导言

在某些深部脑外科手术中，精准的成像定位至关重要。例如，活检针取样、激光消融肿瘤以及深部脑刺激等操作，都要求一种具备高分辨率、微创性且能够实现准确定位的术中成像模态。针对这一需求，香港中文大学袁武教授和任洪亮教授团队提出了一种头戴式神经OCT内窥镜（NeuroOCT）。

研究问题

本研究聚焦于解决脑外科手术中精准、微创、实时成像的挑战，特别是在针对脑深部病变的诊断与治疗方面。每年全球约有2260万名患者被诊断出患有神经系统疾病，包括脑肿瘤、癫痫和帕金森病等疾病。这些疾病中，一些脑病灶位于大脑深处，位置敏感。因此，如何在手术过程中实现对深脑病灶的精准成像和定位，成为神经外科医生在诊断和治疗过程中面临的重大难题。

现有的神经成像技术虽有多种选择，但各自存在局限性。多光子成像技术已经在脑深部成像中取得了突破，具备亚微米分辨率和超过1毫米的成像深度，然而其成像深度仍受光学像差和脑组织复杂性的限制。多模光纤内窥镜技术尽管可以实现微创的深脑成像，但其成像视野由于光纤成像孔径的限制而较小。磁共振成像（MRI）是目前常用于深脑手术的成像工具，能够提供全脑扫描，但其空间分辨率有限，难以检测早期的小病灶。此外，MRI的实时成像能力较差，单次手术成像平均耗时约35分钟，而大脑在手术过程中会发生位移，深脑区域的位移甚至超过3毫米，进一步增加了对实时成像技术的需求。尽管术中MRI可作为一种解决方案，但其空间分辨率仍然不够精细。此外，大多数现有的微创成像技术缺乏立体定向能力，这对深脑中的精确成像和设备部署提出了挑战。

基于此，研究的关键问题在于开发一种具备高空间分辨率、深度成像能力和实时三维立体成像的微创神经成像方法，以克服现有技术在深脑成像中的局限性。这种技术应能够有效避免主要血管和敏感的脑区域，同时实现对目标区域的精准成像和导引。

研究方法

本研究提出了一种结合光学相干断层扫描（OCT）技术和患者头戴式5自由度（DoF）机器人（Skullbot）的神经内窥镜系统（见图1），以实现深脑区域的高分辨率、微创和实时成像。该系统包括两个核心子系统：OCT成像子系统和Skullbot定位子系统。

光学相干断层扫描（OCT）成像子系统

OCT成像系统是一种基于弱干涉原理的高分辨率光学成像技术，广泛应用于生物医学成像。研究中使用的OCT系统为800 nm波段的内窥光谱域OCT（SD-OCT），在空气中具有约2.4 µm的轴向分辨率和约4.5 µm的横向分辨率，可以实现组织微观结构的实时三维可视化（见图1a）。具体而言，该系统具有以下特点：

• 光源：使用宽带超荧光二极管（SLD）光源，中心波长为842 nm，半高全宽约为160 nm。该波段的选择使得成像系统在气体中的轴向分辨率达到约2.4µm，能够获得高精度的切面图像。

• 成像速度：该系统具有每秒高达30帧的成像速度，能够实时捕捉组织的三维结构，尤其适合手术过程中对组织微观结构的连续观察。

• 深脑成像：传统的OCT成像深度通常在1至2毫米之间，但通过将OCT技术结合到神经内窥镜中，研究实现了脑深部的微创成像。这种结合克服了光学成像深度的限制，使得OCT能够在深脑组织内部实现高分辨率成像。

• 微型化内窥镜：OCT内窥镜的直径仅约为0.6毫米，由液体成型技术制造（见图2a以及我们之前的研究）。该技术允许在表面能量控制下通过光学液体成型的方式制造出微型透镜，这种制造工艺提供了高设计灵活性和优异的成本控制能力。此外，透镜直接与光纤耦合，构成一个可缩小到微米级的成像探头，适用于微创神经内窥镜。

• 灵活性和低成本：OCT内窥镜采用三段结构设计，包括金属管、扭矩线圈和远端皮下针管，用于传递旋转扭矩，整体设计提供了灵活的制造方法，并能有效降低设备的成本（见图2b和c）。

图2：液体成形技术和微型OCT内窥镜（图片版权属于原作者和Wiley）

Skullbot 定位子系统

Skullbot是一个MRI兼容的头戴式定位机器人，旨在为深脑手术中的神经内窥镜提供精确的插入和导引。它的5自由度包括两个平移自由度和两个旋转自由度，以及新增的一个用于插入内窥镜的自由度，能够为深脑成像提供全方位的精准控制（见图3）。

图3：5自由度的Skullbot（图片版权属于原作者和Wiley）

该系统的详细特点包括：

• 结构设计：Skullbot系统由一个4自由度的定位器（见我们之前的研究）和一个液压驱动器组成。定位器包括两个平行运动层和一个机器人基座，能够实现两轴的平移运动（垂直于内窥镜）和两个旋转运动（偏航和俯仰）。每层由转子、滑块和球形接头组成，允许对内窥镜末端的位置和角度进行精确控制（见图3b）。

• 液压驱动器：为了实现内窥镜的精确插入，Skullbot配备了液压驱动的内窥镜推送装置 （见图3c）。液压方法通过柔性传输管道减少了侧向扰动，确保了在高弯曲度下的稳定操作。此外，液压针驱动器采用双活塞设计，保证了针头在纵向上的稳定推进，该系统能够实现高精度的位移传输，内窥镜插入误差小于±0.25 mm。

• MRI兼容性：Skullbot设计时采用了诸如陶瓷轴承等MRI兼容材料，避免了传统钢材在MRI环境中的磁性干扰。此外，系统的液压传动方式和镍钛合金基线传动方式进一步增强了其MRI兼容性，使其能够在MRI手术室中应用（见图4）。

• 运动控制和定位：通过运动控制器和液压驱动器来实现Skullbot的精确运动。Skullbot使用电磁（EM）跟踪系统来实现内窥镜末端和目标位置的精确定位，该系统通过三个EM传感器追踪机器人基座、针头驱动器和目标点的相对位置，从而确保内窥镜能够精确插入至目标位置（见图5）。

图5：电磁跟踪定位系统（图片版权属于原作者和Wiley）

• 实时成像与导航：Skullbot系统支持实时的立体定向成像，能够在手术过程中避免大脑中的主要血管和敏感区域。内窥镜插入的路径可根据预先设计的MRI数据来规划，确保内窥镜能够以精确的轨迹到达目标病变区域。进一步的微观组织信息，则可以通过OCT获得。

主要成果

总结一下，本研究的主要成果包括了以下几点：

• 开发出新型头戴式神经OCT内窥镜系统（NeuroOCT）：通过结合OCT技术和5自由度头戴式定位机器人（Skullbot），成功设计并实现了一个用于深脑定位成像的高分辨率、微创内窥镜系统（见图6）。该系统具备约2.4 µm的轴向分辨率和约4.5 µm的横向分辨率，适用于深脑微创成像。

• 实现精确定位和导航：Skullbot系统能够实现高精度的内窥镜定位和导航，横向定位精度达到±1.5 mm，纵向精度为±0.25 mm（具体实验验证可见于原文）。系统通过液压驱动器和电磁跟踪技术，确保内窥镜在手术中能够避开大脑中的血管和敏感区域，实现精确的立体定向成像。

• 体外和活体实验验证：通过体外的光学假体实验，验证了系统的定位精度和稳定性（见图7）。此外，在小鼠模型上进行了深脑成像实验，成功实现了活体中微分辨率的三维体积成像，展示了该系统在实际应用中的可行性（见图8）。

图7：光学假体成像实验（图片版权属于原作者和Wiley）

• 显著提升手术安全性与有效性：该系统在体内外实验中展现了对病变的高分辨率成像能力，能够在不损伤周围健康组织的情况下精确定位肿瘤，具有显著的临床应用潜力，有望在神经外科手术中提高手术精度并降低出血风险。

• MRI兼容性和实时反馈：Skullbot系统采用MRI兼容设计，能够在MRI手术室中使用。未来，结合术中MRI扫描，系统还可提供实时的影像反馈，实现对手术目标区域的精确定位和疾病评估。此外，使用可弯曲、柔软的内窥镜，更有助于避开血管或其他关键脑部区域。

总的来说，本研究提出的神经OCT系统大大提高了深脑成像的精度与微创性，为神经外科手术中的疾病诊断和治疗提供了更安全和有效的解决方案。