適配小型動物及臨床伽瑪刀立體定向頭架固定裝置的研制＊

耿明英，姚一博，沈光建，許民輝，李飛鵬，唐 琳，劉俊紅，周小琴

（第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所神經外科，重慶 400042）

盡管伽瑪刀立體定向放射外科現已經成為神經疾病重要的治療方式，但仍有許多亟待澄清的問題［1］。動物實驗是解決這些問題的重要手段之一［2］。不過，目前尚缺乏與臨床一致的動物實驗專用的伽瑪刀立體定向放射外科設備，而臨床應用的立體定向頭架又不適合小型動物的固定，因而一定程度上限制了相關研究的開展。為此，本研究設計和研發一種適配小型動物及臨床伽瑪刀立體定向頭架的固定裝置，現報道如下。

1 適配固定裝置的結構和安裝

本適配固定裝置主要是在實驗用鼠立體定向固定架的結構基礎上，選用高強度無磁性有機玻璃作為基本材料，利用臨床上Leksell立體定向框架上后組固定支桿作為固定基礎設計而成。其結構包括：（1）動物托盤（圖1A），大小為230mm×180mm×10mm。其尾部成梯形以適形于Leksell架基環，尾側有圓孔以便于動物四肢的線段固定。（2）適配固定腳（圖1B）。分前后兩組，每組以中線為軸左右各一，對稱固定于托盤底面，其左右距和前后距與Leksell立體固定架后組支桿的左右距和中空槽長度相適。每個適配固定腳由圓形支桿（ф＝15mm），見圖1Ba，和半槽固定基座連接而成（圖1Bb）。半槽固定基座底部有一固定螺紋孔（ф＝5mm），由此以帶帽螺桿將適配固定裝置固定于Leksell立體固定架后組支桿上。（3）動物頭部固定裝置。由耳和頭齒固定件組成（圖1C）。耳固定件包括一對立桿（ф＝15mm）和耳軸（ф＝7mm）（圖1Ca）。以托盤中線為軸，立桿固定于托盤上面偏頭側，其上有一螺紋孔，帶螺紋耳軸可穿過于其中。頭齒固定件置于托盤上面頭側中線（圖1Cb），由以帶帽螺桿調節的可前后滑動的立桿和套在立桿上可上下滑動的頭齒固定器構成。頭齒固定器上有齒咬合孔和以帶帽螺桿調節的頭頂壓板。安裝時，腹腔麻醉動物（以睫毛反射消失、呼吸及心律平穩為度）后，將動物置于托盤上。抬起動物頭部，使外耳孔位于耳固定件之中，對稱轉動耳軸固定外耳孔，盡量使動物中軸位于托盤中線。根據頭位與水平面成角的要求，調整好頭齒固定件立桿的前后距和頭齒固定件器的高度，以帶帽螺桿固定維持。使動物上下齒咬合于齒咬合孔，頭頂壓板壓住動物頭頂并以帶帽螺桿調整其松緊度。將Leksell立體定向框架上后組固定支桿置于最長位以完全暴露其中空槽。置荷動物適配固定裝置于后組固定支桿上（頭側向上），半槽固定基座扣住支桿，底部螺紋孔正對中空槽，帶帽螺桿固定（圖2）。

圖1 適配固定裝置

圖2 適配固定裝置的安裝

2 適配固定裝置的測試和應用

Wistar大鼠20只，200～250g，雌雄不拘，購自第三軍醫大學大坪醫院實驗動物中心，符合國家二級動物標準。動物經1%的戊巴比妥鈉腹腔麻醉（40mg／kg）。消毒后，切開頭皮，于一側顱骨上鉆一不通透骨孔，將硫酸銅點于其中。用涂有醫用生物膠的自身骨膜封閉骨孔后。按前述要求將動物固定于適配固定裝置上，其頭位保持水平0度，然后將適配固定裝置連于Leksell立體定向固定架后組支桿。行MRI冠狀掃描，層間距1mm。將圖片傳至伽瑪刀治療計劃系統，在硫酸銅標記平面確定一目標點，測定其在Leksell立體系統中的三維坐標以及該點與同側腦頂面和中線的垂直距離。鉆透顱骨孔，伊文藍染后的細針垂直插入腦內定位腦平面。將Leksell導向穿刺系統連于立體定向固定架，按前確定的三維坐標調整導向穿刺系統，細針通過骨孔穿刺目標點，注入伊文藍0.2mL。取下動物，打開其胸腔暴露心臟。經左心室插管至升主動脈起始處，剪開右心耳。先用NS 200～300mL快速沖洗血液，隨后用含4%多聚甲醛300mL灌流固定40min。開顱取腦，置恒溫冰凍切片機中行冰凍切片。切片時，以標記平面前后5mm作連續冠狀切片，片厚20μm。確定穿刺點伊文藍濃染點，測定其與標記平面、同側腦頂面和中線的垂直距離。發現與MR上測定值比較，在X、Y、Z方向的平均誤差分別為（0.15±0.27）、（0.27±0.33）、（0.26±0.42）mm。

依據大鼠立體定向圖譜［3］，應用本裝置對128只 Wistar大鼠尾狀核頭部進行4mm準直器單靶點照射（照射劑量100 Gy），結果發現，動物失固定率為3.7%，死亡率5.2%，其余動物均準確投照于目標點。

3 討 論

伽瑪刀立體定向放射外科（GSRNS）是根據立體定向原理，使用一次大劑量窄束伽瑪射線精確地聚集于顱內靶點，使之產生局灶性破壞，而在靶組織邊緣劑量銳減，在靶組織邊緣形成一類似刀割樣的界面，進而達到疾病治療目的的學科。由于放射劑量分布的特殊性，決定了GSRNS能夠一次完成對靶區正常或病變的放射毀損，而又不損害周圍正常組織，也不考慮靶區組織對射線的敏感性，這與傳統的放射有著根本不同；同時，它也避免了開放式手術所帶來的出血、感染、組織損傷等風險。基于此，GSRNS已迅速而廣泛地用于了顱內疾病的治療，成為神經外科一個重要輔助治療手段。不過，由于使用歷史不長，GSRNS仍有許多亟待深入探討的問題，如對中樞神經系統和病變的影響及機制、量效關系、神經組織放射損傷的防治等，而動物實驗是解決這些問題的重要手段之一。

在GSRNS的實驗研究中，大型動物如犬、猴等是一個重要選擇［4－5］，其優點之一在于能直接使用人的Leksell立體定向框架，但同時也具有實驗成本高、難以進行大批量樣本的實驗研究等缺點。小型動物如大鼠能有效克服上述缺點，但卻不能直接應用人的Leksell立體定向框架。為此，加載適配固定裝置以適應小型動物的實驗研究成為了重要課題。不過，在已有的鼠立體定向實驗研究中［6－8］，未見有關適配固定裝置的詳細報道。

本研究顯示伽瑪刀照射前后大鼠MRI定位片與腦切片均準確投照于目標點。在X、Y、Z方向的平均誤差分別為（0.15±0.27）、（0.27±0.33）、（0.26±0.42）mm。此后用于多篇研究生論文和博士論文的實驗研究中，均驗證了本裝置的精確性。本適配固定裝置在設計上主要考慮到下列因素：（1）無磁性、材質便宜、獲取容易；（2）加工便利；（3）使用方便；（4）低強度麻醉狀態下固定可靠；（5）頭位可調，以利于使用動物立體定向圖譜進行立體定向手術。為此，本適配固定裝置選用了市場上普遍使用的高強度無磁性有機玻璃作為基本材料，參考了實驗用鼠立體定向固定架頭齒固定裝置，巧妙地利用了臨床上Leksell立體定向框架上后組固定支桿作為適配固定基礎。經測試和實際應用，證實該適配固定達到了設計要求，為放射外科的實驗研究提供了便利條件［9－11］。

［1］ Monaco EA，Grandhi R，Niranjan A，Lunsford LD.The past，present and future of Gamma Knife radiosurgery for brain tumors：the Pittsburgh experience［J］.Expert Rev Neurother，2012，12（4）：437－445.

［2］ Yong SI，Do HN，Jong SK，et al.Stereotactic Device for Gamma Knife Radiosurgery in Experimental Animals：Technical Note［J］.Stereotact Funct Neurosurg，2006，84（2／3）：97－102.

［3］Paxinos G，Watson C.大鼠腦立體定位圖譜［M］.諸葛啟釧，譯.3版.北京人民衛生出版社，2005.

［4］ 沈光建，唐文淵.立體定向放射神經外科的一些實驗研究概況［J］.立體定向和功能性神經外科雜志，2007，20（4）：249－252.

［5］ Zhao ZF，Yang LZ，Jiang，et al.Gamma Knife irradiationinduced histopathological changes in the trigerninal nerves of rhesus monkeys［J］.J Neurosurg，2010，113（1）：39－44.

［6］ 梁軍潮，徐波濤，楊紅軍，等.低劑量伽瑪刀照射對致大鼠皮質及海馬神經元C－foc和nNOS表達的影響［J］.中國微侵襲神經外科雜志，2008，13（1）：22－24.

［7］ Herynek V，Burian M，Jirak D，et al.Metabolite and difusion changes in the rat brain after leksel gamma knife irradiation［J］.Magn Reson Med，2004，52（2）：397－402.

［8］ Osamu T，Motohiro H，Yoko K，et al.Gamma Knife Radiosurgery Targeting Protocols for the Experiments with Small Animals［J］.Stereotact Funct Neurosurg，2007，85（4）：135－143.

［9］ 沈光建，唐文淵，許民輝，等.大鼠伽瑪刀照射后AQP4的表達及其與腦水腫的相關性研究［J］.中華放射醫學與防護雜志，2007，27（6）：552－554.

［10］耿明英，程遠，許民輝，等.伽瑪刀對紅藻酸致癇大鼠學習記憶能力的影響［J］.第四軍醫大學學報，2007，28（13）：1227－1230.

［11］耿明英，程遠，許民輝，等.伽瑪刀對紅藻氨酸模型大鼠海馬形態學及苔蘚纖維變化的影響［J］.第三軍醫大學學報，2007，27（10）：959－962.