定位引導裝置在側腦室穿刺手術中的應用

金 怡, 顧 曄, 呂宏展

(1. 東華大學 機械學院， 上海 201600； 2. 復旦大學 附屬中山醫院， 上海 200032)

0 引 言

顱腦疾病因循環、吸收障礙而致顱內腦脊液量增加，稱其為腦積水。其癥狀為頭痛、嘔吐、視力模糊，行走不穩、智能下降和大小便失禁等，甚至眩暈及癲癇發作。腦積水患者神經功能障礙與腦積水嚴重程度相關，腦積水越多，其癥狀越嚴重。內窺鏡腦底引流術是治療腦積水的新型微創手術，側腦室穿刺是該手術的重要環節，目前穿刺點的位置、方向完全憑醫生的手感和經驗，對手術醫生的要求高，手術的風險大。為了使該手術的難度和風險降低，本文探索將3D打印技術應用于側腦室穿刺手術，采用病人的CT斷層圖像數據經專用的電腦軟件生成3D模型文件，并用3D打印機制作出病人的頭顱模型。同時研制出一個專用的穿刺針定位引導裝置，該裝置佩戴在病人的頭顱模型上，就可以在實驗室作手術前的模擬，作為教學工具幫助年輕醫生訓練練習，盡快掌握側腦室穿刺技術。通過模擬手術，醫生已熟練掌握了穿刺點和穿刺路徑，在手術中穿刺針定位引導裝置作為手術時的輔助裝置，幫助手術醫生快速準確地找到穿刺點并使穿刺針沿著指定的方向，順利進入腦室底，完成手術關鍵的一步。

1 側腦室穿刺的作用

傳統治療腦積水的方法是腦室顱外分流術，需要打開顱骨，建立腦脊液外流的通道，將腦脊液引流到腹腔或者心房，此種方法手術時間較長、傷口大，病人住院和恢復時間也較長。并且手術中由于分流管等異物的植入，可能會導致顱內或腹腔感染，一旦發生了感染，將堵塞分流管，使分流失敗[1]。在這種情況下，可能要重新打開顱骨，建立新的分流的通道，不僅病人所花費的醫療費用要增加，還要承受更多的痛苦。

內窺鏡腦底引流術是目前治療腦積水的新型微創手術，尤其適合梗阻性腦積水的治療。內窺鏡腦底引流術與傳統的腦積水顱外分流術相比，主要有以下優點：沒有分流管等異物植入，可以避免顱內或腹腔感染，更符合腦脊液循環的正常生理狀態，可以有效地維持顱內正常的壓力平衡和腦脊液的生理功能；同時保證腦脊液流動速度均勻，不會出現因分流管虹吸導致的分流速度隨體位改變而產生的波動，不會產生腦脊液過度引流[2-6]。由于是微創手術，手術操作相對較簡單，手術時間較短(一般20 min左右)，傷口較小，病人住院和恢復時間也較短，所花費的醫療費用較低。

內窺鏡腦底引流術關鍵的一個步驟是側腦室穿刺，它通過側腦室前角穿刺，將硬質神經內窺鏡插入側腦室，建立引流通道，如圖1所示。因為該手術不打開顱骨，因而看不清顱內的眾多神經和血管，為了防止在穿刺中損傷腦神經和血管，穿刺點的位置和穿刺方向需要非常精準，如果有誤差，內窺鏡將不能到達腦底的引流區，甚至損傷腦神經和血管，危及病人的生命和健康。

圖1 內窺鏡插入側腦室

2 頭顱模型的制作

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，通過逐層增加材料的方式，用3D打印設備來制造產品的技術。目前3D打印在醫學領域得到迅速應用，并且有著更深更廣的發展前景[7-8]。其中最有應用價值之一的就是醫學教學模型的制作，因為人體組織的血管、神經特別復雜，它們走向不同，粗細各異，且互相貫通，而且每個病人都存在個體差異。3D打印技術是基于材料堆積的原理，因此對處理復雜結構有較大的優勢。

在本項目的研究中，首先對病人進行腦部CT掃描，應用 minics軟件將病人的腦CT斷層圖像數據(圖2是其中一個CT斷層圖像數據)進行濾波、二值化和輪廓提取[9-10]。經過對每層CT斷層圖像進行矢量疊加，從而得到3D的頭顱模型，如圖3所示。由于電腦中的3D的頭顱模型是根據病人的CT斷層圖像數據生成的，是病人個體化的模型，能真實地反映病人頭顱的內部結構。然后通過3D打印機，打印得到病人的頭顱模型。頭顱模型可作為術前規劃、設計的樣本[11]。

圖2 病人CT斷層圖像數據圖3 病人頭顱模型

3 現有定位導向裝置的分析比較

目前在穿刺手術時所用的定位導向裝置主要用于常見腫瘤的介入治療，利用定位導向裝置幫助確定進針點、角度和深度，避免損傷血管、神經，提高介入技術的精確度和安全系數。常見的定位導向裝置有手持定位導向器和固定支架定位導向儀[12-14]。

3.1 手持定位導向器

手持定位導向器結構簡單，容易操作。手術者手持定位導向器如圖4所示。利用水平儀作為0°標準，轉動定位導向器相應的角度，對準穿刺點進行穿刺，這種方法雖然能進行導向，但這個角度是在一個平面內，人的頭部是三維的曲面，因此手持定位導向器對于腦部穿刺手術的輔助作用不大。

3.2 固定支架定位導向儀

固定支架定位導向儀結構較復雜，如圖5所示。定位導向儀固定在支架上，支架可在三維空間作相應的移動，以對準穿刺點；定位導向儀的導向孔也可在三維空間作角度的調整，引導穿刺針到達病灶。這種定位導向儀雖然定位導向比較準確，但支架笨重，操作較復雜，儀器費用昂貴，也不適合在腦穿刺手術中的應用。

圖4 手持定位導向器

圖5 固定支架定位導向儀

4 佩戴式定位導向裝置的設計

通過上述比較，現有的定位導向裝置在腦穿刺手術中均有不適用之處。為此，本文根據頭部手術的特點進行針對性的設計，所設計的佩戴式定位導向裝置能夠較好滿足手術要求，兼具輕巧、靈便的特點，可在三維空間內靈活調整角度，不會因病人體位的變化影響手術的順利進行。

4.1 設計原理

根據臨床側腦室穿刺常用的穿刺方法，穿刺點G在雙耳連線上，鼻中線旁2～3 cm，冠狀縫前1 cm，如圖6所示[15-16]。根據六點定位原理，限制1個物體在三維空間的3個方向的移動自由度和3個方向的轉動自由度，即可將一個物體在空間完全定位。但一般情況下，往往不需要將物體完全定位。所要設計的穿刺針定位引導裝置，首先需要在x和y方向移動找到G點，并固定定位；根據病人的CT圖像而生成的3D模型，手術醫生能明確穿刺通道，因此再在G點處，定位引導裝置需要繞x和y軸轉動某個角度，使穿刺針能沿著指定的通道進入腦底引流區。

4.2 設計要求及設計方案

本項目所設計的定位引導裝置一是通過機構的設計滿足其功能要求，即引導穿刺針在3D空間內調整角度與定位;二是專用于腦外科手術，和一般的機械裝置有所不同，要考慮手術的安全性，有些部件要設計成一次性使用，以免造成交叉感染。另外，還要考慮方便醫生的操作，盡可能縮短手術時間；更重要的是不能因病人的體位變化而使導向偏移，因此該裝置選擇頭頂佩戴的形式。

圖6 腦穿刺手術穿刺點的選擇

具體的設計方案如圖7(a)所示，在病人頭頂的上方有一個方形的支架，以實現穿刺針的導向管能沿方形支架兩邊(x軸或y軸)移動。方形支架通過頭箍佩戴在病人的頭上，穿刺操作完成后，可將頭箍從病人頭上卸下，以節省手術空間，不影響之后的手術。另外,在支架上設有可沿x軸方向移動的導向板，導向板豎直布置且可繞y軸轉動，通過量角器設定導向板的轉動角度，導向板轉動到位后，由鎖緊機構將其位置鎖定；在導向板上設有可沿y軸移動的導向管，導向管的移動方向與導向板的移動方向相垂直，導向管豎直布置且可繞x軸轉動，通過量角器設定導向管的轉動角度，導向管轉動到位后，由鎖緊機構將其位置鎖定；由于穿刺針很長，在導向管內設有用于引導穿刺針穿入腦底的通孔；所設計的頭箍為彈性體，以適合不同病人頭圍的大小；考慮到避免病人間的交叉感染，頭箍和導向管設計成可脫卸，為一次性使用。尤其重要的是，該定位導向裝置，佩戴在病人的頭上，不會因病人的體位變化使穿刺針偏移，保證了穿刺手術的成功率。

使用時(見圖7(b))，將頭箍1佩戴在病人的頭上，將導向板4根據支架二側上的刻度置于中心，調整頭箍1使導向板4與兩耳連線AB一致；導向管5根據導向板4頂端的刻度置于中心，根據圖6所示的位置，沿y軸方向移動3 cm，這樣導向管5就定位在穿刺點G上；根據量角器一6和量角器二7調整導向管5的角度，并固定導向板4和導向管5；此時穿刺針就可通過導向管5上的通孔14穿入腦底引流區。

5 結 語

內窺鏡腦底引流術是一種治療腦積水的新型微創手術，病人的傷口小、恢復快、治療費用低。但徒手穿刺主要依賴于操作者的空間定位感覺和對腦結構的熟悉程度，必須要有很多年的經驗積累，尤其是穿刺方向更難把握。由于腦室結構的特異性或病人體位的變動，往往會使穿刺針的方向偏移，導致穿刺失敗，還可能造成腦的意外損傷；有時在穿刺中多次調整方向，操作次數增加，出血、感染等并發癥的風險也隨之增加。手術的難度和潛在的風險，使得該手術只有高年資的神經外科醫生操作。通過應用本項目所研制的佩戴式定位導向裝置及3D打印的頭顱模型，可以對穿刺手術的路徑進行勾畫和預演；同時在手術中使用佩戴式定位導向裝置，可以使醫生更容易找到穿刺點和把握穿刺方向，縮短手術時間，降低了手術的難度和潛在的風險。除此之外,也方便了年輕醫生的手術模擬訓練，使大多數醫院都能開展該微創手術，并且低年資神經外科醫生也能獨立操作，這將緩解目前的看病貴看病難的問題，造福于廣大病人。

(a) 結構

(b) 使用

圖7 佩戴式定位導向裝置

1-頭箍, 2-支架, 3-連桿, 4-導向板, 5-導向管, 6-量角器一, 7-量角器二, 8-導向槽,9-圓軸一, 10-螺母一, 11-滑槽, 12-圓軸二, 13-螺母二, 14-導向管通孔

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