脊髓作为中枢神经系统的重要组成部分，负责协调运动、感觉与自主反应功能。脊髓肿瘤的发生可能导致严重神经损伤，显著影响患者的生存质量。手术是脊髓肿瘤的主要治疗手段，但由于脊髓空间狭小、功能密集，如何在保护正常组织的同时精准切除肿瘤，始终是神经外科领域的一大挑战。现有术中影像技术（如MRI、CT、超声）虽在一定程度上辅助了手术，但在分辨率、实时性和功能成像能力方面仍存在明显局限。
针对这一重大需求，清华大学物理系薛平课题组联合清华长庚医院王贵怀团队，成功研发了术中快速自适应焦点追踪机器人光学相干层析成像系统（FACT-ROCT），如图1所示。该系统融合了光学相干层析（OCT）、机器人智能控制与自适应聚焦技术，首次实现了人体脊髓肿瘤术中高分辨率实时成像。FACT-ROCT不仅能够准确识别神经根、束和灰质等关键结构，还可实现术中原位微血管成像，为肿瘤分级判断及减少术中出血提供了重要支持。相关成果以题为“Intraoperative Fast Adaptive Focus Tracking Robotic OCT Enables Real-Time Tumor Grading and Large-Area Microvascular Imaging in Human Spinal Cord Surgery”发表于Advanced Science（advs.202503566）。
OCT通过光学相干原理，可以实现高分辨率三维快速层析成像，目前已广泛应用于眼科、心血管等领域。近年来，OCT在神经肿瘤手术中的应用逐渐成为研究热点，但截至目前尚未见OCT在脊髓肿瘤手术中的研究报道。术中OCT成像需要更广泛的成像范围以覆盖整个肿瘤区域。此外，为实现多功能的体内OCT成像，成像系统必须高度稳定，并克服由心跳等活体组织运动引起的伪影。因此，合作团队提出一种基于OCT图像深度信息的闭路反馈自适应变焦系统，通过前一个位置自适应驱动下一个位置的快速变焦，焦点追踪速度达10ms量级，很好地解决了术中人体心跳抖动的问题。此外，基于目标驱动的机械臂自动扫描、交叉运动补偿等技术，该系统可以稳定实现高速大范围的OCT结构和微血管成像。在进行大量动物胶质瘤实验后，其可行性和安全性得到验证。同时由于其非接触、快速成像的优势，顺利得以推进临床实验，截止目前已经历了近两年多的临床探索。
图 1. FACT-ROCT系统在脊髓肿瘤术中的成像示意图及应用。A) FACT-ROCT系统示意图，插图显示MRI扫描中的脊髓肿瘤及感兴趣区域。B) 术中使用FACT-ROCT系统的照片。C) FACT-ROCT系统的大规模自动扫描机制示意图。RC: 反射准直器; ETL: 电调焦镜头。D) 快速横截面扫描及运动校正过程示意图。E)脊髓肿瘤的OCTA图像，颜色表示不同深度。F) 快速自适应聚焦追踪方法示意图。G) FACT-ROCT在适应弯曲及倾斜表面和轴向移动方面的能力示意图。
研究团队使用FACT-ROCT对22例脊髓肿瘤患者进行了术中成像，首次展示了OCT在脊髓肿瘤手术中的应用潜力。结果表明，利用光学衰减系数标准差作为实时物理生物标志物，该系统能够以90.2%的准确率实时区分不同级别的脊髓胶质瘤，并在短时间内提供详细的血管成像，揭示了不同级别脊髓胶质瘤在微血管结构存在的巨大差异，如图2所示。这项研究不仅提升了脊髓肿瘤手术的安全性，也为该领域的临床应用开辟了新的方向。FACT-ROCT作为一种无接触、无标记、高分辨率、实时成像技术，有望成为神经外科术中导航的重要组成部分，在临床精准治疗和术后功能恢复评估中发挥越来越重要的作用。
图2. FACT-ROCT脊髓肿瘤不同分级及正常组织的血管成像结果。A)正常小脑半球OCTA图像显示显著的引流静脉和较小血管分布。B)正常胸段脊髓OCTA图像展示沿长轴排列的有序血管网络。C、D)WHO I级与II级脊髓胶质瘤OCTA图像显示血管分布较规则、密度中等。E、F)WHO III级脊髓胶质瘤OCTA图像显示血管密度增高、异质性增强，提示血管新生活跃。G)WHO IV级脊髓胶质瘤OCTA图像显示高度致密且异质性显著的血管网络，伴随广泛微血管增生及不规则血管分布。H)低级别胶质瘤（I、II级）放大图揭示血管排列规则、密度中等、异质性较低。I)高级别胶质瘤（III、IV级）放大图显示血管致密、不规则且异质性显著。J–L)量化分析显示高低级别胶质瘤在血管曲度、轨迹变异性及节点密度上存在显著差异。
光学成像与机器人智能技术的深度结合，使得FACT-ROCT不仅在脊髓肿瘤手术中展现出巨大潜力，还可推广到脑肿瘤、脊髓血管病变等其他高精度神经外科手术中。未来，结合荧光分子成像、光声成像等多模态技术，FACT-ROCT有望进一步拓展功能，提升术中分子与功能成像能力，推动精准医疗的发展。
图3. 本领域权威网站OCT news 将本研究成果作为Featured Articles 进行报道
清华大学物理系2024届博士何滨（现新加坡国立大学博士后）、清华大学临床医学院与物理系联合培养博士生应雨哲和物理系在读博士生石叶炅为该工作的共同第一作者，清华大学物理系薛平教授与清华长庚医院神经中心王贵怀主任为该论文的共同通讯作者。该工作发表后，迅速被本领域权威网站OCT news (https://octnews.org/) 作为Featured Articles 进行报道。该研究得到了国家重点研发计划专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金和清华大学精准医学基金的资助。
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202503566
