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功能神外通讯
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从设备演变看技术进步 ——脑立体定向仪的发展史回顾(上)

日期: 2017-6-30 14:48:12

 文 | 乔梁

 

 

 



乔梁 医学博士,副主任医师

2002 年毕业于山西医科大学临床医学系,获得学士学位;2007 年毕业于美国犹他大学(University of Utah)医学院神经学系,获得博士学位(硕博连读);2007 年至今工作于首都医科大学宣武医院功能神经外科,从事功能性脑病的诊断和外科治疗。

前言

立体定向(stereotaxy)作为功能神经外科的代表性技术,在一百多年的发展历程中经历了定位由粗糙到精准、操作由繁复到简便、应用由单一到广泛的巨大进步。时至今日,凭借微创性和精准性,立体定向的应用范围甚至已超越功能神经外科,成为包括神经外科在内的整个外科学技术体系中的重要组成。立体定向技术的发展和进步集中、具象的体现在立体定向仪的不断演变和升级换代。伴随着医学影像与工程学的进步,许多传统的立体定向设备可能已不再或者很少应用于临床,然而系统回顾其发展史有利于深化认识该技术中稳定不变的核心原理,也折射预示出本领域未来的发展趋势与方向。本文特就此议题做简要梳理,与读者分享。

早期的立体定向仪

脑立体定向这一概念的出现已逾一世纪。它的发展和应用经历了漫长的历史演变。早于1873 年,Dittmar 就在探针穿刺动物延髓的实验中提出了立体定向的概念雏形。之后,俄国学者Zernov、Altukhov 以及Rossolimo 先后实施了一些开创性工作。他们的设计中出现了耳杆、基底环和极坐标系。这些后来立体定向仪的主要部分并应用于零星手术。1906 年,英国外科医生Victor Horsley 和生理学家Robert Henry Clarke 正式发明了世界上第一套使用直角坐标系的立体定向仪(后来命名为Horsley-Clarke 仪,图1),用于动物的神经电生理研究。三个互相垂直的平面构成坐标系,其中冠状面穿过外耳道连线中心,水平面位于眶下缘,而矢状面经过颅骨正中线。三个平面的交点即为坐标系的圆点。Horsley 和Clarke 使用五个固定杆将定位仪固定于动物头部,其中两个插入外耳道,两个位于眶窝下缘,一个固定在枕部。他们制作了动物脑的第一部立体定向图谱并开展了许多有趣的研究,还第一次使用“stereotactic”来描述自己的实验。Horsley-Clarke 仪经历了后续不断改进,至今仍应用于神经科学的动物实验中,但并未用于人类的临床治疗。

 

图1 Horsley-Clarke 立体定向仪(仅用于动物实验)



与动物颅骨标志和脑内结构相对位置关系比较恒定的特点不同,人脑手术要求的高精度使得无法简单应用人颅骨标志来定位脑内组织。1918 年,Dandy 发明的气脑造影和脑室充气造影术使得人类颅内解剖标志点在X 片上由不可见变为可见,从而也为同年Aubrey Mussen 提出的人脑立体定向仪的概念提供了基础。1936 年, 德国外科医生Kirschner 使用自制的立体定向仪成功实施了三叉神经半月节穿刺和电凝。大部分早期的立体定向手术是以松果体和室间孔为解剖标志,后来白质前联合 (anterior commissure, AC) 和后联合(posterior commissure, PC) 因变异度小而被最常用作颅内标志点和参考。医生利用这些解剖标记和脑图谱来推算X 线下不可见的脑深部结构位置。

1947 年,两位美国医生Spiegel 和Wycis发明出最早的现代意义上的立体定向仪并且首先应用于人类的多项临床手术(图2)。他们在文献中第一次提出“stereoencephalatome(立体脑定向仪)”这个词汇。它使用的是笛卡尔坐标系(Cartesian coordinate system),将松果体设为原点。这套仪器由于较为笨重且安装费时在临床上已不再使用。

 

图2 Spiegel-Wycis 立体定向仪(Model Ⅰ)



Leksell 立体定向仪

受Spiegel 和Wycis 启发, 瑞典医生Lars Leksell 于1949 年发明出第一代Leksell立体定向仪。Leksell 系统采用的是计算和使用都更为简便的极坐标系(polar coordinate system)。 该系统经过不断的完善和优化现已在全球范围内得到广泛应用,并根据配合的不同影像学手段具体分为A、B、D、G 型。在Leksell 系统中,原点设定在右后上方,X轴向左数值逐渐增大,Y 轴向前数值增大,Z 轴向下(深)数值逐渐增大。Leksell-G 型立体定向仪由定位框架、导向弓、定位器以及脑内操作器械和辅助配件构成(图3)。定位框架通过左右两个可上下调节的固定环与半弧形导向弓相连,前方的横杠向上弯曲是为了麻醉插管方便以及经鼻手术。当患者处于仰卧位或坐卧位时,X 坐标通过导向弓的左右移动实现,Y 坐标体现在定位框架上左右立柱的前后移动,Z 坐标则通过左右固定环的上下移动对准。当患者位于侧卧位时,两个固定环分别位于患者头部的前后方(额和枕方向), Z 值调整方法同前,而X 和Y 坐标与平卧位的相应数值互换。在鞍区病灶的经鼻- 蝶入路手术中,医生反向安装Leksell 头架而站在患者的前方操作。

 

图3 Leksell 立体定向仪



具体使用中,首先按照三维直角坐标将靶点设于立体定向仪的中心,然后在极坐标系统下选择穿刺路径的AP 角和ML 角。这样在导向弧弓上沿着径向穿刺就可以到达目标。

第一代Leksell 系统(Leksell-A)是为配合X 线定位设计, 之后出现的B、D 系统也都可以搭配X 线定位。X 线定位是以显示颅内钙化组织(如松果体)、脑室造影等方法推断靶点坐标。因为变异度较大且操作繁琐(X 球管发射出的X 线呈圆锥形散开而非平行,因此需要结合螺旋线盘计算)而现在已经很少应用。Leksell-D 型定向仪是世界上第一个能与CT定位匹配的系统,其中的关键配置在于嵌有N形金属丝的定位器。此外,仪器材料的变化(减少金属、使用塑料和碳纤维等)目的是尽量减少CT 图像中的金属伪影。N 形定位器中使用在CT 和MRI 上均可显影的显影剂。MRI 扫描使得靶点的定位在传统依赖坐标的基础上可以结合可视结构,因而更加准确,手术精度也明显提高。在常规应用之外,Leksell-G 型定向仪还可以结合放射治疗。1968 年,Leksell及同事发明出世界上第一台以钴-60 为放射源的γ- 刀系统:借助Leksell 立体定向仪确定治疗靶点,应用排列成(半)球型的众多钴-60放射源发出γ 射线聚焦毁损靶区域组织。

Leksell 同时期的其他立体定向仪

20 世纪50 年代,Riechert 等人发明的立体定向仪使用的是极坐标系,构成包括基底环(basal ring)、放置电极的导向弓以及模拟架。其中模拟架(phantom frame)的应用保证了手术精准性。Guiot 和Gillingham 设计的立体定向仪则是平行于正中矢状位固定在患者头部,需要钻孔固定穿刺器,其优点是便于到达后头部靶点。

同时期,Talairach 设计的立体定向仪则使用直角坐标系。它在患者头部两侧固定有布满均匀孔洞(彼此间隔1 mm)的平板(图4)。在完成影像学扫描后,医生选择靶点对应的小孔水平插入器械,即垂直插入法。在此基础上,Talairach 还实施了改进使得其他穿刺角度成为可能。Talairach 头架最常应用在癫痫领域中植入脑深部电极以研究致痫灶(epileptogenic zone)的起源和传播路径。

 

图4 Talairach 立体定向仪



大多数立体定向仪都是依靠器械的移动寻找靶点,而Rand 和Wells 头架的最大特点是通过移动头部靶点的位置来使之与穿刺器械的目标点重合。1971 年发明的Laitinen 头架和Riechert-Mundinger 头架相似,但是不包括模拟架。它的活动度较大,因此除了能用于基底节区手术,还可以到达后颅窝靶点或实现经鼻的垂体入路。

此外,还曾出过许多其他形式的立体定向仪,例如Van Buren 与McCubbin系统(1962)、Kandel 系统(1970)、Anichkov 系统 (1977)、Olivier-Bertrand-Tipal 系统(1982)、Carol系统(1985)等等。20 世纪60 年代,我国上海华山医院(现复旦大学附属华山医院)神经外科蒋大介教授、安徽省立医院神经外科许建平教授先后推出自主设计的立体定向仪,当时使用的是气脑造影、脑室充气造影以及碘剂脑室造影等方法。