從實(shí)驗(yàn)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(shí)施“十四五”規(guī)劃、開啟全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家新征程的第一年。在全黨開展黨史學(xué)習(xí)教育之際，黨委宣傳部特別推出“永遠(yuǎn)跟黨走、奮進(jìn)新征程”專題報(bào)道，全面展現(xiàn)學(xué)校加強(qiáng)黨的領(lǐng)導(dǎo)黨的建設(shè)取得的成績，生動(dòng)講好北理工人的奮斗故事，廣泛凝聚學(xué)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(xué)院楊健教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)并轉(zhuǎn)化應(yīng)用的內(nèi)窺鏡顱底外科手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備獲得了國家三類醫(yī)療器械注冊(cè)證，標(biāo)志著該產(chǎn)品正式進(jìn)入大規(guī)模臨床應(yīng)用以及商業(yè)化階段，服務(wù)人民的生命健康。
癌癥，是二十一世紀(jì)威脅人類生命健康的重要?dú)⑹帧ｋS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(fù)快等特點(diǎn)，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(zhǔn)、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(dǎo)航設(shè)備、超聲引導(dǎo)經(jīng)皮穿刺導(dǎo)航定位機(jī)器人系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)等多款微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，從實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)影像引導(dǎo)下，對(duì)患者進(jìn)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(dǎo)致圖像信息疊加。它們都可以實(shí)時(shí)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(yàn)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(dǎo)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(dǎo)中的“三維”瓶頸，北理工進(jìn)行了大量的研究和探索。
顱底手術(shù)是公認(rèn)的難度最高的微創(chuàng)手術(shù)之一，由于顱腦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高。如何讓醫(yī)生實(shí)時(shí)看清顱內(nèi)組織結(jié)構(gòu)、精準(zhǔn)實(shí)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(zhǔn)呈現(xiàn)和腫瘤的相對(duì)位置關(guān)系等。”
“從研究啟動(dòng)到設(shè)備定型，再到醫(yī)療器械注冊(cè)審批，我們已經(jīng)走過了5年的時(shí)光，今年終于獲批三類醫(yī)療器械注冊(cè)證，這也是團(tuán)隊(duì)研究里程碑式的突破。”楊健帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的內(nèi)窺鏡引導(dǎo)顱底腫瘤手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過采用先進(jìn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)窺鏡圖像下的手術(shù)工具精準(zhǔn)定位，讓醫(yī)生看到了皮下組織結(jié)構(gòu)，有效擴(kuò)大了手術(shù)視野。此項(xiàng)成果獲批國家三類醫(yī)療器械注冊(cè)證后，已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室正式走進(jìn)了手術(shù)室。
在顱底手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)穩(wěn)步推進(jìn)的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步擴(kuò)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(dǎo)，穿刺針要扎到腫瘤中心，通過熱場(chǎng)作用將腫瘤細(xì)胞殺死。然而，最佳的穿刺路徑在哪？如何使熱場(chǎng)全覆蓋腫瘤？……在實(shí)際治療中，面對(duì)時(shí)刻不停的呼吸運(yùn)動(dòng)和柔軟的肝臟組織，醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)又成為了關(guān)鍵。
“攻克柔性組織的術(shù)中精準(zhǔn)定位挑戰(zhàn)著實(shí)不小，我們經(jīng)過深入研究，最終解決了呼吸運(yùn)動(dòng)干擾下的精準(zhǔn)定位穿刺、多模態(tài)影像實(shí)時(shí)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(zhǔn)度。”楊健團(tuán)隊(duì)與解放軍總醫(yī)院合作，研發(fā)的超聲引導(dǎo)經(jīng)皮穿刺導(dǎo)航定位機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)定型，開展了大量測(cè)試，目前正在開展注冊(cè)檢測(cè)，后續(xù)將投入臨床試驗(yàn)。
值得一提的是，這些從北理工實(shí)驗(yàn)室到手術(shù)室的先進(jìn)技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了“醫(yī)工融合”，北理工的科學(xué)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(zhǔn)臨床治療所需，得到了廣泛認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，就是把“虛”和“實(shí)”的多源信息融合在一起，而運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛實(shí)融合技術(shù)正是楊健團(tuán)隊(duì)攻克微創(chuàng)手術(shù)成像引導(dǎo)“三維瓶頸”的關(guān)鍵。“傳統(tǒng)手術(shù)引導(dǎo)方式是單一模態(tài)圖像引導(dǎo)，我們結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)圖像引導(dǎo)，幫助醫(yī)生在看到引導(dǎo)圖像的同時(shí)，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(diǎn)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(shí)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(tuán)隊(duì)推動(dòng)了混合現(xiàn)實(shí)醫(yī)療技術(shù)研究成為北理工光電學(xué)院的一個(gè)重要學(xué)科方向。
“智能腦”助力手術(shù)“智慧聰明”
對(duì)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(shí)，還需要對(duì)手術(shù)路徑進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，并在術(shù)后對(duì)手術(shù)效果進(jìn)行量化評(píng)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(duì)手術(shù)的實(shí)施路徑、空間定位、安全預(yù)警等方面進(jìn)行了創(chuàng)新研究，經(jīng)過大量的智能計(jì)算，構(gòu)建了完善的模型和方法，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)路徑的科學(xué)規(guī)劃和手術(shù)效果的量化評(píng)估。”楊健團(tuán)隊(duì)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(dǎo)航定位系統(tǒng)包含了手術(shù)規(guī)劃、融合顯示、定位引導(dǎo)及量效評(píng)估等功能，具有較高的智能化水平。“通過對(duì)大量臨床病例的智能分析制定個(gè)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(fēng)險(xiǎn)。”
得益于“智慧大腦”，楊健團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，將術(shù)前三維影像與術(shù)中二維實(shí)時(shí)影像進(jìn)行高精度配準(zhǔn)融合，解決了術(shù)前、術(shù)中影像高效融合的難點(diǎn)問題。智能化虛實(shí)融合實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)大手術(shù)視野的同時(shí)，清晰呈現(xiàn)三維與二維影像的融合效果，滿足醫(yī)生對(duì)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(xué)+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(shí)時(shí)定位的精度和魯棒性”。智能手術(shù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)有效增強(qiáng)了醫(yī)生對(duì)手術(shù)環(huán)境的多層次感知及手術(shù)操作的人機(jī)協(xié)同能力，手術(shù)定位精度達(dá)毫米級(jí)別，這也在一定程度上擺脫了手術(shù)實(shí)施過程對(duì)醫(yī)生臨床經(jīng)驗(yàn)的依賴。
對(duì)腫瘤邊界消除效果的評(píng)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(fù)發(fā)率。針對(duì)“微創(chuàng)手術(shù)做的好不好？”這關(guān)鍵問題，楊健團(tuán)隊(duì)通過對(duì)大量患者術(shù)前術(shù)后影像的智能結(jié)構(gòu)分析，實(shí)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(píng)估。這個(gè)智能化評(píng)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(dòng)權(quán)
隨著人民群眾的健康需求和對(duì)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(dǎo)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(shí)際應(yīng)用價(jià)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(gè)月。”經(jīng)過多年的研發(fā)，雖然微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)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(diǎn)輕松。因?yàn)椋@一先進(jìn)系統(tǒng)的大部分零部件還要依賴國外進(jìn)口，這也意味著手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)“主動(dòng)權(quán)”還沒有掌握在中國人自己的手中。面對(duì)國外的技術(shù)壟斷，楊健深刻意識(shí)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(biāo)，近年來，楊健帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)師生致力于手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件國產(chǎn)替代研究，把實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“全自主化”作為使命追求。
對(duì)于內(nèi)窺鏡顱底外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)等多款導(dǎo)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(xué)定位和電磁定位核心部件方面取得了重大進(jìn)展，已經(jīng)研發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光、磁定位系統(tǒng)，實(shí)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值，要積極將科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，實(shí)實(shí)在在用到千千萬萬患者身上，才能推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步和發(fā)展，造福社會(huì)。”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(fèi)用。
二十年來，楊健帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)始終將服務(wù)國家、服務(wù)人民作為自己的追求，深耕精準(zhǔn)診療領(lǐng)域，在手術(shù)導(dǎo)航、影像引導(dǎo)治療、導(dǎo)航機(jī)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(xué)“多模態(tài)圖像引導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目，榮獲中國圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)唯一的一等獎(jiǎng)。2020年，楊健教授獲批國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目。
科學(xué)研究、成果轉(zhuǎn)化、臨床應(yīng)用……碩果累累的背后是北理工人矢志強(qiáng)國、追求卓越的堅(jiān)實(shí)腳步，面向未來，在建設(shè)中國特色世界一流大學(xué)和全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的新征程上，北理工人將書寫無愧于時(shí)代的精彩篇章。
