脑立体定向技术发展和趋势.ppt

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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除病灶，还要考虑到脑

2、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，不久定向仪与MRI、DSA、PET结合相继有了报道

3、；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，均具有一定智能功能，神经外科手术计划系统，Talairach 和schaten

4、brand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。

5、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

6、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，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

7、、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

8、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

9、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

10、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

11、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 Sys

12、tem.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

13、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?,(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

14、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,RT Planning Based on Bioloical Imaging-BIMRT,Whole organRT 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,目 前又进入到PET

15、/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MRI技术:MRI集成到加速器上(原机Philips1.5TMR和Elekta6MV加速器构成),Medical Imaging Innovation&Image Guided RT,Radiology has been driving developments in Radiation Oncology,Morphology-Function-Cells-Genes/Proteins,Nuclear Medicine is playing increasing r

16、oleIn Radiation Oncology,准确的射线投照 PTV Margin Reduction,Precise but not accurate,Precise but not accurate,精确优化物理剂量分布,IMRT,Precise and accurate,准确控制剂量分布位置,IGRT,我们都知道当前放射外科治疗都是利用高剂量辐射，对组织细胞毁损和抑制作用，用来治疗各种性质肿瘤和功能性疾病。低剂量辐射能否对人体组织细胞起“兴奋效应”，这是目前科学工作感兴趣的课题，正在做大量探索性工作。如果一定的低剂量辐射，照射特定的组织，激活靶组织细胞，达到治疗疾病的目的，这样会把立

17、体定向放射外科治疗临床应用推向新的高峰。,五、计算机网络与立体定向神经外科 计算机网络工程，它是通过电话线、光缆、卫星通讯等不同设备，将计算机系统之间进行连接和分享信息。计算机网络将逐渐取代如今应用的计算机外部硬盘，借助互联网、局部网、影像数据和计算机软件，得到广泛、安全地应用，从而打破地域界限，更好地为立体定向神经外科服务。通过远距离传输和实时视觉（VR）技术的发展，促进远程医疗的发展。,六、修复神经外科21世纪神经外科研究重点 尽管显微神经外科、神经放射外科、神经内镜、介入神经外科出现与发展，化疗和放疗技术的不断提高，对病人生存率，生活质量没有明显改善。每日仍有大量地颅内肿瘤、创伤、脑血管

18、疾病，中毒、帕金森病、Alzheimer病等引起组织结构缺损，重要功能的丧失，使医生们仍束手无策。,修复神经外科,立体定向神经外科来完成,（1）、精神外科过去、现在与将来,1、精神外科,修复神经外科,（2）神经调控术 精神外科（Neuromodulation）深部脑电刺激术（DBS）精神外科 在脑深部电刺激（deep brain stimulation,DBS）技术被广泛应用于运动障碍性疾病的治疗基础上，并开始试用于其他神经精神疾病的治疗。目前，直接对神经元进行电刺激的一种治疗方法，起神经调控（neuromodulation）作用。DBS已试用于神经精神疾病的治疗有癫痫、慢性疼痛、丛集性头痛、

19、颅脑损伤、永久性植物状态以及强迫症（obsessive compulsive disorder,OCD）和抑郁症等。,DBS确切的作用机制尚未明了，DBS治疗中常采用高频电刺激（high frequency stimulation,HFS），即频率为100Hz或高于100Hz，抑制神经元的活动，减少了来自刺激部位的输出,目前尝试的DBS靶点主要包括内囊前肢、伏核和腹侧尾状核和扣带回膝下部等。正电子发射断层扫描（positron emission tomography,PET）检测发现患者眶额皮质区葡萄糖代谢率显著下降，推测DBS降低眶额皮质代谢活动从而发挥治疗作用。也可能与边缘系统运动系统网络

20、的存在有关，这一发现提示伏核DBS可能成为治疗情绪障碍的一种有效手段。,小脑刺激术 精神外科 早在20世纪70年代Cooper首先应用该技术治疗脑性瘫痪、精神病和癫痫。Dario采用小脑刺激技术治疗各类精神病，经过长期随访和医学心理测验，没有发现行为和心理障碍现象。该手术适应于严重抑郁症，焦虑、偏执狂和攻击行为。国内已有采用国产部分植入性小脑刺激器治疗癫痫的报告，对精神疾病外科治疗临床尚未应用。,迷走神经刺激术（VNS）精神外科 临床应用迷走神经刺激(Vagal Nerve Stimulation,VNS)治疗癫痫开始于1938年,由Bailey和Bremuers 倡导,1988年Penry和

21、Dean第一次报道用于顽固性癫痫患者,并取得满意效果。此方法是一种新的、非药物性治疗癫痫,安全、易于耐受,能缓解复杂性部分性癫痫发作。在国内已开展了此项工作。,VNS抗精神病作用机理VNS是调节情绪而应用于临床,来治疗抑郁症和强迫症。Rush等(2000)报道30例抑郁症,VNS后50%对焦虑不安得到改善,70%精神激动好转。George等(2003),应用VNS治疗10例OCD，随访10周,用Hamilton量表评分，下降23%。VNS治疗精神疾病,在我国还未开展。,（1）采用深部脑刺激法（DBS)约70的感受伤害性疼痛患者和50的神经性传导阻滞性疼痛患者可获得缓解。并发症约有20%发生率，

22、主要有电极断裂、电极故障、感染、出血、轻偏瘫、癫痫、导水管阻塞、眼肌运动障碍。其中4患者的并发症是永久性的，严重并发症或死亡率小于1。对于采用其他方法治疗无效的慢性疼痛者，深部脑刺激术无疑是一种有价值的手段。,2、疼 痛 修复神经外科治 疗,（2）脊髓刺激治疗疼痛,（3）运动皮层刺激 治疗 疼痛,随着科技发展，目前癫痫各种手术方式（如大脑半球切除术、颞叶切除术、前额叶切除术、多处软脑膜下横切术等大骨瓣、大切口、多处创伤），肯定不符合微侵袭理念和生理解剖入路。改变上述理念，能达到解剖生理入路治疗癫痫唯有立体定向技术。,3 癫痫,修复神经外科治 疗,(1)经颅磁刺激(transcranial ma

23、gnetic stimulation,TMS)-治疗癫痫 利用一定强度的时变磁场在生物体内诱发感应电流，此电流刺激来调节大脑皮质网络的兴奋性，用来抑制癫痫。低频rTMS参数：0.30.5Hz，每天两次，每次15分钟，500600个脉冲阈刺激，可减少癫痫发作50%以上。(高频可诱发癫痫),(2)脑内慢性电刺激-治疗癫痫（DBS，VNS，）,(3)癫痫外科治疗未来趋势 1).脑内慢性电刺激（DBS，VNS，TMS）。2).脑组织移植术及神经干细胞治疗。3).致病灶形态学和功能性定位方法改进（fMRI,MRS,SPECT,PET,MEG,EEG）。4).立体定向放射外科治疗癫痫（高剂量、低剂量、Ge

24、ne-SAS,ch-SRS）。5).大脑可塑性开展研究进行系列基础和临床研究，使手术 方式 以最小损伤，达到最好疗效，特别手术 时间窗。,4、戒毒 已进入全国十一五计划,手术示意图-伏核,5、帕金森病（震颤、僵直、运动减少）神经修复术（1）Vim-DBS Gpi-DBS STN-DBS,（2）脑组织移植和基因治疗 自1979年Perlow等报告多巴胺(DA)类神经元植入黑质损伤的大鼠脑内纠正运动异常，首先证明脑移植物的功能，1985年Backlund报道了2例自身肾上腺髓质植入尾状核头部帕金森病(PD)患者症状缓解，使全世界看到脑组织移植的光明前途。,基因工程技术的发展为脑组织移植提供了广阔的

25、发展前景。但是，理想的基因转移方法应具备安全性、高效性、特异性、稳定性、简便性、可控性等特点。目前用于脑组织移植的基因转移方法大体分为病毒介导和非病毒介导两大类。在移植方式上应该使用微移植（microtransplantation,Mit）技术。,随着分子生物学的发展，NCS移植方法，基因治疗却具有十分诱人的临床应用前景，修复（Resterative）神经外科，很多需要立体定向技术协作完成。目前又有新的科学技术发现：基因组学，基因芯片技术，蛋白组学，蛋白芯片技术，代谢组学.,七立体定向技术未来 立体定向技术发展，取决于科学技术的不断进步，特别是电子计算机飞跃发展，引出光子计算机，量子计算机，还

26、是生物计算机（Biological Computer）等等。这些计算机正在不断的充实扩大它的功能，同时促进神经影像学、放大技术改进，使神经外科走入可视化阶段(Visualization System)。也使虚拟现实技术（Virtual reality）临床应用，来完成医师不能完成高难度技术任务。,另外，微纤维技术，激光技术，纳米技术发展，促进临床上有纳米神经外科（Nanonaurosurgery）产生，将来有20nm200nm微小仪器(diminutive devices)问世，利用这些仪器可通过细胞间隙，在细胞膜表面检查，进行诊断和治疗。今后神经外科医师在跨入临床实践以前，将不再应用动物实验或尸体解剖练习基本功，而是应用虚拟实验系统接受教育、培养、培训，达到成熟后，才可在临床上实践。,那么，以后手术环境是一个全新多维立体定向概念，在计算机帮助下，运用纳米技术(nanotechuology)，生物感应技术（Biosensor technology）,虚拟现实技术（VR），机器人（Robotic device）等先进技术，这些设备在功能上更加复杂，在外观形式和使用上具有极其简单。它们的目标是一个，使缺失功能神经组织修复或再构筑，这些是立体定向技术的未来。,谢谢！,