第一篇　基础篇

笫一章　立体定向技术和功能神经外科发展史

笫一节　世界立体定向技术和功能神经外科发展史

立体定向技术自构思产生至广泛应用于临床已有500余年历史，近70年来，计算机技术应用飞速发展，该项技术已从有框架立体定向逐步发展到无框架神经外科导航系统，近年又开展机器人无框架立体定向手术辅助系统（ROSA），施行脑深部病变手术是功能神经外科的大胆创新。适用于人类的立体定向技术发展与临床应用是从1947年开始的，至今共经历了三个时代（5个阶段）：①有框架立体定向技术之初期（1947—1972年）；②有框架立体定向技术之计算机时代（1973年至20世纪末）；③无框架立体定向技术之神经外科导航时代（1987年至今）。此后，又催生了更加智能化的无框架立体定向技术之功能神经外科导航系统（20世纪末至今）和立体定向技术与机器人时代（2000年至今）。如今，立体定向技术已从神经外科范围走向其他临床医学领域。

一、有框架立体定向技术之初期（1947—1972年）

早在15世纪末，意大利科学家和画家Leonardo Da Vinci（1452—1519年）即首次描绘了人类头骨形态及脑部不同交叉截面图，并提出立体定向构思草案。由于当时科学技术水平不发达，难以变成现实。直到19世纪70年代初（约1873年），德国神经生理学家Dittmar才系统地介绍了有框架立体定向构造原理并付诸动物实验。十余年后（1889年），俄国外科医师Zernov根据Dittmar的原理，首次研制出一个极坐标形式的定向装置，并利用颅骨表面解剖学标记对颅内结构进行定位。但是，立体定向技术和装置制备仍首推英国伦敦皇家医院Robert H.Clarke医生（1850—1926年）和Victor Horsley医生（1857—1916年）的贡献最为突岀，他们根据几何学原理，于1908年设计出笛卡尔（cratension）三维坐标系统，并在同事机械师James Swift的协助下，制备出一个由黄铜制成的定位框架和几根调节杆共同组成的，并可用螺钉固定于颅骨的首台立体定向仪。此后，出现的各种类型定位仪，均是在此基础上不断更新而成（图1-1）。

Clarke和Horsley创造了雏形定向仪，以猴和猫作为实验对象，将框架固定于动物两耳孔和眼窝下缘使头部固定，以连接这些固定点的平面作为基准面，再与基准面相互垂直的平面和头骨矢状面规定为另外二个基准面，用这三个基准面作为坐标面，就可逐一标注脑皮质下所有解剖结构位置。由于第一次世界战争的爆发使他们的工作处于停顿状态，随着战争结束，此项研究重新受到重视。1947年奥地利神经病理学家Ernest A.Spiegel（1895—1985年）和美国神经外科医师Henry T.Wycis（1911—1972年）共同推岀了适用于人类的立体定向仪（图1-2），成功地为人类进行了首例立体定向手术，此例疾病是亨廷顿舞蹈病（Huntington chorea，HD），论文发表在1947年《科学》杂志上，并提出了“立体定向技术”的概念。1952年他们再一次合作，出版了《人脑立体定向图谱和方法学》一书，为临床应用立体定向技术奠定了基础，从而确定了Spiegel和wycis是立体定向技术的先驱者的地位（图1-3）。

20世纪40年代末至70年代初（1947—1972年），CT（Computed tomography）还没有应用临床以前，世界各地学者为了开展立体定向技术治疗功能性疾病，主要从以下三方面探索与改进：①立体定向仪；②毁损灶方法制作；③X线影像靶点定位，开展立体定向微侵袭技术。

1.立体定向仪

在1947—1972年之间岀现各种有框架立体定向仪，均是在笛卡尔坐标原理基础上纷纷研制造出，如Spiegel-wycis、Talairach、Schaltenbrand-Bailey直角坐标定向仪；Kandel、Riechert球形坐标定向仪；Guiot-Gallingham、Asenjo-Imbernon圆柱形坐标定向仪。上述定向仪安装在头颅上，操作范围明显受限，且X、Y、Z坐标值不能作任意方向转动，先后被淘汰。但是，另外一些学者创造了混合坐标定向仪，大多数采用直角坐标与球坐标联合而成，此类定向仪灵活，操作方便，如Todd-wells定向仪、Cooper定向仪、Leksell（A、B、D、G）多种改进的定向仪、Riechert-Mundinger定向仪、Z-D定向仪、BRW/CRW定向仪等。上述定向仪当时只能采用X线影像定位法，运用气脑造影或脑室空气造影方法，开展运动障碍性疾病或精神障碍性疾病定向毁损手术治疗。

2.脑室造影X线定位法

X线影像定位是通过X线透过物体，把具有三维立体解剖结构，构成二维平面图像。由于人体各个不同组织X线吸收差别小，则不能形成对比而构成图像。特别是软组织构成器官不能显影。为了开展立体定向技术，寻找颅内脑结构准确位置，当时人们选择过滤空气脑室造影术，即以过滤空气或氧气为对比剂，经腰穿或前额钻孔注入蛛网膜下腔或侧脑室内，借助气体的低密度影显示椎管或脑室系统之形态。由于空气造影清晰度欠佳，故逐渐改换Conray、Amipaque等碘水造影剂行脑室造影。碘剂脑室造影法对比度明显，可清晰显示脑室大小、前联合、后联合。手术医师可通过X线透射并结合丘脑基底核（团）解剖图谱，如德国Schaltenbrand-Wahren编著的《人脑立体定向图谱》和我国姚家庆等编著的《脑内一些灰质结构的立体定位解剖学》，给岀的颅内各核（团）中心解剖参考坐标X、Y、Z数值，推导出颅内不可见脑结构目标，处在当前定向仪上X、Y、Z投影位置（数值），此时将定向仪上导向装置按所求到X、Y、Z数值移动，再计算出不可见脑结构投影到定向仪上三维坐标X、Y、Z轴上（刻度）数值，使二者吻合，就可进行立体定向手术。这种X线造影图像，颅内靶点依靠推论来确定位置，因而误差大，术后并发症多，常常达不到有效治疗目的。

3.毁损灶制作方法

毁损灶的制作方法复杂多样，因此手术效果也不尽一致。具体制作方法包括Cooper、Bravo（1958年）采用球囊扩张法；Cooper（1959年）使用无水乙醇；Narabayashi（1959年）使用油、蜡混合物等方法毁损靶点；Obraclor、Bertrand（1956—1961年）使用白质切割器；Leksell（1960年）使用高频电凝法。其他毁损灶的制作方还有冷冻法、同位素法、超声聚焦法，这些方法制成毁损灶均达不到理想程度。所谓理想毁损灶要求：①毁损方法确切有效；②制作毁损灶大小，形态可人工控制；③能使神经组织或病变组织达到灭活，对血管损伤极小，毁损灶与正常组织界线清；④毁损具有可逆性，发现正常神经功能失调，立刻停止，神经功能可恢复；⑤操作简便。直到1983年，美国麻省理工学院的Eric R.Cosman教授对高频电凝技术的研究发现脑内靶点毁损灶形成、大小范围，神经功能丧失否，与毁损电极植入、输入的功率（W、mA）大小、产生温度高、低密切相关；毁损电极针粗、细，裸露长、短，电极插入靶点停留时间也密切相关，只要上述参数“组合”适当，就能形成理想的毁损灶。从此，应用立体定向对功能神经疾病进行毁损治疗，就有了一定保障，疗效也进一步提高。至今国内外仍有部分治疗中心，仍采用温控射频热凝治疗仪毁损法治疗某些功能神经疾病。

二、有框架立体定向技术之计算机时代（1973年至20世纪末）

1.CT与立体定向技术相结合

经过近30多年不懈努力，使用脑室造影X线定位的立体定向技术结束，迎来了计算机时代。1972年CT问世，开创了临床医学诊断新纪元。

计算机发明于1947年，1951年进入商业化。1969年英国电子工程师Godfrey N.Hounsfield（1919—2004年）发明了计算机断层摄影装置又称CT（Computed Tomography）。它是通过计算机图像处理，调节图像密度和灰阶度，对人体正常组织和病变组织鉴别。此成果1972年在英国放射学术会议上报告，1973年在英国放射性杂志（Br J Radiol）上发表。因此，Hounsfield于1979年获得诺贝尔医学生物奖。随着CT的出现，医学上疾病诊断岀现了“新理念”变迁，使很多疾病获得及时诊断和有效治疗。

1976年，Bergstrion和Greitz首先报告了CT与定向仪结合用于临床并获得成功。1978年，Backlund利用CT进行颅内血肿定向排空术。1979年，Brown设计出与CT相匹配的适配器，使立体定向术跨入了与CT相结合的新时代。1979年，Piskum利用立体定向仪在CT协助下完成了立体定向活检。1982年，Kelly设计出一套计算机辅助立体定向肿瘤切除手术系统（Computer assisted stereotactic system，CASS），并应用于功能神经外科。从此，世界各地采用CT辅助下立体定向手术论文发表越来越多。CT引导下立体定向活检还为一些特殊性疾病，如炎症、脱髓鞘疾病、AIDS病等，通过活检为临床提供了可靠诊断依据，为早期治疗赢得了宝贵时间。由于CT的普及，辅助功能性疾病范围扩大，CT除了辅助治疗帕金森等运动障碍性疾病外，还可对抑郁症、强迫症等精神疾病、癫痫、恶痛以及颅内胶质瘤等体积切除术，发挥了立体定向技术优势。

2.MRI与立体定向技术相结合

经过X线、CT辅助立体定向技术定位，开展多项功能神经疾病的治疗都取得了巨大成就。此时，人们也在寻找更佳的定位方法，即MRI扫描仪获取影像。1946年美国斯坦福大学Felix Blooh教授（1905—1983年）和美国哈佛大学Edward M.Purcell教授（1905—1997年）发现磁共振成像，1978年英国阿伯丁大学生物医学物理与工程系John R.Mallard教授、Jennifer M.Hutchison教授及美国Paul Lauterbur教授（1929—2007年）通过用MRI装置扫描获得人头、胸、腹的图像，1980年MRI进入商业化，2003年美国Paul Lauterbur和英国Peter Mansfield两位科学家获得诺贝尔生理学或医学奖。

1985年，Kelly报道在MRI导向下行脑肿瘤等体积切除术；1987年，Bradford、Thomas报道了MRI导向术行脑干肿瘤活检；1987年，先后有Mercier报道了用MRI定位进行了颅内肿瘤切除术。MRI是一种全新的医学影像检查技术，协助立体定向和功能神经外科手术定位。由于MRI扫描序列多、组合灵活，不仅能显示器官和组织形态学特征，还可以反映细胞分子构成、活动状态、分子代谢信息，已被临床广泛接受，特别是为立体定向技术定位方面拓宽了思路，对疾病诊断、辅助手术，均达到安全、便捷、图像清晰、定位准确，促使X线和CT“定位”的淘汰。目前临床利用MRI导向定位术，几乎能开展神经外科范畴各种疾病的辅助手术治疗。

三、无框架立体定向技术之神经外科导航时代（1987年至今）

1.无框架立体定向技术之神经外科导航系统

计算机断层扫描（CT）及磁共振成像（MRI）技术进步，催生了神经外科智能化神经导航系统（neuronavigation）又称无框架立体定向外科（frameless stereotaxy）或影像导向神经外科（image-guided neurosurgery）的问世，它将现代神经影像技术、立体定向技术和显微外科技术通过计算机有机结合起来，在虚拟的数字化影像与实际神经系统解剖结构之间建立启动态的联系，准确地显示颅内病灶的三维空间位置及其邻近重要神经血管结构，术前设计虚拟手术规划，术中实时、客观地指导手术操作，保证手术的精确定位和最小损伤，较科学地判断病灶切除的程度。因此，成为微侵袭神经外科的一个重要组成部分。

我国王忠诚院士于1998年对神经外科导航系统做出完整评价：神经外科导航系统是一个经典的立体定向技术与计算机医学影像学技术、人工智能技术、微侵袭手术相结合的产物，在虚拟数字化影像学技术与实际神经系统解剖结构之间建立动态联系，达到术前虚拟手术规划、术中实时客观指导手术操作，保证手术精确定位和最小化损伤，配合手术医师的丰富经验和娴熟技术，使神经外科禁区得到突破，产生巨大社会和经济效益。他还预言，在不久的将来，借助遥控技术，神经外科专家于千里之外遥控机器人即可完成复杂的精细手术操作。

第一代神经外科导航系统由美国斯坦福大学医学院的David W.Roberts医师设计和制造，于1987年应用于临床，以后十余年间，此项技术在世界范围内得到迅速地推广。1987年，Schlondroff（德国）和1991年Watanabe（日本）相继设计了关节臂的神经导航系统。接着出现Brain-LAB公司生产的Vector vision光学数字化导航仪；Medtronic公司生产的Stealth-Station电磁数字化导航仪；Carl Zeiss公司生产的SMN导航仪。1998年，深圳安科高技术股份有限公司生产了ASA-610神经外科导航仪，接着上海复旦数字医疗科技有限公司生产了Excelim-04神经外科导航仪。国内生产的神经外科导航仪占领的市场份额有限，主要是由于影像学融合处理技术尚不成熟。目前，全世界大多数以光学数字化导航仪为主。

2.无框架立体定向技术之功能神经外科导航系统

随着计算机技术日新月异的发展，神经导航不再是单纯引导病变切除的工具，而是在手术中如何保护神经功能又能达到最小损害，避免术后出现认知障碍等神经功能缺失，并逐渐形成“功能神经外科导航系统”。所谓“功能神经导航系统”，它要具备三个要素：①计算机图像处理及融合技术；②持续追踪系统；③神经导航工具和手术器械。综合应用提供多角度动态图像代替立体定向框架，手术医师利用术中磁共振成像或其他设备在术中进行虚拟实时互动，完成手术操作。当然，完成此项任务，首先需要有多模态影像融合技术软件，将医学人体形态信息的解剖图像（如X线、CT、MRI、MRA、MRV、DSA、CTA等影像）和人体代谢功能信息图像（如PET、SPECT、fMRI、DT1、MEG等影像），借助于计算机将不同来源的医学影像，经过对位和配准，相同脏器多种信息科学地融合在一起，起到信息互补的作用。并于术前将上述的原始多种检查解剖图像和代谢信息功能图像数据传入到神经导航计算机工作站。通过对点融合，制定虚拟手术计划。手术前再运用注册、配准技术将影像坐标系统与患者颅内病灶位置（实际解剖位置）动态链接起来，提供术中实时持续定位。此时神经导航系统与手术显微镜结合，实现显微镜下导航。若同时应用术中磁共振成像（iMRI）技术，可纠正神经外科导航系统偏差，进行及时更新（图1-4）。

1987年，法国科学院院士Alim Louis Benabid完成首例MRI导航下立体定向活检；1998年，美国哈佛大学医学院神经外科医师Claudia Martin报告首例MRI导航下胶质瘤切除术病例。我国最早开展术中磁共振成像（iMRI）导航外科手术是复旦大学附属华山医院神经外科周良辅和吴劲松教授，于2006年在低磁场iMRI导航下实施颅内肿瘤切除术；2009年，解放军总医院许百男教授完成颅内肿瘤患者高磁场下多模态影像融合技术神经导航系统手术。对于高场强iMRI导航下功能神经外科手术，需手术医师、神经放射科医师、工程技术人员、麻醉师和护士的共同配合。随着神经外科导航系统手术的推广应用，位于脑深部或脑重要功能区的病变，可采用神经外科导航系统，通过多模态影像融合技术，配合高场强iMRI切除病灶，避免神经功能缺损。迄今为止，仅美国、欧洲、日本、中国等较多国家和地区的大型医院已将功能性神经外科导航系统真正地应用于临床，此项技术将不断扩大和普及。

3.无框架立体定向技术与机器人

近年来，医用机器人的发展与应用越来越受到人们关注。机器人（Robot）一词源于1923年捷克语“强制劳动”。赋予机器人严格准确的定义是很难的，机器人是一种自动的、位置可以控制的定向装置，具有编程能力的多功能机械手，能够借助于编程程序和特定的神经外科导航仪来执行各种任务。因此，机器人完全依赖于计算机技术，而立体定向技术进步与计算机发展息息相关，由于计算机技术和三维成像技术发展，多模态影像融合，才能使计算机技术与手术直接整合，才能对医疗外科手术进行规范化和虚拟化操作，最终实现传感机器人的辅助定位和手术操作。

20世纪80年代就有学者开始研究计算机与机器人辅助外科手术，并对动物模型进行了大量实验研究，积累了相应的经验。其开创者之一的Kuoh等人，于1985年率先研究了PUMA-260机器人与有框架定向仪框架联合一起使用于定向活检术，术中一旦PUMA-260产生障碍时，可以重新安装立体定向仪，由人工继续完成手术，确保手术成功。1994年，美国FDA就批准在手术室内可使用AESOP手术机器人（美国Computer Motion公司研制），2000年又批准达芬奇（Da Vinci）手术机器人（美国Intuitive Surgical公司研制）开始用于泌尿科、腹腔镜、肝胆外科手术。以后，各种类型机器人与定向仪框架相结合应用于神经外科。例如，加拿大Calgary大学与多家公司生产Neuro-Arm神经外科机器人、美国Accuray公司生产的Cyberknife机器人被用于立体定向放射外科领域；德国Physik Instrumente公司生产的Hexapod机器人开展脑、脊髓手术等辅助完成无框架脑立体定向手术。我国北京航空航天大学和海军总医院神经外科田增民教授共同研发的计算机辅助外科机器人CAS-R-2系统已于2000年应用于临床，施行立体定向毁损术治疗帕金森病、颅咽管瘤机器人穿刺术等来辅助治疗多种神经系统疾病。在上述类型中，以ROSA机器人颇受临床青睐（图1-5）。早在1987年，Benabid就使用ROSA机器人对帕金森病患者施行脑深部电极刺激（DBS）植入，1992年报道了140例经验。ROSA机器人还可对脑内癫痫病灶进行立体定向检测定位（SEEG）。首都医科大学三博脑科医院、广州三九脑科医院、解放军总医院均引进ROSA机器人，成功地进行了功能性疾病立体定向脑深部电极植入术。不久将有更多医疗单位使用机器人辅助临床医师，开展颅内手术。

机器人的临床应用范围较为广泛，我们必须遵循机器人临床应用手术准则，凡可以应用立体定向手术治疗的患者，均适合采用ROSA机器人辅助无框架定位系统实施手术。迄今为止仅适用于以下情况：①脑深部血肿定向排空术；②脑脓肿引流；③颅内异物（包括颅内弹片）摘除术；④脑深部病变活检术；⑤脑内病变药物注射；⑥脑内核（团）毁损术/电极植入术；⑦脑内癫痫病灶检测等。禁忌证相对较少，主要包括：①后颅窝、脑干含血管丰富的病变；②有严重出血倾向患者；③有严重心、肝、肾、肺、高血压疾病患者；④拒绝接受机器人的患者和家属。

我们要正确理解当前立体定向技术与机器人的关系。机器人辅助神经外科手术研究刚刚起步，当前机器人辅助外科手术的研究目标并非是外科手术的自动化或试图替代外科医师，而是充分利用机器人高技术开发出一种外科辅助装置或一种有效的工具，以帮助外科医生进行精确定位或完成部分手术操作，从而提高外科手术的医疗水平。另外，通过这方面的临床试验，人们发现并非在所有场合下都需要主动式（active）机器人辅助操作系统。事实上，有很多场合，被动式（passive）机器人辅助操作系统由于简单、安全、易于操作，而被医生乐意接受，将它作为一种空间定位或测量设备；作为一种手术操作的引导装置；作为一种连接的辅助设备用于二维图像某点在三维图像中的识别。机器人辅助立体定向手术的研究及应用前景十分广阔，完全可以相信，随着这项技术的不断发展，越来越多的脑深部禁区将被打破，越来越多的脑内疾病将得到有效地治疗。

为了立体定向和功能神经外科的发展，为了各国之间相互交流、相互促进，1961年，国际立体定向脑手术研究会（International Society for Research in Stereo-encephalotomy）在美国费城成立，同年同地召开首次国际学术会议。该研究会于1973年在日本东京召开会议，重新命名为世界立体定向及功能神经外科学会（WSSFN，图1-6），还发行《立体定向和功能性神经外科杂志》（图1-7）。1991年，亚洲-澳洲立体定向与功能神经外科学会（AASSFN）成立；2001年，第四届AASSFN学术会议在中国北京召开。上述学术团体的建立及学术的交流，对立体定向技术和功能神经外科发展起了巨大的推动作用。