從實驗室到手術(shù)室，北理工技術(shù)讓微創(chuàng)手術(shù)“心明眼亮”
發(fā)布日期：2021-11-11 供稿：黨委宣傳部 劉曉俏 攝影：來源于本人
編輯：吳楠 審核：藺偉、董立泉 閱讀次數(shù)：【編者按】2021年是中國共產(chǎn)黨成立100周年，是實施“十四五”規(guī)劃、開啟全面建設社會主義現(xiàn)代化國家新征程的第一年。在全黨開展黨史學習教育之際，黨委宣傳部特別推出“永遠跟黨走、奮進新征程”專題報道，全面展現(xiàn)學校加強黨的領(lǐng)導黨的建設取得的成績，生動講好北理工人的奮斗故事，廣泛凝聚學校事業(yè)發(fā)展的磅礴力量，以優(yōu)異成績迎接中國共產(chǎn)黨百年華誕。
近日，由北理工光電學院楊健教授團隊研發(fā)并轉(zhuǎn)化應用的內(nèi)窺鏡顱底外科手術(shù)導航設備獲得了國家三類醫(yī)療器械注冊證，標志著該產(chǎn)品正式進入大規(guī)模臨床應用以及商業(yè)化階段，服務人民的生命健康。
癌癥，是二十一世紀威脅人類生命健康的重要殺手。隨著醫(yī)療技術(shù)和水平的不斷提升，微創(chuàng)手術(shù)因具有創(chuàng)口小、痛苦少、恢復快等特點，成為臨床治療的重要手段之一。然而，醫(yī)生在手術(shù)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)“看不清、看不準、看不全”的情況。
經(jīng)過近20年的研究和探索，由北理工研發(fā)的內(nèi)窺鏡顱底外科手術(shù)導航設備、超聲引導經(jīng)皮穿刺導航定位機器人系統(tǒng)、增強現(xiàn)實導航系統(tǒng)等多款微創(chuàng)手術(shù)導航定位系統(tǒng)，從實驗室到手術(shù)室，為微創(chuàng)手術(shù)裝上了“眼睛”和“大腦”，讓醫(yī)生在手術(shù)操作中看得更清楚、更全面，降低手術(shù)難度，提高手術(shù)成功率，造福患者。
“透視眼”助力手術(shù)“清清楚楚”
目前，微創(chuàng)手術(shù)是一種常見的治療方式，醫(yī)生通常在內(nèi)窺鏡、X光、超聲等實時影像引導下，對患者進行微小創(chuàng)傷手術(shù)。然而，這些常用的醫(yī)用影像檢查方式都存在一些缺陷，例如內(nèi)窺鏡是表面成像，醫(yī)生通過內(nèi)窺鏡只能看到表面結(jié)構(gòu)信息；超聲波成像又只能看到組織的切面影像，無法呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)化信息；X光是透視投影成像，導致圖像信息疊加。它們都可以實時成像，但最大的不足就是無法呈現(xiàn)人體內(nèi)部組織的三維結(jié)構(gòu)。
“無法獲取三維信息，在臨床手術(shù)中，醫(yī)生就需要通過自身經(jīng)驗判斷人體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，比如皮下血管三維結(jié)構(gòu)、腫瘤和血管之間的包埋關(guān)系等，這導致判斷的主觀性非常大。”楊健解釋道。近年來，聚焦微創(chuàng)手術(shù)成像引導中的“三維”瓶頸，北理工進行了大量的研究和探索。
顱底手術(shù)是公認的難度最高的微創(chuàng)手術(shù)之一，由于顱腦結(jié)構(gòu)復雜，手術(shù)風險高。如何讓醫(yī)生實時看清顱內(nèi)組織結(jié)構(gòu)、精準實施手術(shù)，成為亟待解決的問題。“我們要做的不僅是讓醫(yī)生看到表面組織，更要看清楚皮下血管、視神經(jīng)等組織的位置，精準呈現(xiàn)和腫瘤的相對位置關(guān)系等。”
“從研究啟動到設備定型，再到醫(yī)療器械注冊審批，我們已經(jīng)走過了5年的時光，今年終于獲批三類醫(yī)療器械注冊證，這也是團隊研究里程碑式的突破。”楊健帶領(lǐng)團隊研發(fā)的內(nèi)窺鏡引導顱底腫瘤手術(shù)導航系統(tǒng)，通過采用先進的增強現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)了內(nèi)窺鏡圖像下的手術(shù)工具精準定位，讓醫(yī)生看到了皮下組織結(jié)構(gòu)，有效擴大了手術(shù)視野。此項成果獲批國家三類醫(yī)療器械注冊證后，已經(jīng)從實驗室正式走進了手術(shù)室。
在顱底手術(shù)導航系統(tǒng)穩(wěn)步推進的同時，團隊進一步擴大科研面向，開展了面向肝臟腫瘤治療的系統(tǒng)研發(fā)。微波消融治療是目前肝癌治療非常有效的手段之一，通過超聲圖像引導，穿刺針要扎到腫瘤中心，通過熱場作用將腫瘤細胞殺死。然而，最佳的穿刺路徑在哪？如何使熱場全覆蓋腫瘤？……在實際治療中，面對時刻不停的呼吸運動和柔軟的肝臟組織，醫(yī)生的主觀經(jīng)驗又成為了關(guān)鍵。
“攻克柔性組織的術(shù)中精準定位挑戰(zhàn)著實不小，我們經(jīng)過深入研究，最終解決了呼吸運動干擾下的精準定位穿刺、多模態(tài)影像實時融合等問題，大幅度提升了肝腎腫瘤微波消融手術(shù)的精準度。”楊健團隊與解放軍總醫(yī)院合作，研發(fā)的超聲引導經(jīng)皮穿刺導航定位機器人系統(tǒng)已經(jīng)定型，開展了大量測試，目前正在開展注冊檢測，后續(xù)將投入臨床試驗。
值得一提的是，這些從北理工實驗室到手術(shù)室的先進技術(shù)，真正實現(xiàn)了“醫(yī)工融合”，北理工的科學家們和解放軍總醫(yī)院、同仁醫(yī)院、天壇醫(yī)院等知名醫(yī)院的一線醫(yī)生緊密協(xié)作，讓研究成果瞄準臨床治療所需，得到了廣泛認可和高度評價。
增強現(xiàn)實技術(shù)，就是把“虛”和“實”的多源信息融合在一起，而運用增強現(xiàn)實虛實融合技術(shù)正是楊健團隊攻克微創(chuàng)手術(shù)成像引導“三維瓶頸”的關(guān)鍵。“傳統(tǒng)手術(shù)引導方式是單一模態(tài)圖像引導，我們結(jié)合增強現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了多模態(tài)圖像引導，幫助醫(yī)生在看到引導圖像的同時，在視野中有效疊加內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，有效解決醫(yī)生臨床上看不清、看不全、看不到的痛點問題。”經(jīng)過多年的深耕，作為王涌天教授領(lǐng)銜的北京市混合現(xiàn)實與新型顯示工程技術(shù)研究中心的一支重要力量，楊健帶領(lǐng)團隊推動了混合現(xiàn)實醫(yī)療技術(shù)研究成為北理工光電學院的一個重要學科方向。
“智能腦”助力手術(shù)“智慧聰明”
對微創(chuàng)手術(shù)來說，在看清楚病灶周圍組織結(jié)構(gòu)的同時，還需要對手術(shù)路徑進行科學規(guī)劃，并在術(shù)后對手術(shù)效果進行量化評估。因此，“智慧大腦”也成為現(xiàn)代手術(shù)技術(shù)發(fā)展迫切需求。
“我們通過人工智能技術(shù)對手術(shù)的實施路徑、空間定位、安全預警等方面進行了創(chuàng)新研究，經(jīng)過大量的智能計算，構(gòu)建了完善的模型和方法，實現(xiàn)了手術(shù)路徑的科學規(guī)劃和手術(shù)效果的量化評估。”楊健團隊與醫(yī)院合作，采集了大量的臨床數(shù)據(jù)，研發(fā)了手術(shù)路徑虛擬生成模型，構(gòu)建的手術(shù)導航定位系統(tǒng)包含了手術(shù)規(guī)劃、融合顯示、定位引導及量效評估等功能，具有較高的智能化水平。“通過對大量臨床病例的智能分析制定個體化手術(shù)規(guī)劃方案，可提高手術(shù)效果和質(zhì)量，降低手術(shù)風險。”
得益于“智慧大腦”，楊健團隊利用深度學習技術(shù)，將術(shù)前三維影像與術(shù)中二維實時影像進行高精度配準融合，解決了術(shù)前、術(shù)中影像高效融合的難點問題。智能化虛實融合實現(xiàn)了擴大手術(shù)視野的同時，清晰呈現(xiàn)三維與二維影像的融合效果，滿足醫(yī)生對手術(shù)透視顯示的臨床需求。
“我們制定了基于人工智能技術(shù)的臨床解決方案，發(fā)明了‘光學+電磁+圖像’多源傳感智能融合的混合跟蹤技術(shù)，提高了圖像、患者、器械空間實時定位的精度和魯棒性”。智能手術(shù)導航定位系統(tǒng)有效增強了醫(yī)生對手術(shù)環(huán)境的多層次感知及手術(shù)操作的人機協(xié)同能力，手術(shù)定位精度達毫米級別，這也在一定程度上擺脫了手術(shù)實施過程對醫(yī)生臨床經(jīng)驗的依賴。
對腫瘤邊界消除效果的評估，是決定微創(chuàng)腫瘤手術(shù)成功的關(guān)鍵，也關(guān)系到控制并降低術(shù)后復發(fā)率。針對“微創(chuàng)手術(shù)做的好不好？”這關(guān)鍵問題，楊健團隊通過對大量患者術(shù)前術(shù)后影像的智能結(jié)構(gòu)分析，實現(xiàn)了手術(shù)前后臟器與腫瘤形態(tài)的彈性匹配和全程智能量化評估。這個智能化評估系統(tǒng)可有效輔助醫(yī)生快速判斷手術(shù)的成功率。
“中國造”掌握產(chǎn)業(yè)主動權(quán)
隨著人民群眾的健康需求和對醫(yī)療水平期待的不斷提升，以及微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的不斷成熟，手術(shù)導航將成為現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)中最重要環(huán)節(jié)之一，具有重要的實際應用價值。
“為了購買核心部件，我們平均的采購周期往往需要數(shù)個月。”經(jīng)過多年的研發(fā)，雖然微創(chuàng)手術(shù)導航定位系統(tǒng)的研究取得了突破，但始終心懷“國之大者”的北理工師生們，并沒有感到半點輕松。因為，這一先進系統(tǒng)的大部分零部件還要依賴國外進口，這也意味著手術(shù)導航系統(tǒng)“主動權(quán)”還沒有掌握在中國人自己的手中。面對國外的技術(shù)壟斷，楊健深刻意識到，關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的，只有把關(guān)鍵核心技術(shù)掌握在自己手中，才能從根本上解決制約系統(tǒng)研發(fā)問題。
“研制自己的核心部件，做國產(chǎn)替代！”帶著這樣的目標，近年來，楊健帶領(lǐng)團隊師生致力于手術(shù)導航系統(tǒng)的核心部件國產(chǎn)替代研究，把實現(xiàn)系統(tǒng)“全自主化”作為使命追求。
對于內(nèi)窺鏡顱底外科手術(shù)導航系統(tǒng)等多款導航系統(tǒng)來講，最關(guān)鍵的核心部件就是“眼睛”，這也成了楊建和師生們的突破口。經(jīng)過多年奮斗，北理工在光學定位和電磁定位核心部件方面取得了重大進展，已經(jīng)研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的光、磁定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了小批量試制，產(chǎn)品有望明年量產(chǎn)上市。
“做科研，要注重實際應用價值，要積極將科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，實實在在用到千千萬萬患者身上，才能推動行業(yè)進步和發(fā)展，造福社會。”在楊健看來，開展國產(chǎn)核心部件開發(fā)，一方面解決了領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵核心問題，更為重要的是大大降低了成本，這就意味著降低了患者就醫(yī)的費用。
二十年來，楊健帶領(lǐng)團隊始終將服務國家、服務人民作為自己的追求，深耕精準診療領(lǐng)域，在手術(shù)導航、影像引導治療、導航機器人核心部件等方面取得了突出成績。2018年8月，北京理工大學“多模態(tài)圖像引導手術(shù)導航關(guān)鍵技術(shù)及應用”項目，榮獲中國圖象圖形學學會科學技術(shù)獎唯一的一等獎。2020年，楊健教授獲批國家杰出青年科學基金項目。
科學研究、成果轉(zhuǎn)化、臨床應用……碩果累累的背后是北理工人矢志強國、追求卓越的堅實腳步，面向未來，在建設中國特色世界一流大學和全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的新征程上，北理工人將書寫無愧于時代的精彩篇章。
