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学术前沿

神经导航外科的现状和未来:第五部分

发表者:吴劲松 人已读

 

术中磁共振神经导航

术中磁共振(intraoperative magnetic resonance imaging, iMRI)导航指术前、术中和术后均可进行MRI扫描,采集图像和图像处理,而且可进行真正实时导航手术,它是神经导航外科向更高层次的发展。复旦大学附属华山医院神经外科吴劲松

1iMRI导航的设备

开放式MR的出现,使术中“实时”(real-time)成像成为可能。最早报道应用iMRI的医生是Alexander1996[41]。经过十余年努力,目前iMR设备和iMRI技术有了很大的发展,经历了三个阶段:⑴垂直双平面超导磁体(double doughnut)设计,例如美国哈佛大学Black 1997年报道[42]的美国通用电气医疗Signa SP TM /i 0.5T MR。手术在MR诊断室内进行,固定的磁体间隙可容纳一名术者接近术野两侧并操作。⑵水平双平面或C型永磁体设计,例如日本日立医疗的AIRIS TM –II 0.3T MR和德国西门子医疗的Magnetom TM Open 0.2T MR。术中成像时需通过手术床的旋转或轨道移动,将患者由手术区域移入MR诊断室。上述两种技术是把手术室搬入MRI室。⑶真正意义上进入手术室的MR系统,磁体和扫描的基础设计均有创新。例如:美敦力的PoleStar TM N-20 0.15T MR(图12)采用垂直双平面永磁体,具有超低场强、移动灵活、可安置于常规神经外科手术室等优点。2006年来,华山医院应用PoleStar TM N-20 iMRI导航手术近千例,效果良好。IMRIS是目前唯一将1.5T3.0T超高场强超导磁体利用空中轨道专利技术在手术室内自由移动的系统。并以iMRI为中心,集成建立数字一体化神经外科手术中心(图13)。目前北京解放军总医院已安装和应用1.5T iMRI,华山医院正在安装3.0T iMRI。第三代iMRI的共同特点是无需移动患者,就可进行术中实时成像,引导医生从任意角度实施手术操作,将微侵袭神经外科引入一个全新的阶段。

12  2006年华山医院引进PoleStar TM N-20 iMRI系统

A: 在标准手术室内,PoleStar TM N-20低场强开放式iMRI可以安置于手术床(头部)下方,隔离射频干扰。a, 永磁体;b, 计算机工作站;c, 用于神经导航追踪定位的发光二极管照相机;d, 地面绿色线圈为5高斯线区域;e, MR兼容手术床;f,  MR设备磁屏蔽储存室。B: 脑胶质母细胞瘤术中iMRI成像。C: 巨大垂体瘤术中iMRI成像。D: 应用术中iMRI采集的影像实时导引脑胶质瘤切除手术。

13  IMRIS 集成3.0T iMRI系统的数字一体化神经外科手术中心

 

2iMRI在神经外科手术中的应用

在神经外科手术中,尤其是脑胶质瘤[43-54]、垂体瘤[55]、功能神经外科[56]以及脑内定向穿刺活检[57]手术,iMRI导航得到了广泛应用。iMRI具有下列优点:⑴为神经导航提供实时影像,纠正脑组织变形和脑移位误差。⑵提高肿瘤切除率及防治重要结构和神经功能缺失。⑶为立体定向穿刺、活检、植入等手术提供实时引导和精确定位。⑷术中发现某些隐匿或早期并发症,如脑缺血及出血等。

3.高场强iMRI与低场强iMRI的优缺点

一般把MRI磁体的场强小于0.5T称为低场强,0.5-1.0T为中场强,1.0T-1.5T为高场强,大于2.0T被称为超高场强。目前,对于0.4T以下的低场系统,都可以用新型永磁材料来实现。以PoleStar TM系统为例,永磁体场强从早期的0.12TN-10),正逐渐提高到目前0.2T水平(N-30)。从扫描野(FOV)大小、磁体开放度、梯度性能,磁体重量及机械振动等指标综合考虑,0.35T场强的永磁体可能是最终发展目标。中、高场系统多采用超导磁体,临床应用型iMRI最高场强已达1.5T3.0T的超高场强iMR也已通过美国和我国食品药品监督管理局认证。

当场强下降时,信噪比也随之下降,麦克斯韦效应(Maxwell Term)增大。因此,低场强iMR的成像质量总体上不如高场强iMRI。高场强iMRI的技术优势还在于:⑴在保证信噪比的前提下,提高磁体场强可缩短MRI信号采集时间;⑵采集化学位移信息,实现磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy, MRS)对组织代谢物的化学定量分析;⑶增强磁敏感效应,应用BOLDDTI技术,实现脑功能成像(fMRI);⑷梯度线圈的场强和切换率高,可以实现血管成像(MRAMRV)、弥散成像(DWI)、弥散张量成像(DTI)和灌注成像(PWI)等。高场强iMRI在中枢神经系统的结构与功能成像中具有明显优势,但也存在高成本、强噪音、射频脉冲能量在人体内累积、金属伪影增加等缺点。

低场强iMRI可利用自身的性能特点与成像技术改进来提升信噪比,弥补图像质量与高场强者差距。此外,低场强iMRI的噪音轻,射频脉冲能量在人体内累积较弱,心电门控信号畸变小,患者更安全舒适,也更易合作。低场强iMR通过配置高性能的梯度系统、射频系统及计算机系统,已经实现了多数与高场iMRI相当的脑结构成像,且相对价格低,体积小、操作简便,在一定范围内易推广。例如,可安装于常规手术室内的PoleStar TM iMRI,医生可在手术过程中自行操作移动或升降磁体,并兼容大部分常规手术器械。但目前市场上低场强iMRI仍无法直接用于脑功能成像、血管成像与组织代谢物定量分析。

3.高场强(1.5T)与超高场强(3.0TiMR的比较

1.5T相比,3.0T iMR的优势主要表现为:⑴图像信噪比高,成像更清晰;⑵成像速度更快;⑶增加化学位移效应,3.0T MR的化学位移效应是1.5T2倍,使MRS对代谢产物的分辨力得到提高,同时也使脂肪饱和技术更容易实现;⑷磁敏感效应增强,从而增加BOLD和DTI效应,使脑功能成像的信号变化更为显著。⑷驰豫时间延长,有助于更快、更清晰的MRA脑血管成像。因此,与1.5T相比,3.0T MRI的临床应用在中枢神经系统具有更多优势,主要表现为成像更快、层面更薄、细微神经血管结构显像更清晰、脑功能研究和组织代谢物定量分析更精确。3.0T iMRI存在以下不足:⑴场强越高,电介质效应越明显。易发生波的干涉作用,造成信号强弱不均、中心信号偏高而致图像变形扭曲;⑵射频场致热效应。在MRI测定时,射频场发射的功率在患者组织内转化成热量,使局部组织温度升高。场强越高,热效应越明显。由于MRI设备有安全控温设计,临床尚未见热损伤的报告。⑶与1.5T相比,运动伪影(如不自主运动、呼吸、心血管以及体液搏动)、化学位移伪影(常发生在水和脂肪交界处)及磁化率伪影(多为颅内铁磁性金属异物或含铁血黄素沉积所致)等在3.0T MRI上更为明显。上述不足虽经制造工艺的改进和弥补技术的应用,不对临床应用产生副影响,但应引起使用者注意。

总之,高场强iMRI以其高效实时,时空分辨力高、以及脑功能与代谢成像等技术优势,为神经导航外科的发展开辟了一片崭新天地,同时也激发了人们对于技术进步的更多期待:⑴iMRI设备的不断完善,包括高场强、高梯度性能、高线圈密度、多通道信号采集和高性能计算机等;⑵创建以iMRI为中心的数字一体化神经外科手术中心,交互融合多种微侵袭新技术,使手术创伤更小,疗效更好。

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发表于:2011-01-28 00:06

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