機械臂輔助腦深部電刺激術精準度的研究

李建宇，任志偉，郭松，俞凱佳，胡永生，李勇杰

20世紀60年代，第一臺機械臂用于硬件制造工業，最初的設計理念是想取代人類制造。但隨著科技的發展，機械臂應用領域的擴展，機械臂更多是幫助人類完成各種精細重復的工作[1]。1978年，Sheinmann研發出第一臺醫用機械臂(Programmable Universal Manipulation Arm)，應用于CT引導下的腦活檢，提高了手術的精準度，縮短了手術時間[2]。隨后幾年，因為腦深部電刺激(deep brain stimulation,DBS)和腦活檢均屬于立體定向手術，所以機械臂逐漸應用于DBS手術。

首都醫科大學宣武醫院功能神經外科從2017年開始采用機械臂輔助下埋植sEEG電極，用于癲癇患者的腦電圖監測；2019年機械臂開始用于DBS治療運動障礙病的手術。由于DBS手術需要埋植電極的精準度非常高；為此本研究回顧分析10例機械臂輔助埋植電極DBS治療的運動障礙病患者的臨床資料，探討其精準度。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組患者中男3例，女7例；年齡44～78歲，平均年齡(61.4±9.0)歲；帕金森病8例，肌張力障礙2例；丘腦底核(subthalamic nucleus，STN)作為靶點者6例，蒼白球內側部(globus pallium interior,GPi)作為靶點4例。

1.2 方法

1.2.1 手術流程 共埋植20根腦深部電極，術中植入的刺激電極采用四觸點電極(3387型，Medtronic Inc，Minneapolis，MN)。所有病例的電極植入，均在局麻下采用華科精準神經外科手術導航定位系統SR1進行。安裝Leksell立體定向頭架，適配DBS專用基框，行術前CT掃描。Sinoplan手術計劃系統，導入術前不同掃描序列MRI圖像(T1WI、T2WI、QSM)和CT等，多模態影像融合后，計算出目標靶點的三維坐標和電極入路的角度。立體定向頭架通過Y形叉直接和機械臂相連。機械臂位于患者頭部正上方或斜上方(圖1)。固定機械臂后，使用基框標記點進行患者注冊和精度驗證。拆除基框消毒鋪巾后，更換DBS專用適配器固定α-Omega微電極記錄系統，機械臂引導下通過套管針確定電極的頭皮入路點。切開頭皮，嚴格止血后，暴露顱骨，再次在機械臂引導下套管針確定顱骨鉆孔位置；電鉆鉆開顱骨后，再次安裝基框進行術中注冊和精度驗證。更換DBS專用適配器固定微電極記錄系統，套管針引導下確定硬膜入路位置，切開硬膜，并在皮層上造瘺。機械臂位置距靶點187 mm后,置入套管針后進行微電極測試(圖1)。微電極記錄靶點核團的細胞放電，更換刺激電極(治療電極)，測試患者治療窗數值(即癥狀改善的閾值和副反應閾值差)。如測試結果滿意，拆除立體定向頭架后全麻下埋植脈沖發生器，操作步驟同之前的文獻報道[3]；如果測試結果不滿意，采用O臂復查電極位置，根據設計靶點進行調整。

圖1 機械臂的擺放及術前注冊和術中引導電極植入其中每個觸點間距3 mm,最遠端為0觸點,紅色圓點代表設計電極位置的三維坐標圖2 植入4觸點電極術后CT復查影像及電極示意圖

1.2.2 實際靶點與設計靶點差值的計算 采用√(X術前-X術后)2+(Y術前-Y術后)2+(Y術前-Y術后)2公式(即歐基米德公式)計算出術前設計靶點與術后實際靶點的直線距離。實際靶點的坐標值采用植入電極0觸點下緣中心(圖2)。

2 結 果

2.1 植入電極設計路徑與實際路徑的角度及靶點坐標值比較 10例患者20根電極的實際電極與設計電極路徑的Arc角、Ring角度比較，差異均無統計學意義(P=0.584，P=0.282)；見表1。雙側實際電極與設計電極坐標(X,Y,Z)值比較顯示，實際電極與設計電極的右側X、Y和左側Y值的差異有統計學意義(P=0.043，P=0.030，P<0.01)，其他坐標值間的差異均無統計學意義(表2)。

表1 植入電極設計路徑與實際電極路徑的角度比較

表2 設計靶點與實際靶點的三維坐標值比較(mm)

2.2 實際靶點與設計靶點的距離 實際靶點與設計靶點的三維坐標之間的距離為(1.81±0.81)mm。去除深度因素，實際靶點與設計靶點的二維坐標間的距離為(1.41±0.82)mm。

2.3 并發癥 本組患者在術中及術后短期內均沒有并發癥發生，包括與手術相關的并發癥及與刺激器硬件相關的并發癥。與刺激參數相關的并發癥均通過調節刺激方式(單極、雙極)、刺激觸點和刺激參數(電壓、頻率和脈寬)得到解決。

3 討 論

機械臂輔助DBS和sEEG手術已經廣泛應用于功能神經外科。本研究3年前開始采用華科精準機械臂輔助sEEG手術，近期又將此項技術應用于DBS植入術；總結分析10例運動障礙患者機械臂輔助電極植入的數據，探討此種手術的精準度。

DBS手術需要非常高的精準度，如果電極植入的誤差超過2 mm，手術的效果就會受到明顯的影響[4]。手術的精度是指電極植入的實際靶點坐標與設計靶點坐標之間的差值；手術的準度是指此項技術的可重復性，即統計學中的標準差。手術路徑的精準度會影響到電極穿過靶點核團的長度，也就是核團內有效電極的長度，會影響到術后刺激觸點選擇的余地和參數的調整范圍。

本研究采用華科精準機械臂輔助下植入20根電極，實際靶點與設計靶點的平面誤差為(1.41±0.82)mm；因為深度誤差可以通過調節刺激觸點的方式進行代償，所以可以忽略，在文獻報道中也有類似算法[5,15]。DBS電極植入精確度的統計結果與其他中心的結果基本一致[13,15-19]。De Benedictis報道[6]116例兒童患者采用機械臂輔助植入電極，用3D歐幾里德距離測算法計算實際靶點與設計靶點的差距；其中sEEG(n=36)為1.96 mm，蒼白球毀損術(n=12)為1.33 mm，DBS(n=3)為1.60 mm。Goia等報道[7]，24例采用ROSA機械臂全麻下埋植的DBS患者，實際靶點與設計靶點的誤差左右側分別為1.12 mm和0.81 mm。Ho等報道[5]，20例機械臂輔助下DBS患者，實際電極與設計電極的平面誤差為(1.40±0.11)mm，深度誤差為(1.05±0.18)mm。本組患者計算的設計靶點右側偏內偏后，左側偏后，在文獻里也有類似的報道[7]。分析誤差產生的原因可能與以下因素相關：(1)本組患者的植入電極中有3根電極的深度進行了調整，在計算設計靶點深度時只更改了Z值，因為電極植入有一定的角度，但并沒有更改X值和Y值，這可能是造成誤差產生的原因之一；(2)手術后CT與術前MRI融合會產生一定的融合誤差，也是造成誤差的原因；(3)術中腦脊液的流失和腦組織的移位，也是造成電極偏后的原因。曾經有文獻報道術前設計靶點時，可以將預設靶點向前向外各移動1.5 mm，可減少電極植入的誤差[8]。其中的原因猜測可能是電極在腦組織受到阻力后有一定的位移，所以術后復查CT會顯示電極呈現“S”或者“C”形。

Widmann等研究報道[9]機械臂輔助下DBS植入電極的誤差在1.99～3.2 mm之間。Nexframe無框架DBS手術植入電極的誤差超過2.71 mm，明顯高出機械臂組的誤差[10]。利用立體定向框架導向腦干手術，以CT為基準圖像的誤差為(2.8±1.2)mm，以MRI為基準圖像的誤差為(3.1±1.2)mm[11]。所以，多數文獻報道機械臂輔助下DBS植入的精度等同甚至高于立體定向頭架[15-17]。另外有文獻報道，術中采用CT或MRI復查電極位置，然后進行調整，最終計算誤差值，60例患者(119根電極)的誤差為(1.24±0.87)mm；采用Nexframe無框架植入DBS，CT復查電極位置，48例患者(94根電極)的誤差為(0.9±0.5)mm；采用術中MRI復查電極位置，20例患者(40根電極)的誤差為(0.6±0.3)mm。另外，Lannie等報道，119例患者采用機械臂輔助植入DBS電極，術中采用X線或者O型臂復查電極位置，并且所有患者術后均進行CT或MRI復查，發現兩次復查結果的差異無統計學意義，表明術中的影像學檢查的可靠性。本組病例采用局麻下微電極記錄術中測試治療窗方式，治療窗數據均比較滿意，故沒有進行術中影像學復查。因此，如果術中有條件進行影像學復查，可以提高電極埋植的準確性，尤其是全麻下進行的手術，影像學的復查是唯一可以印證電極位置的方法。

至于評估方法，有文獻[19-20]報道采用UPDRSⅢ和左旋多巴每日等效劑量(levodopa daily equivalent dose，LEDD)作為評價電極準確性的指標，這主要是從臨床效果出發考慮。本研究單純從電極設計靶點與實際靶點的差異來分析電極植入的準確度，這只是評估的標準不同而已。

有多篇文獻報道機械臂輔助DBS手術，尤其是全麻下手術，可以明顯縮短手術時間，減少手術室花費[7,12,14]。Jin等報道[14]，全麻下氣顱的體積明顯小于局麻組。本研究采用生物蛋白膠封堵骨孔，術后復查CT顯示顱內積氣不會影響電極植入位置。本組患者的手術均在局麻下進行，而且術中進行了微電極測試和植入電極后治療窗的測試，但沒有進行術中影像學復查。所以整體手術時間并沒有比立體定向頭架下DBS手術時間縮短。

關于機械臂輔助DBS手術的安全性。本組患者術中術后未出現任何并發癥，包括與手術相關的并發癥、與刺激器硬件相關的并發癥，以及短期內與刺激相關的并發癥等。但因為手術病例數量較少，所以統計結果可能不具有普遍的代表性。但有文獻報道此類手術的并發癥的發生率與立體定向框架引導下DBS手術相似[5,7,13-17]。

DBS植入電極需要極高的精準度，以前的立體定向頭架下DBS手術完全可以滿足手術精度的需求；但近期機械臂輔助下DBS的植入手術應用越來越廣泛，因此評估此種術式的精準度就非常必要。本研究結果表明機械臂輔助下DBS完全符合此類手術對精準度的要求。但因本研究的手術例數偏少，故此結論還需要進一步大樣本的手術病例研究來證實。