本方案展示了利用对流增强输注技术对猪脑进行立体定向操作,并结合实时磁共振成像(MRI)可视化引导以及输注分布的实时可视化监测。
本方案展示了利用对流增强输注技术对猪脑进行立体定向操作,并结合实时磁共振成像(MRI)可视化引导以及输注分布的实时可视化监测。
本操作的总体目标是通过实时磁共振(MR)可视化引导,在猪脑中实施立体定向手术,以实现精确的注射。将受试动物俯卧位置于磁共振孔内,躯干抬高,颈部屈曲,头部向下倾斜,以便最佳地接触颅骨顶部。使用头架并通过固定在双侧颧骨上的两个锚定针来稳定头部。将磁共振成像(MRI)柔性线圈放置于头架前方,使颅骨在干预操作期间可被触及。在头皮上放置规划网格,用于确定套管针的合适穿刺点。通过软件投影反复调整并固定立体定向框架,直至投影的径向误差小于0.5 mm。使用手动钻头钻出骨孔,以便插入套管针。采用钆增强共注射方法,以可视化细胞悬液的输注过程。在药物输送期间,连续进行T1加权MRI扫描,并实时配准,以观察钆剂的分布体积。MRI引导下的立体定向技术可实现对猪脑的精确且可控的注射,同时能够实时监测套管针插入的准确性,并确定药物的分布体积。
在本方案中,我们描述了一种介入性磁共振成像(iMRI)立体定向系统在猪脑中进行套管置入及输注过程实时可视化中的应用。iMRI 系统的发展使得导管置入更加精确1。iMRI 能够在全身麻醉患者脑内可视化输注药物的分布情况1,2,从而实现对操作准确性的实时评估。
磁共振引导的立体定向系统是一种能够实现亚毫米级靶向精度的靶向平台1。该系统采用安装在颅骨上的瞄准装置,并结合专用软件,提供脑部解剖成像,同时显示电极植入路径及调整参数。在临床应用中,术中磁共振(iMRI)引导下的脑立体定向手术已被证实有效,例如用于帕金森病治疗的深部脑刺激2,3,4,5、癫痫治疗中的病灶消融6,7,以及向中枢神经系统进行对流增强药物输送(CED)8,9。
CED 方法利用流体对流将治疗剂直接递送至中枢神经系统。该方法基于微小的静水压梯度,使灌注液从灌注导管尖端流入周围细胞外间隙10。通过立体定向技术,可将大分子、小分子11,12、细胞移植13,14,15或治疗剂高浓度递送至选定的脑组织靶区,从而绕过血脑屏障。通透性、扩散系数、回压、摄取及清除机制等因素均会影响治疗剂的扩散效果16。该技术在临床 CED 中采用基于钆的共灌注剂1,以实时监测灌注剂在实质靶区内的分布情况。通过术中磁共振成像(iMRI),可监测分布体积及相关药代动力学参数,评估靶向准确性。
CED药物输注剂的研究 通过 MR引导的立体定向系统已在非人灵长类动物中进行了研究,结果表明该技术具有高度的准确性、可预测性和安全性。输注套管放置的准确性已达到亚毫米级的定位误差。17该系统可提供可预测的灌注分布,观察到分布体积随灌注体积呈线性增加,从而推动了后续抗反流导管在CED灌注中的应用18据报道,这种iMRI输注程序在非人灵长类动物中未引起任何不良反应19.
在此,我们将磁共振引导的立体定向技术应用于猪脑,以递送并监测由300 µL细胞悬液组成的灌注试剂的分布情况。猪脑的体积较大,可进行成像和神经外科干预操作,这些操作可直接应用于临床人类患者,而在较小的动物疾病模型中则无法实现20。此外,猪的免疫系统在对生物制剂或其他治疗剂的反应方面,与人类的反应相似21。因此,利用该动物物种开展立体定向给药研究具有直接的临床转化意义,且在操作上可能比非人灵长类动物研究更为便利。
我们采用猪模型(家猪,雌性,体重25 kg,年龄14周)进行磁共振引导下的立体定向手术。本研究报道了在猪体内立体定向手术的可视化实施过程。我们描述了对空间进行改造以适应猪头部的调整方法,手术过程的视频和图像可视化,以及同步进行的磁共振成像以评估灌注剂在猪脑内的分布情况。磁共振引导下的立体定向手术在3T磁共振成像空间内完成。
通过本实验,我们团队展示了在猪脑中进行磁共振引导立体定向操作的技术,以及用于追踪脑内输注的基本成像时间线。应用于人类临床立体定向的通用技术同样适用于猪的颅骨和脑组织。
本操作的总体目标是通过实时磁共振成像(MRI)可视化引导,在猪脑中实施磁共振引导下的立体定向手术。首先将实验动物俯卧位置于MRI磁体孔道内,以获得对颅骨顶部的最佳操作通路。第二步是利用MRI辅助可视化引导规划手术穿刺路径,包括放置并扫描定位标记网格,以确定预设轨迹的合适穿刺点。该步骤采用高分辨率(1 mm各向同性)T1加权三维磁化准备快速梯度回波(MPRAGE)扫描完成,扫描时长为7分44秒。接下来,在头部固定立体定向框架,并通过软件投影反复调整对准,直至投影径向误差小于0.5 mm。采用斜位方向的快速二维 turbo spin echo 扫描(每次13秒)提供影像引导。随后,在皮肤上做切口,并使用手动钻头在预设坐标处钻出骨孔,以便插入灌注套管。最后一步是通过重复进行T1加权MRI扫描(三维MPRAGE序列,每次1分45秒),并在实时钆对比剂共灌注条件下监测灌注过程。结果显示,基于实时MR引导及后续T1加权三维MPRAGE MRI扫描(1 mm各向同性分辨率)对分布体积的可视化,磁共振引导下的立体定向技术可实现对猪脑的精确且可控的灌注。
本研究已获得休斯敦卫理公会研究所机构动物护理和使用委员会批准,IACUC 批准编号为 IS00006378。所有实验方法均按照相关的国家和机构指南与法规进行。
1. 动物体位
2. 借助磁共振成像辅助可视化引导规划手术植入
3. 固定立体定位仪框架,并通过软件投影迭代调整对准
4. 钻孔并插入导管以进行灌注
5. 通过重复 MRI 扫描监测输注过程
将猪置于MRI扫描仪中的位置可为外科医生提供最佳操作通路,并为立体定向框架和输注套管留出足够的空间(图1)。使用毛巾和泡沫垫将受试动物的躯干抬高,使其头部在MR孔道末端略微向下倾斜,从而确保立体定向框架和输注套管的插入位置对外科医生而言处于最佳可操作状态。
磁共振成像引导下的可视化技术可实现对脑部插管位置的精确定位和插管操作(图2)。磁共振引导软件可提供插入点,以实现预期的插入路径。
在软件中扫描了立体定位仪框架,并对其进行调整以有效到达目标位置(图3)。在本演示中,选择的位置位于额叶皮层。框架设定后,软件用于估算猪颅骨的厚度、从框架基座到目标位置的距离,以及为到达目标位置所需的框架参数调整。在此情况下,针对所选位置和插入角度,套管将穿过的颅骨厚度为4.7 mm,从颅骨内表面到脑表面的距离为4.4 mm(图3A)。
最后,导管输注后进行的多次术中磁共振成像扫描显示了输注物质在脑组织中的分布情况(图4)。这些扫描图像还对比了导管投影(蓝色矩形)与预期导管路径(黄色矩形),表明该技术能够有效到达目标位置。磁共振扫描每隔4-6分钟定期进行一次,并在10分钟和30分钟时完成最终扫描。在这些扫描中,钆增强的输注过程可被清晰追踪,从而实现了对药物分布体积的实时可视化。

图1:受试动物在MRI检查台上的体位。 躯干抬高,颈部屈曲,头部向下倾斜。(A) 进入磁共振孔洞前。(B) 受试动物已通过磁共振孔洞,以获得对颅顶的最佳访问位置。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:磁共振引导立体定向可视化示意图。(A)规划路径的可视化。软件输出位于头皮网格上的入路点位置。(B)头皮上的入路点位置。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:颅骨固定框架后的介入路径。(A)骨深度和至脑组织距离的测量。(B)安装在颅骨上的立体定向框架,以及用手钻制作的颅骨钻孔。(C)立体定向框架及软件中的三维重建投影。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:钆增强输注剂的延时成像。 导管尖端周围的高信号区域表明钆的存在。通过在不同时间点重复进行磁共振扫描,以追踪输注过程中试剂的分布体积:(A)t = 0,(B)t = 4 分钟,(C)t = 8 分钟,(D)t = 12 分钟,(E)t = 20 分钟,(F)t = 26 分钟;输注结束后:(G)t = 36 分钟,以及(H)t = 60 分钟。共输注试剂在4分钟后开始显现。蓝色矩形表示实际测量的导管位置,黄色矩形显示预测的导管路径。请点击此处查看该图的放大版本。
本方案介绍了在3T磁共振设备内对猪脑实施磁共振引导立体定向手术的操作,可实现亚毫米级靶向精度,此前研究已达到该精度水平1,4,17,18,25。既往在尸体标本上开展的磁共振引导立体定向实验显示,其径向误差为0.2 ± 0.1 mm1。本研究中,由于外科医生在线评估并调整了手术路径,最终深度误差为1.4 mm。该最终深度误差与人类临床应用中iMRI立体定向手术的径向误差结果(小于2 mm)相当26。
在此,我们演示将受试动物放置于MRI检查床上,使其躯干抬高,从而使头部略微向下倾斜,并朝向磁共振设备孔洞的末端。这种头部位置对于为外科医生提供足够的操作空间至关重要。立体定向框架可实现对猪脑模型的精确且可控的注射。此外,实时MR成像能够准确确定药物分布体积。猪作为可在MRI中实时追踪注射过程的大型动物模型,为研究向脑内递送药物、细胞及其他具有转化价值的制剂提供了可能。
与人类或非人灵长类动物相比,猪具有明显的解剖学差异需要考虑。随着猪的生长,其身体尺寸在磁共振成像仪(MR)孔径内会成为一项挑战。猪的头部和躯干形状与人类不同,这给外科医生在磁共振成像仪孔径外进行手术操作和脑部插管时提供了最佳入路带来了困难。因此,必须以一种使外科医生能够从磁共振成像仪孔径末端接触到猪头部的方式对实验动物进行体位安置。
猪与人类颅骨厚度的差异是需要考虑的一个因素。在本方案中,术中磁共振成像(iMRI)可视化技术可精确估计颅骨厚度,从而实现高效的颅骨钻孔操作。由于使用了这些微创神经外科工具,动物术后恢复顺利。
MR引导的可视化技术可实时指导进入猪脑、插管以及监测灌注药物的过程。已有报道称,钻孔过程、组织变形和/或白质纤维束的破坏可能导致向脑内递送药物时出现困难25。在规划和插管过程中进行反复的MR扫描,可实现对操作的微调。此外,可根据术中成像结果实时调整或暂停灌注参数,例如灌注速率或插管位置的准确性。最后,必须选择适当比例的含钆共灌注剂,以清晰评估药物的分布体积。
基于钆的对比剂浓度过高可能会掩盖其在MRI扫描中的分布情况27,表现为导管尖端周围出现一个黑斑,周围环绕着高信号区域,显示出输注体积的外缘界限。由于在手术区域周围有限的MRI空间内进行拍摄存在诸多限制,可用于记录该操作过程的影像资料十分有限。术中视频资料被用于指导本操作方案的描述。
输注剂 通过 在猪及其他大型动物模型中,磁共振引导的立体定向技术已实现准确、可预测且安全的操作。在猪模型中展示术中磁共振立体定向技术,为具有高度转化医学价值的研究性治疗手段的可扩展性奠定了基础。由于猪的免疫反应与人类更为相似,相较于其他物种,猪模型已被广泛用于免疫学反应的研究。28可通过精确定位的靶向输注来研究递送至大脑的治疗剂,同时借助实时 MRI 可视化输注位置、进行必要的调整,并在术中评估其在组织中的分布情况。
SG、EAS、CJK 的利益声明如下:受雇于 ClearPoint Neuro。
其余所有作者均声明不存在利益冲突。
作者声明本研究获得了休斯顿卫理公会医院 John S. "Steve" Dunn, Jr. & Dagmar Dunn Pickens Gipe 脑肿瘤研究讲席的慈善资助。资助方未参与本研究的设计、数据收集、分析与解释,亦未参与本文的撰写或发表决定。
本工作部分由癌症预防与研究计划(CPRIT)资助,资助编号为 RP190587,以及休斯顿卫理公会基金会资助。
作者感谢休斯顿卫理公会研究所转化影像中心的 Vi Phan 和 Lien My Phan 在 MR 成像方面的协助。
作者声明本研究获得了休斯顿卫理公会医院 Paula 和 Rusty Walter 以及 Walter Oil & Gas Corp 基金会的慈善资助。资助方未参与本研究的设计、数据收集、分析、解释,亦未参与本文的撰写或决定投稿发表。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3 特斯拉西门子 MAGNETOM Vida | Siemens Healthineers | 70 厘米宽孔径 3 特斯拉全身 MRI 扫描仪 | |
| 四通道柔性线圈 | Siemens Healthineers | 腹侧放置,便于接近颅骨 | |
| MR 神经外科患者铺巾 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-05 | MR 神经外科患者铺巾、标记笔、轨迹球保护罩、电缆保护罩 |
| MR 神经外科手术铺巾(锥形-长款) | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-02-L | MR 神经外科手术铺巾(锥形)、标记笔、轨迹球保护罩 |
| MR 神经外科手术铺巾(带延长部分-长款) | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-03-L | MR 神经外科手术铺巾(锥形带延长部分)、标记笔、轨迹球保护罩 |
| MR 神经外科扫描仪孔径铺巾(带延长部分) | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-04 | MR 神经外科扫描仪孔径铺巾(带延长部分) |
| 头皮固定基座 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SM-01 | 头皮固定基座及定心工具 |
| 颅骨固定基座 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SK-01 | 颅骨固定基座 |
| SMARTFrame 附件套装 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -AK-01-11 | 穿刺针芯、穿刺针、可剥离鞘管(2 个)、尺子、深度限位器(2 个) |
| SMARTFrame 引导管 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-01 | 15 号规格引导管、18 号规格引导管和 16 号规格引导管 |
| SMARTFrame 引导管 .052” / 18 号规格 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-02 | 适用于 18 号规格器械的 .052” 引导管(5 根) |
| SMARTFrame 引导管 .060” / 17 号规格 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-03 | 适用于 17 号规格器械的 .060” 引导管(5 根) |
| SMARTFrame 引导管 .064” / CP 穿刺针芯 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-04 | 适用于 ClearPoint 穿刺针芯的 .064” 引导管(5 根) |
| SMARTFrame 引导管 .068” / 16 号规格 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-05 | 适用于 16 号规格器械的 .068” 引导管(5 根) |
| SMARTFrame 引导管 .074” / 15 号规格 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-06 | 适用于 15 号规格器械的 .074” 引导管(5 根) |
| SMARTFrame MR 定位标记 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-BM-05 | MR 定位标记(5 个) |
| SMARTFrame 头皮固定备用螺钉 – 长款 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-02 | 短型头皮固定备用骨螺钉(3 个) |
| SMARTFrame 头皮固定备用螺钉 – 短款 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-03 | 长型头皮固定备用骨螺钉(3 个) |
| SMARTFrame 颅骨固定备用螺钉 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-01 | 颅骨固定备用骨螺钉(3 个) |
| SMARTFrame 拇指轮延长组件 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -TE-01 | 轻型手控器 |
| SmartFrame XG 器械导向器,2.5 毫米 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-03 | 2.5 毫米器械导向器 |
| SmartFrame XG 器械导向器,3.2 毫米 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-04 | 3.2 毫米器械导向器 |
| SMARTFrame XG 钻孔导向器,4.5 毫米 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-02 | 4.5 毫米钻孔导向器 |
| SMARTFrame XG 钻孔导向器,6.0 毫米 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-05 | 6.0 毫米钻孔导向器 |
| SMARTFrame XG 可更换器械导向器 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-01 | 器械导向器,3.4 毫米;器械导向器,14 号规格 |
| SMARTFrame XG MRI 引导轨迹定位架 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11 | 立体定向架、颅骨固定基座、定心环、对接座、标准器械锁、大尺寸器械锁、螺丝刀、带垫圈的滚锁螺钉 |
| SMARTFrame XG MRI 引导轨迹定位架,5 Fr | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11-5 | 立体定向架、定心环、对接座、5 Fr 器械锁、大尺寸器械锁、螺丝刀、带垫圈的滚锁螺钉 |
| SMARTFrame XG MRI 引导轨迹定位架,7 Fr | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11-7 | 立体定向架、定心环、对接座、7 Fr 器械锁、大尺寸器械锁、螺丝刀、带垫圈的滚锁螺钉 |
| SMARTGrid MR 规划网格 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -SG-01-11 | 标记网格和标记工具 |
| SMARTTip MR 钻孔套件,4.5 毫米 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-DB-45 | 4.5 毫米钻头、3.2 毫米钻头、穿刺针、深度限位器、尺子 |
| SMARTTwist MR 手动钻 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-HD-01 | 手动钻 |
| VentiPAC | SurgiVet | V727000 | 机械呼吸机 |
| Wharen 定心导向器 | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-CG-01 | Wharen 定心导向器 |