神经导航术中的脑移位问题

　　常规神经导航技术所面临一大技术难题――脑移位（brain shift）。由于常规导航用患者的术前影像资料。而脑组织非刚性体，实际手术中因组织生物力学属性、重力作用、颅内压变化、脑脊液流失、手术操作、以及麻醉状态等因素，常发生生脑变形[29-30]（brain deformation），即脑移位，也称漂移（drift）。总结华山医院神经外科1000例神经导航手术病例资料显示[31]：硬脑膜移位2.80±2.48mm，脑皮层移位为5.14±4.05mm，肿瘤移位为3.53±3.67mm，其中尤以大脑半球手术为剧。脑移位误差导致用术前影像的神经导航定位精度下降，干扰手术的精确性和安全性，导致术后肿瘤残留或损伤正常的神经血管结构。因此，研究纠正脑移位误差的新技术已成为当前神经导航外科领域的热点。一般解决脑移位可从三个途径着手解决：⑴微导管定位技术；⑵计算模型校正技术（computational model-updated image）；⑶术中实时影像技术（intraoperative imaging）。

　　1、微导管定位技术

　　在硬脑膜剪开前，在神经导航指引下，把微硅胶管（直径1~2mm）置在病灶周边。硬脑膜剪开后，虽然脑脊液流失或病灶切除过程中脑移位发生，但是微导管也随之移动，外科医生可循微导管的指引下，进一步完成手术操作。华山神经外科在1999年创用此法，经长期临床实践证实它简便、经济、有效，不足是此技术定位较粗糙。

　　2、模型校正技术

　　通过校正软件技术弥补和纠正脑移位。目前主要有数学模型（如B样条模型）、物理模型（如线性弹性模型与固结理论模型）和脑变形图谱（brain deformation atlas, BDA）方法三种。其核心是基于计算模型（computational model）的非刚体配准方法（non-rigid registration）[32]。在前期研究中，我们课题组分别设计了线弹性物理模型和基于薄板样条算法的数学模型，对术中脑组织变形进行较精确的模拟，是一种简便、快速、可靠的纠正脑变形误差途径。

　　⑴ 薄板样数学模型 在国外一些学者的研究基础上[33]，本课题组通过改良薄板样条的三维图像非刚体配准算法，对内部变形的求解，预测脑功能影像变形（发明专利申请号：200910047537.2）。应用薄板样条数学模型，通过对应解剖标记点的位置变化来插值求出脑组织内部任意位置的变形。然后把预测变形后的脑功能影像（BOLD和DTI）再与术中MRI结构影像融合，解决脑移位造成的脑功能定位误差[34]。本研究中，我们以术前MRI图像和术中MRI图像分别作为术前和术中数据场，由于解剖标记点的变形由术前和术中数据场的配准获得，从而避免了物理模型导致的误差，动物实验和临床试验结果皆验证预测变形准确性良好。本研究实现了基于低场强术中MRI的实时功能神经导航手术，初步攻克了这一国际难题。

　　⑵ 线弹性物理模型 物理模型能够通过脑组织的生物力学属性（如组织弹性、水压传递值等）来约束脑组织的运动，因此又被称为生物工程学模型（Biomechanical models）。相对于数学模型，其优点在于能大幅减少计算量、不需大样本、精度可靠以及便于临床应用。本课题组自创了线弹性物理模型（专利号：ZL200410024847.X 08/23/2006）对术中脑组织变形进行较精确的模拟。

　　动物实验证实[35, 36]：该线弹性物理模型预测误差均值1mm（0.97±0.44mm）；校正精度最低为56.5％，最高90.0％，平均68.0±9.6％。用该模型我们编写可加载于FDM Excelim-04? 国产神经导航系统（复旦大学数字医学中心自行研制）平台的脑移位校正软件――3D Imageacirc;。我们通过临床试验证实该模型预测结果可靠，可显著提高神经导航手术的精确性及安全性。

　　展望今后模型校正技术的发展，正呈现出以下几点趋势：⑴无论是哪一类模型目前都建议先建立“图谱”以减少术中计算量，从而为进一步实时纠正脑移位打下基础；⑵充分利用各种术中影像技术获得术野表面的实时变形场（或位移）；⑶依据术野表面与深部变形关系去驱动模型，最终生成高分辨率和预测精度的脑移位纠正影像。

　　3、术中成像技术

　　术中成像技术是目前较成熟的技术，包括CT、超声和MRI等成像技术。最早应用于术中成像的技术是CT和超声，它们分别由Shalit（1979）和Rubin（1980）首先报告。虽然近来经不断改进，CT已具有良好的分辨能力，特别对骨质，但是其对软组织的分办仍不如MRI。由于CT具有放射线，长期在此环境下工作，对人体有一定伤害。术中超声技术近来发展很快，可2D和3D成像，但其分辨能力仍不如CT或MRI，而且超声的穿透能力与分辨力呈反比，即分辨力提高，穿透力则下降。因此，由于上述不足，术中CT和术中超声的应用受到限制，得不到推广。因此，目前应用较多应用术中磁共振成像技术（intraoperative magnetic resonance imaging, iMRI）纠正脑移位。