功能神经导航手术的临床应用

功能神经导航

常规神经导航技术是应用解剖影像，精确定位脑内病变，实现颅脑手术头皮切口小，对神经损伤小，满足病人的微创要求。功能神经导航是利用多图像融合技术，把显示肿瘤的解剖图像、显示功能皮层和传导束图像三者融合一起，结合导航定位技术，实现既要全切病灶，又要保留脑功能结构（功能皮层和皮层下传导束）和功能。功能神经导航可保护病人术后肢体活动、语言、视觉等不受影响。

1、 脑功能成像

大脑表面有许多功能区，主管运动、感觉、语言和视觉等。这些功能皮层与大脑其它皮层在外表上无差别，只能依靠大脑解剖空间位置来粗略定位。这种定位方法不准确，误差大，易受各种因素干扰。目前有一种特殊的成像技术，可以显示脑皮层功能区，称为血氧饱和水平检测（blood oxygen level dependent, BOLD）技术，由日本科学家小川诚二（Seiji Ogawa）于1990年首先提出[17]。BOLD以血红蛋白为内源性造影剂，通过血氧饱和水平变化实现成像。当脑皮层功能区神经元激活时，新陈代谢活跃，继而微循环血流量增加，局部氧合血红蛋白/脱氧血红蛋白比值增高。由于脱氧血红蛋白是一种强有力的顺磁性物质，而氧合血红蛋白是抗磁性物质。因此，在T2WI上皮层激活区的信号强度高于非活动区。通过计算机图像后处理技术将激活区高信号以伪彩色叠加于脑结构图像上，即可获得激活的脑皮层功能图像。目前BOLD技术已经可以较准确地定位脑皮质运动区（皮质第一运动区、运动前区和辅助运动区）、感觉区、语言区（感觉性和运动性）及视觉区等重要脑功能区。

大脑的功能区与他所支配的靶器官之间、功能区之间均有传导束连接。这些传导束如电脑网络传送或接收各种重要信息，是人脑各种功能执行的重要保证。这些密如麻，比蚕丝还细嫩的皮层下传导束位于大脑白质内，与功能皮层一样肉眼难以分辨。外科手术时容易误伤。Basser和Pierpaoli于1996年[18,19]首先报道一种神经传导束显像技术――弥散张量成像术（diffusion tensor imaging, DTI）是。DTI为皮层下神经传导束成像开启了大门。最新的实验和临床研究证实，DTI技术依据脑白质纤维内水分子弥散运动的各向异性成像，可以实现皮层下神经功能传导通路（例如，锥体束、视辐射、听辐射、语言辐射等白质纤维束）的3D示踪成像（Tractography），显示其形态、结构和传导方向。

脑功能成像除应用于临床学科外，也广泛应用于脑高级神经功能研究的各个领域。

2、 功能神经导航手术理念的提出

脑功能区或邻近功能区病变（如肿瘤、脑动静脉畸形、海绵状血管瘤等）手术时常损伤功能皮层，和/或皮层下传导束，术后发生肢体瘫痪、失语、失读、视野缺损等并发症。因此，如何最大程度地切除病灶，最大程度地保留功能结构和功能，一直是世界难题。通过实验和临床研究，复旦大学上海医学院华山医院神经外科在国际上率先提出并论证功能神经导航（functional neuronavigation）手术新理念[20-24]。其基本原理（图8）是：⑴分别采用常规MRI重建颅脑结构模型，BOLD定位脑功能皮层，DTI显示皮层下神经传导束，作为多图像融合的基本素材。⑵应用基于刚体配准的多模式医学影像融合技术，将上述脑结构与功能影像高精度融合。⑶应用融合后的影像与神经导航结合，是不可见的脑功能结构变成可视，并投影在外科手术野，引导颅脑手术进程。在明确病灶边界的同时精确定位邻近神经功能结构，有助于提高病变切除率，避免神经功能损伤。

3、 功能神经导航手术的临床应用

以最常见的中枢神经系统肿瘤――脑胶质瘤（占所有脑肿瘤的36％，恶性脑瘤的81％）为例，由于肿瘤往往与正常脑组织之间没有肉眼可辨的边界。所以，尽管显微外科手术技术在不断进步，但仅有60％左右的脑胶质瘤可以达到影像学意义上的全切除。尤其是功能区脑胶质瘤，欲达“最大程度保存脑功能的前提下彻底切除肿瘤”之手术策略尤为困难。由于存在个体差异和受病变所致的脑皮层功能重组或塑形（reorganization and plasticity），此时利用传统解剖学标志来定位皮层功能分布已不可靠。BOLD技术可以精确描绘运动、语言、视觉、情感认知等多种高级神经功能区在脑皮层的个体化分布图，因此被应用于术前脑功能定位，术中导航以及术后脑功能评估等。Lehericy[25]和吴[23]等分别报道BOLD定位运动皮质与“金标准”术中直接电刺激技术的对照研究，结果高度吻合。Rutten[26]等和郎[27]等的研究显示BOLD与电刺激技术定位语言皮层亦具有良好的一致性。将BOLD影像应用于功能神经导航手术，丰富了导航影像的信息量，实现术中解剖结构和功能皮层的个体化、实时、精确定位，用以指导肿瘤的切除，提高手术全切率，降低术后致残率[21,28]。同样，应用多影像融合技术将DTI神经传导束影像与MRI脑结构影像融合，可清晰显示病灶与神经功能传导通路的毗邻关系。基于DTI的功能神经导航有助于邻近锥体束、视辐射或语言辐射的脑肿瘤切除率提高，并使得上述重要神经功能传导通路的术中保护在影像学上得到定量依据（图9），降低术后致残率，延长患者术后生存时间，改善生活质量。自2001年起，历时5年，复旦大学上海医学院华山医院神经外科在国际上率先完成功能导航手术治疗运动区脑胶质瘤（脑癌）的大规模前瞻性随机对照临床试验研究（n=238）。结果以I级循证医学证据证实：⑴运用新技术可以使功能区脑胶质瘤的手术全切率由51、7％提高至72、0％（接近非功能区导航手术全切率）。⑵术后近期致残率由32、8％降低至15、3％。⑶患者远期神经功能评分由74升至86。⑷该临床研究还证实功能神经导航新技术具有明显的独立生存优势。即相对于常规导航手术而言，新技术可以使功能区恶性脑胶质瘤（WHO3-4级）患者的术后死亡风险降低43、0％。该项研究成果在国际权威神经外科杂志《NEUROSURGERY》发表[24]，获得世界神经外科联盟主席美国哈佛医学院Black教授等国际同行的高度评价――“这是一项里程碑似的研究，可显著提高脑功能区肿瘤手术疗效…该项成果象征着中国神经外科力量的逐步崛起”。

A-C, 术前三维重建的病例个体化颅脑数字模型，绿色为肿瘤；黄色为运动皮层；蓝色为皮层下运动传导通路――锥体束。D, 术后图像，显示肿瘤全切除，运动皮层及皮层下锥体束完好保存。