Ларс Лекселл: Пионер радиохирургии и стереотаксической хирургии

Введение

Шведский врач Ларс Лекселл (24 ноября 1907 – январь 1986) был шведским врачом и профессором нейрохирургии в Каролинском институте в Стокгольме, Швеция. Он является изобретателем радиохирургии.

Жизнь и карьера

Ларс Лекселл родился в приходе Фэссберг, Швеция, 24 ноября 1907 года. Он окончил медицинский факультет Каролинского института и начал обучение нейрохирургии в 1935 году под руководством Герберта Оливекроны. Разработка электронистагмографии и его диссертация о мышечном контроле и гамма-моторных нейронах стали его первыми научными достижениями. В 1949 году он разработал свою дугоцентрированную стереотаксическую систему, основанную на полярной системе координат. В 1951 году Лекселл и физик и радиобиолог Борье Ларссон разработали концепцию радиохирургии. Лекселл и Ларссон впервые применили пучки протонов, направленные из нескольких направлений в небольшую область мозга, в экспериментах на животных и при первых лечебных процедурах на людях. Таким образом, он достиг нового неинвазивного метода разрушения отдельных анатомических областей мозга, минимизируя воздействие на окружающие ткани. В 1958 году он стал профессором хирургии в Лундском университете. С 1960 года и до выхода на пенсию в 1974 году он был профессором и заведующим кафедрой нейрохирургии в Каролинском институте в Стокгольме, сменив Герберта Оливекрону, основавшего эту кафедру в 1920 году. В этот период Лекселл продолжал работу над стереотаксической радиохирургией и совершенствованием стереотаксических методов. Первый прототип гамма-ножа был установлен в Софияхеммете в 1968 году. За время своей карьеры Лекселл использовал его для лечения 762 пациентов. На протяжении всего этого времени он предлагал совершенствовать радиохирургию с использованием современных методов визуализации, включая компьютерную томографию, МРТ и ангиографию, как это делается и сегодня. В настоящее время техника Лекселла используется как эффективное лечение многих заболеваний, таких как артериовенозные мальформации, опухоли гипофиза, акустические невромы, краниофарингиомы, менингиомы, метастатические и опухоли основания черепа, а также первичные опухоли мозга. Устройство производит шведская компания Elekta Instruments, Inc., которая производит оборудование для стереотаксической хирургии и радиохирургии, основанное на изобретениях Лекселла. Он основал ее в 1972 году. Он мирно скончался в возрасте 78 лет в 1986 году во время энергичной прогулки в Швейцарских Альпах.

Lars Leksell was born in Fässberg Parish, Sweden on November 24, 1907. He completed medical studies at the Karolinska Institute and began his neurosurgical training in 1935 under Herbert Olivecrona. Development of electronystagmography and his thesis on muscular control and gamma motor neurons were his early scientific achievements. In 1949, he developed his arc centered stereotactic frame based on A polar coordinate system. In 1951, using the Uppsala University cyclotron, Leksell and the physicist and radiobiologist Borje Larsson, developed the concept of radiosurgery. Leksell and Larsson first employed proton beams coming from several directions into a small area into the brain, in experiments in animals and in the first treatments of human patients. Thus, he achieved a new non invasive method of destroying discrete anatomical regions within the brain while minimizing the effect on the surrounding tissues. He became a professor of surgery at University of Lund in 1958. From 1960 until his retirement, in 1974, he was Professor & Chairman of neurosurgery at the Karolinska Institute in Stockholm, succeeding Herbert Olivecrona, who was the department's founder in 1920. During this time Leksell pursued his work on stereotactic radiosurgery and refinement of stereotactic methods. The first prototype of the gamma knife was installed in Sophiahemmet in 1968. Over the rest of his career, Leksell treated 762 patients with it. Throughout this time he would propose improving radiosurgery with modern imaging modalities including CT, MRI and angiography, as is currently used. Today, Leksell's technique is used as an effective treatment for many conditions such as arteriovenous malformations, pituitary tumors, acoustic neuromas, craniopharyngiomas, meningioma, metastatic and skull base tumors, and primary brain tumors. The device is manufactured by Elekta Instruments, Inc., a Swedish company which manufactures stereotactic surgery and radiosurgery equipment, based on the inventions of Leksell. It was founded by him in 1972. He died peacefully at age of 78 in 1986 while taking a brisk walk in Swiss alps.

Первые годы и "стериотактическая структура"

Лекселл начал обучение нейрохирургии у Герберта Оливекроны в 1935 году в больнице Серафимер, одной из старейших больниц Швеции, основанной в 1752 году. Нейрохирургическое отделение Оливекроны пользовалось солидной международной репутацией и привлекало большое количество стажеров со всего мира. В ноябре 1939 года Лекселл ненадолго служил врачом-добровольцем в Финляндии во время советского нападения. Позже он рассказывал, что во время этой войны часто размышлял о возможности извлечения пуль из мозга с минимальным повреждением окружающей мозговой ткани, используя механически управляемый инструмент. В начале 1940-х годов Лекселл присоединился к Рагнару Граниту, лауреату Нобелевской премии 1967 года, для проведения экспериментальных исследований в области нейрофизиологии. В 1945 году он защитил докторскую диссертацию, монографию о моторной гамма-системе под названием «Потенциал действия и возбуждающие эффекты малых вентральных корешковых волокон на скелетные мышцы». Это стало важной вехой в понимании контроля мышц и теперь является частью базовой нейрофизиологии. В эти годы он вместе с Гранитом и Скоглундом внес еще один значительный вклад, описав феномен эфапсиса, «искусственных синапсов», вызванных локальным давлением на нерв, как возможный механизм, участвующий в невралгии тройничного нерва. После возвращения к клинической работе он приступил к разработке стереотаксического инструмента. Стереотаксический метод – результат работы Роберта Кларка, инженера, физиолога и хирурга, который вместе с нейрохирургом Виктором Хорсли разработал инструмент для моделирования и создания поражений в точных точках мозга экспериментальных животных: аппарат Хорсли-Кларка. Кларк сформулировал эту концепцию в 1895 году, а оригинальное устройство было построено в 1905 году и впервые использовано в 1906 году. Первое успешное применение стереотаксической хирургии на черепе у людей приписывается команде Эрнеста Шпигеля и Генри Уайсиса в отделении экспериментальной неврологии Университета Темпл в Филадельфии (Spiegel et al., 1947). Их первоначальная рама, использующая декартову систему координат и похожая по конструкции и принципу действия на устройство Кларка-Хорсли, фиксировалась на голове пациента с помощью гипсового оттиска. Раму и оттиск можно было снимать, что позволяло проводить отдельные сеансы визуализации и хирургического вмешательства. Контрастная рентгенография, вентрикулография, а позднее пневмоэнцефалография позволяли визуализировать внутричерепные ориентиры, по которым можно было определить местоположение интересующих структур. Первоначальные применения были связаны с психохирургией. В 1947 году Лекселл посетил Уайсиса в Филадельфии, а затем разработал и описал свой инструмент в публикации 1949 года. Это был первый пример стереотаксической системы, основанной на принципе «центра дуги». В отличие от декартовой системы координат устройства Шпигеля-Уайсиса, рама Лекселла использовала три полярные координаты (угол, глубина и передне-заднее положение). Это устройство «четверти дуги» обеспечивало максимальную гибкость в выборе точки входа и траектории зонда и поэтому было намного проще в использовании. Рама была модифицирована в последующие годы, но остается удивительно похожей по функциям и внешнему виду на оригинальное устройство 1949 года. Использование подвижной полудуги с держателем электрода означает, что кончик зонда может достичь цели независимо от положения держателя или угла наклона дуги относительно устройства фиксации черепа – рамы или базовой пластины с планками для винтов фиксации костей. Эта конструкция также позволяет использовать трансфеноидальные, прямолинейные латеральные и субокципитальные подходы зонда. Лекселл во многих отношениях был перфекционистом и до конца своей жизни продолжал изменять и пересматривать конструкцию практически каждой небольшой детали своего инструмента, хотя основная полукруглая рама оставалась неизменной. Он сосредоточился не только на улучшении функциональности инструмента, но и на его эстетическом виде. Важной особенностью было то, что «аппарат должен быть простым в обращении и практичным в рутинной клинической работе» и «требуется высокая степень точности». Часто цитируемая фраза: «Инструменты, используемые хирургом, должны быть адаптированы к задаче, и когда речь идет о человеческом мозге, ни один инструмент не может быть слишком усовершенствован».

Leksell started his neurosurgical training with Herbert Olivecrona in 1935 at the Serafimer Hospital, one of the oldest hospitals in Sweden founded in 1752. The Olivecrona neurosurgical service enjoyed a solid international reputation and attracted a large number of trainees from all over the world. For a short period Leksell served as a volunteer medical doctor in Finland when it was attacked by the Soviet Union in November 1939. Later he told that during that war, he often speculated on the possibility of extracting bullets from the brain with minimal damage to the surrounding brain tissue using a mechanically guided instrument. In the early 1940s Leksell joined Ragnar Granit, Nobel Laureate 1967, for experimental studies in neurophysiology. In 1945 he presented a PhD dissertation, a monograph on the motor gamma system titled ‘‘The action potential and excitatory effects of the small ventral root fibers to skeletal muscle.’’ This was a major milestone in the understanding of muscle control and has now become part of basic neurophysiology. During these years he, together with Granit and Skoglund, made another major contribution by describing the phenomenon of ephapsis, ‘‘artificial synapses,’’ caused by local pressure on a nerve, as a possible mechanism involved in trigeminal neuralgia. After resuming clinical work, he started work on the development of a stereotactic instrument. The stereotactic method is the product of Robert Clarke, an engineer, physiologist and surgeon, who, together with neurosurgeon Victor Horsley, devised an instrument for simulating and making lesions at exact locations within the brains of experimental animals: the Horsley–Clarke apparatus. Clarke came up with the concept in 1895, and the original device was constructed in 1905 and first used in 1906. The first successful cranial application of stereotactic surgery in humans is credited to the team of Ernest Spiegel and Henry Wycis in the Department of Experimental Neurology at Temple University in Philadelphia (Spiegel et al. 1947). Their original frame, using a Cartesian coordinate systems and similar in design and operation to the Clarke Horsley device, was fixed to a patient's head by means of a plaster cast. The frame and cast were removable, allowing separate imaging and surgery sessions. Contrast radiography, ventriculography and later pneumoencephalography permitted the visualization of intracranial reference points from which the location of target structures of interest could be determined. Initial applications were for psychosurgery. In 1947 Leksell visited Wycis in Philadelphia and then developed and described his instrument in a publication in 1949. This was the first example of a stereotactic system based on the principle of ‘‘center of arc’’. In contrast to the Cartesian coordinate system of the Spiegel Wycis device, Leksell's frame utilized three polar coordinates (angle, depth and anterior–posterior location). This ‘‘arc quadrant’’ device provided maximum flexibility in choosing probe entry point and trajectory, and was therefore much easier to use. The frame has been modified over the ensuing years, but remains remarkably similar in function and appearance to the original 1949 device. The use of a movable semi arc with an electrode carrier implies that the tip of a probe can reach the target regardless of the position of the carrier or the angling of the arc relative to the skull fixation device, a frame or base plate with bars for bone fixation screws. This construction permits also transphenoidal, straight lateral and suboccipital probe approaches. Leksell was in many respects a perfectionist and for the rest of his life he continued to change and revise the design of virtually every small part of his instrument though the basic semicircular frame was retained. He focused not only on upgrading the function of the instrument but also on its aesthetic appearance. An important feature was that ‘‘the apparatus should be easy to handle and practical in routine clinical work’’ and ‘‘a high degree of exactitude is necessary.’’ An oft cited quotation is ‘‘Tools used by the surgeon must be adapted to the task and where the human brain is concerned, no tool can be too refined.’’

Первым задокументированным клиническим применением стереотаксической системы Лекселла был случай краниофарингиомной кисты, которая была пунктирована и обработана введением радиоактивного фосфора. Вероятно, этот пациент был первым в мире, которому была проведена такая терапия (1948). До появления современных методов визуализации (КТ, МРТ) вентрикулография использовалась и в некоторых центрах до сих пор используется для определения координат цели. Уже в конце 1940-х годов нейрорадиология была хорошо развитой специальностью в больнице Серафимер, и рутинно практиковались ангиография и пневмоэнцефалография. Лекселл проводил пневмоэнцефалографию сначала в положении сидя, а затем в положении лежа на спине, чтобы визуализировать переднюю и заднюю спайки соответственно. Чтобы компенсировать расхождение рентгеновских лучей, он построил диаграмму плотно упакованных концентрических окружностей, приближенных к спиралям, геометрически связанных с расхождением и расстоянием между рентгеновской трубкой и пленкой, а также плоскостями рамы, для определения координат цели; однако следует признать, что, в отличие от других изобретений Лекселла, многим хирургам было трудно понять и использовать эту диаграмму. Помимо страстного интереса к техническим аспектам стереотаксии, Лекселл в 1950-х и 1960-х годах активно работал в операционной. Он выполнил большое количество паллидотомий, а затем также таламотомий при болезни Паркинсона и капсулотомий при различных формах психических расстройств. Результаты серии из 81 пациента, подвергшегося паллидотомии, были опубликованы в 1960 году, а о 116 пациентах, леченных капсулотомией, было сообщено в 1961 году.

Радиохирургия

Термин и концепция радиохирургии были введены Лекселлем еще в 1951 году, когда он пришел к выводу, что принцип «центра дуги» и его первый стереотактический инструмент подходят для замены зонда (игольного электрода) путем перекрестного облучения внутримозговых структур узкими пучками излучающей энергии. Первыми были опробованы рентгеновские лучи, но в качестве альтернатив рассматривались также гамма-лучи и ультразвук. Первоначальные эксперименты проводились на кошках, а затем несколько пациентов с болевыми ощущениями и хроническим психозом были пролечены с помощью рентгеновской трубки на 280 кВ, прикрепленной к дуге. Особенно интересно, что в 1953 году было успешно вылечено два случая невралгии тройничного нерва, и при последующем наблюдении в 1971 году пациенты оставались свободными от боли. В 1946 году Лекселл был назначен руководителем нейрохирургического отделения в Лунде, на юге Швеции, где в 1958 году он стал профессором и оставался на этой должности до 1960 года. В те времена в мире было очень мало нейрохирургов, активно занимавшихся стереотактической хирургией, и международная сеть была весьма небольшой; примечательно, что бренд Schalten и Стереотактический атлас Бейли частично основывались на образцах мозга, предоставленных Лекселлем. Находясь в Лунде, Лекселлю, по-видимому, удавалось избегать многих своих клинических обязанностей благодаря началу тесного сотрудничества с командой физиков во главе с Бёрье Ларссоном в Уппсальском университете (к северу от Стокгольма), где был доступен синхроциклотрон. Они провели эксперименты со стереотаксическим высокоэнергетическим протонным облучением на козах, что привело к публикации основополагающей статьи в журнале Nature в 1958 году. Эта методика также применялась у нескольких пациентов с болезнью Паркинсона (паллидотомия), психическими расстройствами (капсулотомия) и болью (мезенцефалотомия). Хотя сфокусированные протонные пучки могли создавать точно локализованные и четко ограниченные поражения, как было продемонстрировано в нескольких случаях вскрытия, синхроциклотрон оказался слишком сложным для широкого клинического применения. Это побудило Лекселла рассмотреть другие источники излучения, и он приступил к проектированию гамма-аппарата на кобальте-60, который был полностью интегрирован со стереотаксической системой. Разработка «лучевого ножа» началась после назначения Лекселла преемником Оливекроны в 1960 году, а первое устройство было введено в эксплуатацию в 1967 году. Позже в том же году были опубликованы отчеты о двух первых случаях – пациентах со связанной с раком болью, подвергшихся радиохирургической таламотомии. Изначально радиохирургия и гамма-аппарат были разработаны в надежде, что они предложат бескровный и менее рискованный метод, который будет применяться главным образом в функциональной нейрохирургии, например, при таламотомии при болезни Паркинсона. С другой стороны, Лекселл всегда рассматривал свой стереотактический инструмент как хирургический инструмент, который также должен использоваться в общей нейрохирургии для повышения точности и минимизации рисков. Эта идея в некоторой степени была реализована благодаря широкому использованию стереотаксической техники при пункции кист, а также при выполнении биопсий в критических областях. Гамма-аппарат вскоре оказался полезным при лечении некоторых заболеваний, ранее требовавших нейрохирургического вмешательства, таких как аденомы гипофиза, акустические невриномы и артериовенозные мальформации. Это применение радиохирургии произвело революцию в лечении этих состояний, но встретило скептицизм со стороны нейрохирургического сообщества. Стоит упомянуть еще два примера инноваций Лекселла. Он первым применил ультразвук в нейрохирургической диагностике, разработав эхоэнцефалографию еще в 1955 году. Кроме того, его двойной мочильник стал незаменимым инструментом в руках большинства нейрохирургов.

The term and concept of radiosurgery were introduced by Leksell already in 1951 when he reasoned that the ‘‘center of arc’’ principle and his first stereotactic instrument were suitable for replacing a probe (needle electrode) by cross firing intracerebral structures with narrow beams of radiant energy. X rays were first tried but both gamma rays and ultrasonics were included as alternatives. Initial experiments were performed on cats and then a few patients with pain and chronic psychosis were treated with a 280 kV X ray tube attached to the arc. Of particular interest is that in 1953 two cases of trigeminal neuralgia were treated and at follow up in 1971 they were still free of pain. In 1946 Leksell was appointed head of a neurosurgical unit in Lund in southern Sweden where he became professor in 1958 and remained so until 1960. In those days there were very few neurosurgeons around the world who were active in stereotactic surgery and the international network was very small; it is of interest that the Schalten brand and Bailey's Stereotactic Atlas was partly based on some brain specimens supplied by Leksell. While in Lund, Leksell was apparently able to evade many of his clinical obligations because he was able to initiate a close collaboration with a team of physicists led by Börje Larsson at the University of Uppsala (north of Stockholm) where a synchrocyclotron was available. They conducted experiments with stereotactic high energy proton irradiation in goats resulting in a seminal publication in Nature in 1958. This technique was also applied in a few patients with Parkinson's disease (pallidotomy), psychiatric disorder (capsulotomy) and pain (mesencephalotomy). Although precisely placed and well limited lesions could be produced by the focused proton beams, as demonstrated in a few autopsy cases, the synchrocyclotron proved to be too complicated for general clinical use. This compelled Leksell to consider other radiation sources and he started designing the cobalt 60 gamma unit, which was fully integrated with the stereotactic system. The development of the ‘‘beam knife’’ took place after Leksell had been appointed successor to Olivecrona in 1960 and the first unit was inaugurated in 1967. Later the same year reports of the two first cases, patients with cancer related pain subjected to radiosurgical thalamotomy, were published. Originally, radiosurgery and the gamma unit were developed with the hope that it would offer a bloodless, and less risky, method to be applied principally in functional neurosurgery, for example in thalamotomy for Parkinson's disease. On the other hand, Leksell had always considered his stereotactic instrument a surgical tool that should also be utilized in general neurosurgery in order to enhance precision and minimize hazards. This idea had to some extent been realized by the extensive use of stereotactic technique in puncturing cysts and also in performing biopsies in critical regions. The gamma unit soon proved to be useful in the treatment of some diseases previously requiring neurosurgery, such as pituitary adenomas, acoustic neurinomas and arteriovenous malformations. This use of radiosurgery has revolutionized the management of these conditions but was met with skepticism from the neurosurgical community. Two other examples of Leksell's innovation deserve to be mentioned. He was the first to apply ultrasound in neurosurgical diagnosis by the development of echoencephalography as early as 1955. Moreover, his double action rongeur has become an indispensable tool in the hands of most neurosurgeons.

Чтобы узнать больше

Стивен Б. Тэттер. "История стереотактической радиохирургии", Массачусетская больница, отделение нейрохирургии. Лансфорд Л.Д. "Ларс Лекселл. Заметки со стороны рассказчика" Стереотактическая и функциональная нейрохирургия. 1996–97;67(3–4):153–68.

Основные труды

Лекселл Л., Стереотаксический аппарат для внутричерепных операций, Acta Chir Scand, 1949;
Лекселл Л., Стереотаксический метод и радиохирургия мозга, Acta Chir Scand, 1951;
Ларссон Б., Лекселл Л., Рексед Б., и др., Протонный пучок высокой энергии как нейрохирургический инструмент, Nature, 1958;
Ларссон Б, Лекселл Л, Б Р, Саурандер П, Майр В, Андерссон Б., Протонный пучок высокой энергии как нейрохирургический инструмент, Nature 1958;
Лекселл Л., Стереотаксис и радиохирургия, Acta Neurologica Scandinavica 1970;
Мейерсон Ба., Бингли Т., Лекселл Л., Лечение паркинсонизма с помощью L-дофа у оперированных и неоперированных пациентов, Acta Neurologica Scandinavica 1970;
Лекселл Л., Заметка о лечении акустических опухолей, Acta Chirurgica Scandinavica, 1971;
Лекселл Л., Стереотаксические методы в общей нейрохирургии, Acta Neurochirurgica 1979;
Норен Г., Баклунд Эо., Грепе А., Лекселл Л., Стереотаксическое нейрохирургическое лечение акустических нейрином, Acta Neurochirurgica 1979;
Лансфорд Лд, Лекселл Л, Йернберг Б., Держатель зонда для стереотаксической хирургии в КТ-сканере, Acta Neurochirurgica 1983;
Лекселл Л., Стереотаксическая радиохирургия, Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry 1983;
Лекселл Л., Лекселл Д., Швебель Ж., Стереотаксис и ядерный магнитный резонанс, Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry 1985;
Лекселл Л., Хернер Т., Лекселл Д., Перссон Б., Линдквист К., Визуализация стереотаксических радиолезий с помощью ядерного магнитного резонанса, Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry 1985;
Лекселл Л., Линдквист К., Адлер мл., Лекселл Д., Йернберг Б., Штайнер Л., Новое фиксирующее устройство для стереотаксической системы Лекселла, Journal of Neurosurgery 1987;