南开大学研发核磁兼容穿刺针 实现脑立体定向手术实时力感知

联合复旦大学与联影医疗，基于5T磁共振平台推动神经外科手术精准化升级

南开大学智能医疗机器人研究中心联合复旦大学、联影医疗，在脑立体定向手术关键技术领域取得重要进展。研究团队成功研制出一种核磁兼容的穿刺针，其针尖集成新型光纤布拉格光栅（FBG）三维力传感器，可实时测量手术过程中针尖与脑组织间的相互作用力，有效提升手术安全性。相关成果发表于国际权威期刊《IEEE Sensors Journal》，第一作者为南开大学人工智能学院韩建达教授，通讯作者为秦岩丁教授。

脑立体定向手术是神经外科用于诊断和治疗脑肿瘤及神经系统疾病的重要手段。通过定位头架引导，医生将穿刺针精准插入病灶区域建立手术通道。研究表明，术中实时监测针尖与组织的交互力，有助于规避损伤风险、提高操作精度。磁共振成像（MRI）因具备优异的软组织分辨能力，已从术前诊断逐步拓展至术中导航。本研究聚焦开发具备“针−脑”力感知功能的核磁兼容穿刺针，并结合5T超高场磁共振系统，实现高分辨率结构成像与实时交互引导，显著增强手术可视化与安全性。

图 1. 脑立体定向手术场景

穿刺针结构设计

研究采用光纤布拉格光栅（FBG）传感器技术，利用其体积小、抗电磁干扰、生物相容性好等优势，实现力信号的高精度采集。穿刺针由镍钛合金套管与内针组成，外径1.9毫米，内径1.6毫米，支持术后拔除内针以留置操作通道。针尖设有三个均匀分布的光纤粘合槽，每根光纤上刻蚀两个FBG光栅，通过轴向力灵敏度差异实现三维力解算，同时完成温度补偿，消除环境干扰。

图 2. 穿刺针结构设计

传感器性能测试

实验采用电子天平与旋转滑台构建标定系统，结合FBG解调仪与自研软件实现三维力数据采集与显示。测试结果显示，X、Y、Z三方向力测量误差分别为3.04 mN、3.21 mN和13.04 mN，具备良好的重复性与稳定性，满足微创神经外科手术对力反馈精度的需求。

图 3. 传感器性能指标测试实验

明胶穿刺实验验证

在联影uMR Jupiter 5T磁共振系统下，结合自主研发的7自由度核磁兼容手术机器人开展明胶体模穿刺实验。结果表明：X、Y方向力值波动接近零，Z方向在接触明胶后迅速上升，最大穿刺力达242 mN；完全进入后维持在约153 mN；停止穿刺后力值下降，测得静态接触力约40 mN，符合预期力学变化趋势。该力信号有效排除了摩擦干扰，真实反映针尖与组织的相互作用。

图 4. 明胶穿刺实验

5T磁共振实时交互引导系统

针对传统CT存在电离辐射、超声分辨率不足等问题，MRI成为理想术中引导方式，但受限于成像速度。联影基于Keyhole加速技术，开发出实时扫描与重建方案，与南开大学核磁兼容穿刺针集成，构建完整的术中引导系统。该系统可在穿刺过程中实现实时2D成像，空间分辨率达2 mm×2 mm，时间分辨率130 ms，实现对穿刺过程的动态监控。

目前，该系统已在复旦大学张江国际脑影像中心5T磁共振平台上部署，并成功完成明胶与猪脑组织样本的穿刺实验验证，展示了良好的临床应用前景。

图 5. 实时MRI引导下的猪脑组织样本穿刺实验

研究展望

该FBG力传感器能够精确捕捉穿刺针尖端的作用力，剔除摩擦干扰，更真实地反映器械与软组织的交互状态。此项技术不仅适用于脑立体定向手术，还可拓展至其他需末端力感知的微创手术场景，为智能手术机器人系统的力反馈控制提供关键技术支撑，助力精准医疗发展。