論文作者：Chao Xu（徐超，第一作者）, Zhiwei Fang（方志偉，第一作者）, Huxin Gao（高滬昕），Tinghua Zhang（張廷華）, Tao Zhang（張濤），Peng Liu（劉鵬），Hongliang Ren*（任洪亮），Wu Yuan* （袁武）
導言
在某些深部腦外科手術(shù)中，精準的成像定位至關(guān)重要。例如，活檢針取樣、激光消融腫瘤以及深部腦刺激等操作，都要求一種具備高分辨率、微創(chuàng)性且能夠?qū)崿F(xiàn)準確定位的術(shù)中成像模態(tài)。針對這一需求，香港中文大學袁武教授和任洪亮教授團隊提出了一種頭戴式神經(jīng)OCT內(nèi)窺鏡（NeuroOCT）。
研究問題
本研究聚焦于解決腦外科手術(shù)中精準、微創(chuàng)、實時成像的挑戰(zhàn)，特別是在針對腦深部病變的診斷與治療方面。每年全球約有2260萬名患者被診斷出患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括腦腫瘤、癲癇和帕金森病等疾病。這些疾病中，一些腦病灶位于大腦深處，位置敏感。因此，如何在手術(shù)過程中實現(xiàn)對深腦病灶的精準成像和定位，成為神經(jīng)外科醫(yī)生在診斷和治療過程中面臨的重大難題。
現(xiàn)有的神經(jīng)成像技術(shù)雖有多種選擇，但各自存在局限性。多光子成像技術(shù)已經(jīng)在腦深部成像中取得了突破，具備亞微米分辨率和超過1毫米的成像深度，然而其成像深度仍受光學像差和腦組織復雜性的限制。多模光纖內(nèi)窺鏡技術(shù)盡管可以實現(xiàn)微創(chuàng)的深腦成像，但其成像視野由于光纖成像孔徑的限制而較小。磁共振成像（MRI）是目前常用于深腦手術(shù)的成像工具，能夠提供全腦掃描，但其空間分辨率有限，難以檢測早期的小病灶。此外，MRI的實時成像能力較差，單次手術(shù)成像平均耗時約35分鐘，而大腦在手術(shù)過程中會發(fā)生位移，深腦區(qū)域的位移甚至超過3毫米，進一步增加了對實時成像技術(shù)的需求。盡管術(shù)中MRI可作為一種解決方案，但其空間分辨率仍然不夠精細。此外，大多數(shù)現(xiàn)有的微創(chuàng)成像技術(shù)缺乏立體定向能力，這對深腦中的精確成像和設(shè)備部署提出了挑戰(zhàn)。
基于此，研究的關(guān)鍵問題在于開發(fā)一種具備高空間分辨率、深度成像能力和實時三維立體成像的微創(chuàng)神經(jīng)成像方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)在深腦成像中的局限性。這種技術(shù)應(yīng)能夠有效避免主要血管和敏感的腦區(qū)域，同時實現(xiàn)對目標區(qū)域的精準成像和導引。
研究方法
本研究提出了一種結(jié)合光學相干斷層掃描（OCT）技術(shù)和患者頭戴式5自由度（DoF）機器人（Skullbot）的神經(jīng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)（見圖1），以實現(xiàn)深腦區(qū)域的高分辨率、微創(chuàng)和實時成像。該系統(tǒng)包括兩個核心子系統(tǒng)：OCT成像子系統(tǒng)和Skullbot定位子系統(tǒng)。
圖1：NeuroOCT 系統(tǒng)（圖片版權(quán)屬于原作者和Wiley）
光學相干斷層掃描（OCT）成像子系統(tǒng)
OCT成像系統(tǒng)是一種基于弱干涉原理的高分辨率光學成像技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學成像。研究中使用的OCT系統(tǒng)為800 nm波段的內(nèi)窺光譜域OCT（SD-OCT），在空氣中具有約2.4 μm的軸向分辨率和約4.5 μm的橫向分辨率，可以實現(xiàn)組織微觀結(jié)構(gòu)的實時三維可視化（見圖1a）。具體而言，該系統(tǒng)具有以下特點：
光源：使用寬帶超熒光二極管（SLD）光源，中心波長為842 nm，半高全寬約為160 nm。該波段的選擇使得成像系統(tǒng)在氣體中的軸向分辨率達到約2.4μm，能夠獲得高精度的切面圖像。
成像速度：該系統(tǒng)具有每秒高達30幀的成像速度，能夠?qū)崟r捕捉組織的三維結(jié)構(gòu)，尤其適合手術(shù)過程中對組織微觀結(jié)構(gòu)的連續(xù)觀察。
深腦成像：傳統(tǒng)的OCT成像深度通常在1至2毫米之間，但通過將OCT技術(shù)結(jié)合到神經(jīng)內(nèi)窺鏡中，研究實現(xiàn)了腦深部的微創(chuàng)成像。這種結(jié)合克服了光學成像深度的限制，使得OCT能夠在深腦組織內(nèi)部實現(xiàn)高分辨率成像。
微型化內(nèi)窺鏡：OCT內(nèi)窺鏡的直徑僅約為0.6毫米，由液體成型技術(shù)制造（見圖2a以及我們之前的研究）。該技術(shù)允許在表面能量控制下通過光學液體成型的方式制造出微型透鏡，這種制造工藝提供了高設(shè)計靈活性和優(yōu)異的成本控制能力。此外，透鏡直接與光纖耦合，構(gòu)成一個可縮小到微米級的成像探頭，適用于微創(chuàng)神經(jīng)內(nèi)窺鏡。
靈活性和低成本：OCT內(nèi)窺鏡采用三段結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括金屬管、扭矩線圈和遠端皮下針管，用于傳遞旋轉(zhuǎn)扭矩，整體設(shè)計提供了靈活的制造方法，并能有效降低設(shè)備的成本（見圖2b和c）。
圖2：液體成形技術(shù)和微型OCT內(nèi)窺鏡（圖片版權(quán)屬于原作者和Wiley）
Skullbot 定位子系統(tǒng)
Skullbot是一個MRI兼容的頭戴式定位機器人，旨在為深腦手術(shù)中的神經(jīng)內(nèi)窺鏡提供精確的插入和導引。它的5自由度包括兩個平移自由度和兩個旋轉(zhuǎn)自由度，以及新增的一個用于插入內(nèi)窺鏡的自由度，能夠為深腦成像提供全方位的精準控制（見圖3）。
圖3：5自由度的Skullbot（圖片版權(quán)屬于原作者和Wiley）
該系統(tǒng)的詳細特點包括：
結(jié)構(gòu)設(shè)計：Skullbot系統(tǒng)由一個4自由度的定位器（見我們之前的研究）和一個液壓驅(qū)動器組成。定位器包括兩個平行運動層和一個機器人基座，能夠?qū)崿F(xiàn)兩軸的平移運動（垂直于內(nèi)窺鏡）和兩個旋轉(zhuǎn)運動（偏航和俯仰）。每層由轉(zhuǎn)子、滑塊和球形接頭組成，允許對內(nèi)窺鏡末端的位置和角度進行精確控制（見圖3b）。
液壓驅(qū)動器：為了實現(xiàn)內(nèi)窺鏡的精確插入，Skullbot配備了液壓驅(qū)動的內(nèi)窺鏡推送裝置 （見圖3c）。液壓方法通過柔性傳輸管道減少了側(cè)向擾動，確保了在高彎曲度下的穩(wěn)定操作。此外，液壓針驅(qū)動器采用雙活塞設(shè)計，保證了針頭在縱向上的穩(wěn)定推進，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的位移傳輸，內(nèi)窺鏡插入誤差小于±0.25 mm。
MRI兼容性：Skullbot設(shè)計時采用了諸如陶瓷軸承等MRI兼容材料，避免了傳統(tǒng)鋼材在MRI環(huán)境中的磁性干擾。此外，系統(tǒng)的液壓傳動方式和鎳鈦合金基線傳動方式進一步增強了其MRI兼容性，使其能夠在MRI手術(shù)室中應(yīng)用（見圖4）。
圖4：Skullbot具有MRI兼容性（圖片版權(quán)屬于原作者和Wiley）
運動控制和定位：通過運動控制器和液壓驅(qū)動器來實現(xiàn)Skullbot的精確運動。Skullbot使用電磁（EM）跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)內(nèi)窺鏡末端和目標位置的精確定位，該系統(tǒng)通過三個EM傳感器追蹤機器人基座、針頭驅(qū)動器和目標點的相對位置，從而確保內(nèi)窺鏡能夠精確插入至目標位置（見圖5）。
圖5：電磁跟蹤定位系統(tǒng)（圖片版權(quán)屬于原作者和Wiley）
實時成像與導航：Skullbot系統(tǒng)支持實時的立體定向成像，能夠在手術(shù)過程中避免大腦中的主要血管和敏感區(qū)域。內(nèi)窺鏡插入的路徑可根據(jù)預先設(shè)計的MRI數(shù)據(jù)來規(guī)劃，確保內(nèi)窺鏡能夠以精確的軌跡到達目標病變區(qū)域。進一步的微觀組織信息，則可以通過OCT獲得。
主要成果
總結(jié)一下，本研究的主要成果包括了以下幾點：
開發(fā)出新型頭戴式神經(jīng)OCT內(nèi)窺鏡系統(tǒng)（NeuroOCT）：通過結(jié)合OCT技術(shù)和5自由度頭戴式定位機器人（Skullbot），成功設(shè)計并實現(xiàn)了一個用于深腦定位成像的高分辨率、微創(chuàng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)（見圖6）。該系統(tǒng)具備約2.4 μm的軸向分辨率和約4.5 μm的橫向分辨率，適用于深腦微創(chuàng)成像。
圖6：NeuroOCT系統(tǒng)用于小鼠深腦成像（圖片版權(quán)屬于原作者和Wiley）
實現(xiàn)精確定位和導航：Skullbot系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的內(nèi)窺鏡定位和導航，橫向定位精度達到±1.5 mm，縱向精度為±0.25 mm（具體實驗驗證可見于原文）。系統(tǒng)通過液壓驅(qū)動器和電磁跟蹤技術(shù)，確保內(nèi)窺鏡在手術(shù)中能夠避開大腦中的血管和敏感區(qū)域，實現(xiàn)精確的立體定向成像。
體外和活體實驗驗證：通過體外的光學假體實驗，驗證了系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性（見圖7）。此外，在小鼠模型上進行了深腦成像實驗，成功實現(xiàn)了活體中微分辨率的三維體積成像，展示了該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性（見圖8）。
圖7：光學假體成像實驗（圖片版權(quán)屬于原作者和Wiley）
圖8：小鼠深腦定位成像（圖片版權(quán)屬于原作者和Wiley）
顯著提升手術(shù)安全性與有效性：該系統(tǒng)在體內(nèi)外實驗中展現(xiàn)了對病變的高分辨率成像能力，能夠在不損傷周圍健康組織的情況下精確定位腫瘤，具有顯著的臨床應(yīng)用潛力，有望在神經(jīng)外科手術(shù)中提高手術(shù)精度并降低出血風險。
MRI兼容性和實時反饋：Skullbot系統(tǒng)采用MRI兼容設(shè)計，能夠在MRI手術(shù)室中使用。未來，結(jié)合術(shù)中MRI掃描，系統(tǒng)還可提供實時的影像反饋，實現(xiàn)對手術(shù)目標區(qū)域的精確定位和疾病評估。此外，使用可彎曲、柔軟的內(nèi)窺鏡，更有助于避開血管或其他關(guān)鍵腦部區(qū)域。
總的來說，本研究提出的神經(jīng)OCT系統(tǒng)大大提高了深腦成像的精度與微創(chuàng)性，為神經(jīng)外科手術(shù)中的疾病診斷和治療提供了更安全和有效的解決方案。
期刊簡介
Wiley旗下智能系統(tǒng)領(lǐng)域開放獲取旗艦刊。期刊收錄關(guān)于具有刺激或指令響應(yīng)智能的人造裝置系統(tǒng)的研究，包括機器人、自動化、人工智能、機器學習、人機交互、智能傳感和程序化自組裝等前沿應(yīng)用。Advanced Intelligent Systems最新的期刊引文指標1.11，期刊影響因子6.8，在計算機科學，人工智能和自動化與控制系統(tǒng)中分類皆為Q1。(源自Clarivate 2023)
