影像导航系统在神经外科的应用（application of neuronavigation in neurosurgery）
20世纪中后期，影像引导系统（image guidance）逐渐被引入外科手术过程。由于对高精度的特殊要求，使得影像引导技术被神经外科医师最早接受并大力发展。20世纪90年代，伴随现代计算机技术和定位跟踪技术的发展，连结现代影像技术和显微神经外科手术技术的桥梁-神经导航系统（neuronavigation）出现，经过短短几年的不断完善与普及，与同时出现的“锁孔”手术技术相结合，使神经外科手术观念发生了质的飞跃，进入了微创手术时代。导航技术使整个手术过程处于影像学资料的虚拟实时监测中，精度在2mm以下，保证以尽可能小的损伤完成病变的切除。
神经导航辅助手术
神经导航系统，全称为无框架立体定向导航系统，是以强大的计算机技术和图像处理软件为核心，利用卫星定位技术的理论，通过红外线遥感技术获取术中患者头部和手术进程的位置信息，对比CT、MR等高清晰度的图像资料，计算并显示手术的实时进程、病变准确位置和周围结构的关系。按照导航设备的物理学原理，可将其分为红外线导航和电磁导航。神经导航系统是目前最理想的神经外科手术辅助系统。具有以下优点：①在整个手术过程中，导航系统本身一直具有很高的精确性；②由于不断改进，导航系统的体积不断缩小，能够很容易地在手术间摆放；③价格较便宜（相对于术中开放磁共振系统而言）；④可在术前计划手术入路甚至模拟切除；⑤接口开放。可连接内镜、双极、显微镜等多种设备；⑥几乎可应用所有的影像资料，避免术中重复扫描；⑦允许术中影像补偿设备（术中开放磁共振、术中超声波等）提供的影像资料更新；⑧可连接手术机器人及其相应软件，进行全自动的机器人手术。尽管导航系统仍然是虚拟实时影像跟踪系统，但由于以上优点，是目前最为理想的神经外科手术辅助系统。
适应证
神经导航系统辅助手术，可广泛应用于脑血管病、颅脑肿瘤、取病理活组织、异物取出、功能神经外科、脊髓及脊柱病变等。
1、脑血管病
（1）海绵状血管瘤：是导航的绝对适应证。此种疾病多位于脑实质深部，甚至在脑干、丘脑等致命部位，有反复出血史。海绵状血管瘤在MR及CT平扫资料上多数可清楚显示。因此，导航系统可精确地引导手术进程，结合“锁孔”开颅及脑沟入路能最大限度地减少正常脑组织及神经功能的损伤。导航手术的意义在于：制定准确的开颅计划；确认侧裂的位置；最终寻找岛叶皮层的确切位置；导航可提供岛叶海绵状血管瘤精确的病灶，以及相关解剖结构的定位，继而在导航辅助下准确地分离侧裂并对岛叶皮质进行微创操作，可使病灶安全暴露。值得注意的是：一些非常微小的海绵状血管瘤出血后，仅残留机化样组织，加之手术距出血时间较长，术中镜下很难与周围脑组织相区别。因此应以MR作为导航数据，且一定在术前3天内进行CT扫描，以明确出血吸收情况，做到手术时心中有数。
（2）动静脉畸形（AVM）：是导航的选择性适应证，其中对于位置较深、体积较小、位于运动区、感觉区、语言区、丘脑及脑干的AVM，导航可以提供三维影像辅助，减少手术中功能皮层的损伤。对于出血在 1个月内，尚未完全吸收的AVM，应以CT影像作为导航数据。对未出血或出血已经完全吸收的病例，推荐使用强化MR作为导航数据。导航经验丰富的医师 可在术前重建出主要的供血及引流血管，对手术有很大帮助。
（3）动静脉瘘（DAVF）：很多学者认为血管内介入是DAVF的最佳选择。但介入治疗DAVF的可行性和成功率依赖很多因素，如瘘的位置、引流方式以及首发症状等；并且有相当数量的DAVF，单独使用血管内介入治疗不能取得满意的治疗效果。DAVF的显微神经外科手术关键在于准确辨认病理性血管，随后小心切除供血动脉和引流静脉。对小的病灶血管可以电灼，对较大的病灶血管应予以夹闭。近年研究表明，显微手术治疗DAVF 仍然是安全有效的选择。随着神经影像学的发展，磁共振动脉造影（MRA）可以很好地显示 DAVF，特别是对比增强MRA（CEMRA）。应用MRA（TOFMRA）作为扫描影像数据，很容易导入导航工作站，可较好地显示病理性血管，提供准确定位。影像导航对表浅DAVF更有意义。
（4）动脉瘤：由于传统血管造影的图像不能用于导航系统。因此，导航对于动脉瘤手术的辅助作用受到限制。在对多数动脉瘤的导航手术中，术前计划的意义大于术中影像引导利用导航系统强大的三维图像重建功能。将注药强化后CT及MR资料转化为立体血管影像，开启导航系统的模拟切除图像窗口，可直观了解实际手术视野中动脉瘤与周围神经、血管的毗邻关系，分析动脉瘤与载瘤动脉的角度，选择同侧或对侧开颅，决定翼点或眶上眉弓人路，在最好、最安全的角度下显露并夹闭动脉瘤。对位于颈内动脉近段、眼动脉、椎动脉、基底动脉的动脉瘤而言，导航系统辅助下制定详尽的术前计划尤其必要。对于复杂性动脉瘤，如巨大动脉瘤、大脑前动脉远端、小脑后下动脉（PICA）、小脑前下动脉（AICA）的动脉瘤，导航辅助是必要的。意大利的Benvenuti等利用自动三维螺旋CT配合导航系统，成功完成颅内动脉瘤手术。
2、颅脑肿瘤
（1）胶质瘤：胶质瘤特别是低恶性度的星形细胞瘤是导航的绝对适应证。实性I级星形细胞瘤在显微镜下很难与正常脑实质相鉴别。皮层表面也无明显异常，即使经验丰富的手术医师也必须在探查中多次取组织进行快速冰冻病理检查，以确定切除范围。如果肿瘤位于功能区附近，则易造成不必要的术后神经功能缺失。因此，导航对此类肿瘤很重要。恶性度较高的胶质瘤，应以增强MR数据为导航资料，尽可能地完全切除肿瘤。应注意囊性胶质瘤打开硬脑膜后要先利用导航确定肿瘤的位置及范围。一旦释放囊液会出现影像漂移，导航准确性下降。近年来随着高场强及特殊扫描功能磁共振的推广应用，使导航获得了更丰富的数据源，也大大扩展了导航的应用。德国的Nimsky等应用1.5T磁共振的自旋回波序列进行弥散张量成像磁共振（DTI-MR）扫描并将数据整合至导航工作站，清晰显示了锥体束。进行多例胶质瘤手术，降低了术后神经功能缺失。澳大利亚医师在治疗运动区胶质瘤时，利用3T功能磁共振描绘患者的上、下肢及语言运动区，术中以导航配合运动皮层电刺激辅助手术切除肿瘤，获得良好效果。
（2）转移癌：多位于皮层下，也是导航的绝对适应证。
（3）脑膜瘤：多数脑膜瘤都是导航的绝对适应证。窦旁及凸面脑膜瘤导航可确定手术切口的位置及范围，确定受压移位的矢状窦，最大限度地利用皮瓣及骨窗，避免开颅误伤引起大出血。对于包绕、邻近重要血管或神经结构的脑膜瘤，如蝶骨脊内侧或小脑桥脑角（CPA）脑膜瘤等，开启导航的前瞻窗口可时刻显示距离血管、神经、脑干的距离，有效地避免损伤。
（4）垂体腺瘤：经蝶垂体腺瘤手术中导航有助于定位。以往经蝶手术必须在C型X光机的监测下进行。由于其操作不便及放射性污染，已经逐渐被导航系统取代。平扫CT或MR数据均可作为导航资料术中可明确提示鞍底位置，避免误穿斜坡骨质而引起致命的损伤。近年来，发达国家开始使用低场强（0.2T）术中MR，结合导航系统经蝶切除垂体腺瘤。但低场强MRI仅能较清晰地显示鞍上部分肿瘤，对于鞍旁及海绵窦的重要结构参考意义不大。因此，利用高场强MRI（3.0T）作为导航系统源数据更有助于垂体腺瘤，特别是侵袭性垂体腺瘤的手术治疗，可更清晰地显示鞍旁及海绵窦重要结构，提高手术导航应用价值。
（5）其他：淋巴瘤、血管网织细胞瘤、神经鞘瘤、生殖细胞瘤、炎性肉芽肿等均为导航的选择性适应证，尤其是病灶位置较深时。
3、活组织检查
穿刺活组织检查是导航的绝对适应证。经典的神经外科活检是利用有框架立体定向仪进行，患者术前安装金属框架有一定痛苦。现代导航系统平均精确度在2mm以内，无须安装头颅框架，且可提供穿刺过程的多角度动态图像，使得穿刺过程更安全、更精确。因此，导航系统必将完全取代有框架立体定向仪，成为穿刺活检的首选设备。
4、功能神经外科手术
安装专用的功能神外手术导航软件及相关附件后，导航系统可完全取代传统的框架立体定向仪，完成苍白球损毁术、海马切除等手术。对于药物治疗无效的顽固性癫痫患者，普遍认为可以采用手术治疗。手术方法多为软膜下横切、海马部分切除等。导航辅助手术可显著提高精确性，降低手术致残率。瑞典的Rydenhag和Silander报告654例手术，较严重并发症仅为3.1％。
5、脊髓及脊柱外科手术
近5年来，新一代导航系统均安装了脊髓脊柱手术软件包及专用配件，使导航系统得以应用于脊柱外科手术。有人较早使用此项技术，通过41例手术的分析，认为导航辅助技术可适用于髓内星形细胞瘤、室管膜瘤、神经纤维瘤、海绵状血管瘤等常见髓内外病变的手术治疗，并可引导锥弓钉的固定，可降低手术损伤的概率。
神经导航的发展与问题
1、影像漂移
导航辅助下的手术中组织结构的移位，往往造成导航系统影像与真实位置的较大误差，即影像漂移，也称脑漂移（brain shift），是导航系统的最大弊病，在一定程度上影响导航的准确性。目前的导航系统采用的是一种虚拟实时影像跟踪技术。主要依靠光学数字化感应技术、联合注册技术及动态定位技术得以实现。其虚拟实时影像并非术中真实影像。因此，尽管有相对固定的连接方法及高速精确的计算机运算，但仍不可避免地出现导航影像与真实结构的偏差。国外学者利用术中开放式核磁共振技术测量StealthStation导航系统在显微神经外科手术中的影像漂移，发现其发生率为66％，漂移程度为3～24mm。通过临床实践，笔者认为：手术导航系统的最大意义在于确定病变位置及边界，从而最大限度地减小医源性创伤。因此，微小的影像漂移或是发现病灶后的影像漂移，对手术的影响有限，可以依靠手术医师的丰富临床经验，加以克服。
2、影像漂移分类
（1）系统性影像漂移：即由于参考环连接支架、头架的松动或定位标记移位所造成的影像漂移。
（2）结构性影像漂移：即手术进行当中，由于脑脊液或病变囊液释放、病变或脑组织切除导致颅内结构移位所引起的影像漂移，影像漂移误差是由结构造成的。对于系统性影像漂移，其主要原因在于导航及手术设备稳定性降低。因此通过以下方法可以完全避免或纠正。严格按照手术导航操作规范，进行每一步操作，特别是在暴露颅骨后，一定先以微钻在骨窗范围外钻孔4处标记，并进行精确定位点的注册。实践证明通过对此4点的再注册，可以纠正绝大多数的系统性影像漂移。钻骨孔时切勿用力过大，否则会发生头架与患者头部的移位甚至头架松脱。在此推荐使用高速气钻，钻一孔后，以铣刀打开骨瓣。实践表明采用此方法的手术，无一例因钻孔而引起系统性影像漂移。安装头架时，骨钉不要过于靠近定位标记物，两者相距应>2cm，否则骨钉旋入时，会牵动头皮及标记物移位，造成影像漂移。一旦发生此情况，应去除骨钉附近的标记物，并以鼻尖、眼的内外眦作为增加的标记点，重新进行注册和联合注册。为确保此方法的成功，在建立三维模型时，应尽可能地使头皮模型平滑清晰。国外学者对结构性影像漂移探讨较多，并认为其发生与患者体位、脑室系统的开放、病变囊液的释放以及肿瘤或脑组织切除的体积有关。对于此类影像漂移主要在于预防。因此建议：
①避免术前腰穿或术中脑室穿刺引流脑脊液，脑脊液释放过多可造成明显的影像漂移。有些学者认为，避免使用脱水药物可防止影像漂移。但笔者发现适当使用脱水药物，暴露颅骨后给予甘露醇250ml快速静滴，并未发生明显影响继续导航的影像漂移；
②对有囊性变的肿瘤，在明确肿瘤位置前，应避免穿刺释放囊液。尽量在导航下寻找或切除肿瘤实性部分；
③对位置较深的肿瘤，尽量不要切除正常脑组织。
在皮层造瘘时，尽量选择脑组织的天然脑沟作为造瘘点，以减少组织切除的体积，从而最大限度地减小影像漂移。结构性影像漂移，只能依靠实时影像扫描做影像补偿才能纠正。其主要方法有3种：
①三维超声波系统可很好地探测到定位标记物的影像，有利于发现影像漂移。但其对实质性结构显像不良。因此，有时不能完全纠正漂移；
②术中CT扫描，可对导航系统提供较为满意的影像补偿信息，但不能提供较小病变的精确数据。并且因为放射线污染，手术医护人员须穿戴防护衣，不利于操作；
③术中开放式MRI，此技术近年在发达国家发展较快，可提供十分精确的实时影像补偿，是解决影像漂移最为理想的方法，但价格昂贵。国内已有多家医院拥有术中MRI。导航系统已成为现代神经外科手术不可缺少的辅助设备。
