作者：尹子霄，杨岸超，张建国，首都医科大学附属北京天坛医院
1985年，神经外科医生与医学工程师的共同努力使得手术机器人在神经外科手术中的应用成为现实。Kwoh等率先利用PUMA200机器人成功执行了脑部病变的活检手术，标志着神经外科进入了机器人辅助手术的新纪元。目前，手术机器人已广泛应用于内镜手术、介入治疗和颅底手术等多个领域，尤其在立体定向神经外科中发挥着重要作用，主要用于辅助无/有源医疗器械的电极精确植入。
在有源植入式医疗器械领域，植入式脑机接口(implanted brain computer interface，iBCI)的发展尤为迅猛。该技术通过在颅内植入电极，直接从大脑皮层或脑深部组织内采集神经电信号，实现大脑与计算机或机器之间的直接通信。
由于其能够采集高通量(数百至数千通道)、高时空分辨率的神经信号，植入式脑机接口在实时精确控制复杂任务方面具有巨大潜力，并在功能恢复(包括运动、语言、视觉等)、情绪障碍治疗和实时脑机交互等领域展现出广阔的应用前景。本文将重点探讨神经外科机器人在植入式脑机接口应用中的现状和未来发展。
1.植入式脑机接口技术
脑机接口是一种通过建立人脑与机器之间的实时连接，以实现信号的交互和反应的新型交叉技术。根据记录装置的记录方式和侵入程度不同，脑机接口可被划分为植(侵)入式和非植入式脑机接口，其中植入式脑机接口是通过神经外科手术将电极等信号记录装置植入脑内特定部位，实现精准定位的高通量神经信号采集的脑机接口技术，具有高精度、高分辨率、高信噪比的优势。
植入式脑机接口可以对癫痫和
1970年代，科学家尝试进行了颅内微刺激的研究，基于视觉皮层刺激的植入式脑机接口技术使得“盲文”阅读成为可能。1
2020年8月，Neuralink公司演示了一只被植入脑机接口系统的小猪，并成功通过计算机实现了读取猪的行为。2024年3月，Neuralink展示了首例植入式脑机接口截瘫病人用意念下棋、玩游戏的视频。国内也不乏植入式脑机接口的应用探索。2009年11月我国自主研发的脑深部电刺激系统首次在首都医科大学附属北京天坛医院植入了一例帕金森病病人的体内。2020年4月，清华大学研发的具备实时记录脑电、心电、
2020年5月，浙江大学成功在一例高位截瘫志愿者的脑内植入Utah阵列电极，使其通过意识支配机械臂实现了取食、喝水和握手等一连串的上肢主要功能锻炼。2021年3月，浙江医科大学第二附属医院对一例
2024年4月浙江大学对外宣布了“双脑计划”科研新成果，实现了植入式脑机接口控制机械臂意念书写汉字。植入式脑机接口技术目前正处于从科研领域向临床应用领域快速转化的阶段。美国已经有多家公司获得美国FDA的突破性设备称号认证或者进入病人临床试验环节如Synchron公司、Neuralink公司和Blackrock Neurotech公司等。国内与帕金森病、癫痫、高位截瘫等治疗相关的设备也逐渐投入至临床诊疗，如品驰公司的无线可感知多通道脑深部刺激器、瑞神安公司的深部和皮层多通道的植入式闭环自响应神经刺激系统等。
随着世界各地人口老龄化趋势越发明显，神经系统疾病患病率和总量不断上升，在神经系统疾病的预防和治疗上，植入式脑机接口技术将发挥愈发重要的作用。
2.神经外科立体定向手术机器人
根据机器人的自动化程度，神经外科手术机器人大致可被分为：(1)自主控制型机器人，该类机器人在医生监控下自主进行相应的操作，主要用于脑深部电刺激(deep brain stimulation，DBS)、脑组织穿刺活检术和血肿抽吸等立体定向手术。(2)主从控制型机器人，该类机器人由医生完全控制，是远程手术的核心组件，术者通过操作端遥控执行端(机器人端)，可实现较为复杂的显微外科操作。(3)共享控制型机器人，该类机器人的操作由术者和机器人系统共同控制。
根据机器人的具体应用场景，神经外科手术机器人又可被分为：立体定向机器人、内镜手术机器人、介入辅助机器人、颅底手术机器人等。介于内镜手术机器人及颅底手术机器人等在有源植入式医疗器械领域应用较少，仅在此讨论立体定向机器人。
在神经外科领域，立体定向机器人主要用于执行颅内电极植入、血肿抽吸和肿瘤活检等微创手术。这些机器人提供了高度的安全性和精确性，推动了无框架立体定向手术向自动化和智能化的发展。神经外科立体定向机器人的起源可以追溯到工业机器人UnimationPUMA200，它由六个非平行关节构成，使得机械臂能够在三维空间中独立操作。
1985年4月，Kwoh等首次在CT引导下利用PUMA200进行了临床手术，尽管当时该机器人的功能仅限于基本的立体定向活检，但它的使用在医学史上具有里程碑意义。1987年，IntegratedSurgicalSystems公司开发的NeuroMate外科机器人在多轴运动能力上进行了显著改进，并整合了CT或MRI扫描的神经影像数据，从而在手术中辅助外科医生进行更精确的导航和定位。
NeuroMate在活检、
在过去的二十年里，神经外科机器人经历了几次迭代，目前，国际上使用最广泛的系统之一是ROSA手术机器人系统(美国ZimmerBiomet公司)。我国也在神经外科立体定向手术机器人领域取得了显著的进步。目前中国批准的来自四家公司的六款立体定向神经外科机器人中，除ROSA机器人以外，其余五款均为国内自主研发，分别来自Hozmedical(北京华志微创)、Sinovation(北京华科精准)、Remebot(北京柏惠维康)等公司。
此外，立体定向机器人进行影像注册的手段不断优化，自2005年使用头皮或颅骨标记注册，到2009年起使用激光点云注册，目前第三代注册方法是3D结构光注册，其在保证高空间分辨率的同时有效解决目标表面斜率阶跃变化的问题，Xu等在北京天坛医院率先使用Sinovation的SR13D对3D结构光注册技术进行了临床试验。结果显示，3D结构光注册方法具有注册时间短、定位误差小和安全性能优良等优点。上述优点使得立体定向机器人可以实现亚毫米级定位精度，同时满足颅内电极植入和立体定向穿刺手术双重需求。
3.神经外科手术机器人在植入式脑机接口中的应用现状
鉴于植入式脑机接口对电极放置精确度的要求极高，神经外科手术机器人尤其适用于脑机接口系统的植入。广义而言，目前全球有超过30万病人已经植入或曾经植入过脑机接口系统，主要包括脑深部电刺激系统和立体
同年，中国人民解放军总医院应用ROSA机器人辅助行DBS手术治疗癫痫并取得了良好效果。近年来，机器人辅助技术在DBS和立体脑电图手术中的电极植入过程中展现出其创新性。在DBS手术中，电极定位的精确度至关重要，目标是最小化DBS电极放置的误差，即使是2mm的偏差也可能导致需要进行二次手术。因此，电极植入的精准性对于治疗效果的优化至关重要。
已有研究中心分享了他们使用机器人辅助DBS手术的经验。在一项系统评价中，作者从76篇相关论文中筛选出25篇进行深入分析，并最终选取5篇进行荟萃分析。研究结果表明，虽然整体上没有显著的统计学差异，但机器人辅助DBS手术的平均误差相较于传统框架导向方法的DBS手术要小。
此外，另一项来自本中心的研究显示，神经外科手术机器人可以显著缩短电极植入所需的手术时间，这有利于降低高龄、体质较差病人的长时间手术风险，并有助于减少脑脊液流失导致的植入误差。在用于截瘫病人的植入式脑机接口中，美国Neuralink公司设计了一种高度先进的脑机接口手术机器人系统“R1”，其被用于精确地将微型植入物“N1”嵌入到病人特定的大脑皮层区域。Neuralink的手术机器人构造包括三个核心组成部分：头部装置、机身及支撑基座。
其中，头部装置设计类似头盔，主要功能是固定病人的头部。该机器人还配备了导航手术针头和五个集成摄像头系统，利用光学相干断层成像技术对脑组织进行非侵入式成像。“N1”芯片的植入过程涵盖了辅助定位、颅骨开窗以植入“N1”装置、以及伤口缝合等步骤。Musk等报告指出，该过程包括插入64条细腻柔韧的连接线，配备1024个电极以记录神经活动，整个过程预计需时约15分钟。目前已有截瘫病人成功植入Neuralink的“N1”系统，能够直接利用大脑信号控制电脑鼠标进行下棋和游戏操作。
4.神经外科手术机器人在植入式脑机接口中的应用前景展望
在神经科学领域，植入式脑机接口技术的分类可基于神经活动记录的位置进行划分，具体包括：皮层电图、皮层内电信号以及大脑深部电信号脑机接口。针对这些不同的记录位置，必须开发出功能各异的神经外科手术机器人。尽管如此，无论是哪一种脑机接口类型，与传统手术方法相比，神经外科机器人在植入式脑机接口应用中展现出显著优势。
(1)机器人手术能够提供强大的辅助影像定位功能，内置影像系统能够对个体化的颅骨和脑结构进行三维数字化展示，并通过多模态融合技术，确保电极精准植入。(2)机器人手术的灵活性更胜一筹，其机械臂能够在皮层下或颅骨下执行多方位操作，而多角度摄像头则能实时传送手术区域的画面，有效解决了微创开颅手术中视野受限的问题。(3)手术机器人的稳定性也是其优势之一，由于脑机接口电极需要满足组织相容性，通常较为柔软，机器人通过机械臂握持电极进行植入，能够显著减少手术误差，并加快手术进程。
在未来的发展中，辅助植入脑机接口的神经外科手术机器人有着广阔的提升潜力。
(1)人工智能技术的应用预计将大幅推进神经外科手术机器人在植入式脑机接口中的运用，通过快速分析大量的影像和临床数据，为植入位置和路径提供决策支持。
(2)远程操作技术的进步预期将扩大神经外科手术机器人的应用范围。随着互联网技术及5G等相关设施的发展，神经外科医生能够远程操控机器人为病人实施脑机接口系统植入。自动化机器人能够独立完成术前准备工作，而远程医生则专注于执行关键手术步骤，从而进一步提高手术效率。
(3)基于虚拟现实的训练技术有望加速神经外科医生掌握使用机器人辅助植入复杂脑机接口的技能，这将有助于缩短学习周期，降低训练成本，并减少病人风险。
5.小结
尽管植入式脑机接口技术展现出巨大的潜力，并且神经外科手术机器人在提升植入精度和降低风险方面发挥着重要作用，但该技术仍然面临着一系列挑战。这些挑战包括但不限于长期的组织相容性问题、数据安全性的威胁以及多维度的伦理问题。
若研究与实践不够审慎，可能会引发深刻的伦理危机。2024年2月，中国国家科技伦理委员会发布了《脑机接口研究伦理指引》，旨在为脑机接口研究提供伦理规范和指导。随着技术的快速进步，对植入式脑机接口伦理监管的要求也日益严格。在由脑机接口和手术机器人推动的科技深度发展的未来，我们必须深入分析科技带来的利与弊，以及其长远影响，从而促进我国神经科学研究及转化的高质量发展。
来源：尹子霄,杨岸超,张建国.神经外科机器人在植入式脑机接口中的应用现状及前景[J].临床外科杂志,2024,32(10):1013-1016.
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