立体定向技术的研究进展

吴卓晋，潘超，张萍，唐颖馨，伍国峰，刘文杰，唐欣，唐洲平

随着科学技术水平的提高，立体定向技术不断发展，衍生出立体定向神经外科（stereotactic neurosurgery）、立体定向放射外科（stereotactic radiosurgery）、功 能 性 神 经 外 科（functional neurosurgery）等分支学科，其在神经系统和精神系统疾病的治疗中起重要作用，并逐渐向其他学科发展。本文就立体定向技术的发展概况、临床应用、现存问题、总结与展望4个方面进行综述。

1 立体定向技术的发展概况

立体定向技术自创立到广泛应用于临床已有100多年，该项技术从有框架立体定向逐步向无框架立体定向发展，并进一步与各种技术相结合，衍生出功能神经导航和立体定向机器人等技术，在临床上广泛应用。

1.1 有框架立体定向阶段

1908 年，Horsley 和Clarke 医生[1]采用三维直角坐标系统研制出首台立体定位仪并用于动物试验，该仪器也被视为有框架立体定位仪的雏形，他们还首次使用了“stereotaxy and stereotaxic apparatus”的术语[2]。1947年，Spiegel教授和Wycis医生[3]在脑室造影数据的基础上发明了第1台适用于人体的有框架立体定向装置，并首次将其用于手术治疗1 例亨廷顿病患者。此后，Leksell、Reichert等有框架立体定向仪先后出现。1964年，蒋大介教授[4]研制出中国第1台立体定位仪。1976年，Bergström[5]将CT 与有框架立体定向技术结合并首次成功应用于临床。之后，立体定向技术逐步与MRI等技术相结合。

1.2 无框架立体定向阶段或神经导航阶段

无框架定向系统不依赖于传统定位的基准框架，而是采用数枚基准标志物粘附在头上取代沉重的定位框架。1986 年Roberts[6]首次报告使用声波数字化仪跟踪手术器械或显微镜的方法，从而开创了神经外科导航系统（neuronavigation），又称无框架立体定向技术或影像引导神经外科。此后10余年间，该项技术在全球范围内迅速推广，包括Watanabe 和Schlondroff 设计的关节臂神经导航系统（1987 年）、Brainlab 公司生产的VectorVision 光学数字化导航仪（1998 年）、Medtronic 公司的Stealthstation 电磁数字化导航仪（1986 年）等。我国自1998 年陆续有深圳安科高技术股份有限公司、上海复旦数字医疗科技有限公司生产的ASA-610V 型和Excelim-04 型神经外科手术导航系统在临床试用[7]。

1.3 功能神经导航

以往大脑皮质的功能区域是根据其大致的解剖结构进行定位，准确性不足，对大脑功能区内或邻近的病灶进行手术时通常会损害皮质和皮质核束，导致术后并发症[4]。功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）等技术的出现弥补了这一不足。与传统的神经导航相比，功能性神经导航结合解剖成像（如CT、MRI、DSA 等）和代谢功能性成像（如PET、fMRI、DTI等），达到信息互补，在此基础上进行手术规划有利于最大程度上去除病灶和最小化功能损伤[4,7]。我国的一项前瞻性随机对照研究证明了基于DTI的功能性神经导航有助于最大程度地切除肿瘤，减少患者术后的运动功能障碍，提高患者的高质量生存率[8]。

1.4 立体定向技术与机器人

医疗机器人系统的应用提高了手术的精确度，稳定性和效率，1985年Kuoh率先将PUMA 200机器人与有框架立体定位仪联合用于颅内穿刺活检术[9]。1997年，美国食品和药物管理局（FDA）批准了neuromate 机器人，其也是第1 个能够同时提供有框架和无框架立体定向注册的机器人[10]，我国自主研制的CRAS-HB 型机械系统于2000 年成功应用于颅内多种病变的手术[11]。临床上常用的立体定向机器人系统还有ROSATM、iSYS1®等，其中以ROSATM临床应用较多[12]。

2 立体定向技术的临床应用

2.1 立体定向抽吸引流术

立体定向抽吸引流术作为一种治疗性手术，被用于治疗脑出血[13-16]，脑脓肿[17]、脑囊性病变[18]等疾病，其中治疗脑出血的研究和报道最多。

血肿清除是治疗脑出血的重要手段，临床上多采取开颅或微创的方式进行手术。立体定向血肿清除术作为一种微创手术方式，使用影像引导将导管置入血肿并抽吸血液，在血肿腔内留置导管，注入溶栓药物，从而清除血肿。其定位精确，损伤小，在小血肿、深部血肿的治疗上有明显优势[13]，该技术已在我国多地开展，并已作为推荐治疗方式被列入我国多部脑出血指南[14,15]。目前临床对脑出血立体定向手术的手术时机尚未形成共识，2020 年《高血压性脑出血中国多学科诊治指南》指出利用立体定向血肿穿刺联合纤溶药物治疗＞30 mL的小脑幕上血肿是安全的，血肿残存量＜15 mL可能会改善预后，但其不能改善脑室出血患者的神经功能预后[15]。置管错位、再出血和感染是立体定向血肿清除术的主要并发症[16]。

2.2 立体定向脑活检术

立体定向脑活检术由于其准确性和微侵袭性已逐渐成为脑组织活检的主要手段，其适用于通过影像学检查不能确诊、不可行开颅手术切除的颅内病变，病灶位于重要功能区或深部脑区、危重以及不能够耐受全麻手术的患者，但应慎用于血管性病变或血管极丰富的病灶以及凝血功能异常有出血倾向的患者[19]。

立体定向活检的并发症主要有死亡、出血、水肿、感染、术后癫痫发作，其中出血是最主要的并发症[20]。大多数并发症首发表现为神经系统障碍、癫痫发作和神志不清。并发症多于术后迅速出现临床症状[21]，常在数分钟或数小时以内，但若是与脑水肿相关则可能推迟至术后48 h内出现[22]。

2.3 立体定向技术与脑部深刺激

脑深部刺激（deep brain stimulation，DBS）是运动障碍性疾病如帕金森病、原发性震颤和肌张力障碍的有效治疗方法，该手术的成功取决于能否将电极准确放置于特定的神经核团内，有框架立体定向技术是其常用技术。一项meta分析[23]表明，与有框架立体定向引导的DBS比较，使用无框架系统的定位准确性在有统计学上显著下降，但绝对误差差异很小，无临床意义，故无框架系统可以替代有框架系统。2019 年的一项研究表明利用无框架立体定向机器人辅助DBS治疗具有安全性与准确性，而且可以提高手术效率[24]。

2.4 立体定向放射治疗

立体定向放射治疗由立体定向技术和放射治疗结合发展而来，并衍生出立体定向放射外科，其利用立体定向技术，将大剂量高能射线精确地聚集在局部的病变组织（靶区），通过局灶性放射性坏死而达到治疗疾病的目的[25]。常用的技术如伽马刀、x刀等。伽马刀手术采用多点辐射，能更好地对形状不规则的肿瘤进行治疗，其能同时针对大脑浅层和深层结构、微创、无需手术和麻醉的优点，可适用于多种肿瘤[26]。此外，射波刀是一种无框架的立体定向放射手术设备，已被用于颅内和颅外肿瘤，并已证明与有框架设备同样有效[27]。立体定向放射外科手术已广泛应用于治疗脑的良恶性疾病和功能障碍。恶性疾病如脑转移瘤和胶质母细胞瘤，良性疾病如脑膜瘤、动静脉畸形、前庭神经鞘瘤、垂体腺瘤，功能障碍性疾病如三叉神经痛、震颤、癫痫等[28]。

3 立体定向技术的尚存问题与挑战

至今，立体定向技术已取得巨大的进步并广泛应用，但定位的准确性仍是其主要挑战之一。目前的定位技术多依赖术前的影像学资料，但存在影像学图像失真、注册中的漂移等问题需要解决[29]。同时，由于脑组织是非刚性的，在手术期间受组织的生物力学特性、重力、颅内压变化和麻醉等影响，不可避免地会出现脑组织移位或变形[30]，降低了导航的定位精度，也降低了手术的准确性、安全性和有效性，临床上利用术中CT和术中MRI来弥补术中目标移位。利用软件进行模型模拟来预测脑移位也是提高定位准确性的一种手段[31]。

成本与效益是立体定向技术发展的另一大挑战，尤其是对于立体定向机器人系统，既往报道雷尼绍（Renishaw）公司的neuromate®和捷迈邦美（Zimmer Biomet）公司的ROSATM 的成本分别为$297 000 和$700 000[12]，此外还有每年的设备维护成本。立体定向设备和机器人多为高度专业化的机器，其使用常常需要对医生、护士等相关人员进行培训，这也需要时间成本和经济成本。此外，设备的大小、重量以及触觉反馈缺乏等也是其不足之处[32]，为容纳机器人和设备，手术室将需要更大的空间。除此，机器故障的风险也将对患者的生命健康造成威胁[33]。

4 总结与展望

立体定向技术自创立以来，从有框架到无框架，并发展出功能神经导航和立体定向机器人，临床上广泛应用于脑肿瘤、脑血管疾病和运动障碍性疾病等神经和精神性疾病，并逐渐向其他学科发展。

立体定向技术将更多的与各种先进技术相结合，如虚拟现实技术（virtual reality，VR）、增强现实技术（augmented reality，AR）、分子生物学技术等。与VR 结合将使医生能在术前模拟手术的每个步骤以及可能的遇到问题，完善治疗策略，从而使手术更加安全、有效和个体化[34]。AR的应用可以提供一个实时更新的3D虚拟解剖学型，其叠加于真实的手术领域，使外科医生可以保持对手术部位的观察，并且对定位结构、指导手术切除以及更精确地规划手术非常有利，提高了手术的安全性，使患者获得更好的临床结果[35,36]。

未来的立体定向技术将具有更高的准确性、安全性，并朝着自动化、便携化、低成本化等方向发展。低成本的设备有助于在基层医院进行推广，进而推进技术的改进和临床应用；便携化设备可使其应对更多复杂的环境；自动化、智能化的设备将使自动化手术成为可能，从而更好地为医生和患者提供帮助。