神经外科（Neurosurgery）是外科学的分支，是以外科的方法来诊断与治疗中枢神经系统、周围神经系统和自主神经系统及其支撑结构（颅骨、脊柱等）疾病的医学。神经外科手术对高精度和准确性的要求十分严苛，为了满足这一需求，神经外科机器人应运而生。
近期，天坛医院张建国、孟凡刚教授在科学期刊iScience上发表了论文《Neurosurgical robots in China: State of the art and future prospect》（译为：中国神经外科机器人的发展现状与前景），比较全面地阐述了神经外科手术机器人的产品技术和临床应用。
在医疗机器人的领域中，神经外科手术机器人是极具独特性的，并因其集成多种高科技脱颖而出。原因有二：
1. 神经外科手术，涉及对人类最为复杂、最为微妙的器官——大脑的操作。神外手术机器人展现了其不可替代的价值。
前所未有的高精度定位与操作，显著降低了手术过程中的不确定性和风险，
实现了人类医生不可实现的术式，如 脑干出血等。
通常情况下，能节约一半以上的手术时间。
近十年来，我国企业与临床医院的协同和互相促进，使得许多高难度脑部手术，得以安全、精确地进行。这一历程得以在本文的医生论文中部分呈现。
2. 观察全球医疗机器人的发展脉络，中国的神经外科手术机器人技术的发展速度格外引人瞩目。
在短短数年内，中国不仅在神经外科机器人的研发上取得了质的飞跃，而且在神外手术机器人的临床应用和覆盖医院的比例上实现了显著的增长，领先于全球其他地区。
神外手术机器人这一细分领域，标志着中国在全球医疗科技舞台上具有领先实力。这是一条不需要弯道超车，直通目标、超越竞争的创新之路。
1、神外手术发展简史
神经外科的历史可追溯至公元前1700的古埃及。现代医学体系下，神外手术可以概括为从传统的开颅手术到立体定向技术，再到神经导航和机器人辅助手术的过程。
早期，神经外科手术主要依赖于直接的视觉和手动操作，外科医生通过大面积开颅手术暴露手术区域，进行病灶切除或损伤修复，这种方法创伤大，风险和并发症较高。
20世纪中叶引入的立体定向技术，利用三维坐标来精确定位脑内结构，但仍然具有较大创伤，耗时较长。
20世纪80年代，计算机辅助的神经导航技术的出现，使得手术更加精确。
20世纪90年代，机器人技术的进步为神经外科手术带来了革命性的改变。神经外科手术机器人可以执行外科医生的精细操作，提高了手术的精准性、安全性，同时减少了对患者的创伤。
2、神外手术机器人产品与技术
由于机器人在神外手术中无可比拟的优势，全球多家医疗器械公司都推出了神外手术机器人产品，包括美敦力、博医来、捷迈邦美、雷尼绍等。其中捷迈邦美的ROSA（Robot of Stereotactic Assistant）手术机器人较早进入中国。到目前为止，ROSA系统已经用于1200多例神经外科手术，并获得了美国FDA、欧盟CE和加拿大卫生部的批准。
近年来，多家中国公司也推出了成熟的神外手术机器人产品。其中龙头企业是来自北京的华科精准。华科精准SR系列神经外科手术机器人是我国首款国家创新神经外科手术机器人，同时也是我国唯一同时获国家药监局及美国FDA审批通过的神经外科手术机器人。据招投标数据显示，华科精准的市场占有率远高于ROSA等更早进入市场的进口手术机器人。
下面以华科精准SR1和SR1-3D为代表，介绍手术机器人产品结构和临床应用。
神外手术机器人由一个机械臂和一个计算机工作站组成。机械臂有六个电动关节，每个关节都可以在一定范围内移动，因此机械臂可以在空间中移动到不同位置。而安装在机械臂末端的力传感器，可感知六自由度的外力。机械臂可以在不同的模式下工作，包括全自动运动模式和协作模式。
▲图片源自华科精准
神外手术机器人的工作流程是：
图像数据采集，利用MRI扫描和/或CT扫描；
制定手术计划，获得的医学图像用于多模态融合和3D重建，而3D模型可以显示血管、皮肤、病变等，医生可以根据这些图像制定手术计划；
术中注册配准，注册类型分为2种形式，传统标志物注册技术：需要提前2小时安装标志物（Markers），再次扫描CT影像，根据标志物位置进行注册定位。无标记点注册技术：可以通过激光或者结构光面扫描的方式完成注册，目前应用最广泛的是3D结构光的技术进行面扫描注册，因为结构光不仅仅扫描速度快，而且点云数量百万级别，配准精度更高，通过扫描的三维点云实现配准注册。
术中导航，根据手术计划，机械臂移动到预先规划的位置，将适配器安装在机械臂末端，外科医生沿着适配器的路径在患者头骨上钻孔，然后引导手术器械到达病变部位。
其关键技术包括：
（一）多模态影像融合技术
多模态影像融合技术是将来自多个成像模式的图像进行组合和对齐，生成更清晰、更准确的融合图像。同时，多模态影像融合技术还可以提供更好的对比度和感知体验，帮助医生更好地识别和定位病变。
▲图：深度探针和柔性平面表面元件展示（论文用图）
（二）注册技术
注册，指将患者的医学影像数据与患者头颅的实际位置和方向相对应。
SR1-3D手术机器人的特点是可以使用3D结构光扫描注册技术。
3D结构光扫描技术是一种常用的三维重建方法，通过投射结构光到物体表面上，利用光的反射原理来获取物体表面的深度信息，从而实现对物体的三维模型重建。
SR1-3D采用的3D结构光可以大范围、多角度、多姿势扫描患者头部，获得完整的头部和面部3D点云，让无标记点的注册技术不再受患者位置的限制。这种无标记点的方法无需获取术前CT或在手术中使用机械臂手动获取标记点。
SR1-3D可以实现快速自动扫描注册配准和准确性验证，节省了术前准备时间。此外，3D结构光的自定位精度小于0.1 mm，可以实现小于0.5 mm的配准定位精度。
（三）血管成像技术
血管成像技术在神经外科手术中起着重要的作用，特别是在脑出血等微创脑外科手术中。新的血管成像技术如超声/MRI融合和SPECT/PET融合等也逐渐应用于神经外科机器人，提供更全面和准确的血管信息。
▲图：血管模型(A)与实际组织(B)图片对比（论文用图）
3、 神外手术机器人，如何提升临床治疗效果？
依托长期自主创新的技术积累，目前国产神外手术机器人可以用于多种神经外科手术，如脑内病变活检、脑室腹腔分流术、Ommaya囊植入术、脑内SEEG电极植入和DBS电极植入等。国产神外手术机器人已经在中国的200多家医院使用，进行了50000多次手术，积累了相当数量的使用数据。
下面以华科精准SR1和SR1-3D为例，介绍机器人在这三类手术中的应用。
（一） 脑深部电刺激（DBS）
DBS又称脑起搏器植入，是一种旨在治疗帕金森病、原发性震颤、肌张力障碍等功能性疾病的神经外科技术。
在DBS手术中，SR1机器人辅助植入电极的准确度和精密度与传统的框架手术技术相当甚至优于传统手术。研究表明，SR1机器人在DBS中的电极植入精度达到了世界领先水平，测量误差仅为1.52mm。此外，SR1机器人辅助手术无需安装沉重的框架和手动调整坐标，大大简化了手术流程，缩短了手术时间，提高了手术效率。
▲图片源自华科精准（下同）
（二）立体定向脑电图（SEEG）
SEEG是由神经外科机器人完成的最常见的术式之一，广泛应用于各种类型癫痫的病灶诊断和手术规划。
在SEEG手术中，SR1机器人辅助的神经外科手术表现出较高准确性。研究结果显示，SR1机器人辅助的SEEG手术的靶点误差与传统框架手术无显著差异，而平均手术时间显著短于传统手术。这表明SR1机器人在保证手术准确性的同时，提高了手术效率。
（三）脑组织活检
立体定向组织活检是脑外科最早且应用最广的项目之一，也是评价神经外科机器人的一个重要方面。
机器人可以实现头架不能到达路径的角度和位置。此外，SR1机器人辅助手术的进入点误差和目标点误差更小，术后并发症发生率与传统手术无显著差异。这表明SR1机器人在脑组织活检中具有更高的手术效率和安全性。
此外，SR1和SR1-3D手术机器人在脑室腹腔分流术和Ommaya囊植入术中也展现出了突出的优势，可以显著节省手术时间，减少术中出血，并提高手术效率和精确性。
4、 做真正精准的手术机器人
据了解，《Neurosurgical robots in China: State of the art and future prospect》中介绍的华科精准公司，成立于 2015 年 8 月。华科精准于2022年12月全资收购全球第三的颅内电极厂商北京华科恒生医疗科技有限公司，目前已拥有包含神经外科手术机器人SR系列、微型神经外科手术机器人Q300系列、神经外科手术导航NS系列、华科恒生颅内电极系列、磁共振引导激光消融治疗系统LS系列等5大产品线系列，构建了底层算法、影像处理、人工智能、光学消融、导航定位、超精信号等技术体系，为中国神经外科脑疾病治疗带来综合技术及产品解决方案。
公司多项技术成果达到国际领先水平，在多模态影像融合、颅内血管重建和三维可视化、高精度智能注册、术中病灶治疗可视化等微创智能诊疗前沿技术方面取得重大突破：
全球首创并获美国FDA批准的3D结构光手术机器人；
全球首个应用于脑机接口手术的机器人；
中国首个获得国家创新的神经外科手术机器人，国内市场占有率和开展手术量第一；
国内首创磁共振引导颅内激光消融治疗系统；
国内首创便携式神经外科手术机器人。
华科精准的成就不单止于将尖端机器人技术，革新性地运用于神经外科的复杂手术之中，其不懈的研发投入亦推动了众多技术突破，显著增强了手术的精确度与安全性。其产品在市场上的杰出表现及其在临床实践中的优异成效，代表了国产手术机器人领域的一大飞跃，也昭示了中国在高端医疗设备领域的潜力与前景。
展望未来，我们坚信，会有越来越多的国产医疗器械企业，在国内市场占据领先地位，并将其卓越的产品和服务在国际舞台上发挥影响力，成为展示中国科技创新力的重要使者。
