點右側(cè)偏內(nèi)偏后，左側(cè)偏后，在文獻里也有類似的報道[7]。分析誤差產(chǎn)生的原因可能與以下因素相關(guān)：(1)本組患者的植入電極中有3根電極的深度進行了調(diào)整，在計算設(shè)計靶點深度時只更改了Z值，因為電極植入有一定的角度，但并沒有更改X值和Y值，這可能是造成誤差產(chǎn)生的原因之一；(2)手術(shù)后CT與術(shù)前MRI融合會產(chǎn)生一定的融合誤差，也是造成誤差的原因；(3)術(shù)中腦脊液的流失和腦組織的移位，也是造成電極偏后的原因。曾經(jīng)有文獻報道術(shù)前設(shè)計靶點時，可以將預(yù)設(shè)靶點向前向外各移動1.5 mm，可減少電極植入的誤差[8]。其中的原因猜測可能是電極在腦組織受到阻力后有一定的位移，所以術(shù)后復(fù)查CT會顯示電極呈現(xiàn)“S”或者“C”形。

Widmann等研究報道[9]機械臂輔助下DBS植入電極的誤差在1.99～3.2 mm之間。Nexframe無框架DBS手術(shù)植入電極的誤差超過2.71 mm，明顯高出機械臂組的誤差[10]。利用立體定向框架導(dǎo)向腦干手術(shù)，以CT為基準(zhǔn)圖像的誤差為(2.8±1.2)mm，以MRI為基準(zhǔn)圖像的誤差為(3.1±1.2)mm[11]。所以，多數(shù)文獻報道機械臂輔助下DBS植入的精度等同甚至高于立體定向頭架[15-17]。另外有文獻報道，術(shù)中采用CT或MRI復(fù)查電極位置，然后進行調(diào)整，最終計算誤差值，60例患者(119根電極)的誤差為(1.24±0.87)mm；采用Nexframe無框架植入DBS，CT復(fù)查電極位置，48例患者(94根電極)的誤差為(0.9±0.5)mm；采用術(shù)中MRI復(fù)查電極位置，20例患者(40根電極)的誤差為(0.6±0.3)mm。另外，Lannie等報道，119例患者采用機械臂輔助植入DBS電極，術(shù)中采用X線或者O型臂復(fù)查電極位置，并且所有患者術(shù)后均進行CT或MRI復(fù)查，發(fā)現(xiàn)兩次復(fù)查結(jié)果的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，表明術(shù)中的影像學(xué)檢查的可靠性。本組病例采用局麻下微電極記錄術(shù)中測試治療窗方式，治療窗數(shù)據(jù)均比較滿意，故沒有進行術(shù)中影像學(xué)復(fù)查。因此，如果術(shù)中有條件進行影像學(xué)復(fù)查，可以提高電極埋植的準(zhǔn)確性，尤其是全麻下進行的手術(shù)，影像學(xué)的復(fù)查是唯一可以印證電極位置的方法。

至于評估方法，有文獻[19-20]報道采用UPDRSⅢ和左旋多巴每日等效劑量(levodopa daily equivalent dose，LEDD)作為評價電極準(zhǔn)確性的指標(biāo)，這主要是從臨床效果出發(fā)考慮。本研究單純從電極設(shè)計靶點與實際靶點的差異來分析電極植入的準(zhǔn)確度，這只是評估的標(biāo)準(zhǔn)不同而已。

有多篇文獻報道機械臂輔助DBS手術(shù)，尤其是全麻下手術(shù)，可以明顯縮短手術(shù)時間，減少手術(shù)室花費[7,12,14]。Jin等報道[14]，全麻下氣顱的體積明顯小于局麻組。本研究采用生物蛋白膠封堵骨孔，術(shù)后復(fù)查CT顯示顱內(nèi)積氣不會影響電極植入位置。本組患者的手術(shù)均在局麻下進行，而且術(shù)中進行了微電極測試和植入電極后治療窗的測試，但沒有進行術(shù)中影像學(xué)復(fù)查。所以整體手術(shù)時間并沒有比立體定向頭架下DBS手術(shù)時間縮短。

關(guān)于機械臂輔助DBS手術(shù)的安全性。本組患者術(shù)中術(shù)后未出現(xiàn)任何并發(fā)癥，包括與手術(shù)相關(guān)的并發(fā)癥、與刺激器硬件相關(guān)的并發(fā)癥，以及短期內(nèi)與刺激相關(guān)的并發(fā)癥等。但因為手術(shù)病例數(shù)量較少，所以統(tǒng)計結(jié)果可能不具有普遍的代表性。但有文獻報道此類手術(shù)的并發(fā)癥的發(fā)生率與立體定向框架引導(dǎo)下DBS手術(shù)相似[5,7,13-17]。

DBS植入電極需要極高的精準(zhǔn)度，以前的立體定向頭架下DBS手術(shù)完全可以滿足手術(shù)精度的需求；但近期機械臂輔助下DBS的植入手術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，因此評估此種術(shù)式的精準(zhǔn)度就非常必要。本研究結(jié)果表明機械臂輔助下DBS完全符合此類手術(shù)對精準(zhǔn)度的要求。但因本研究的手術(shù)例數(shù)偏少，故此結(jié)論還需要進一步大樣本的手術(shù)病例研究來證實。