當前，神經(jīng)系統(tǒng)疾病已成為全球第二大死亡原因。近年來，腦腫瘤、帕金森病、強迫癥、癲癇等常見腦神經(jīng)功能性重大疾病隨年齡增長患病率顯著上升，嚴重影響患者生活質(zhì)量。目前臨床常用的診療手段包括穿刺活檢、深部電極植入、射頻消融、腫瘤切除和局部給藥等。

傳統(tǒng)框架式立體定向手術(shù)依賴術(shù)前影像與框架匹配實現(xiàn)手動靶點定位，操作復雜且對醫(yī)生經(jīng)驗要求較高；而無框式非磁共振兼容立體定向機器人手術(shù)雖通過機械臂與術(shù)前影像實現(xiàn)了自動靶點定位給，卻因缺乏術(shù)中實時影像與顱內(nèi)環(huán)境監(jiān)測能力，難以應對術(shù)中腦組織漂移等問題。術(shù)中磁共振影像（MRI）引導技術(shù)可在手術(shù)過程中同步實現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)與功能評估，動態(tài)適應組織形變并避開關(guān)鍵功能區(qū)，但其臨床應用仍面臨多自由度大范圍運動與高精度定位難以兼顧、受限空間下長距離精準穿刺操作復雜，以及術(shù)中磁共振成像時空分辨率難以同時優(yōu)化等挑戰(zhàn)。此外，強磁場環(huán)境對機器人系統(tǒng)的材料、驅(qū)動與傳感技術(shù)提出了嚴格的磁兼容性要求。

在這一背景下，國家重點研發(fā)計劃“智能機器人”專項設(shè)立“腦神經(jīng)介入核磁兼容穿刺機器人技術(shù)與系統(tǒng)”項目。該項目面向腦疾病精準治療的迫切臨床需求，聚焦驅(qū)動、感知、成像導航與植入器械四大核心方向，致力在氣液混合宏微驅(qū)動、仿生蠕動穿刺、實時磁共振成像與導航、低偽影光纖力感知穿刺針等關(guān)鍵技術(shù)方面實現(xiàn)突破，構(gòu)建具備術(shù)前-術(shù)中配準、路徑規(guī)劃與亞毫米級在體定位能力的智能手術(shù)機器人系統(tǒng)。

▍破局臨床難題，實現(xiàn)高端裝備國產(chǎn)化

近日，由上海交通大學醫(yī)療機器人研究院、上海市柔性醫(yī)療機器人重點實驗室楊廣中教授團隊牽頭承擔的這一專項取得重要進展。該團隊首創(chuàng)機器人氣液宏微驅(qū)動、仿生蠕動穿刺針驅(qū)動及術(shù)中宏微磁共振成像技術(shù)，并提出了一種術(shù)中磁共振影像導航的腦神經(jīng)介入手術(shù)機器人系統(tǒng)，即MRI引導機器人立體定向神經(jīng)介入系統(tǒng)。

目前，項目團隊已成功研制出國際首臺術(shù)中磁共振影像導航的氣液混合驅(qū)動腦神經(jīng)介入手術(shù)機器人。該機器人具備毫牛級力感知精度，二維成像時空分辨率達到1 mm/80 ms，樣機定位精度達到亞毫米級，整體性能處于國際領(lǐng)先水平。在3T核磁系統(tǒng)下，該機器人樣機已完成多輪詳細功能和性能驗證，并與瑞金醫(yī)院等單位合作開展了多例人體標本與活體動物實驗驗證，表現(xiàn)出良好的臨床適用性與穩(wěn)定性。

該成果有效解決了當前腦神經(jīng)介入磁共振兼容機器人普遍面臨的精度有限、兼容性不足、工作空間受限和術(shù)中成像時空分辨率矛盾等關(guān)鍵問題，為推進腦神經(jīng)介入手術(shù)的精準化、實時磁共振導航及磁共振微創(chuàng)診療一體化發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐。同時，項目突破的關(guān)鍵技術(shù)與核心部件已實現(xiàn)國產(chǎn)化，推動了磁共振兼容驅(qū)動、傳感、制造與系統(tǒng)集成技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新，為我國高端醫(yī)療裝備自主可控與人民健康保障提供了有力支撐。

前不久，該項目最新研究成果的相關(guān)論文已以“Hybrid pneumatic-hydraulic actuation for MRI-guided robotic stereotactic neurointervention”為題，發(fā)表于《Science Advances》。論文共同第一作者為上海交通大學醫(yī)學院附屬同仁醫(yī)院黃少平博士后與上海交通大學何釗博士后，通訊作者為上海交通大學楊廣中教授、高安柱教授、馮原教授以及上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院孫青芳主任醫(yī)師。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及上海市科技專項等項目的資助，并受到工業(yè)和信息化部產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心、磁共振診療高端技術(shù)國家工程研究中心、上海市科學技術(shù)委員會、上海市醫(yī)療機器人技術(shù)創(chuàng)新中心、上海市柔性醫(yī)療機器人重點實驗室、上海交通大學醫(yī)療機器人研究院、上海交通大學生物醫(yī)學工程學院、上海交通大學自動化與感知學院、上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院等單位的支持。

▍MRI引導機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)與構(gòu)成

項目團隊所提出的術(shù)中磁共振影像導航的氣液混合宏微驅(qū)動腦神經(jīng)介入手術(shù)機器人硬件系統(tǒng)主要由兩大核心部分構(gòu)成，一個是8自由度氣液混合宏微驅(qū)動立體定向系統(tǒng)，另一個是2自由度仿生蠕動式軟體驅(qū)動器。該系統(tǒng)結(jié)合宏微磁共振成像技術(shù)，可在手術(shù)過程中可實現(xiàn)交互導航與閉環(huán)控制，并在接近目標時精確識別局部結(jié)構(gòu)及針尖位置。

術(shù)中磁共振影像導航的氣液混合宏微驅(qū)動腦神經(jīng)介入手術(shù)機器人系統(tǒng)

• 8自由度氣液混合宏微驅(qū)動立體定向系統(tǒng)

8自由度氣液混合驅(qū)動立體定向系統(tǒng)包含4自由度氣動宏驅(qū)動模塊和4自由度液壓微驅(qū)動模塊。氣動宏驅(qū)動模塊負責大范圍全局定位，其工作空間可充分覆蓋人腦區(qū)域；液壓微驅(qū)動模塊采用雙平面并聯(lián)機構(gòu)，用于局部精細調(diào)整。在3T強磁場環(huán)境中，該系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的磁共振兼容性，磁共振圖像信噪比損失不超過2.3%，幾何畸變率低于0.18%，末端夾持點剛度達到12.04 N/mm以上，為腦神經(jīng)介入手術(shù)提供了大范圍、高精度的立體定向支持。

氣液混合驅(qū)動腦神經(jīng)介入機器人驅(qū)動架構(gòu)設(shè)計與性能評估

• 2自由度仿生蠕動式軟體驅(qū)動器

針對長距離穿刺操作中的精準性和穩(wěn)定性需求，團隊開發(fā)了一款2自由度仿生蠕動式軟體驅(qū)動器。該裝置受生物體蠕動機制啟發(fā)，突破了傳統(tǒng)剛性傳動限制，能夠在有限空間內(nèi)實現(xiàn)穿刺針的旋轉(zhuǎn)與輸送運動?；谛胁ㄍ扑驮?，驅(qū)動器可獨立控制針體的旋轉(zhuǎn)和平移動作。在1.2-1.7 Hz工作頻率下，其平移速度超過0.2 mm/s，旋轉(zhuǎn)速度大于0.5 rad/s，穿刺力高于0.8 N，最大鎖定力可達13 N，表現(xiàn)出良好的鎖緊性能和運動穩(wěn)定性，有效解決了受限空間內(nèi)長行程精準穿刺的操作難題。

仿生2自由度軟體驅(qū)動器的設(shè)計與性能測試

• 術(shù)中宏微磁共振成像技術(shù)

針對術(shù)中導航與精準定位的雙重需求，項目團隊開發(fā)了一種自適應的宏微磁共振成像策略以配合手術(shù)不同階段的需求。在穿刺針遠離靶點（大于等于10 mm）時采用宏成像模式，以1 mm2分辨率、每幀2.5秒的速度監(jiān)控針體推進；當接近靶點（小于10 mm）時切換至微成像模式，分辨率提升至0.39 mm2，單幀用時17.9秒，實現(xiàn)精細引導。該rFOV-FSE序列相比全視野成像空間分辨率提高2.6倍，并有效抑制圖像偽影。結(jié)合SAM算法，系統(tǒng)可完成亞像素級針尖跟蹤，為機器人閉環(huán)控制提供高精度視覺反饋。

術(shù)中磁共振宏微成像技術(shù)

▍MRI引導機器人系統(tǒng)的多場景驗證

為評估手術(shù)機器人系統(tǒng)的定位準確性，項目團隊通過開展體模、人體標本及活體動物實驗，就機器人定位精度、臨床適用性和安全性等進行了驗證。所有實驗均基于術(shù)中磁共振成像引導條件下進行。穿刺操作使用外徑1.6 mm的MRI安全陶瓷針，通過宏-微驅(qū)動組合完成路徑對齊，并在實時MRI監(jiān)控下執(zhí)行進針。

• 體模實驗驗證定位精度

在仿人環(huán)境的體模實驗中，項目團隊采用明膠填充的3D打印人類頭骨模型，其中嵌入孔狀無磁標記作為目標點。通過術(shù)前MRI圖像規(guī)劃路徑，由機器人系統(tǒng)對齊顯影鞘管與規(guī)劃路徑。穿刺時先預插入約10 mm，再在全局MRI引導下由軟體驅(qū)動器完成最終推進。七次不同靶點定位結(jié)果顯示，針尖與目標點誤差均小于1 mm，平均精度達0.39±0.12 mm，初步證明系統(tǒng)具備亞毫米級定位能力。

MRI引導機器人系統(tǒng)的模型驗證和人體標本實驗

• 人體標本實驗驗證臨床適用性

為檢驗系統(tǒng)在接近真實手術(shù)條件下的表現(xiàn)，項目團隊在四例人體標本中進行了實驗。在術(shù)前MRI中規(guī)劃底丘腦核（STN）為靶點，平均深度約65 mm。開顱后術(shù)中MRI發(fā)現(xiàn)明顯腦結(jié)構(gòu)或位置偏移，醫(yī)生據(jù)此更新路徑，導航系統(tǒng)重新發(fā)送數(shù)據(jù)并進行局部微調(diào)。術(shù)后MRI顯示最終定位精度為0.68±0.13 mm，表明系統(tǒng)在應對術(shù)中解剖變化時仍保持高準確度。組織學分析顯示針道最大寬度為1.79 mm，未見明顯結(jié)構(gòu)性破壞。

• 活體動物實驗評估生物安全性

在活體豬動物實驗中，以左側(cè)伏隔核為靶點，術(shù)前及術(shù)中MRI均未發(fā)現(xiàn)顯著結(jié)構(gòu)偏移，機器人按計劃路徑完成穿刺。術(shù)后MRI確認定位誤差僅為0.14 mm。病理切片經(jīng)H&E染色和尼氏染色顯示，穿刺通道位于白質(zhì)區(qū)，未損傷神經(jīng)元密集區(qū)域，周圍細胞形態(tài)正常，表明該操作未引起顯著組織損傷或炎癥反應。

STN植入實驗中的人體標本腦組織切片

參考文章：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady3624