第二节　无框架立体定向系统（神经外科导航系统）

一、概述

现代神经外科虽然有先进的影像学诊断（如CT、MRI等）、手术显微镜和显微外科器械。但是，外科手术方案的设计，如皮肤切口、骨窗位置、皮层切口设计、颅内病灶的定位和寻找、病灶切除范围等，还是依靠外科医生的经验，缺少科学的判断和检测指标。

20世纪70年代以后，计算机断层扫描（CT）及磁共振成像（MRI）技术相继问世，计算机等相关学科迅猛发展，出现了神经外科智能化立体定向系统——神经外科导航系统（neuronavigation），又称无框架立体定向外科（frameless stereotaxy）或影像导向神经外科（image guide neurosurgery）。它将现代神经影像技术、立体定向外科和显微外科，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，科学地判断病灶切除的程度，成为微侵袭神经外科的一个重要组成部分。

第一代神经外科导航系统是在1986年应用于临床，由美国Roberts医师设计和制造，此后20余年间，此项技术在世界范围内得到迅速地推广。1991年，Watanabe（日本）和Schlondroff（德国）相继设计了关节臂的神经外科导航系统。目前，出现的光学的及电磁的神经外科导航系统，它们通常都是由计算机图像处理和图形显示系统、定位装置和信号传递系统三个核心部分组成。工作原理是在术前和术中获取病人的CT或MRI等图像，并对其进行图像滤波、图像增强等处理，再通过定位系统（光学定位器、机械定位器、超声波定位器等）测定手术目标上标志点的空间位置，并进行标志点配准，图像进行三维立体显示，用于手术时的导航。

目前比较先进的导航系统定位精确度能够达到3mm以内，不仅有三维空间定位系统，而且有实时导航功能即引导外科医生寻找颅内病灶。因此，适用于神经系统各种病变的辅助治疗，包括颅内占位病变（肿瘤、囊肿、脓肿等）、脑血管畸形、癫痫、颅底肿瘤、畸形（软组织或骨性）、鼻窦手术、脊柱或脊髓手术、脑内镜手术等，尤其是一些颅脑深部、体积较小病变（如脑干、丘脑及其他中线附近的海绵状血管瘤、胶质瘤、转移瘤等），具有良好的可操作性和安全性，应用中需注意以下可能影响导航系统准确性的因素：

1.临床应用第一代神经外科导航系统时，建立导航仪与患者之间的匹配，选择7～8个以上的标志物（Mark），贴在头皮上，以便提高注册精度，安放位置应避开患者头部或头皮易移动的部位。目前，利用鼻、眼、耳郭等外形，采用激光注册，准确、方便、快捷。

2.CT、MRI扫描时，病人保持安静，头部适当制动，导航系统准确性很大程度取决于图像质量和图像层厚。因此，扫描要选择成像清晰的序列，层厚2～3 mm，扫描时间短，扫描范围包括整个头颅。

3.手术时头架固定头部，注册后进行精度验证，如误差过大，重新注册配准。

4.术中应检查注册的准确性，在开骨瓣前，为纠正头颅移位，应安装好消毒的参考架，并进行校准定位。

5.手术入路尽量置于高位，这样可以减少因重力作用引起的脑移位。

6.颅骨切口以小骨瓣为宜，切开硬膜、行囊性病灶及脑室内肿瘤切除之前，务必明确病灶位置。

7.术时脑组织移位纠正　由于脱水剂应用、脑脊液引流或瘤组织切除可引起颅内解剖结构移位或变形，注册时采用的图像资料为脑组织移位前所获得的，这样必然影响导航系统失准。纠正方法：在大脑皮层上作标记进行跟踪，可部分补偿此移动；效果不理想时应用术中CT或MRI扫描来发现和纠正偏差。

最新技术一是利用激光扫描定位仪来跟踪大脑皮层表面，测量神经外科手术过程中大脑组织移动的程度，修正图像引导手术技术；另一个办法是利用术中超声技术，用三维超声成像与术前MRI结合，修正神经外科手术过程中脑组织移动的影响，这两种办法优于专门的术中CT或术中MR扫描技术。

随着计算机快速处理技术的发展，将会出现高度自动化和智能化的导航系统，不仅可以自动注册和校正偏差，而且向其他学科应用方向发展，给临床工作带来极大的便利。

二、神经外科导航系统的组成

（一）定位系统（三维数字转换器、数字化仪）

数字化仪的作用是能连续、实时的对外科医生手持的定位观察棒或其他定位工具进行跟踪显示，能随时确定探头尖的位置和弧形轨迹。它分为以下类型：

1.声波数字化仪

1986年，Roberts首先应用声波数字化仪来跟踪显微镜或手术器械的方位。在显微镜上连接有一列阵三个声波发生器，产生声源脉冲。在手术野上方安装有三个传声器来接收这些超声脉冲信号，并把声频信号通过数字化仪变换成数字信号，从而测出传声器和声波之间的距离，手术显微镜每移动一次，声波发生器发出超声脉冲，计算机根据脉冲产生到接受之间的延迟时间重新计算显微镜在图像上的实时位置，通过终端显示出来。1993年，Barnett报道的声波数字化仪导航系统直线平均误差为3.1mm±1.5mm，由于声波数字化仪对空气温度、湿度、气流很敏感，需要长探头、大接收器，后者必须放在术野1m范围内，而且声波发生器与接收器之间有严格方向性，需设瞄准线，使用不方便，临床几乎不应用。

2.关节臂系统

日本的Watanabe1991年设计，由6根相连的机械关节臂组成，每一个链杆的长度是已知的，每个关节设有一个位置传感器，探头的位置和角度可做6种自由活动，并能确定其空间位置。操作时计算机工作站随时记录各个关节的角度，通过应用三角学原理，经计算机算出每个关节的角度位置，从而算出臂末端探头尖的位置和角度，结合术前头皮基准点的储存，探头便能与术前图像联系起来，可以在头皮上勾画出颅内肿瘤的界限，也可将肿瘤投影在脑皮层上，能测量肿瘤离皮层的深度，提供手术入路的选择，避开脑重要功能区。平均误差为2.35mm±1.18mm，由于机械臂影响手术操作，欠准确，临床很少应用。

3.光学数字化仪

主要部件是发射红外线的二极管（Light-emitting diodes，LED）和红外线接收器。LED附着在定位工具上（手术显微镜、镊子、内镜和参考头架等），发射红外线，用在手术空间内作为手术器械跟踪和定位。红外线接收器由2～3个摄像机组成，每个摄像机有圆柱形透镜和电荷耦合器（CCDS）组成，透镜能将线形聚焦在2048个元素的线性CCD上，并能够探测到LED发射出来的红外线，将这些信息聚焦传到计算机工作站中去，因此，探头在空间的位置即可被计算机确定。

红外线接收器通过接收安装在标准外科手术器械及头颅参考架上的LED发射的红外线，跟踪和定位手术器械，称为主动定位接收装置。

红外线接收器在每一个摄像机镜头周围也可安装LED，可以自己发射红外线，照在定位工具多个小球上（它能反射红外线），红外线即被反射回接收器，接收器把信息传送，经计算机工作站处理，在监视屏上显示出定位工具的空间位置，称为被动定位接收装置。由于此反射小球小而轻，可安装在任何外科器械上，而且不需连接电线，较主动红外线定位接收装置在使用上更灵活、方便。但是，光学数字化仪的缺点是：①LED装置与接收器之间不能有障碍物；②LED发出的红外线需有一定角度方能被接收。因此，定位工具限定在一定的角度内使用；③如果LED部分被阻挡或失灵，仅有2～3个LED被接收，定位系统将不能测得定位工具的所有方位。

4.电磁数字化仪

1991年由日本Kato介绍，电磁导航系统由计算机、三维数字化仪、三维磁场源和磁场探测器组成。术前在病人头皮上安放4个以上标志物，行CT或MRI扫描，手术器械上都安装磁场探测器，手术时由一台发射机产生电磁场，病人头部和磁源的相对位置不变，由磁场探测器测出空间任一点相对于磁源的方向和角度，所得数据经三维数字化仪转换后，由计算机按数学模型计算出该点的空间坐标，手术医生可在监视器上看到那些器械投影在术前图像上，帮助手术时导航，定位精度误差为4mm。这种系统的优点是磁场探测器可以任意安置，定位工具与接收器之间无需直视，使用简便。缺点是在手术室环境内有很多设施是金属的，往往会干扰电磁场。

（二）定位工具

1.观察棒

根据不同类型的神经外科导航仪，观察棒有LED发光体、红外线反射小球、磁场探测器、声波发射器、关节臂感受器等。

2.器械夹

装有LED发光体、红外线反射小球等器械夹，可以夹在电凝镊子、吸引器棒、内镜和参考头架等常用手术器械上，经过注册，即可以做导航观察棒使用，又可发挥手术器械的作用。

3.导航显微镜

把LED发光体、红外线反射小球或磁场探测器、声波发射器、关节臂感觉器等安装在手术显微镜上，显微镜镜头与LED发光体之间位置固定，构成“导航观察棒”关系。导航计算机工作站通过读取显微镜焦距数值，将镜片焦距的长度作为“导航观察棒”的探针长度，手术显微镜的聚焦点中心（镜下以大十字星指示）即为“导航棒”的棒尖点，从而在导航监视屏上实时显示显微镜焦点在术前影像上的相关位置，称为“镜下导航”。另外一种“镜内导航”是根据特殊装置把相应术前CT和MRI片影像投射到显微镜目镜内，叠加在手术显微镜所看到的术野上，将术前规划的肿瘤部位、大小及重要功能区的边界范围以绿色规划出界线、方向指示线及距离标尺的形式显示，动态重叠到实物影像上，相当于增加了透视眼的功能，这样外科医生不必为了看计算机工作站监视屏上的CT和MRI图像而中断手术。

（三）计算机工作站

1.硬件

需处理和显示大量的图像资料和数据，神经外科导航系统要求工作站一般内存记忆>64兆字节，硬盘空间足够大，运转速度快，具有高分辨监视屏。

2.软件

每个导航系统均有自己特有的软件，他们的基本功能相似。当图像资料输入计算机时，软件可通过三维图像重建形成病人局部解剖的图像模型，还可以运用多模态影像融合技术。当注册完毕，用探头尖在病人头部移动时，监视屏上可同步，连续显示探头尖在相应的CT和MRI图像上的位置，根据需要可显示手术入路所遇到的神经血管结构，进行图像旋转，表面结构变成透明而显示术者感兴趣的结构图像。图像可静止或连续活动，并备有标尺，可准确测量任何两点之间的距离等。

（四）附件

1.标志物

包括贴在头皮上的头皮标志物，固定在牙床上的固定标志物，固定在颅骨上的颅骨标志物。精度分别为：颅骨标志物>固定标志物>头皮标志物，除了机器人-神经外科导航外，目前基本上不采用标志物。

2.参考架

固定在头架上，用于追踪手术过程中头颅的位置改变。也分为主动和被动两种，大多数是被动式。

三、临床应用

（一）关节臂导航系统

1.组成

关节臂导航系统由计算机工作站、遥感关节臂和观察棒组成。关节臂导航系统的优点是观察棒在手术过程中始终起着定位作用，帮助医生避开重要结构，防止了不必要的损伤，提高手术操作的精确性，缩短了手术时间，提高了肿瘤切除率。缺点是应用笨拙，仍需手术医生的参与，不能独立的工作，只能进行简单的手术操作。

2.应用方法

手术前在头皮上或颅骨上安置6个以上标志物，进行CT或MRI扫描，扫描范围包括整个头颅；将影像资料输入计算机工作站，作图像的三维重建。

手术当天，患者均要气管插管全麻，头部用头架固定。安装关节臂，注意其前端能自由抵达手术部位。用观察棒抵触头皮上各个标志物进行注册、配准。即把工作站内标有标志物的图像和病人此时头部标志物相吻合，图像内每一点与脑解剖上每一点精确融合。关节臂套上消毒袖套，将已重新消毒的观察棒衔接上。移动关节臂和观察棒时，观察棒在头皮上及颅内的位置会通过两条经过“针端”的十字交叉线投影在监视器的术前三维图像上，实时显示肿瘤的位置，观察棒端与周围解剖结构关系，可以勾画肿瘤的轮廓，设计入路轨迹、骨瓣的大小、皮层切口等。术中利用观察棒了解术者手术进程，即目前手术探针位置与病灶间关系，按常规病灶清除直至手术结束（图3-23）。

（二）数字化仪导航系统

1.Brain-LAB导航系统

（1）基本结构：由计算机工作站（此计算机工作站具有颅脑及脊柱外科导航软件、功能神经外科的立体定向软件系统、多模态影像融合软件、激光注册等功能）、光学数字化仪、定位工具（观察棒、多种器械注册盒、手术器械万能适配器、Mayfield头架、导航显微镜接口、Z-Touch激光定位红外注册仪，也可用Softouch接触式定位注册）。该系统还具有主动与被动跟踪系统，全触摸屏人机对话界面，能同时显示跟踪多个手术器械，并实时显示手术器械长度及直径。

（2）临床应用方法：手术前一天，患者进行CT或MRI导航序列扫描，通过网络或光盘输送到导航计算机工作站，进行手术计划制定，确定靶点，勾画病灶、重要结构，确定手术入路。手术当天，全身麻醉，Mayfield头架固定，此时从计算机工作站调出该病人影像资料，进行标志物注册配准。如进行激光定位红外注册，则手术前一天扫描时可不安装标志物，图像资料输入计算机工作站，制订计划。手术时，用Z-Touch激光定位红外注册仪扫描病人头部，避免皮肤过度移动。计算机将扫描获得眶颅影像和原头颅三维重建图自动融合，迅速准确完成注册，也可用Softouch接触式定位注册。按手术计划路径进行手术，术中可用带有导向功能的手术器械，直接指导手术进程，并可通过连接导航显微镜进行显微镜内导航手术，直到手术结束（图3-24）。

2.SurgeiScope导航系统

（1）基本结构：计算机工作站、智能机械臂及与之相连的手术显微镜LED发射与接收系统三部分由同轴电缆相连成为一个整体。具有自动定位功能和定位点可存入记忆系统。手术显微镜上配有LED发出红外线，由悬挂在空间的位置传感系统CCD摄像机摄像，通过接收红外线信号，对显微镜进行跟踪，使其焦点始终保持在一个恒定的轨迹上。此外，病人的体位和手术床也受到跟踪，在手术过程中任何移动对原来的配准毫无影响，并且在操作时出现微小晃动，系统会感知这些变化并可自行校正。

（2）临床应用方法：SurgeiScope导航系统在20世纪末至21世纪初很受欢迎。当时是利用手术前一天头皮表面粘贴4～6个标志物，进行薄层CT或MR扫描，图像传输入计算机工作站，进行图像分析处理，三维重建和校正，制定手术计划。它包括确定病变靶点和设计开颅方案，找到最佳手术入路，避开重要解剖结构，确定病变准确位置和边界，自动分析病变直径和体积等。手术当天，病人入手术室，气管插管全麻后，头架固定头部，安装调整LED发射和接收装置启动导航系统，校正该系统误差，建立头颅与手术显微镜操作系统一体化的三维坐标系，头皮标志物注册标记，确定开颅点及最佳手术入路。常规消毒、铺巾后定位确定入颅点，显微镜操作系统将光轴与手术入路自动重合，迅速指引病变区域位置。术中可以使用专用观察棒，结合计算机重建影像，动态反馈术中到达位置和病变切除情况，进行显微外科手术，直至手术结束。该产品以后由于未再改进而被临床弃用（图3-25）。

3.Stealth Station导航系统

（1）基本结构：由定位工具（导航棒、器械夹、Fazer激光注册器等）、定位系统（光学数字化仪）、计算机工作站、附件组成。它具有功能神经外科手术软件、多源图像同时显示及相互融合功能、术中超声实时成像、显微镜内导航、三维透视功能性等。

（2）临床应用方法：患者术前1天行CT或MRI导航序列扫描，影像资料通过网络或光盘输入计算机工作站，重建三维图像，并以此设计手术入路及手术计划。手术当天，根据颅内病灶位置安置体位，头架固定，安装参考头架，观察棒进行标志物注册配准，也可术前不用标志物进行扫描，手术时用Fazer激光注册器扫描病人头面部，进行激光注册配准，然后使用观察棒定出病灶在颅表投影，由此设计皮肤切口。手术时，该系统实时跟踪手术器械位置，并以虚拟观察棒的形式将手术器械的位置同时在多幅图像上实时更新显示，如连接导航显微镜，可以进行显微镜镜内导航，直至手术结束（图3-26）。

由于Stealth Station导航系统近几年改进，岀现Stealth Station-S7TM、Stealth Station-i7TM导航系统，使神经外科导航应用更普遍。该系统拥有良好的接口功能，与Medtronic公司的多功能3D成像和2D透视的O形臂机兼容，同时也兼容其他术中MRI、CT和C形臂机影像系统，从而扩大了应用范围。还可应用于脊柱外科、耳鼻喉科、矫形外科辅助手术。

4.ASA-610导航系统

（1）基本结构：由空间定位系统（光学数字化仪）、计算机存储媒介或局域网、观察棒、图像处理工作站等组成。

（2）临床应用方法：在病人头部不易移动的部位贴上6个以上标志物进行CT或MRI影像扫描。将扫描图像输入光盘或通过局域网直接将图像传到计算机导航系统重建出三维图像，制定手术计划。病人入手术室，气管插管全麻，头架固定头部，用观察棒在病人头部的标志物上进行注册配准，也可利用激光注册。然后进行手术，术中可进行病灶定位，确定手术入路，多角度、多模式观察手术路径，计算病灶深度、面积及体积等，实施病灶等体积切除，直至手术结束（图3-27）。

5.目前，临床上还岀现了其他类型手术导航系统，如XION光学导航系统，该系统主要配合内镜手术。如果在ILS或AR技术协助下，与相关型号显微镜组合，可实现显微镜下导航（图3-28）。

（汪业汉　程传东）