脊髓作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分，負責協(xié)調運動、感覺與自主反應功能。脊髓腫瘤的發(fā)生可能導致嚴重神經(jīng)損傷，顯著影響患者的生存質量。

手術是脊髓腫瘤的主要治療手段，但由于脊髓空間狹小、功能密集，如何在保護正常組織的同時精準切除腫瘤，始終是神經(jīng)外科領域的一大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有術中影像技術（如MRI、CT、超聲）雖在一定程度上輔助了手術，但在分辨率、實時性和功能成像能力方面仍存在明顯局限。

針對這一重大需求，北京清華長庚醫(yī)院神經(jīng)中心主任王貴懷教授團隊聯(lián)合清華大學物理系薛平課題組，成功研發(fā)了術中快速自適應焦點追蹤機器人光學相干層析成像系統(tǒng)（FACT-ROCT），如圖1所示。該系統(tǒng)融合了光學相干層析（OCT）、機器人智能控制與自適應聚焦技術，首次實現(xiàn)了人體脊髓腫瘤術中高分辨率實時成像。FACT-ROCT不僅能夠準確識別神經(jīng)根、束和灰質等關鍵結構，還可實現(xiàn)術中原位微血管成像，為腫瘤分級判斷及減少術中出血提供了重要支持。

圖1. FACT-ROCT系統(tǒng)在脊髓腫瘤術中的成像示意圖及應用。A) FACT-ROCT系統(tǒng)示意圖，插圖顯示MRI掃描中的脊髓腫瘤及感興趣區(qū)域。B)術中使用FACT-ROCT系統(tǒng)的照片。C) FACT-ROCT系統(tǒng)的大規(guī)模自動掃描機制示意圖。RC:反射準直器; ETL: 電調焦鏡頭。D)快速橫截面掃描及運動校正過程示意圖。E)脊髓腫瘤的OCTA圖像，顏色表示不同深度。F)快速自適應聚焦追蹤方法示意圖。G) FACT-ROCT在適應彎曲及傾斜表面和軸向移動方面的能力示意圖。

OCT通過光學相干原理，可以實現(xiàn)高分辨率三維快速層析成像，目前已廣泛應用于眼科、心血管等領域。近年來，OCT在神經(jīng)腫瘤手術中的應用逐漸成為研究熱點，但截至目前尚未見OCT在脊髓腫瘤手術中的研究報道。術中OCT成像需要更廣泛的成像范圍以覆蓋整個腫瘤區(qū)域。此外，為實現(xiàn)多功能的體內OCT成像，成像系統(tǒng)必須高度穩(wěn)定，并克服由心跳等活體組織運動引起的偽影。

因此，合作團隊提出一種基于OCT圖像深度信息的閉路反饋自適應變焦系統(tǒng)，通過前一個位置自適應驅動下一個位置的快速變焦，焦點追蹤速度達10ms量級，很好地解決了術中人體心跳抖動的問題。此外，基于目標驅動的機械臂自動掃描、交叉運動補償?shù)燃夹g，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定實現(xiàn)高速大范圍的OCT結構和微血管成像。在進行大量動物膠質瘤實驗后，其可行性和安全性得到驗證。同時由于其非接觸、快速成像的優(yōu)勢，順利得以推進臨床實驗，截止目前已經(jīng)歷了近兩年多的臨床探索。

研究團隊使用FACT-ROCT對22例脊髓腫瘤患者進行了術中成像，首次展示了OCT在脊髓腫瘤手術中的應用潛力。結果表明，利用光學衰減系數(shù)標準差作為實時物理生物標志物，該系統(tǒng)能夠以90.2%的準確率實時區(qū)分不同級別的脊髓膠質瘤，并在短時間內提供詳細的血管成像，揭示了不同級別脊髓膠質瘤在微血管結構存在的巨大差異，如圖2所示。

這項研究不僅提升了脊髓腫瘤手術的安全性，也為該領域的臨床應用開辟了新的方向。FACT-ROCT作為一種無接觸、無標記、高分辨率、實時成像技術，有望成為神經(jīng)外科術中導航的重要組成部分，在臨床精準治療和術后功能恢復評估中發(fā)揮越來越重要的作用。

圖2. FACT-ROCT脊髓腫瘤不同分級及正常組織的血管成像結果。A)正常小腦半球OCTA圖像顯示顯著的引流靜脈和較小血管分布。B)正常胸段脊髓OCTA圖像展示沿長軸排列的有序血管網(wǎng)絡。C、D)WHO I級與II級脊髓膠質瘤OCTA圖像顯示血管分布較規(guī)則、密度中等。E、F)WHO III級脊髓膠質瘤OCTA圖像顯示血管密度增高、異質性增強，提示血管新生活躍。G)WHO IV級脊髓膠質瘤OCTA圖像顯示高度致密且異質性顯著的血管網(wǎng)絡，伴隨廣泛微血管增生及不規(guī)則血管分布。H)低級別膠質瘤（I、II級）放大圖揭示血管排列規(guī)則、密度中等、異質性較低。I)高級別膠質瘤（III、IV級）放大圖顯示血管致密、不規(guī)則且異質性顯著。J–L)量化分析顯示高低級別膠質瘤在血管曲度、軌跡變異性及節(jié)點密度上存在顯著差異。

光學成像與機器人智能技術的深度結合，使得FACT-ROCT不僅在脊髓腫瘤手術中展現(xiàn)出巨大潛力，還可推廣到腦腫瘤、脊髓血管病變等其他高精度神經(jīng)外科手術中。未來，結合熒光分子成像、光聲成像等多模態(tài)技術，F(xiàn)ACT-ROCT有望進一步拓展功能，提升術中分子與功能成像能力，推動精準醫(yī)療的發(fā)展。

圖3.本領域權威網(wǎng)站OCT news 將本研究成果作為Featured Articles 進行報道

相關成果以Intraoperative Fast Adaptive Focus Tracking Robotic OCT Enables Real-Time Tumor Grading and Large-Area Microvascular Imaging in Human Spinal Cord Surgery（《術中快速自適應聚焦跟蹤機器人光學相干斷層掃描在人類脊髓手術中實現(xiàn)實時腫瘤分級和大面積微血管成像》）為題，發(fā)表于Advanced Science（《前沿·科學》）上。北京清華長庚醫(yī)院神經(jīng)中心王貴懷主任與清華大學物理系薛平教授為該論文的共同通訊作者。清華大學物理系2024屆博士何濱（現(xiàn)新加坡國立大學博士后）、清華大學臨床醫(yī)學院與物理系聯(lián)合培養(yǎng)博士生應雨哲和物理系在讀博士生石葉炅為該工作的共同第一作者。該工作發(fā)表后，迅速被本領域權威網(wǎng)站OCT news (https://octnews.org/) 作為Featured Articles 進行報道。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃專項、國家自然科學基金、北京市自然科學基金和清華大學精準醫(yī)學基金的資助。