神经外科

从头部立体定向框架到神经外科机器人系统辅助脑深部电刺激术

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2021-07-18
导读

         脑深部电刺激术(deepbrainstimulation,DBS)又称为脑起搏器植入术,是神经外科针对帕金森病、原发性震颤和肌张力障碍等功能性疾病,在脑内深部核团精准植入带有电触点的电极,通过体外程控设定电刺激参数影响神经核团或神经环路电活动,改善临床症状的一种微创可逆可调节手术技术。 DBS由法国神经外科医师BENABID教授团队1987年首次开展,1993年在欧洲获CE认证批准,1997年获

关键字:  神经外科 

        脑深部电刺激术(deepbrainstimulation,DBS)又称为脑起搏器植入术,是神经外科针对帕金森病、原发性震颤和肌张力障碍等功能性疾病,在脑内深部核团精准植入带有电触点的电极,通过体外程控设定电刺激参数影响神经核团或神经环路电活动,改善临床症状的一种微创可逆可调节手术技术。

        DBS由法国神经外科医师BENABID教授团队1987年首次开展,1993年在欧洲获CE认证批准,1997年获美国FDA认证批准,1998年我国开展第1台DBS手术。随着对DBS疗效认可,其手术量出现每10年近5倍的快速增长,适用范围也扩宽至精神疾病、疼痛、癫痫、痴呆等方面。DBS辅助设备的临床特性,尤其是设备精度是提高脑内电极植入精准度、减小误差、保障手术安全性的关键。本文针对DBS常用辅助设备:头部立体定向框架系统和神经外科机器人系统的临床应用特性进行阐述。

1.头部立体定向框架系统辅助DBS

        1.1原理

        头部立体定向框架系统辅助DBS的原理主要基于三维坐标系统,确定靶点在定向框架的三维坐标,安装导向头环,使靶点位于定向系统圆心,调整穿刺角度植入DBS电极。

        1.2历史起源及发展

        自1873年立体定向术原理和动物实验开展,1908年设计制造了第1台三维坐标立体定向仪,1947年应用自行设计较精确的定向仪,通过脑室造影技术确定脑内靶点,完成首例病人立体定向手术(丘脑背外侧核毁损术),1949年首先设计出平面直角与球极坐标相结合的复合立体定向手术系统,这也是后来辅助DBS的主要头部立体定向框架系统。

        为将DBS电极尽可能准确植入到预设靶点位置,国内外科学家们设计多种DBS定位与植入操作系统。早期采用框架DBS手术系统,包括Leksell系统、ZamoranoDujovny系统、RiechertMundinger系统、CosmanRobertsWells系统等。后期出现无框架DBS手术系统,包括NexFrame系统、STarFixMicroTargetingPlatform系统和国产CAS-R-2型系统等。

        1.3立体定向框架系统辅助DBS的手术步骤

        术前安装立体框架,影像融合计算靶点坐标及植入路径,术中手动调整框架三维坐标导向电极植入,应用微电极电生理或术中影像验证植入位置,最后植入电极及脉冲发生器。

        1.4立体定向框架系统辅助DBS的优势和局限性

        主要优点:可单人操作、简单易用、成本较低、接受普及较快。但由于框架系统本身系统误差,调整坐标的人为误差,以及定位靶点坐标的影像误差,限制了框架系统辅助DBS精度的进一步提高。以Leksell框架为例,电极植入误差在为1.3~3mm,局限性在于其操作存在死角,调整电极操作复杂,手术时间长,误差较大。目前国内外约95%DBS手术在框架系统辅助下完成,仍是DBS主流术式,这与其应用历史、证据和优点密切相关。但制约头部立体定向框架系统辅助DBS最关键问题之一是电极植入靶点的误差。

        有效电刺激依赖于DBS电极准确植入,电极与靶点的位置关系直接影响手术效果,也会直接影响电池寿命。精准电极植入可更好改善病人症状,更好提升病人生存质量,更多节省医疗总费用。而传统框架辅助DBS精度,遇到一些难以避免的技术瓶颈:扫描时框架变形受力的影响,注册时影像数据伪影,术中框架手动调整xyz坐标的人为误差,以及框架操作的盲角问题等。

2.神经外科机器人系统辅助DBS

        2.1原理

        导航技术与计算机结合诞生神经外科机器人,其原理与框架三维立体定向不同,主要原理涉及多模态影像处理,自动识别注册,以及自由机械臂传感等。其比框架更擅长处理空间信息,在沿着精确规划路径引导DBS方面具有精准优势。

        2.2历史起源和发展

        英国Renishaw公司研发的Neuromate是第1个获得FDA批准的立体定向机器人,同时具有框架和无框架立体定向注册,但其体积较大、费用较高。法国ISISRobotics公司研发的SurgiScope是一种安装在天花板上的模块化机器人,亦是第1个可基于无框架与术前MRI配准,但缺点仍是体积庞大、轨道固定不便携。

        MedtroniciSYS1是美敦力研发安装于手术头架,可与美敦力光学导航联合使用的非自由机器臂机器人,手术精度可达到≤1mm,在美国一些中心用于脑活检和DBS,但装机量不多。欧洲计划的FP7ACTIVE神经外科机器人可实现多个便携式机器臂安装于床旁,可多针道、多入路操作,提高手术时效。法国Medtech公司研发具有6个自由度机械臂的ROSA机器人,其安装于移动轮式平台,可在框架或无框架模式下使用,具有多样化注册模式,集成导航系统,便携式轮式底座等优势。

        ROSA和Neuromate是目前报道最多和功能应用最全的神经外科机器人,其中脑部应用ROSA机器人全球装机量达200多台,国内装机31台。国内在北航NeuroMaster机器人基础上,改进注册模式、识别定位、机械臂等软硬件,其中北京柏惠维康的Remebot与华科精准的Sinovation是相继得到国内CFDA认证的机器人,并已在临床推广应用。

        2.3神经外科机器人系统辅助DBS的手术步骤

        术前影像融合计算靶点坐标及植入路径,术中机器人机械臂导向电极植入,应用微电极电生理或术中影像验证植入位置,最后植入电极及脉冲发生器。

        2.4神经外科机器人系统辅助DBS的优势和局限性

        主要优势:手术精度提高与自动化带来的相应受益。机器人系统辅助DBS的电极植入误差为0.86~1.14mm,克服一些制约传统框架辅助DBS发展的客观因素。机器人灵活高效,精准度高,更快更安全,无死角,可从各个角度植入电极,调整电极操作方便。其局限性主要在于成本较贵,接受普及较慢,需团队多人配合,学习曲线长;目前主要用于定位导航、功能较单一、智能化与均质化有待提高。

        目前,国内外约5%DBS在机器人辅助下完成,机器人辅助手术推进手术精准、安全、微创、舒适的核心目标。德国Cologne-Merheim医院的Maarouf教授团队,研究对比机器人与传统框架DBS,证实机器人在精准度和操作时间方面优于传统框架,可提高手术质量,减少人工调整。

        法国Amien医学中心的Lefranc教授团队也证实ROSA机器人辅助DBS的精准度和安全性。北部战区总医院陶英群教授团队临床应用并改进机器人辅助DBS技术,在国际上首次提出“机器人校正注册法”和“陶氏DBS手术评分法”,使注册误差降低至0.1mm内,电极植入误差平均(0.63±0.29)mm,提高DBS精准度和安全性,改善机器人辅助DBS的疗效。通过医疗、护理、麻醉的密切合作,推广“全麻机器人辅助DBS”,实现病人DBS微创、舒适的体验。

3.头部立体定向框架系统和机器人系统的比较

        DBS是一个系统工程,手术环节涉及手术方式选择,注册方式选择,MRI和增强CT等图像采集,定位图像融合,靶点设置,电极植入路径计划,术中注册,脑漂移,机械臂误差,医生操作精细度和熟练程度等。理论上,手术每一个环节均可能产生误差,且误差会传递,每一步误差都会传递至下一步并最终产生电极植入与靶点之间的最终误差。以往头部立体定向框架系统辅助DBS的疗效证据,主要来源于权威杂志传统框架DBS数据(JAMA、Lancet),但随着其应用不断增多,机械因素与人为因素限制其手术精度进一步提高。

        而机器人克服一些人为制约因素,并在机械应用方面也在不断校正提高。①注册方式:机器人可融合多模态影像数据,校正金属伪影与MRI图像边缘的变形失真。②术中调整:机器人可术中二次注册,模拟靶点校正,减少手动调整坐标的人为误差;机器人机械臂术中运行范围大,具备360°自由度和自动传感装置,理论上无手术盲区或手术死角。③安全性:机械臂动作幅度可控精度为0.1mm,手术规划可精准避开血管,术中容易调整手术路径,手术时间短,安全隐患少,手术更微创。

        与传统框架辅助相比,机器人术前准备更简化,避免调整坐标的繁冗操作,大大节省术前、术中操作时间,病人手术体验舒适度高,更适合一些异动比较明显、年龄比较高、难以配合框架手术的病人。

4.展望

        为实现DBS精准、安全、微创、舒适的核心目标,未来DBS辅助设备将朝着小型化、智能化、简便化、均质化发展。互联网医疗、医疗大数据、人工智能等技术不断成熟,远程程控、VR、AR数字模拟技术已在神经外科开展应用,这些技术将随着神经外科机器人普及化、国产化,促进我国机器人辅助DBS推广应用。

        来源:陶英群.从头部立体定向框架到神经外科机器人系统辅助脑深部电刺激术[J].中国微侵袭神经外科杂志,2021(04):145-147.

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