术中磁共振：一体化神经外科手术

“在神经外科没有哪个技术是最精确的，特别是在病灶定位的能力上”。
                                 --------Lars Leksell
磁共振成像

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI），是利用核磁共振（nuclear magnetic
resonance，简称NMR）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。

2003年美国化学家Lauterbur和英国物理学家Mansfield，因磁共振成像（magnetic resonance
imaging, MRI）技术的突破性成就被授予诺贝尔生理学或医学奖。这也是磁共振专题研究迄今获得的第6个诺贝尔奖。目前临床应用型MRI主磁体已从最初的0.015 Tesla（T）发展到3.0T，实验用MRI则可达14.0T。

MRI由于具有高度的软组织对比、精确的空间和时间分辨力、任意平面三维成像能力、对流动及温度的敏感性、脑功能成像和无电离辐射等优势，成为神经导航手术的首选参考影像。

术中磁共振

术中磁共振（intraoperative MRI，简称iMRI）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，是九十年代中后期神经外科领域里的一项重大技术革命。开放式MRI的出现，使术中“实时”（real-time）成像成为可能。随着磁体和扫描机的基础设计的不断创新，MRI系统成功进入神经外科手术室。iMRI彻底改变了传统神经外科手术中医生凭主观经验指导手术进程、判断手术结果的现状。它与神经导航系统的结合显著提高了手术的精确性与安全性，被誉为神经外科发展史上的里程碑。目前，欧美仅有少数大的神经外科中心拥有该设备。

2006年复旦大学附属华山医院神经外科引进了当时世界上最先进的PoleStar™ N20 可移动开放式低场强（0.15 T）iMRI系统，目前已累积完成各类手术500余例，临床疗效显著。2009年华山医院安装和应用超高场强（3.0T）iMRI，利用空中轨道专利技术可在手术室内自由移动iMRI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。在iMRI数字一体化神经外科手术中心内，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。

iMRI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、巨大垂体瘤、脑血管搭桥手术、功能神经外科以及脑内定向穿刺活检手术等，iMRI导航得到了广泛应用。iMRI具有下列优点：⑴实时影像导航手术，提高肿瘤切除率。⑵术中脑功能成像，可以有助于降低术后偏瘫、失语等神经功能障碍发生率。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。

例如，当神经外科医生视觉判断脑胶质瘤已全切时，仍有33-67%的病例有肿瘤残余。即使应用常规神经导航，也有近1/3病例发生肿瘤残留。切除程度是胶质瘤最主要的预后相关因素之一。术中最大限度减少瘤负荷，不仅有利于后续规范化综合治疗，而且能延长肿瘤无进展期与生存时间。对于脑胶质瘤，iMRI可以实时、精确、定量地监控手术切除范围，代表了当前脑胶质瘤显微手术的最高科技，其远期临床疗效已得到国际医学界肯定。

术中磁共振的发展和临床应用：

中等磁场系统：

第一个比较适合并直接应用于神经外科手术的术中磁共振起始于1991年，它是波士顿的哈佛医
学院Brigham & Woman′s Hospital神经外科和放射科与通用电气（GE）医疗系统合作的产物。这导致了1994年在Brigham & Woman′s Hospital安装第一个原型MRT系统。这个0.5 Tesla 的系统，SIGNA SP, 包含有2个垂直放置的超导磁体，形成圆环形留有56cm的缝隙， 来提供手术的空间。患者可以放在磁体的2个线圈之间或者通过磁体的空膛，并留出1到2个外科医生的空间。

对于射频发射和接收，应用一个可变形的头部线圈，可以把它放进无菌的术野。液晶监视器安装在图像区上方，使得医生能够不离开磁体就能够观察到术中影像。很多MRI兼容的设备，包括麻醉系统、手术器械、高速钻，还有MRI兼容的外科显微镜必须配套。1995年6月做了第一例MRI引导的立体定向活检手术，1996年8月做了第一例开颅切除脑肿瘤的手术。在1997年和1999年，Black and Jolesz总结了开发、实施和神经外科应用MRI的最初的经验，2篇划时代的文章发表在NEUROSURGERY上，为更广泛地在神经外科手术中应用MRI技术奠定了基础。

同时，在瑞士苏黎世大学、奥斯陆（挪威）、特拉维夫(以色列)和莱比锡(德国)也相继安装了0.5 Tesla SIGNA SP系统，现在不同医院应用这一双线圈系统做神经外科手术的经验报道已经有不少。尽管双线圈开放MRI适用性和精确性很好，但是由于手术操作比如实时MRI引导活检和开颅手术都必须在扫描下进行，一些缺点就显得很明显。最严重的局限性就是随着经验的增加以及考虑到病人的体位，外科医生和护士的对病人手术操作的有限空间和途径，严重地违背人类工效学，特别是当做时间长和复杂的手术的时候尤为明显。还有，手术所有的器械和设备必须是MRI相容性的，也给这种手术带来局限。其他的问题还包括在开颅手术中是否有绝对的必要做连续的术中影像扫描，还是仅仅在手术的某个时期，比如确认肿瘤切除程度或在手术结束时除外并发症的时候。

鉴于以上所叙SIGNA SP系统观念上的局限性，西门子公司提出一种与之不同的MRI引导手术的方法来，这一方法由德国海德堡和埃尔兰根大学的神经外科研究小组来进行临床验证。它的观念是包括一个“双手术台”与一个标准的神经外科手术室融为一体，配备有一个完整的神经导航系统。这个观念允许神经外科手术在一个标准的手术室中进行，可以用与MRI不相容的普通器械和普通外科显微镜，Magnetom-Open 0.2 MRI安置在装有RF屏蔽的隔壁房间。在手术过程中的任何时间病人都可以转运到磁体里，比如切除肿瘤的过程中。转运病人的时间大概20-40分钟，这样减少了术中图像的数量。但是这种术间图像的观念也有其局限性，首先Magnetom-Open系统的场强是0.2 Tesla，图像质量欠佳，还有就是由于安装两个独立的手术室和MRI扫描场所而增加了成本，但最主要的仍是手术中病人的转运的耗时不可避免。
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高场强系统：

鉴于上述术中和术间MRI系统的局限性，特别是考虑到磁场强度，一个完全不同的观念由卡尔加里的Sutherland和他的同事在1999年提出，他们发表了关于应用可移动性的、能有效屏蔽的1.5 Tesla MRI的最初手术结果的报告。当手术在一个标准手术室进行时，磁体安放在旁边的一个壁橱里，通过防护门与手术台分开，在手术的任何时候，只要需要，就可以停下手术，盖好术野，这时安在天花板上的磁体会被移动到手术室，一个RF罩子会安置在病人上方和部分手术床上，这样就可以开始做扫描了。除了让人信服的功能增加外，这个观念的最大优点是应用了高场强的MRI，不仅可以获得高质量的图像，而且可以做很重要的功能指标，比如MR波谱分析、功能MRI、MR血管造影、化学转换图像、弥散加权等。磁体外的数据更新能够在任何时间，通过神经导航系统处理。

几乎与此同时，另一个类似的概念由明尼阿波利斯的明尼苏达大学Hall和他的同事提出，他们应用了一个标准的1.5 Tesla MRI安置在一个屏蔽的手术室，普通的神经外科操作在5高斯线以外进行，避免应用特殊的MRI相容性器械。和卡尔加里的观念不同的是，如果术中需要成像，病人必须要推到扫描仪里面。虽然从手术区域到扫描仪的距离比德国海德堡和埃尔兰根的要缩短，但是纵向移动几米的距离仍然吃力耗时。然而，明尼阿波利斯一个有意义的特点是在磁体的后面，又增加了必须应用MRI相容性的器械的一个手术和操作区域。 以上两个组能够说明高场强的系统在神经外科操作中的广泛适用性，以及术中良好的图像质量和其他各种功能的应用。

第三种观念是一个高场强的系统组合，由西门子和BrainLab公司合作开发。它由一个标准的1.5 Tesla MRI，连同神经导航系统和数字化图像传输和投射系统组成一个专用的外科体系，这样MRI可以完全整合到这个高科技手术环境中。病人被安置在一个可旋转的手术台上，在手术中，病人的头或手术区域位于5高斯线以外，这样标准的神经外科操作能够应用常规的神经外科手术器械和普通的外科显微镜。手术当中的任何时间，都可以中断手术，病人能够通过简单地转动手术台而送入磁体内。由于是高场强，术中图像清晰，所有其他先进的功能成像都可以完成。同时，完全分开的一个手术区域，就在磁体背后，可用来做介入操作和手术，但需要完全匹配的MRI相容性器械。这个完全整合的手术体系， 称为“脑套装”（BRAIN SUITE）。在世界范围内，第一个是在2003年安装在法兰克福大学医疗中心。从目前所知，它除了术中高场强的图像外，最先进的系统是结合神经导航，以及将来可能的研究前景。

虽然神经外科术中图像和研究很令人欣喜，但是高场强MRI主要的缺陷是过于昂贵，包括安装和技术维持，以及必要的人力和人员花费，使其安装目前仅限于有可观的资源和具有术中影像引导研究前景的高端学术医疗中心。

超低场强系统：

在2001年，一种新颖的紧凑型低场强系统，由以色列ODIN公司、特拉维夫Sheba医疗中心神经外科联合开发，代表了一个完全不同的神经外科术中图像的观念。这一系统包含一个0.12 Tesla场强的MRI，与一个光学和MRI追踪系统整合在一起。扫描和导航，都是由外科医生来操作，用一个室内的计算机工作站来控制。扫描仪由2个垂直平行的圆盘状的永久磁体组成。这些磁体固定在一个U型臂上，安置在可运输的架子上，手术时它可以放置在手术台的下方，一直可以放在此地，直到不需要做术中影像为止。扫描的时候，U型臂会升起来，这样病人的头部就位于两个磁体之间的区域。露出区域对于外科医生做头部手术来说足够宽阔，这样把病人的头放在两个磁铁之间也可以做手术。这个系统有很多概念上的优点：1）仅仅稍加改造标准手术室，主要是有一个RF屏蔽框；2）由于磁体安放在手术台下方，毫无疑问可以应用普通的神经外科手术器械；3）完整的追踪和导航系统可以获得快速可靠的术中实时导航；4）可能最有诱惑力的优点是这个系统基于这样的事实，就是整个过程都由外科医生自己控制，从而不需要额外的放射和辅助人员。

然而，这个系统局限性还是很明显，主要是它的场强太低。图像的质量，尽管目前比第一个原型机有显著提高，仍然达不到常规神经外科手术中的需要。由于场强太小，功能图像、波谱分析或者MRA的应用都是不可能的。现在，这个系统最多是被当作紧凑型MRI引导或导航系统，它在概念上和图像性能上都和上面所述的的其他系统截然不同。但是，如果这个系统或者类似相近的系统能再进一步提高，它将来可能在神经外科手术中会起到明显的作用，并可能成为导航和术中图像系统的未来。另外，与中等到高场强的MRI相比，由于它相对价格较低，所以容易被大量安装在神经外科手术室。

目前根据大的方向来看，术中应用MRI可以被分为超低场强、中场强和高场强。这些系统的改进，也由不同神经外科中心的临床研究小组来完成。神经外科术中应用MRI图像开始的时间还短，将来的技术改进一定会不断地加入到这一领域中。术中MRI到底是个别高端神经外科中心的超昂贵高科技展示，还是现代神经外科的技术突破，目前还难以回答。随着术中MRI数量的增加，以及安装的手术室逐渐增多，对这个技术，我们会得到一个科学的评价，来给术中MRI的未来用途作一个定义。然而，如果时间和不断多的经验能告诉我们，术中MRI引导的神经外科手术能显著地提高病人术后的生活质量和/或生存时间，而且MRI能成本减低并有效地整合到神经外科医疗中心，并能够多学科、资源共享应用，它可能在不远的将来会逐渐普及，并成为神经外科病人的标准治疗方法之一。

相关技术

术中磁共振的发展——固定磁体和移动磁体方案

磁共振是一种复杂的电磁设备，一直以来它对场地和成像的要求使得它很难与外科手术环境集成，即病人在磁共振检查时难以同时实施手术，而在外科手术中也很难同时进行磁共振成像，鱼和熊掌不可兼得，如果要统一，则两者必各有所弃，一定程度上使各自功能不能最大限度发挥，这也是各大生产厂商一直以来的挑战，各种尝试和革新也一直在进行。较早有代表性的是通过在手术室和磁体间的悬吊轨道的设计，磁共振从天轨滑入手术室，进行术中的磁共振成像，也称为移动磁体方案。移动磁体方案需要磁体进入手术室，因此手术室需要同时成为磁共振的检查室，相关建造和维护成本直线上升，同时外科手术工作流因为磁体进入手术室也受到一定程度的干扰。而移动磁体方案最主要的不足在于术中磁体成像基准系统与手术床未能一体化集成，这使得术中影像的精准性难以得到完全保障。

以GE为代表的固定磁体术中方案，创新性地解决了以上瓶颈。它的基础是一个两室的设计方案，手术室和磁共振检查室既独立设计又有机结合，在不需要术中MR 检查时，两者都可以作为全功能的手术室和磁共振应用，不受任何打扰。而在需要术中MR 应用时，巧妙的移动式屏蔽门设计，可以使两者有机结合完成术中MR应用，简单但可靠而高效。

手术磁共振的术中应用不仅能对病灶进行更精确的定位，同时能在术中对肿瘤的切除程度，术后并发症的风险等进行实时评估，因此不同于常规的磁共振成像系统，与外科手术的高度集成至关重要。特别体现在导航系统的术前影像在术中失准后，病人的术中磁共振影像与术中病人的空间位置以及术前影像都能精确配准, 系统的集成设计和高度集成的系统组件，如一体化头颅定位系统（保证病人在手术室和磁共振扫描间内定位始终一致），一体化病人手术床集成对接及转运（保证磁共振影像与几何空间的配准及术中检查的高效率）等，保障了手术磁共振能真正发挥术中作用，它也是术中磁共振应用的主要基础。

固定磁体方案的手术磁共振通过与手术系统和导航系统的集成设计，保证了影像的系统注册，影像配准集成度更高更精准，整体设计更简单，同时最大限度地保证了外科工作流不受侵扰，建设和维护成本也大大降低，为神经外科提供了更好的选择，这也是目前三大影像诊断制造厂家手术磁共振同时采用的设计理念,代表了现行术中磁共振主流的发展思路。

术中磁共振的应用和未来展望

过去的25 年中，影像引导下的神经外科手术已成为今天很多颅脑疾病的常用手段。术中磁共振最重要和最多的应用是胶质瘤手术，目前主要有14 种前瞻性对照研究，在这个领域中，越来越多的临床数据显示术中磁共振成像对低级别和高级别胶质瘤切除率的正面结果；一些数据显示了病人生存期显著延长，发病率下降，神经功能得到更经常地保护等，大量的数据都显示了术中的精准性胶质瘤术后发病率和长期结果具有优势。

固定磁体手术磁共振方案的推出，为我们带来了新一代的术中磁共振解决方案和新的理念。如建立在固定磁体手术磁共振基础上的多影像引导下的复合手术室，就能更好地集成磁共振的应用：除了手术室内的血管造影, 将磁共振和PET/CT 与手术室相邻而建，外科医生可以根据病人的需要和手术的情况选择最合适的成像设备，只需要借助集成设计的转运床就可以实现。这种全新而灵活的多影像引导下介入治疗中心的概念，在考虑到各种临床环境下任何单一影像模式都非最优，以及不同影像设备现行分子影像的发展时，具有特别的吸引力，我们也期待越来越多的治疗中心能集成术中磁共振，帮助术中更精准的决策和治疗!