Name: 磁共振引导立体定向输注猪脑 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-31T12:45:00.000+00:00
Duration: 8 min 23 s
Description: 学习磁共振引导立体定向输注技术，用于猪脑药物递送与实时监测分布。该方法结合3T磁共振成像与立体定向框架，实现精准神经外科手术操作，为转化医学研究提供可靠的大动物模型平台。

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作者声明本研究获得了休斯顿卫理公会医院 John S. &#34;Steve&#34; Dunn, Jr. &amp;#38; 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 &amp;#38; 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。

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
<ol>
	<li>将受试者置于磁共振成像（MRI）检查床上，调整体位以充分暴露颅骨顶部，为后续MRI扫描做好准备。 
	注：受试对象信息：家猪，雌性，25 kg，14周龄。
	<ol>
		<li>用氯胺酮（600 mg，肌内注射[IM]）和咪达唑仑（5 mg，肌内注射）对受试对象进行镇静。给予镇痛药氢吗啡酮（4 mg，肌内注射）、卡洛芬（100 mg 经口）和芬太尼（25 µg 局部用药）、抗生素头孢曲松（550 mg 静脉注射[IV]）以及氯化钠（0.9% IV）。</li>
		<li>对受试者进行插管。以2%–3%异氟烷维持麻醉。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在整个操作过程中监测受试者的生命体征。
	<ol>
		<li>使用呼吸机以每分钟16-19次的频率进行机械通气。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将受试者放置在MRI检查台上，准备进行MRI扫描。</li>
	<li>将受试者置于俯卧位，头部朝向磁共振成像仪的孔洞。</li>
	<li>将标准的四通道MRI柔性线圈放置在头部固定装置上。</li>
	<li>使用头部固定装置稳定受试者的头部。</li>
	<li>用毛巾和泡沫垫抬高躯干。目标是使头部略微向下倾斜，颈部屈曲，吻部几乎接触桌面。这有助于确保立体定位框架和灌注套管能够适配MRI扫描仪的孔径。将MRI头部固定针锚定在双侧颧骨上，以保持头部固定在MRI检查台上。</li>
	<li>检查颅骨顶部是否向扫描仪后方倾斜，同时颈部屈曲。此体位可使受试者进入MRI时，外科医生能够接触到头皮顶部。</li>
	<li>一旦设定好，MRI检查床将移入扫描仪的孔洞内，直至受试者的头部到达孔洞末端。</li>
</ol>
2. 借助磁共振成像辅助可视化引导规划手术植入
<ol>
	<li>以无菌方式准备手术区域，注意避免准备材料进入受试者眼睛。在手术区域周围放置无菌毛巾。放置带有开口的无菌手术单，开口朝向颅骨顶部，以便术者操作。</li>
	<li>将定位标记规划网格置于受试者头皮上，将网格的粘性面固定在患者头部，中心对准即将钻孔的位置。</li>
	<li>在牢固按住底层的同时，撕去顶部含液体的保护层。</li>
	<li>在网格就位后进行MRI定位扫描。该扫描通常需要静脉注射MR对比剂以显示血管结构：使用浓度为1 mmol/mL的钆对比剂，输注体积为2.5 mL。 
	注：定位扫描是在正式成像检查前获取的初步图像，目的是确保成像范围接近目标区域，并界定成像边界。根据制造商建议，该对比剂在1 mmol/mL浓度下的推荐剂量为每公斤动物体重0.1 mL。</li>
	<li>在MR引导软件中选择导管植入的精确脑区位置。</li>
	<li>确保软件能够基于所选目标，显示术者规划的导管植入路径，并输出路径可视化结果及相应的进入点。 
	注：本研究中选择额叶皮层部位作为靶点，以定位白质。该区域是人类胶质瘤常发且生长的部位22，也是肿瘤沿白质纤维束扩散的优先路径23。 
	注：术者应综合考虑进入点、靶点及理想路径的选择，以尽量减少对软脑膜和脑沟的穿行，并避开血管。</li>
	<li>通过在软件中手动拖动投影的进入点和靶点，调整建议路径，包括理想的进入点和靶点，以避开血管并最小化对软脑膜和脑沟的穿行。路径可在三维空间中进行修改和查看。</li>
	<li>根据术者偏好确定理想路径后，运行MR引导软件以确定网格上的进入点。
	<ol>
		<li>在扫描图像中滚动查看规划路径，找到头皮上的进入点。软件将根据路径在网格上的投影确定网格坐标。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 固定立体定位仪框架，并通过软件投影迭代调整对准
<ol>
	<li>通过先用六个颅骨锚定螺钉和四个偏移螺钉固定基座，围绕网格上的目标进入点坐标组装立体定向框架。</li>
	<li>将六个颅骨锚定螺钉穿过头皮固定在网格上方的颅骨上。这六个锚定螺钉用于稳定立体定向框架，并防止钻孔过程中发生任何移动。</li>
	<li>将位于塔座底部的四个偏移螺钉穿过皮肤固定在颅骨上。它们起到反作用力的作用，通过将框架基座向上提拉至中心螺钉，从而拧紧中心骨螺钉并稳定基座。</li>
	<li>一旦立体定向框架基座固定牢固，继续完成框架的组装。</li>
	<li>在立体定向框架就位后，执行高分辨率T1加权MPRAGE MRI扫描（MRI软件中的一个选项），以捕获框架的标记点并确认穿刺路径。</li>
	<li>使用软件确认预期的导管插入路径，通过可视化MRI扫描图像和计划路径进行验证。
	<ol>
		<li>框架就位后，进行后续的二维快速自旋回波MRI扫描，以确认框架与受试者之间的对齐情况。如果当前框架位置与预期路径之间存在偏差，软件将输出调整参数。 
		注：软件会计算立体定向框架当前位置投影与预设靶点之间的径向偏差。该误差用于计算预期误差，进而用于计算为最小化误差所需的框架调整参数。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据软件输出的调整参数，通过旋转滚花旋钮完成俯仰-滚动（pitch-roll）和X-Y方向的调整。</li>
	<li>重复使用软件进行MRI路径可视化，并根据需要通过滚花旋钮对靶向导管进行旋转和位移调整。</li>
	<li>使用MR引导软件测量目标路径处的颅骨厚度以及到达脑组织的总距离。 
	&#8203;注：软件会计算从框架顶部（已固定于颅骨）到靶点的距离，以估算总长度。</li>
</ol>
4. 钻孔并插入导管以进行灌注
<ol>
	<li>手术切口前使用碘伏擦洗，以预防感染。</li>
	<li>在立体定位仪下，使用手术刀在头皮上做一个3 cm的切口。</li>
	<li>在创建通路孔之前，预先调整立体定位仪，为钻头插入做好准备。
	<ol>
		<li>将中心导向管取下，并更换为适配3.4 mm钻头的导向管，用于钻孔。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>确保有助手在场固定立体定位仪，以便术者使用手动钻进行操作，从而为框架提供额外的稳定性。</li>
	<li>由术者使用手动旋转钻头，制作一个直径为3.4 mm的颅骨钻孔。</li>
	<li>为进行第二次钻孔以扩大钻孔直径并避免骨性碰撞（可能改变进针轨迹），需重新设置立体定位仪。
	<ol>
		<li>安装4.5 mm钻头，并将中心导向管更换为适配该较大钻头的型号。</li>
		<li>制作一个直径为4.5 mm的颅骨钻孔。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行MRI扫描，以确认靶向导管已恢复至预定轨迹，因为通过框架钻孔有时会导致导管移位。</li>
	<li>使用锐利的穿刺针芯刺破硬脑膜。</li>
	<li>插入预先灌注且与框架兼容的输注导管。确保导管保持持续的中性或正回压，以减少气泡进入的风险。 
	注意：软件会提供到达预定靶点的指定深度。</li>
	<li>在与立体定位仪兼容的输注导管上测量深度，并使用导管配套的深度限位器。该限位器可确保导管到达目标位置而不会超过。此外，还配有锁紧和对接装置，并附有额外螺钉，以确保导管保持在目标深度。</li>
</ol>
5. 通过重复 MRI 扫描监测输注过程
<ol>
	<li>进行 MRI 扫描，以评估导管是否插入脑内正确的目标位置。</li>
	<li>开始将所需试剂与含钆对比剂同时输注。 
	注意：本实验中使用了浓度为 1 mM 的含钆对比剂，但可根据具体应用调整该浓度。总输注体积为 300 µL，输注速率为 10 µL/min，上述参数亦可根据需要调整。</li>
	<li>在规律的时间间隔进行 MRI 扫描，以监测输注过程及导管注入试剂在脑内的分布体积，该分布可通过含钆对比剂的共输注情况进行推断。 
	注意：导管尖端周围出现的高信号区域提示含钆对比剂的存在。</li>
	<li>输注结束后，关闭泵。 
	注意：本研究中使用的输注速率为 30 µL/min，直至细胞悬液的 300 µL 体积完全输注完毕。</li>
	<li>输注终止后，将导管保留在脑内 5 分钟，然后再移除导管。 
	注意：通常在输注结束后将输注导管原位保留 5 分钟，以减少反流21,24。</li>
	<li>通过固定框手动移除导管。</li>
	<li>按照与安装顺序相反的步骤拆卸并移除头部固定框。</li>
	<li>使用连续的 3-0 或 4-0 单乔缝线关闭切口。</li>
	<li>关闭异氟烷，准备动物恢复。</li>
	<li>拔除气管插管，并在兽医团队观察下让受试动物恢复。</li>
</ol>

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</ol>

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。

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。

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。

<table><tbody><tr><td>3 特斯拉西门子 MAGNETOM Vida</td><td>Siemens Healthineers</td><td></td><td>70 厘米宽孔径 3 特斯拉全身 MRI 扫描仪</td></tr><tr><td>四通道柔性线圈</td><td>Siemens Healthineers</td><td></td><td>腹侧放置，便于接近颅骨&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>MR 神经外科患者铺巾</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-PD-05</td><td>MR 神经外科患者铺巾、标记笔、轨迹球保护罩、电缆保护罩</td></tr><tr><td>MR 神经外科手术铺巾（锥形-长款）</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-PD-02-L</td><td>MR 神经外科手术铺巾（锥形）、标记笔、轨迹球保护罩</td></tr><tr><td>MR 神经外科手术铺巾（带延长部分-长款）</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-PD-03-L</td><td>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</td></tr><tr><td>MR 神经外科扫描仪孔径铺巾（带延长部分）</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-PD-04</td><td>MR 神经外科扫描仪孔径铺巾（带延长部分）</td></tr><tr><td>头皮固定基座</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-SM-01</td><td>头皮固定基座及定心工具</td></tr><tr><td>颅骨固定基座</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-SK-01</td><td>颅骨固定基座</td></tr><tr><td>SMARTFrame 附件套装</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS -AK-01-11</td><td>穿刺针芯、穿刺针、可剥离鞘管（2 个）、尺子、深度限位器（2 个）</td></tr><tr><td>SMARTFrame 引导管</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-GT-01</td><td>15 号规格引导管、18 号规格引导管和 16 号规格引导管</td></tr><tr><td>SMARTFrame 引导管 .052&amp;rdquo; / 18 号规格</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-GT-02</td><td>适用于 18 号规格器械的 .052&amp;rdquo; 引导管（5 根）</td></tr><tr><td>SMARTFrame 引导管 .060&amp;rdquo; / 17 号规格</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-GT-03</td><td>适用于 17 号规格器械的 .060&amp;rdquo; 引导管（5 根）</td></tr><tr><td>SMARTFrame 引导管 .064&amp;rdquo; / CP 穿刺针芯</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-GT-04</td><td>适用于 ClearPoint 穿刺针芯的 .064&amp;rdquo; 引导管（5 根）</td></tr><tr><td>SMARTFrame 引导管 .068&amp;rdquo; / 16 号规格</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-GT-05</td><td>适用于 16 号规格器械的 .068&amp;rdquo; 引导管（5 根）</td></tr><tr><td>SMARTFrame 引导管 .074&amp;rdquo; / 15 号规格</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-GT-06</td><td>适用于 15 号规格器械的 .074&amp;rdquo; 引导管（5 根）</td></tr><tr><td>SMARTFrame MR 定位标记</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-BM-05</td><td>MR 定位标记（5 个）</td></tr><tr><td>SMARTFrame 头皮固定备用螺钉 &amp;ndash; 长款</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-RS-02</td><td>短型头皮固定备用骨螺钉（3 个）</td></tr><tr><td>SMARTFrame 头皮固定备用螺钉 &amp;ndash; 短款</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-RS-03</td><td>长型头皮固定备用骨螺钉（3 个）</td></tr><tr><td>SMARTFrame 颅骨固定备用螺钉</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-RS-01</td><td>颅骨固定备用骨螺钉（3 个）</td></tr><tr><td>SMARTFrame 拇指轮延长组件</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS -TE-01</td><td>轻型手控器</td></tr><tr><td>SmartFrame XG 器械导向器，2.5 毫米</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-XG-03</td><td>2.5 毫米器械导向器</td></tr><tr><td>SmartFrame XG 器械导向器，3.2 毫米</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-XG-04</td><td>3.2 毫米器械导向器</td></tr><tr><td>SMARTFrame XG 钻孔导向器，4.5 毫米</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-XG-02</td><td>4.5 毫米钻孔导向器</td></tr><tr><td>SMARTFrame XG 钻孔导向器，6.0 毫米</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-XG-05</td><td>6.0 毫米钻孔导向器</td></tr><tr><td>SMARTFrame XG 可更换器械导向器</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-XG-01</td><td>器械导向器，3.4 毫米；器械导向器，14 号规格</td></tr><tr><td>SMARTFrame XG MRI 引导轨迹定位架</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-SF-02-11</td><td>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</td></tr><tr><td>SMARTFrame XG MRI 引导轨迹定位架，5 Fr</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-SF-02-11-5</td><td>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</td></tr><tr><td>SMARTFrame XG MRI 引导轨迹定位架，7 Fr</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-SF-02-11-7</td><td>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</td></tr><tr><td>SMARTGrid MR 规划网格</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS -SG-01-11</td><td>标记网格和标记工具</td></tr><tr><td>SMARTTip MR 钻孔套件，4.5 毫米</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-DB-45</td><td>4.5 毫米钻头、3.2 毫米钻头、穿刺针、深度限位器、尺子</td></tr><tr><td>SMARTTwist MR 手动钻</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-HD-01</td><td>手动钻</td></tr><tr><td>VentiPAC&amp;nbsp;</td><td>SurgiVet</td><td>V727000 &amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>机械呼吸机</td></tr><tr><td>Wharen 定心导向器</td><td>ClearPoint Neuro, Inc</td><td>NGS-CG-01</td><td>Wharen 定心导向器</td></tr></tbody></table>

磁共振引导下向猪脑灌注的立体定向技术

Magnetic Resonance-Guided Stereotaxy for Infusions to the Pig Brain

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。

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。
<img alt="动物MRI流程；在MRI扫描仪中进行成像和分析的实验设置及定位。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64079/64079fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图1"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64079/64079fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示手术入路点网格的大脑扫描规划示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64079/64079fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 2"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64079/64079fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="脑部手术规划；A：CT测量示意图，B：手术框架设置，C：三维模型可视化。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64079/64079fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图3"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64079/64079fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="60分钟内MRI对比剂扩散；延时图像；医学成像，扩散分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64079/64079fig04v2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图4"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64079/64079fig04largev2.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

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。

本实验的总体目标是利用实时磁共振（MR）成像引导，在猪脑中实施立体定向手术，以提供……

在此，我们将磁共振引导的立体定向技术应用于猪脑，以递送并监测灌注剂的分布情况。猪脑的尺寸适合进行具有转化意义的影像学检查和神经外科干预。我们在3T磁共振成像系统中采用猪模型进行磁共振引导的立体定向注射。我们通过可视化方式报告了在猪体内实施立体定向手术的过程，并描述了为适应猪的体型而对磁共振成像（MRI）设备进行的改造，同时以视频和同步 MRI 成像的方式展示手术过程，以评估灌注剂的分布情况。动物体位。将实验动物放置于 MRI 检查床，为 MRI 扫描做好准备。使用毛巾和泡沫垫抬高躯干。目标是使头部略微向下倾斜，颈部屈曲，鼻尖几乎接触桌面。MRI头部固定针锚定在双侧颧骨上，以保持头部固定在MR检查台上。固定后，将 MRI 检查床推入扫描仪孔内，直至受试者的头部到达孔道末端。利用 MRI 辅助可视化引导规划手术植入。以无菌方式准备操作区域。将定位标记规划网格置于受试者头皮上，使网格的粘性面贴附在患者头部，并以即将钻孔的位置为中心。在网格就位后进行 MRI 定位扫描。通过在软件中手动拖动投影的入点和靶点，调整建议的轨迹，包括设定理想的入点和靶点位置，以避开血管并尽量减少脑膜剥离和脑沟穿越。根据术者的偏好确定理想路径后，运行MR引导软件以在网格上找到穿刺入口点。通过软件投影反复固定立体定向框架并调整对位。首先使用六枚骨锚定螺钉和四枚偏移螺钉固定基座，然后在网格上围绕目标入口点坐标组装立体定向框架。通过头皮将六个骨锚定螺钉固定在颅骨上的网格位置。这六个锚定螺钉用于稳定立体定向框架，防止钻孔过程中发生任何移动。将位于塔基的四个偏移螺钉通过皮肤固定在颅骨上。通过将框架底座抬升至中心螺钉处，对中心骨螺钉施加反作用力以使其拧紧，并稳定底座。立体定向框架底座固定后，继续进行框架的组装。使用已安装好的框架，进行高分辨率T1加权MP-RAGE MRI扫描（MRI软件中的一个选项），以捕获框架的标记点并确认手术路径。使用软件确认预期的导管插入路径。根据软件输出的调整参数，通过旋转滚花旋钮进行俯仰、滚动以及 XY 方向的调整。利用 MR 引导软件，测量预期路径下颅骨的厚度以及到达脑部的总距离。钻孔并插入灌注套管。手术切口前使用碘伏消毒以防止感染。在立体定位仪下，使用手术刀在头皮上做一个三厘米的切口。在创建入路孔之前，先进行调整，设置好用于安装钻头的框架。将中心导向管拆下，并更换为适配3.4毫米钻头的导向管，用于钻孔。确保有助手在场，固定框架位置，以便术者使用手动钻进行钻孔时，增加框架的稳定性。安装第二个钻孔的支架，以扩大颅骨钻孔并避免可能改变钻孔轨迹的骨性碰撞。使用4.5毫米钻头安装钻孔设备，并将中心导向器更换为适配该较大钻头的型号。制作一个4.5毫米的骨孔。用锋利的穿刺针刺破硬脑膜。插入预先灌注好的、与脑立体定位仪兼容的灌注套管。请确保套管保持持续的中性或正向回压，以避免引入气泡。软件可提供到达计划靶点的具体深度。在与立体定位仪配套的灌注套管上测量该深度，并使用套管附带的深度限位器。通过重复进行 MRI 扫描来监测输注过程。将目标试剂与含钆对比剂同时作为共输注剂开始输注。定期进行 MRI 扫描，以监测输注过程及导管注入试剂在脑内的分布体积，该分布情况可通过钆剂的共输注推断得出。导管尖端周围的高信号区域表明存在基于钆的对比剂。输注结束后，停止泵送。在拔出导管之前，让导管在脑内保留五分钟。猪在MRI扫描仪中的体位为外科医生操作提供了最佳通路，同时确保了立体定向框架和输注套管的足够空间。MRI引导下的可视化技术可实现对脑部套管的精确定位和插入。立体定向框架在软件中进行扫描，并调整至能够有效到达目标位置。导管输注后进行多次术中 MRI 扫描，可显示输注物质在脑组织中的分布情况。立体定向框架可实现对猪脑模型的精确且可控的输注。通过本方案，我们证实了输注速率或导管插入的准确性等参数可根据术中成像结果实时调整或暂停。实时磁共振成像系统可精确测定分布容积。猪作为在实时磁共振成像中追踪输注过程的大型动物模型，为研究药物向脑部的递送（包括细胞递送及其他具有转化价值的试剂）提供了可能。磁共振引导下的可视化技术可为进入猪脑、插管以及输注试剂的监测提供实时指导。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试剂时出现困难。在规划和插管过程中进行多次磁共振成像扫描，可实现微小调整。

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磁共振引导下向猪脑灌注的立体定向技术

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