混合现实导航系统(MRN)在神经外科手术中的实验室研发与临床转化：高精度定位与可视化增强的创新实践

为解决传统光学导航(TON)在神经外科手术中成本高、操作繁琐及手眼协调障碍等问题，研究人员开发了基于混合现实(MRN)的导航系统，集成头戴显示器(HMD)与红外追踪技术。临床研究表明，MRN的靶点定位误差(TRE)为2.14±1.23 mm，与TON相当，但具备三维可视化与多工具追踪优势，为下一代神经外科导航提供了经济高效的解决方案。

　　

神经外科手术如同在错综复杂的“迷宫”中穿行，稍有不慎便可能损伤关键神经或血管。传统光学导航系统(TON)虽能提供毫米级精度，但动辄数十万元的高昂成本、笨重的设备以及需要反复切换视线的手术界面，让许多医疗机构望而却步。更棘手的是，现有混合现实(MR)导航系统多依赖环境光敏感的摄像头，在手术室无菌布覆盖下容易丢失定位——这些问题严重制约了精准导航技术的普及。

厦门大学附属第一医院神经外科与厦门大学健康医疗大数据国家研究院的科研团队，在《BMC Surgery》发表的研究中，提出了一种革命性的解决方案：通过将主动红外追踪技术与头戴式混合现实设备(HoloLens 2)结合，开发出成本仅为传统系统1/10的高精度混合现实导航系统(MRN)。该系统创新性地采用“高低频工具分类”策略，手持探针以高频更新实现实时定位，而固定在头架上的患者追踪工具则以5秒间隔监测头部位移，配合自主研发的STaR（关联参考稳定追踪）算法，有效解决了术中虚拟模型漂移的难题。

研究团队通过三大关键技术验证系统性能：首先利用3D打印头模进行实验室测试，通过Kabsch算法实现虚拟-物理空间配准，标志点配准误差(FRE)稳定在1.70-2.20 mm；随后在46例颅内病变患者中开展前瞻性临床试验，采用3D Slicer重建病灶三维模型并标记头皮投影靶点；最终通过空间插值法对比MRN与TON的定位精度，发现术前靶点定位误差(TRE)仅2.14±1.23 mm，虽在模拟术中头部位移后增至3.65±1.49 mm，但仍满足多数神经外科手术需求。

实验室验证

在10个仿真头模测试中，五位神经外科医生经20分钟培训后，平均4.55分钟即可完成空间配准，FRE与TON无统计学差异（1.95±1.51 mm vs 2.07±0.98 mm）。特别值得注意的是，随着操作次数增加，定位时间稳定在4分钟左右，证明系统具备良好的易用性。

临床效能

涵盖脑膜瘤、脑出血等疾病的46例临床数据显示，MRN与TON的导航耗时相当（6.36±1.27分钟 vs 6.23±1.30分钟），但MRN独有的三维全息投影功能，使术者无需反复抬头查看显示器。在脑室引流术等场景中，系统能直观显示探针与脑室的空间关系（图7D-F），显著降低操作风险。

稳定性突破

STaR技术通过将虚拟模型绑定至头架追踪工具，使模型位移不再依赖环境特征。测试表明，当头部位移<5 mm时系统自动冻结模型位置，有效抑制了因手部震颤或SLAM漂移导致的视觉抖动（图2B）。这种设计巧妙规避了无菌布遮盖造成的特征点丢失问题，为MR技术在手术室的应用开辟了新路径。

该研究证实，以不足5万元的成本，MRN系统即可实现与传统TON相当的定位精度，同时提供更直观的三维导航体验。尽管在深部靶点定位（如脑干病变）和长时间使用续航（约1.5小时）方面仍有改进空间，但其经济性和易用性优势，特别适合在基层医院推广脑出血穿刺、浅表肿瘤切除等手术。正如Zhanxiang Wang团队强调的，这项技术不仅代表着神经外科导航的范式转变，更为资源有限地区开展精准神经外科手术提供了可行性方案。未来通过融合人工智能(AI)与多模态影像，有望进一步突破现有精度极限，重塑神经外科手术的数字化未来。