PoleStar N20术中磁共振神经导航系统的导航准确性研究

作者:姚成军,毛颖,吴劲松,庄冬

作者单位：上海神经外科临床医学中心 复旦大学附属华山医院神经外科，上海 200040          【摘要】  　　目的 研究PoleStar N20术中磁共振影像 （iMRI） 神经导航系统导航的准确性及影响因素，为临床应用提供指导。 方法 应用塑料-有机玻璃立柱插板体模，分别测定不同空间靶点、手术体位、扫描序列、噪音水平、磁体移动等对导航准确性的影响。 结果 导航准确性与扫描序列、噪音水平、扫描层厚呈显著性相关，与靶点空间位置、体位、手术床和磁体移动等不相关。 结论 PoleStar N20 iMRI神经导航系统导航准确性可靠，受外界影响小，可满足临床应用所需。

    【关键词】  PoleStar N20系统；术中磁共振成像；神经导航；体模，显像术

    Accuracy of PoleStar N-20 intraoperative MRI for neuronavigation: experimental study

    YAO Chengjun, MAO Ying, WU Jinsong, et al

    Shanghai Neurosurgical Center and Department of Neurosurgery, Huashan Hospital, Fudan University, Shanghai 200040, China

    Abstract:  Objective  To investigate the accuracy of PoleStar N-20 intraoperative MRI (iMRI) for neuronavigation and its influence factors for providing theoretical guidance for clinical application.  Methods  A peg-board phantom was used as a model. The accuracy of neuronavigation in PoleStar N-20 iMRI was measured with reference to the different spatial target points, body position, imaging sequences, noise levels, and moving of the operating table and magnet poles. The data were analyzed statistically.  Results  The accuracy of PoleStar N20 iMRI was obviously associated with imaging sequence, noise level and slice thickness, but there was no correlation of the accuracy to the spatial target point, body position  moving of operating table or magnet poles.  Conclusion  Accuracy of PoleStar N20 iMRI in neuronavigation was reliable and less influenced by outside factors, thus the iMRI system can meet clinical need.

    Key words:  Polestar N20 system;  intraoperative magnetic resonance imaging;  neuronavigation;  phantom, imaging        一般神经导航基于术前影像学数据，无法解决术中脑移位或脑变形对导航精度的影响，术中磁共振影像 （intraoperative magnetic resonance imaging，iMRI） 的诞生为解决这一难题提供了很好的方法。虽然利用不断更新的术中影像从根本上解决了术中脑移位的误差，但iMRI导航的准确性及其影响因素更直接关系到手术的疗效，这方面的研究却鲜见报告[1]。本研究即对我科引进的PoleStar N20 iMRI导航系统的精度进行测试。

    1    材料与方法

    1.1    iMRI系统    Odin公司PoleStar N20 iMRI导航系统 （0.15 T）。

    1.2    体模    采用塑料－有机玻璃立柱插板体模 （Peg－Board Phantom，34#，Medtronic Surgical Navigation Technologies，Louisville，USA），由三个部分组成：插板底座，立柱和密封罩 （图1）。32根立柱呈距阵分布，各立柱顶端中心有一凹孔 （即本实验研究的空间定位点）。立柱距离底座中心的距离 （中心距离） 为23~73 mm，立柱长短不一，各空间定位点距离底座的垂直距离 （高度） 为1.42~50.85 mm；数据呈正态分布。

    1.3    利用PoleStar N20 iMRI系统进行扫描成像    体模内注满5%硫酸铜溶液，以专用头架固定体模底板于手术床，按常规进行扫描。

    1.4    测定导航精度    通过窗口抽出体模内溶液后，卸下密封罩即可开始进行导航测试。先在导航界面上选择并记录P点的位置，将其设为参照点，然后用导航探针尖指向实际空间中的对应点P'，导航系统会给出P'与P点之间的距离。理论上这两个点完全对应，距离应该为0。但实际应用中，由于系统的定位存在一定偏差，所以这个距离可能不为0，而这个距离值也就是系统对P'点的定位误差。用上述方法，逐一测量体模中32个空间定位点的定位误差 （图2）。

    1.5    不同条件下测量导航精度    分别测定不同空间靶点位置、手术体位、扫描序列、噪音水平、磁体移动等对导航准确性的影响。

    1.6    统计学分析    数据分布的正态性检验采用Kolmogorov-Smirnov法，两组资料的比较选用配对样本t检验、独立样本t检验 （两组总体方差相同） 或t'检验 （两组方差不齐）。多组资料的比较采用多因素方差分析 （multiple factor ANOVA），各组间差异的两两比较采用LSD法、SNK法或 Scheffe 法，以P ＜0.05为差异有统计学意义。统计软件采用SPSS13.0。

    2    结    果

    2.1    空间位置对导航精度的影响    为排除其他因素干扰，取最常用的仰卧位，T1加权耗时11 min，层厚2 mm （T1 11 min 2 mm序列）；噪音低于10%，术野位于红外线追踪半径中心。结果：导航平均误差 （1.422 ± 0.692） mm，数据呈正态分布。体模中各空间定位点有两个主要参数：高度和中心距离，前者代表空间位置的“深浅”，后者代表“中心与周边”，它们均可能对导航精度产生影响。将“深浅”和“中心与周边”两个参数分别分组，方差分析结果显示：各“中心与周边”组之间，导航定位误差值差异无统计学意义，F = 0.682，P = 0.665；各“深浅”组之间，导航定位误差值差异亦无统计学意义，F = 0.940，P = 0.456。

 2.2    体位对导航精度的影响    均选用T1 11 min 2 mm序列，噪音低于10%，术野位于红外线追踪半径中心。三组 （仰卧、侧卧、俯卧位） 导航精度资料均呈正态分布，方差齐性，方差分析显示：各“体位”组之间，导航定位误差值差异无统计学意义，F = 1.327，P = 0.270。

    2.3    相同序列不同层厚、相同层厚不同序列、相同序列及层厚但不同耗时之间导航精度    均使噪音低于10%，术野位于红外线追踪半径中心，分别进行测定。

    以最常用的T1序列为例，分别测定层厚为2 mm、3 mm、4 mm、8 mm时的导航精度。四组导航精度资料均呈正态分布，方差齐性，方差分析结果：各“层厚”组之间，导航定位误差值差异有统计学意义，F = 31.776，P ＜0.001。进一步进行两组比较，结果显示：2 mm组与3 mm组间、3 mm组与4 mm组间差异无统计学意义，其余各组间两两比较差异均有统计学意义。层厚越薄，导航精度越高 （图3A）。

    Polestar N20系统不同序列间扫描层厚不完全相同，因此选取层厚相近的T1、T2及FLAIR序列，其中T1为7 min 4 mm，T2为7min 5 mm，FLAIR为9 min 6 mm，分别测定导航精度。三组导航精度资料均呈正态分布，方差齐性，方差分析显示差异有高度统计学意义，F = 11.650，P ＜0.001；两两比较，T1组与T2组、FLAIR组间差异有统计学意义，均P ＜0.001；T2组与FLAIR组间差异无统计学意义 （P = 0.656）。导航精度T1序列为 （1.812 ± 0.813） mm，高于T2序列的 （2.725 ± 0.938） mm和FLAIR序列的 （2.828 ± 1.008） mm （图3B）。

    分别测定及比较T1 7 min 4 mm与3.5 min 4 mm之间，T2 13 min 5 mm与7 min 5 mm之间导航精度差异是否有统计学意义。结果四组导航精度资料均呈正态分布，方差齐性，选用独立样本t检验。理论上扫描时间延长，图像分辨率应有所提高，导航精度也应有提高，但差异无统计学意义，P ＞0.05。

    2.4    不同噪音条件导航精度    选用T1 11 min 2 mm序列，术野位于红外线追踪半径中心，分别测定在噪音＜10%水平、20% ± 5%水平及50% ± 5%水平时的导航精度 （噪音＞55%水平时图像分辨率明显受影响，故不再测定精度）。三组导航精度资料均呈正态分布，方差齐性，方差分析结果显示：各组间导航精度不全相同，F = 10.415，P ＜0.001。两两比较显示：噪音10%水平组与20% ± 5%水平组之间，导航精度差异无统计学意义，P ＞0.05；而50% ± 5%水平组与前两组之间比较，差异均有统计学意义，P ＜0.01 （图3C）。

    2.5    手术野偏高时的导航精确度    使手术野及参考架分别位于追踪半径中心和边缘，选用T1 11 min 2 mm序列，噪音低于10%，分别测试导航精度。两组导航精度资料均呈正态分布，方差齐性，选用独立样本t检验，P ＞0.05，差异无统计学意义。

    2.6    模拟消毒铺巾、更换同规格示踪球与导航探针前后导航精度    选用T1 11 min 2 mm序列，噪音＜10%，术野位于红外线追踪半径中心。两组导航精度资料均呈正态分布，方差齐性，采用独立样本t检验，P ＞0.05，差异无统计学意义。

    2.7    磁体移动前后导航精度    选用T1 11 min 2 mm序列，噪音＜10%，术野位于红外线追踪半径中心。两组导航精度资料均呈正态分布，方差齐性，采用独立样本t检验，P ＞0.05，差异无统计学意义。

    3    讨    论

    传统神经导航注册时假设被注册物体 （病人颅脑解剖结构） 固定无变形，而实际上脑组织非刚性体，由于重力作用、组织生物力学属性、颅内压变化以及手术操作的影响，术中随麻醉、开颅、脱水、脑脊液引流以及组织切除等，常发生脑移位。脑移位程度如超过允许的误差范围，将严重干扰神经导航技术的可靠性，导致术后肿瘤残留或因误伤重要功能区而引起术后严重的神经功能障碍[2-4]。动物实验结果证明：开颅后仅重力对脑皮质所造成的变形就在5.7 mm左右，最高可达1 cm[5]。临床实验结果证明：术中硬脑膜移位 （2.80 ± 2.48） mm，脑皮质移位 （5.14 ± 4.05） mm，肿瘤移位 （3.53 ± 3.67） mm，尤以半球胶质瘤和脑膜瘤为剧[6]。iMRI的诞生为解决这一难题提供了很好的方法，利用术中影像的实时更新，根本性地解决了术中脑移位所致误差。但iMRI尚为新兴事物，尤其低场强磁共振系统的图像分辨率客观上逊色于中、高场强磁共振影像，其导航精度研究少有报道。

    常用的神经导航准确性评估方法有以下几种：基于体模的实验研究、基于基准标志的临床研究、影像学专家的经验评估。三种方法中，基于体模的实验研究数据精确、客观，便于各项测量结果的统计学分析，是进一步开展临床研究的基础；其中塑料有机玻璃制造的注水模型，是放射影像学研究中普遍采用的理想体模[7，8]。

    与传统无框架神经导航系统相比，iMRI系统扫描结束后即可导航，省略了注册步骤，避免了人工注册带来的误差，并相应节约了时间。Schulder等[1]报道采用水体模 （Pegboard-stylephantom），测量PoleStar N20系统在不同扫描序列、层厚和磁场中央与周边的导航准确性。本研究除重复其所测参数处，还增加了不同体位、不同扫描时间、不同噪音、手术床移动和扫描磁体移动等对iMRI导航准确性的影响。该研究在2 mm的T1序列时，测得的导航准确性可达 （0.9 ± 0.6） mm，但其模型只测定了9个位点，样本量偏小。本实验在相似条件下测定了32个随机排列的位点，导航准确性为 （1.422 ± 0.692） mm，更接近实际情况。目前iMRI系统按照场强可分为高、中、低场强三类，很明显，高场强系统成像质量更佳，理论上更有利于提高神经导航的准确性。但场强并非选择iMRI的唯一决定因素，尚有其他因素应被综合考虑，如成像是否方便易行，是否需要移动病人或机器，成像时间，是否需要购买专用手术器械和仪器及所用的导航系统等[9]。PoleStar N20 iMRI为低场强系统，但导航准确性已可满足临床所需。本研究将32个位点按靶点“深浅”和“中央与周边”分组，结果导航误差值差异无统计学意义，说明手术区域不同空间位置对导航准确性无影响。模拟实际手术常用的仰卧、侧卧、俯卧位，分别测定导航准确性并比较，差异无统计学意义，提示PoleStar N20 iMRI系统适用于各种体位导航。

PoleStar N20 iMRI系统采用不同的扫描层厚时，产生不同的扫描野 （FOV） 和图像分辨率，本研究对不同层厚T1序列导航准确性的测定进行比较，发现导航误差差异有统计学意义，且随层厚增加，导航误差有增大趋势。

    两两比较结果显示：2 mm组与3 mm组间、3 mm组与4 mm组间差异无统计学意义，其余各组间两两比较，差异均有统计学意义；层厚2 mm者导航误差最小，为 （1.422 ± 0.692） mm，8 mm者误差最高，为 （3.213 ± 0.843） mm。Schulder等[1]的实验结果也显示：T1加权层厚2 mm、3 mm、4 mm者导航误差均数分别为0.9 mm、1.2 mm、1.8 mm。故临床使用中我们应尽量采用2 mm层厚扫描方案。其缺点是耗时较长，因此，对于导航精度要求不高或只是判断病灶切除程度时，也可选用较厚层厚的序列，以节约手术总体耗时。

    不同的扫描方案之间，图像的分辨率、层厚、FOV等也有较大差异，临床应用中，也有许多病灶在T1加权上边界显示不清或病灶显示不强化，此时一般只能选用T2或FLAIR成像方式。本实验分别测定了相近层厚下不同扫描序列的导航误差，结果提示：T1序列导航精度高于T2及FLAIR序列，而后两者之间差异无统计学意义。

    在临床应用中，对于不强化的病灶，如选用T2加权成像，手术区域残留的水分、血水或明胶海绵也常表现为高信号，从而影响对肿瘤边界的判断。为解决该问题，通常选用FLAIR成像。本实验结果表明：虽然FLAIR序列层厚较厚 （6 mm），但与T2序列层厚5 mm比较，导航误差差异无统计学意义，是理想的备选方案。

    PoleStar N20 iMRI的扫描菜单中，T1和T2加权在相同层厚条件下，有不同耗时的方案可供选择，理论上时间延长者可产生更高的信噪比，从而生成更好品质的图像。我们分别比较了T1 4 mm 7 min与3.5 min之间、T2 5 mm 7 min与13 min之间的导航误差，结果差异无统计学意义，扫描时间延长并未提高导航准确性，提示实际应用中不必强求耗时长的扫描方案，以节约手术时间。

    随着噪音水平升高，导航误差明显增大。当噪音＞55%时，图像分辨率显著降低，体模立柱顶端的小凹点难以清晰显示，甚至无法测定导航误差。提示噪音水平的控制与导航准确性密切相关，理想的噪音水平为＜10%。

    在实际手术过程中，手术床位置常根据术者的要求进行升高、降低或倾斜等操作，此时手术野可能偏离红外线追踪器的理想工作范围。此外，手术过程中的消毒铺巾和更换示踪球、导航探针，理论上均有可能对参考架、头架等造成细微的变化，从而影响导航准确性，本研究分别测定这些步骤前后的导航误差，显示差异均无统计学意义。

    由于PoleStar N20 iMRI的扫描磁体较N10大，虽然使磁场从0.12提升到0.15 T，FOV从10 cm × 15 cm提升到20 cm × 15 cm，但是较大的磁体在术中位于手术床头下面，使手术床下降受限制，外科医师和助手站位受影响，在一定程度上影响了外科医师坐下和手术显微镜的应用。如果能把磁体从手术床下移开，提供给外科医师和助手的空间将与无iMRI时一样，大大有利于显微外科手术操作。但是，磁体从手术床下推开，扫描时再推回，是否影响iMRI导航准确性，文献未见报告。本研究发现：磁体从手术床下移开，不影响导航准确性。

【参考文献】  [1] SCHULDER M, SALAS S, BRIMACOMBE M, et al. Cranial surgery with an expanded compact intraoperative magnetic resonance image [J]. J Neurosurg, 2006, 104(4): 611-617.

[2] SCHULDER M, SERNAS T J, CARMEL P W, et al. Cranial surgery and navigation with a compact intraoperative MRI system [J]. Acta Neurochir (Wien), 2003, 85(Suppl): 79-86.

[3] NIMSKY C, GANSLANDT O, VON KELLER B, et al. Intraoperative high-field-strength MR imaging: implementation and experience in 200 patients [J]. Radiology, 2004, 233(1): 67-78.

[4] NIMSKY C, GANSLANDT O, BUCHFELDER M, et al. Glioma surgery evaluated by intraoperative low-field magnetic resonance imaging [J]. Acta Neurochir (Wien), 2003, 85(Suppl): 55-63.

[5] REINGES M H, KROMBACH G, NGUYEN H. Assessment of intraoperative brain tissue movements by frameless neuronavigation [J]. Comput Aided Surg, 1997, 2: 218-230.

[6] 杜固宏, 周良辅, 毛颖. 神经导航注册准确性的实验研究 [J]. 中国微侵袭神经外科杂志, 2002, 7(4): 214-217.

[7] WEST J B, FITZPATRICK J M, TOMS S A, et al. Fiducial point placement and the accuracy of point-based, rigid body registration [J]. Neurosurgery, 2001, 48(4): 810-817.

[8] BAUM F, VOSSHENRICH R, FISCHER U, et al. Stent artifacts in 3D MR angiography: experimental studies [J]. Rofo, 2000, 172(3): 278-281.

[9] ALBAYRAK B, SAMDANI A F, BLACK P M. Intra-operative magnetic resonance imaging in neurosurgery [J]. Acta Neurochir (Wien), 2004, 146(6): 543-557.