當(dāng)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(qiáng)迫癥、癲癇等常見腦神經(jīng)功能性重大疾病隨年齡增長(zhǎng)患病率顯著上升，嚴(yán)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(shí)現(xiàn)手動(dòng)靶點(diǎn)定位，操作復(fù)雜且對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)要求較高；而無框式非磁共振兼容立體定向機(jī)器人手術(shù)雖通過機(jī)械臂與術(shù)前影像實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)靶點(diǎn)定位給，卻因缺乏術(shù)中實(shí)時(shí)影像與顱內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)能力，難以應(yīng)對(duì)術(shù)中腦組織漂移等問題。術(shù)中磁共振影像（MRI）引導(dǎo)技術(shù)可在手術(shù)過程中同步實(shí)現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)與功能評(píng)估，動(dòng)態(tài)適應(yīng)組織形變并避開關(guān)鍵功能區(qū)，但其臨床應(yīng)用仍面臨多自由度大范圍運(yùn)動(dòng)與高精度定位難以兼顧、受限空間下長(zhǎng)距離精準(zhǔn)穿刺操作復(fù)雜，以及術(shù)中磁共振成像時(shí)空分辨率難以同時(shí)優(yōu)化等挑戰(zhàn)。此外，強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的材料、驅(qū)動(dòng)與傳感技術(shù)提出了嚴(yán)格的磁兼容性要求。
在這一背景下，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能機(jī)器人”專項(xiàng)設(shè)立“腦神經(jīng)介入核磁兼容穿刺機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目面向腦疾病精準(zhǔn)治療的迫切臨床需求，聚焦驅(qū)動(dòng)、感知、成像導(dǎo)航與植入器械四大核心方向，致力在氣液混合宏微驅(qū)動(dòng)、仿生蠕動(dòng)穿刺、實(shí)時(shí)磁共振成像與導(dǎo)航、低偽影光纖力感知穿刺針等關(guān)鍵技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)突破，構(gòu)建具備術(shù)前-術(shù)中配準(zhǔn)、路徑規(guī)劃與亞毫米級(jí)在體定位能力的智能手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。
▍破局臨床難題，實(shí)現(xiàn)高端裝備國(guó)產(chǎn)化
近日，由上海交通大學(xué)醫(yī)療機(jī)器人研究院、上海市柔性醫(yī)療機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊廣中教授團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)的這一專項(xiàng)取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)機(jī)器人氣液宏微驅(qū)動(dòng)、仿生蠕動(dòng)穿刺針驅(qū)動(dòng)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(dǎo)航的腦神經(jīng)介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，即MRI引導(dǎo)機(jī)器人立體定向神經(jīng)介入系統(tǒng)。
該成果有效解決了當(dāng)前腦神經(jīng)介入磁共振兼容機(jī)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(shí)空分辨率矛盾等關(guān)鍵問題，為推進(jìn)腦神經(jīng)介入手術(shù)的精準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)磁共振導(dǎo)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(shí)，項(xiàng)目突破的關(guān)鍵技術(shù)與核心部件已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，推動(dòng)了磁共振兼容驅(qū)動(dòng)、傳感、制造與系統(tǒng)集成技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新，為我國(guó)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(xiàng)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(xué)醫(yī)學(xué)院附屬同仁醫(yī)院黃少平博士后與上海交通大學(xué)何釗博士后，通訊作者為上海交通大學(xué)楊廣中教授、高安柱教授、馮原教授以及上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院孫青芳主任醫(yī)師。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及上海市科技專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助，并受到工業(yè)和信息化部產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心、磁共振診療高端技術(shù)國(guó)家工程研究中心、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、上海市醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新中心、上海市柔性醫(yī)療機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)醫(yī)療機(jī)器人研究院、上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、上海交通大學(xué)自動(dòng)化與感知學(xué)院、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院等單位的支持。
▍MRI引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與構(gòu)成
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所提出的術(shù)中磁共振影像導(dǎo)航的氣液混合宏微驅(qū)動(dòng)腦神經(jīng)介入手術(shù)機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要由兩大核心部分構(gòu)成，一個(gè)是8自由度氣液混合宏微驅(qū)動(dòng)立體定向系統(tǒng)，另一個(gè)是2自由度仿生蠕動(dòng)式軟體驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)交互導(dǎo)航與閉環(huán)控制，并在接近目標(biāo)時(shí)精確識(shí)別局部結(jié)構(gòu)及針尖位置。
術(shù)中磁共振影像導(dǎo)航的氣液混合宏微驅(qū)動(dòng)腦神經(jīng)介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)
8自由度氣液混合宏微驅(qū)動(dòng)立體定向系統(tǒng)
8自由度氣液混合驅(qū)動(dòng)立體定向系統(tǒng)包含4自由度氣動(dòng)宏驅(qū)動(dòng)模塊和4自由度液壓微驅(qū)動(dòng)模塊。氣動(dòng)宏驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)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(dòng)模塊采用雙平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，用于局部精細(xì)調(diào)整。在3T強(qiáng)磁場(chǎng)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(diǎn)剛度達(dá)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(dòng)腦神經(jīng)介入機(jī)器人驅(qū)動(dòng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估
2自由度仿生蠕動(dòng)式軟體驅(qū)動(dòng)器
針對(duì)長(zhǎng)距離穿刺操作中的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性需求，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款2自由度仿生蠕動(dòng)式軟體驅(qū)動(dòng)器。該裝置受生物體蠕動(dòng)機(jī)制啟發(fā)，突破了傳統(tǒng)剛性傳動(dòng)限制，能夠在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)穿刺針的旋轉(zhuǎn)與輸送運(yùn)動(dòng)。基于行波推送原理，驅(qū)動(dòng)器可獨(dú)立控制針體的旋轉(zhuǎn)和平移動(dòng)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(dá)13 N，表現(xiàn)出良好的鎖緊性能和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，有效解決了受限空間內(nèi)長(zhǎng)行程精準(zhǔn)穿刺的操作難題。
仿生2自由度軟體驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試
術(shù)中宏微磁共振成像技術(shù)
針對(duì)術(shù)中導(dǎo)航與精準(zhǔn)定位的雙重需求，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種自適應(yīng)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(yuǎn)離靶點(diǎn)（大于等于10 mm）時(shí)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(jìn)；當(dāng)接近靶點(diǎn)（小于10 mm）時(shí)切換至微成像模式，分辨率提升至0.39 mm2，單幀用時(shí)17.9秒，實(shí)現(xiàn)精細(xì)引導(dǎo)。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(jí)針尖跟蹤，為機(jī)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(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)的多場(chǎng)景驗(yàn)證
為評(píng)估手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確性，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過開展體模、人體標(biāo)本及活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，就機(jī)器人定位精度、臨床適用性和安全性等進(jìn)行了驗(yàn)證。所有實(shí)驗(yàn)均基于術(shù)中磁共振成像引導(dǎo)條件下進(jìn)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(dòng)組合完成路徑對(duì)齊，并在實(shí)時(shí)MRI監(jiān)控下執(zhí)行進(jìn)針。
體模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證定位精度
在仿人環(huán)境的體模實(shí)驗(yàn)中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(biāo)記作為目標(biāo)點(diǎn)。通過術(shù)前MRI圖像規(guī)劃路徑，由機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)齊顯影鞘管與規(guī)劃路徑。穿刺時(shí)先預(yù)插入約10 mm，再在全局MRI引導(dǎo)下由軟體驅(qū)動(dòng)器完成最終推進(jìn)。七次不同靶點(diǎn)定位結(jié)果顯示，針尖與目標(biāo)點(diǎn)誤差均小于1 mm，平均精度達(dá)0.39±0.12 mm，初步證明系統(tǒng)具備亞毫米級(jí)定位能力。
MRI引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)的模型驗(yàn)證和人體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)
人體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證臨床適用性
為檢驗(yàn)系統(tǒng)在接近真實(shí)手術(shù)條件下的表現(xiàn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在四例人體標(biāo)本中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在術(shù)前MRI中規(guī)劃底丘腦核（STN）為靶點(diǎn)，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(dǎo)航系統(tǒng)重新發(fā)送數(shù)據(jù)并進(jìn)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(yīng)對(duì)術(shù)中解剖變化時(shí)仍保持高準(zhǔn)確度。組織學(xué)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)評(píng)估生物安全性
在活體豬動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，以左側(cè)伏隔核為靶點(diǎn)，術(shù)前及術(shù)中MRI均未發(fā)現(xiàn)顯著結(jié)構(gòu)偏移，機(jī)器人按計(jì)劃路徑完成穿刺。術(shù)后MRI確認(rèn)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(xì)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(yīng)。
STN植入實(shí)驗(yàn)中的人體標(biāo)本腦組織切片
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