Стереотаксическая хирургия: методы и применение.

Введение

Медицинская процедура

Стереотаксическая хирургия – это малоинвазивная форма хирургического вмешательства, использующая трехмерную систему координат для точного определения местоположения небольших целей внутри тела и проведения на них различных манипуляций, таких как абляция, биопсия, создание поражения, инъекция, стимуляция, имплантация, радиохирургия (SRS) и другие. В теории, стереотаксической хирургии может быть подвергнута любая система органов в организме. Однако трудности в создании надежной системы координат (например, использование костных ориентиров, имеющих постоянное пространственное соотношение с мягкими тканями) исторически и до недавнего времени ограничивали ее применение преимущественно хирургией головного мозга. Помимо головного мозга, биопсия и хирургическое вмешательство на молочной железе регулярно используются для определения местоположения, взятия образцов (биопсии) и удаления ткани. Для навигации во время процедуры могут применяться рентгеновские снимки (рентгеновская маммография), компьютерная томография и магнитно-резонансная томография. Альтернативным названием "стереотаксии" является "стереотаксика". Словообразовательные корни – "стерео", префикс, происходящий от греческого слова στερεός (stereos, "твердый"), и "такси" (суффикс неолатинского и ISV происхождения, от греческого taxis, "расположение", "порядок", от tassein, "располагать").

Применение

Операция применяется для лечения различных опухолей мозга, доброкачественных и функциональных расстройств. Иногда её комбинируют с облучением всего мозга, и систематический обзор 2021 года показал, что такое сочетание обеспечивает наибольшее увеличение выживаемости у пациентов с одиночными метастазами в мозге. К злокачественным заболеваниям мозга относятся: метастазы в мозг и глиобластома. Направляющие стержни в направлениях x, y и z (или, альтернативно, в держателе полярных координат), оснащенные высокоточными нониусами, позволяют нейрохирургу позиционировать наконечник зонда (электрода, канюли и т.д.) внутри мозга в вычисленных координатах для целевой структуры через небольшое трепанационное отверстие в черепе. В настоящее время ряд производителей выпускают стереотаксические системы, предназначенные для нейрохирургических вмешательств у людей как на головном, так и на спинном мозге, а также для проведения экспериментов на животных.

Типы рамочных систем

Простая ортогональная система: зонд направлен перпендикулярно к квадратной базовой платформе, закрепленной на черепе. Она обеспечивает три степени свободы посредством каретки, которая перемещается ортогонально вдоль базовой пластины или вдоль штанги, прикрепленной параллельно базовой пластине инструмента. К каретке прикреплен второй направляющий рельс, проходящий поперек головной рамы перпендикулярно. Система с отверстием в черепе: она обеспечивает ограниченный диапазон возможных внутричерепных целевых точек с фиксированной точкой входа. Она обеспечивала две угловые степени свободы и регулировку глубины. Хирург мог расположить отверстие в черепе над некритичной областью мозга и использовать инструмент для направления зонда к целевой точке от фиксированной точки входа через отверстие. Системы дуги-квадранта: зонды направляются перпендикулярно касательной дуги (которая вращается вокруг вертикальной оси) и квадранта (который вращается вокруг горизонтальной оси). Зонд, направленный на глубину, равную радиусу сферы, определяемой дугой-квадрантом, всегда достигает центра или фокуса этой сферы. Системы с использованием фантома: прицельный рычаг крепится к головному кольцу, которое фиксируется на черепе пациента, и может быть перенесен на аналогичное кольцо, содержащее имитируемую цель. В этой системе фантомная цель перемещается на симуляторе в трехмерных координатах. После регулировки держателя зонда на прицельном рычаге так, чтобы зонд касался желаемой цели на фантоме, переносимый прицельный рычаг перемещается с базового кольца фантома на базовое кольцо на пациенте. Затем зонд опускается на определенную глубину для достижения целевой точки в глубине мозга пациента.

Стереотаксическая радиохирургия

Стереотаксическая радиохирургия использует ионизирующее излучение, генерируемое внешними источниками, для инактивации или эрадикации четко определенных мишеней в головном мозге или позвоночнике без необходимости хирургического вмешательства. Эта концепция требует крутых градиентов дозы для минимизации повреждения окружающих здоровых тканей при сохранении эффективности лечения в целевой области. Следовательно, общая точность лечения должна соответствовать полям планирования лечения, составляющим 1–2 мм или меньше. Для оптимального применения этого подхода и лечения пациентов с максимально возможной точностью и прецизионностью, необходимо систематически оптимизировать все источники ошибок – от получения изображений и планирования лечения до механических аспектов доставки излучения и учета внутрифракционных движений. Для обеспечения качества медицинской помощи процедура выполняется мультидисциплинарной командой, включающей радиационного онколога, медицинского физика и радиационного терапевта. Специализированные, коммерчески доступные программы стереотаксической радиохирургии предоставляются устройствами Gamma Knife, CyberKnife и Novalis Radiosurgery. Стереотаксическая радиохирургия представляет собой эффективную, безопасную и малоинвазивную альтернативу лечения пациентов с диагностированными злокачественными, доброкачественными и функциональными показаниями в головном мозге и позвоночнике, включая, но не ограничиваясь, первичные и вторичные опухоли. Стереотаксическая радиохирургия является хорошо зарекомендовавшим себя методом лечения большинства метастазов, менингиом, шванном, аденом гипофиза, артериовенозных мальформаций и невралгии тройничного нерва, среди прочих. Несмотря на сходство концепций стереотаксической радиохирургии и фракционированной лучевой терапии, и хотя оба метода лечения демонстрируют сопоставимые результаты при определенных показаниях, принципиальная цель этих подходов различна. Цель стереотаксической радиохирургии – уничтожение целевой ткани при сохранении окружающих здоровых тканей, в то время как фракционированная лучевая терапия основывается на различной чувствительности целевой ткани и окружающих здоровых тканей к общей накопленной дозе излучения. В настоящее время оба метода лечения являются взаимодополняющими: опухоли, устойчивые к фракционированной лучевой терапии, могут хорошо реагировать на радиохирургию, а опухоли, слишком большие или расположенные слишком близко к критическим органам для безопасной радиохирургии, могут быть подходящими кандидатами для фракционированной лучевой терапии. Помимо проблем с иммобилизацией пациента и связанных с этим движениями, внечерепные поражения смещаются относительно положения пациента из-за дыхания, наполнения мочевого пузыря и прямой кишки. Как и в случае стереотаксической радиохирургии, цель стереотаксической лучевой терапии тела – эрадикация четко определенной внечерепной мишени. Однако, движение мишени требует увеличения полей лечения вокруг мишени для компенсации неопределенности позиционирования. Это, в свою очередь, приводит к облучению большего объема здоровых тканей, что может вызвать нежелательные побочные эффекты лечения. В результате стереотаксическая лучевая терапия тела чаще всего проводится ограниченным числом фракций, объединяя концепцию стереотаксической радиохирургии с терапевтическими преимуществами фракционированной лучевой терапии. Для мониторинга и коррекции движения мишени, обеспечивающих точное и прецизионное позиционирование пациента до и во время лечения, доступны передовые технологии визуализации, управляемой изображением, которые включены в программы радиохирургии, предлагаемые сообществами CyberKnife и Novalis.

Stereotactic radiosurgery utilizes externally generated ionizing radiation to inactivate or eradicate defined targets in the head or spine without the need to make an incision. This concept requires steep dose gradients to reduce injury to adjacent normal tissue while maintaining treatment efficacy in the target. As a consequence of this definition, the overall treatment accuracy should match the treatment planning margins of 1–2 mm or better. To use this paradigm optimally and treat patients with the highest possible accuracy and precision, all errors, from image acquisition over treatment planning to mechanical aspects of the delivery of treatment and intra fraction motion concerns, must be systematically optimized. To assure quality of patient care the procedure involves a multidisciplinary team consisting of a radiation oncologist, medical physicist, and radiation therapist. Dedicated, commercially available stereotactic radiosurgery programs are provided by the irrespective Gamma Knife, CyberKnife, and Novalis Radiosurgery devices. Stereotactic radiosurgery provides an efficient, safe, and minimal invasive treatment alternative for patients diagnosed with malignant, benign and functional indications in the brain and spine, including but not limited to both primary and secondary tumors. Stereotactic radiosurgery is a well described management option for most metastases, meningiomas, schwannomas, pituitary adenomas, arteriovenous malformations, and trigeminal neuralgia, among others. Irrespective of the similarities between the concepts of stereotactic radiosurgery and fractionated radiotherapy and although both treatment modalities are reported to have identical outcomes for certain indications, the intent of both approaches is fundamentally different. The aim of stereotactic radiosurgery is to destroy target tissue while preserving adjacent normal tissue, where fractionated radiotherapy relies on a different sensitivity of the target and the surrounding normal tissue to the total accumulated radiation dose. Today, both treatment techniques are complementary as tumors that may be resistant to fractionated radiotherapy may respond well to radiosurgery and tumors that are too large or too close to critical organs for safe radiosurgery may be suitable candidates for fractionated radiotherapy. On top of patient immobilization challenges and the associated patient motion, extra cranial lesions move with respect to the patient's position due to respiration, bladder and rectum filling. Like stereotactic radiosurgery, the intent of stereotactic body radiotherapy is to eradicate a defined extra cranial target. However, target motion requires larger treatment margins around the target to compensate for the positioning uncertainty. This in turn implies more normal tissue exposed to high doses, which could result in negative treatment side effects. As a consequence, stereotactic body radiotherapy is mostly delivered in a limited number of fractions, thereby blending the concept of stereotactic radiosurgery with the therapeutic benefits of fractionated radiotherapy. To monitor and correct target motion for accurate and precise patient positioning prior and during treatment, advanced image guided technologies are commercially available and included in the radiosurgery programs offered by the CyberKnife and Novalis communities.

Болезнь Паркинсона

Функциональная нейрохирургия включает лечение ряда заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, гиперкинезия, нарушение мышечного тонуса, некупируемая боль, судорожные расстройства и психические расстройства. Считалось, что лечение этих состояний локализуется в поверхностных отделах ЦНС и ПНС. Большинство хирургических вмешательств заключались в кортикальной экстирпации. Для облегчения экстрапирамидных расстройств пионер Рассел Майерс в 1939 году рассекал или перерезал головку хвостатого ядра, а также часть путамена и бледного шара. Успешные попытки устранения невыносимой боли были предприняты путем пересечения спиноталамического тракта на уровне спинного мозга и выше, вплоть до уровня среднего мозга. В 1939–1941 годах Путнам и Оливер пытались улучшить состояние при паркинсонизме и гиперкинезии, используя различные модификации латеральной и переднелатеральной кордотомии. Значительный вклад в функциональную нейрохирургию также внесли такие ученые, как Шурман, Уокер и Гио. В 1953 году Купер случайно обнаружил, что перевязка передней хориоидальной артерии приводит к улучшению при болезни Паркинсона. Аналогично, во время операции у пациента с болезнью Паркинсона Груд случайно повредил таламус, что привело к прекращению тремора. С тех пор поражения таламуса стали целевой точкой с более удовлетворительными результатами. Более современные клинические применения можно увидеть в хирургических методах лечения болезни Паркинсона, таких как паллидотомия или таламотомия (процедуры, вызывающие повреждение ткани) или глубокая стимуляция мозга (DBS). Во время DBS электрод помещают в таламус, бледный шар или субталамическое ядро – отделы мозга, участвующие в контроле движений и пораженные болезнью Паркинсона. Электрод соединяется с небольшим, работающим от батареек стимулятором, который имплантируется под ключицей, а проводник проходит под кожей для соединения с электродом в мозге. Стимулятор генерирует электрические импульсы, воздействующие на нервные клетки вокруг электрода, что должно помочь облегчить тремор или симптомы, связанные с пораженной областью. При таламотомии игольчатый электрод вводится в таламус, и пациент должен выполнять задания для определения пораженной области. После локализации этой области на электрод подается небольшой ток высокой частоты, который разрушает небольшую часть таламуса. Примерно у 90% пациентов наблюдается немедленное облегчение тремора. При паллидотомии, процедуре, практически идентичной таламотомии, разрушается небольшая часть бледного шара, и у 80% пациентов отмечается улучшение ригидности и гипокинезии, а облегчение тремора или улучшение состояния наступает через несколько недель после процедуры.

Functional neurosurgery comprises treatment of several disorders such as Parkinson's disease, hyperkinesia, disorder of muscle tone, intractable pain, convulsive disorders and psychological phenomena. Treatment for these phenomena was believed to be located in the superficial parts of the CNS and PNS. Most of the interventions made for treatment consisted of cortical extirpation. To alleviate extra pyramidal disorders, pioneer Russell Meyers dissected or transected the head of the caudate nucleus in 1939, and part of the putamen and globus pallidus. Attempts to abolish intractable pain were made with success by transection of the spinothalamic tract at spinal medullary level and further proximally, even at mesencephalic levels. In 1939 1941 Putnam and Oliver tried to improve Parkinsonism and hyperkinesias by trying a series of modifications of the lateral and antero lateral cordotomies. Additionally, other scientists like Schurman, Walker, and Guiot made significant contributions to functional neurosurgery. In 1953, Cooper discovered by chance that ligation of the anterior chorioidal artery resulted in improvement of Parkinson's disease. Similarly, when Grood was performing an operation in a patient with Parkinson's, he accidentally lesioned the thalamus. This caused the patient's tremors to stop. From then on, thalamic lesions became the target point with more satisfactory results. More recent clinical applications can be seen in surgeries used to treat Parkinson's disease, such as Pallidotomy or Thalamotomy (lesioning procedures), or Deep Brain Stimulation (DBS). During DBS, an electrode is placed into the thalamus, the pallidum of the subthalmamic nucleus, parts of brain that are involved in motor control, and are affected by Parkinson's disease. The electrode is connected to a small battery operated stimulator that is placed under the collarbone, where a wire runs beneath the skin to connect it to the electrode in the brain. The stimulator produces electrical impulses that affect the nerve cells around the electrode and should help alleviate tremors or symptoms that are associated with the affected area. In Thalamotomy, a needle electrode is placed into the thalamus, and the patient must cooperate with tasks assigned to find the affected area after this area of the thalamus is located, a small high frequency current is applied to the electrode and this destroys a small part of the thalamus. Approximately 90% of patients experience instantaneous tremor relief. In Pallidotomy, an almost identical procedure to thalamotomy, a small part of the pallidum is destroyed and 80% of patients see improvement in rigidity and hypokinesia and a tremor relief or improvement comes weeks after the procedure.

История

Стереотактический метод был впервые опубликован в 1908 году двумя британскими учеными, Виктором Хорсли, врачом и нейрохирургом, и Робертом Х. Кларком, физиологом, и изготовлен компанией Swift & Son; сотрудничество между этими учеными прекратилось после публикации 1908 года. Аппарат Хорсли–Кларка использовал систему, основанную на декартовых координатах (три ортогональные оси). Это устройство находится в Музее науки в Лондоне; копия была привезена в США Эрнестом Саксом и хранится в отделении нейрохирургии UCLA. Кларк использовал оригинал для исследований, приведших к публикации атласов мозга приматов и кошек. Нет никаких свидетельств того, что он когда-либо применялся в хирургии на людях. Первое стереотаксическое устройство, разработанное для человеческого мозга, предположительно, являлось адаптацией рамы Хорсли–Кларка, изготовленной в лондонской мастерской по заказу Обри Т. Муссена в 1918 году, однако оно не получило широкого распространения и, по всей видимости, не использовалось в клинической практике. Рама была изготовлена из латуни. Первым устройством для стереотаксической хирургии, примененным у людей, стало устройство, использованное Мартином Киршнером для лечения невралгии тройничного нерва путем введения электрода в тройничный нерв и его абляции. Он опубликовал результаты в 1933 году. В 1947 и 1949 годах два нейрохирурга из Университета Темпл в Филадельфии, Эрнест А. Шпигель (эмигрировавший из Австрии после прихода к власти нацистов),

Работа Шпигеля и Вайчиса вызвала огромный интерес и стимулировала дальнейшие исследования. Радиохирургическая система Лекселла также используется в устройстве "Гамма-нож" и другими нейрохирургами с применением линейных ускорителей, протонной терапии и терапии захвата нейтронов. Ларс Лекселл продолжил коммерциализацию своих изобретений, основав компанию Elekta в 1972 году. В 1979 году Рассел А. Браун предложил устройство, известное как N-локализатор, которое обеспечивает навигацию при стереотаксической хирургии с использованием томографических изображений, полученных с помощью методов медицинской визуализации, таких как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) или позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). N-локализатор состоит из диагонального стержня, соединяющего два вертикальных стержня, образуя форму буквы N, что позволяет сопоставлять томографические изображения с физическим пространством. К 1980-м годам это устройство стало практически универсальным и включено в стереотаксические системы Brown Roberts Wells (BRW), Kelly Goerss, Leksell, Cosman Roberts Wells (CRW), Micromar ETM03B, FiMe BlueFrame, Macom и Adeor Zeppelin, а также в систему радиохирургии Gamma Knife. Оно также входит в состав стереотаксических систем Рихерта Мундингера и Заморано Дужовни. Существуют и другие методы локализации, не использующие томографические изображения, полученные с помощью КТ, МРТ или ПЭТ, а применяющие обычные рентгенограммы. Стереотактический метод продолжает развиваться и в настоящее время представляет собой сложный комплекс хирургии, управляемой визуализацией, с использованием компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии и стереотаксической локализации.

История Латинской Америки

В 1970 году в городе Буэнос-Айрес, Аргентина, компания Aparatos Especiales создала первую в Латинской Америке Стереотаксическую систему. Антонио Мартос Кальво совместно с Хорхе Кандиа и Хорхе Оливетти по запросу нейрохирурга Хорхе Шварца (1942–2019) разработали оборудование, основанное на принципе стереотаксической системы Хичкока. Пациент располагался в адаптированном кресле с двумя телескопическими рычагами, прикрепленными к его основанию, которые фиксировали стереотаксическую раму, предотвращая движения пациента. Двойная рентгеноконтрастная линейка, прикрепленная к боковой части рамы, позволяла получать передне-задние и латеральные рентгеновские снимки без необходимости перемещения линейки. Термическая коагуляция выполнялась с использованием вольфрамовых монополярных электродов диаметром 1,5 мм (без контроля температуры) с активным наконечником 3 мм, с применением электрического биполярного коагулятора. Размер поражения предварительно определялся путем тестирования электрода в яичном альбумине. Размер коагуляции зависел от регулировки мощности электрического коагулятора и времени воздействия радиочастоты. Первой операцией, выполненной с использованием этой системы, была тригеминальная нуклеотомия. Хорхе Шварц выполнил более 700 функциональных операций до 1994 года, когда из-за проблем со здоровьем прекратил профессиональную деятельность. Однако разработанное оборудование продолжало совершенствоваться, оставив след в истории нейрохирургии. Это стало началом развития технологий производства стереотаксических устройств в Латинской Америке и основой для создания первого латиноамериканского производителя стереотаксического оборудования – бразильской компании Micromar.

Исследования

Стереотаксическая хирургия иногда применяется для проведения различных видов исследований на животных. В частности, она используется для точного нацеливания на определенные области мозга и непосредственного введения фармакологических веществ, которые иначе не смогли бы преодолеть гематоэнцефалический барьер. У грызунов основными областями применения стереотаксической хирургии являются непосредственное введение жидкостей в мозг или имплантация канюль и микродиализных зондов. Микроинъекции в конкретные области мозга используются, когда грызуны не должны быть в сознании и проявлять активность, или когда вводимое вещество имеет длительный эффект. Для протоколов, требующих оценки поведения грызунов вскоре после инъекции, стереотаксическая хирургия может быть использована для имплантации канюли, через которую можно проводить инъекции животному после восстановления после операции. Эти протоколы более длительные, чем точечные микроинъекции в мозг анестезированных мышей, поскольку требуют изготовления канюль, проволочных заглушек и инъекционных игл, но вызывают меньший стресс у животных, так как обеспечивают период восстановления для заживления травмы мозга перед инъекцией. Хирургия также может использоваться для протоколов микродиализа для имплантации и фиксации диализного зонда и направляющей канюли.