自动化机器人颅骨钻孔手术系统研究报告

背景介绍

大脑作为复杂生命活动的核心器官，掌控了所有心理和意识过程的核心，承担着生命活动的方方面面。进入21世纪以来，神经科学成为了增长最快、研究进展最显著的领域之一。动物模型在研究大脑和神经功能中扮演了至关重要的角色。然而，目前广泛应用的医学成像技术诸如计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）及功能近红外光谱成像（fNIRS），虽然在观察脑组织结构和功能方面很有潜力，但其分辨率尚不足以清晰地捕捉单个神经细胞活动。因此，分辨率达到微米级别的光学显微技术，例如双光子显微镜（two-photon microscopy）、共聚焦显微镜（confocal microscopy）以及光学相干断层成像（Optical Coherence Tomography, OCT），成为推动神经科学研究不可或缺的工具。

然而，这些光学技术的透光深度有限，难以实现透颅成像。为此，研究人员开发出了透明颅窗技术（transparent cranial window）用于光学大脑成像。传统的颅窗制备方法需要通过手工操作使用钻机对实验动物的颅骨进行研磨和切割，然后安装与颅骨开孔匹配的透明材料制备颅窗。这种方法对操作人员训练要求高，制备过程耗时，成功率因操作经验而异，并且存在一定的实验动物脑组织损伤风险。因此，发展精准、安全、高效的自动化颅骨手术平台成为迫切需求。

研究来源

这篇题为《Optical Coherence Tomography Guided Automatic Robotic Craniotomy Surgery Platform》的研究论文由Southern University of Science and Technology（中国深圳南方科技大学）生物医学工程系的研究团队完成，文章发表于2025年2月1日的《Biomedical Optics Express》（Vol. 16, No. 2）。研究团队由Haoyuan Li、Yongchao Wang、Wei Chen等多位学者组成，并得到了中国国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会等多项资助。

研究流程与方法

实验平台的设计与创新

研究团队开发了一种基于光学相干断层成像（OCT）引导的自动化机器人颅骨钻孔手术平台（OCT-ARC）。该平台利用OCT技术的非接触性、微级分辨率和三维成像能力，准确获取完整颅骨的结构信息。同时，平台结合了一台闭环步进电机驱动的高精度计算机数控（CNC）钻孔设备，实现了对颅骨精准路径的控制。

OCT引导的颅骨扫描与数据分析

OCT系统通过集成广谱光源与光纤耦合器，构造出同时通向样品臂和参考臂的双束光路。光照射到颅骨表面后，参考臂与样品臂会产生干涉信号，并通过商业光谱仪采集。进一步的数据处理包括去直流成分、线性K空间插值及反向傅里叶变换以生成颅骨的断层结构数据。

自动钻孔模块与校准

钻头直径为0.3毫米，步进电机通过闭环矢量控制（Field-Oriented Control, FOC）实现了高精度的三轴运动。钻头的位置与OCT光学焦点的相对距离通过实时校准获得，并使用了公式化的像素分辨率和坐标差值方法（例如空气和颅骨介质的像素分辨率分别为5 µm/pixel和3.3 µm/pixel）实现了钻孔深度和路径的动态调整。

颅骨表面分割算法

OCT扫描数据中的上表面与下表面通过算法分割获得。研究团队采用了高斯滤波、Otsu自适应阈值化方法和Canny边缘检测算法，对上表面进行预处理、平滑和边界识别。而对下表面，由于信号复杂模糊，团队开发了基于Sobel算子和多项式拟合的二阶垂直梯度计算方法，在400 µm以内范围内精确定位下表面。

手术工作流

OCT-ARC系统共分为四个步骤： 1. 对整个颅骨进行大范围三维扫描（C-scan）获取颅骨全结构数据。 2. 在扫描图像中选取颅窗区域并生成二维路径，再将二维路径投影到上表面和下表面以获取三维钻孔路径。 3. 结合钻头路径和闭环步进电机精准控制进行逐步钻取操作。 4. 根据位置和厚度信息完成颅骨去除或抛薄后，安装透明窗口材料。

实验设计与样本准备

研究团队使用了C57及BALB/C小鼠，年龄为6到8周的雄性和雌性交替进行。为验证系统可靠性，团队首先采用死亡小鼠进行三轴重复性定位误差测试及钻孔精度检测，随后对活体小鼠开展玻璃窗口（直径4 mm）、大面积PMP窗口（8 mm×4 mm）及抛薄窗口（3.3 mm×3.3 mm）的颅骨手术实验。

主要实验结果

制备精度分析

实验表明，钻孔平台在闭环控制模式下的三轴重复定位误差显著优于开环模式，其中定位误差为XYZ三轴中分别为-0.5 ± 1.1 µm、-1.8 ± 0.9 µm和-0.3 ± 0.9 µm。铣削厚度的实验表明，设定深度为40 µm、80 µm和120 µm的钻孔平均实际深度分别为34.3 ± 2.0 µm、81.7 ± 1.5 µm和113 ± 3.1 µm。

颅窗制备

成功完成了多种颅窗制备，包括： 1. 玻璃窗口：钻孔操作分3至5轮，每轮逐步深入，从颅骨厚度的30%至90%。完成一个4 mm直径的玻璃窗需要约3至5分钟。 2. PMP大面积窗口：采用相同逐步深入方法，钻削160个点位，总耗时约7至12分钟。 3. 抛薄窗口：针对厚度约180 µm的颅骨，每轮钻削深度逐步增至90%，抛薄厚度达24.1 ± 4.4 µm，满足透光成像需求，总耗时约35分钟。

脑血管成像验证

通过制备的颅窗实现了高质量的脑血管成像： 1. OCTA（光学相干断层扫描血管造影）：清晰显示了脑血管网络，包括硬脑膜动脉、静脉及细小毛细血管。 2. 动态光散射OCT（Dynamic Light Scattering OCT, dlsOCT）：测量颅内血液流速分布。 3. 超声功率多普勒成像（Power Doppler Imaging, PDI）：展示了整个脑部的多层血管结构，验证PMP窗口优异的超声透明度。

结论与展望

这项研究提出了一套全新的OCT引导的自动化颅骨手术系统（OCT-ARC），克服了传统手术方式培训周期长、操作复杂和成功率低的局限性。系统的非接触、全自动及高精度钻孔能力大幅提升了实验效率，同时也降低了实验过程中对小鼠脑组织造成的潜在损害。

研究的创新点体现在以下方面： - 整合非接触式OCT和闭环步进电机控制，实现了毫米级大范围和微米级精度的手术操作。 - 开发了基于算法优化的上下表面分割技术，有助于更加自动化的颅骨路径生成。 - 初步验证了平台在小鼠脑部研究中的高价值，为神经科学领域提供了一种高效、安全且低成本的研究工具。

未来研究中，团队计划开发低成本OCT系统和升级手术平台的自由度，以进一步提高普及性和适应复杂手术需求，为神经科学领域开辟更广阔的应用场景。