學術前沿
簡述神經導航的原理、應用及其他
神經導航（neuronavigation）一詞源於navigation, 後者指在航海或陸地航行中依賴實時定位系統（real-time positioning system）選擇簡捷、安全的路徑（approach）準確到達目的地。類似的，將導航（navigation）的概念和原理應用於神經外科手術中，憑藉電腦影象處理和手術器械追蹤定位技術，能輔助外科醫生優化手術入路、精確操作範圍，這樣的手術稱為神經導航手術（navigated neurosurgery）。目前除神經外科以外，導航技術已廣泛應用於耳鼻喉科、整形外科、泌尿外科、骨科等多個領域，在外科臨床上起到日益重要的獨特作用。在神經外科中，導航技術也已應用於腦腫瘤、血管畸形、脊柱和功能神經外科等主要分支，成為不可替代的手段之一。本文概述了神經導航的歷史、原理及其應用，著重於介紹其在功能神經外科的臨床意義。
神經導航的發展歷史
導航的概念最早見於1907年Horsley和Clark在小動物身上的研究。他們藉助於體外的解剖標誌來確定體內臟器的位置。1947年，Spiegal和Wycis藉助“氣腦造影術”的技術給軟組織成功定位，並開創了導航在人體手術的應用。同期間，瑞典的Leksell和Riechert，法國的Talaiach也發展了各自基於投影影像技術的定位方法。20世紀50到60年代，基於平面影像的導航技術被廣泛應用於丘腦切開術。之後，CT的出現使三維影象成為現實，大大推動了導航技術的發展。 1986-1987年間，Watanabe、Roberts及Basel多人幾乎同時開發出不同的導航系統。其後的二十年間，神經導航技術得到了飛速發展和廣泛應用，這依託於諸多先進醫學影像技術的出現，如功能磁共振成像（functional MRI）、核磁共振彌散張量成像（MRI-DTI）、核磁共振彌散加權成像（MRI-DWI）、核磁共振波譜分析（MRS）、核磁共振灌注成像（PWI）、磁源成像（MSI）、腦磁圖（MEG）、正電子發射斷層成像（PET）、術中超聲、術中CT/MRI的，以及電生理監護技術的發展。除了影像技術的進步，導航系統中的定位技術也日臻成熟（詳見‘原理’部分）。
神經導航的原理
手術導航系統的核心包括影象和定位兩部分（圖1），分別類似於航行中的“地圖”和“羅盤”。首先，醫學影像學的影象資料被傳輸到導航儀，這些資料可以包括計算機斷層掃描（CT），核磁共振（MRI），正電子發射計算機斷層掃描（PET），數字血管剪影（DSA）等。二維的資料經過導航儀的電腦分析處理，得到三維立體影象，作為導航手術的“地圖”。接下來，通過對患者頭部標記（marker）的註冊（registration），將手術室中的患者實際頭部位置和導航儀中的患者頭部三維影象對應起來。值得一提的是，患者在神經導航系統中的基礎影象可以與其他影像學影象（如功能核磁共振、腦磁圖等）以及電生理實驗結果（如腦皮層功能區電刺激定點陣圖，cortical mapping by electrical stimulation）相融合，這樣使神經導航不僅能充分輔助手術入路設計，還可以減少或避免術中對功能區的損傷，降低手術併發症。圖1展示的是宣武醫院功能神經外科使用的Medtronic公司生產的StealthStation神經導航系統。
註冊完畢之後，手術器械在患者腦部的相對空間位置依賴於其發出的訊號被導航儀空間定位裝置的捕捉和處理，該位置能在電腦螢幕上實時顯示，用於指引術者選擇入路到達靶點/靶區域以及在靶點/靶區域的手術操作。神經外科手術器械和導航儀空間定位裝置之間的訊號傳遞可以通過多種形式，包括機械（mechanic）定位、超聲（ultrasound）定位、電磁（electromagnetic）定位和光學（紅外，infrared）定位。現在神經導航中使用最廣泛的是光學定位（包括我科現在使用的StealthStation系統），即將手術器械上的紅外線發光二極體作為測量目標，CCD攝像機（charge-coupled device camera）作為感測器，從而計算出手術器械的位置。
神經導航的應用
神經導航技術自發明以來日漸成熟，已廣泛應用於神經外科的多個分支，諸如腦腫瘤（膠質瘤、腦膜瘤、轉移瘤、淋巴瘤等）、腦血管畸形、癲癇外科手術（致癇灶切除術、胼胝體切開術）、腦深部電刺激器植入術等。
國內外已有不少文獻報道了在各種神經外科手術中，神經導航對於病灶精確定位、最佳手術入路選擇、提高病變全切率、以及降低術後併發症方面的積極意義。例如：英國神經外科醫生John Wadley在1999年發表的論文中，使用前瞻式（prospective）的研究設計，分析了2年中（1998-1999年）300例神經外科手術中的神經導航技術應用。這300例神經導航手術覆蓋了神經外科多個分支和多種神經外科手術型別，包括163例開顱術、53例立體定向下活檢、7例神經內鏡以及37例複雜的顱底手術。從病理分型分析，包括98例膠質瘤、64例腦膜瘤以及23例轉移瘤。研究中發現，99％的神經外科醫生能從導航的使用中增加對手術的信心，95％的神經外科醫生認為在這些病例中藉助神經導航技術要優於傳統手術。此外，瑞典的Eboli醫生還報道了神經導航在經蝶骨垂體腺瘤切除術（transsphenoidal pituitary adenomectomy）中的成功應用。
神經導航在功能神經外科的應用
相對於神經導航在其他神經外科分支中的應用，其在功能神經外科的使用較晚，但已同樣展現出重要價值和積極意義，成為現代功能神經外科的重要手段之一。癲癇外科是功能神經外科的重要分支。同腫瘤切除術一樣，癲癇灶切除術不僅可以藉助神經導航技術設計最優的手術入路，儘量減少手術創傷性，準確的尋找到病灶，更為重要的是能通過融合的功能性影像和電生理資料從而在充分的切除致癇灶同時保護運動、感覺、或者語言功能區，減少術後併發症，提高患者生活質量。2001年，Roux在Neurosurgery雜誌上發表文章，專門介紹在神經導航術中將功能影像和皮層電刺激結果的融合方法。再例如顳葉癲癇手術：2000年，Wurm提出應用神經導航選擇性的切除海馬杏仁體（selective amygdolohippocampectomy），這一技術既保證了手術切除的精準選擇性，又充分減少了對其他腦皮層和血管的損傷。
此外，對於全面性難治性癲癇，特別是失張力（atonic）發作形式，胼胝體切開是一種可以考慮的姑息性手術。小兒神經外科醫生Jea在2008年Neruosurgery Focus上撰文提出：應用神經導航系統能在胼胝體切開術中幫助醫生判斷切開的程度（全部性或者部分性），以及選擇手術操作的大腦半球側別（為保護上矢狀竇旁橋靜脈）。總之，神經導航和神經監測（neuromonitoring）一起，已被認為是現代癲癇外科手術中必備的工具之一，對於提高手術成功率和降低術後併發症方面有不可取代的價值。
腦深部電刺激（deep brain stimulation, DBS） 是一種微侵襲神經外科手術方法。它採用立體定向的方法進行精確定位，在腦內特定的靶點植入電極進行高頻電刺激。從而改變相應核團的興奮性以達到改善症狀的目的。腦深部電刺激在運動障礙疾病中的良好效果取決於良好的患者選擇及精準的電極植入等多因素，後者傳統上通過有框架（framed）的立體定向外科手術（stereotaxy）實現。
如果將神經導航應用於腦深部電刺激術中，醫生則可不依賴於頭框而僅通過無線的紅外定位就能在電腦螢幕上實時觀察確認手術路徑。患者也只需要在頭部固定若干標記（markers），較少不適和緊張，並方便術中電刺激測試時的活動和配合，這樣的方法稱為無框架型腦深部電刺激術（frameless DBS）。和框架型立體定向手術相比，無框型DBS術在患者舒適度、縮短手術時間等方面明顯具有優勢。較多的國外研究者則認為二者在精度上相當，即新型的無框型DBS也具有令人滿意的電極植入精度。目前，國內的DBS術主要採取傳統的有框架立體定向方法，尚未見到和無框型的比較研究報告。考慮到無框型DBS（應用神經導航技術）在患者舒適度、縮短手術時間等方面的明顯優勢，未來值得開展其更多臨床應用及相關研究。
除癲癇外科、腦深部電刺激術外，神經導航技術還已應用於針對神經病理性疼痛的運動皮層電刺激，針對慢性疼痛和抑鬱患者的經顱磁刺激的線圈放置等其他功能神經外科疾病的治療領域，展現出廣泛的應用前景和重要的臨床、科研價值。比如，在應用脊髓電刺激（ spinal cord stimulation）治療頑固性疼痛的手術中，神經導航可以輔助定位脊椎的節段。在射頻熱凝治療三叉神經痛的手術中，神經導航可以適時動態地指示手術部位，保證手術的精確定位和最小損傷。
神經導航的侷限
神經導航術中腦組織結構可能因為各種原因造成移位，這樣導航依據術前掃描和註冊判定的手術器械位置與真實位置就可能存在差異，稱之影像漂移（又稱腦漂移，brain shift），國外統計其發生率高達66％。為了解決這個問題，可以行術中也稱實時核磁掃描（intraoperative or real-time MRI）來糾正偏差。另外，掌握儘量減少到達靶點前的腦脊液或囊液流失等實際操作經驗可以明顯減少漂移的發生，降低對手術精準的影響，這些技巧的獲得有賴於充分的技術培訓和臨床摸索。
總結
隨著顯微神經外科的普及和微創治療觀念的提出，為了更好的保護患者神經功能，提高患者術後生活質量，神經導航系統在神經外科手術中的輔助作用已日益突出。如今，國外很多醫院的神經外科已經將神經導航技術作為常規的輔助手段，國內神經導航的應用也不斷擴大，特別是其在功能神經外科領域已展現出巨大的應用和研究價值。正如任何一項技術手段，神經導航有獨特優點的同時，也有侷限性。充分的學習、實踐、研究、發展神經導航技術將會促進神經外科包括功能神經外科手術更大的進步。
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