从实验室到手术室，北理工技术让微创手术“心明眼亮”
发布日期：2021-11-11 供稿：党委宣传部 刘晓俏 摄影：来源于本人
编辑：吴楠 审核：蔺伟、董立泉 阅读次数：【编者按】2021年是中国共产党成立100周年，是实施“十四五”规划、开启全面建设社会主义现代化国家新征程的第一年。在全党开展党史学习教育之际，党委宣传部特别推出“永远跟党走、奋进新征程”专题报道，全面展现学校加强党的领导党的建设取得的成绩，生动讲好北理工人的奋斗故事，广泛凝聚学校事业发展的磅礴力量，以优异成绩迎接中国共产党百年华诞。
近日，由北理工光电学院杨健教授团队研发并转化应用的内窥镜颅底外科手术导航设备获得了国家三类医疗器械注册证，标志着该产品正式进入大规模临床应用以及商业化阶段，服务人民的生命健康。
癌症，是二十一世纪威胁人类生命健康的重要杀手。随着医疗技术和水平的不断提升，微创手术因具有创口小、痛苦少、恢复快等特点，成为临床治疗的重要手段之一。然而，医生在手术过程中，经常出现“看不清、看不准、看不全”的情况。
经过近20年的研究和探索，由北理工研发的内窥镜颅底外科手术导航设备、超声引导经皮穿刺导航定位机器人系统、增强现实导航系统等多款微创手术导航定位系统，从实验室到手术室，为微创手术装上了“眼睛”和“大脑”，让医生在手术操作中看得更清楚、更全面，降低手术难度，提高手术成功率，造福患者。
“透视眼”助力手术“清清楚楚”
目前，微创手术是一种常见的治疗方式，医生通常在内窥镜、X光、超声等实时影像引导下，对患者进行微小创伤手术。然而，这些常用的医用影像检查方式都存在一些缺陷，例如内窥镜是表面成像，医生通过内窥镜只能看到表面结构信息；超声波成像又只能看到组织的切面影像，无法呈现结构化信息；X光是透视投影成像，导致图像信息叠加。它们都可以实时成像，但最大的不足就是无法呈现人体内部组织的三维结构。
“无法获取三维信息，在临床手术中，医生就需要通过自身经验判断人体内部的组织结构，比如皮下血管三维结构、肿瘤和血管之间的包埋关系等，这导致判断的主观性非常大。”杨健解释道。近年来，聚焦微创手术成像引导中的“三维”瓶颈，北理工进行了大量的研究和探索。
颅底手术是公认的难度最高的微创手术之一，由于颅脑结构复杂，手术风险高。如何让医生实时看清颅内组织结构、精准实施手术，成为亟待解决的问题。“我们要做的不仅是让医生看到表面组织，更要看清楚皮下血管、视神经等组织的位置，精准呈现和肿瘤的相对位置关系等。”
“从研究启动到设备定型，再到医疗器械注册审批，我们已经走过了5年的时光，今年终于获批三类医疗器械注册证，这也是团队研究里程碑式的突破。”杨健带领团队研发的内窥镜引导颅底肿瘤手术导航系统，通过采用先进的增强现实技术，实现了内窥镜图像下的手术工具精准定位，让医生看到了皮下组织结构，有效扩大了手术视野。此项成果获批国家三类医疗器械注册证后，已经从实验室正式走进了手术室。
在颅底手术导航系统稳步推进的同时，团队进一步扩大科研面向，开展了面向肝脏肿瘤治疗的系统研发。微波消融治疗是目前肝癌治疗非常有效的手段之一，通过超声图像引导，穿刺针要扎到肿瘤中心，通过热场作用将肿瘤细胞杀死。然而，最佳的穿刺路径在哪？如何使热场全覆盖肿瘤？……在实际治疗中，面对时刻不停的呼吸运动和柔软的肝脏组织，医生的主观经验又成为了关键。
“攻克柔性组织的术中精准定位挑战着实不小，我们经过深入研究，最终解决了呼吸运动干扰下的精准定位穿刺、多模态影像实时融合等问题，大幅度提升了肝肾肿瘤微波消融手术的精准度。”杨健团队与解放军总医院合作，研发的超声引导经皮穿刺导航定位机器人系统已经定型，开展了大量测试，目前正在开展注册检测，后续将投入临床试验。
值得一提的是，这些从北理工实验室到手术室的先进技术，真正实现了“医工融合”，北理工的科学家们和解放军总医院、同仁医院、天坛医院等知名医院的一线医生紧密协作，让研究成果瞄准临床治疗所需，得到了广泛认可和高度评价。
增强现实技术，就是把“虚”和“实”的多源信息融合在一起，而运用增强现实虚实融合技术正是杨健团队攻克微创手术成像引导“三维瓶颈”的关键。“传统手术引导方式是单一模态图像引导，我们结合增强现实技术实现了多模态图像引导，帮助医生在看到引导图像的同时，在视野中有效叠加内部结构信息，有效解决医生临床上看不清、看不全、看不到的痛点问题。”经过多年的深耕，作为王涌天教授领衔的北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心的一支重要力量，杨健带领团队推动了混合现实医疗技术研究成为北理工光电学院的一个重要学科方向。
“智能脑”助力手术“智慧聪明”
对微创手术来说，在看清楚病灶周围组织结构的同时，还需要对手术路径进行科学规划，并在术后对手术效果进行量化评估。因此，“智慧大脑”也成为现代手术技术发展迫切需求。
“我们通过人工智能技术对手术的实施路径、空间定位、安全预警等方面进行了创新研究，经过大量的智能计算，构建了完善的模型和方法，实现了手术路径的科学规划和手术效果的量化评估。”杨健团队与医院合作，采集了大量的临床数据，研发了手术路径虚拟生成模型，构建的手术导航定位系统包含了手术规划、融合显示、定位引导及量效评估等功能，具有较高的智能化水平。“通过对大量临床病例的智能分析制定个体化手术规划方案，可提高手术效果和质量，降低手术风险。”
得益于“智慧大脑”，杨健团队利用深度学习技术，将术前三维影像与术中二维实时影像进行高精度配准融合，解决了术前、术中影像高效融合的难点问题。智能化虚实融合实现了扩大手术视野的同时，清晰呈现三维与二维影像的融合效果，满足医生对手术透视显示的临床需求。
“我们制定了基于人工智能技术的临床解决方案，发明了‘光学+电磁+图像’多源传感智能融合的混合跟踪技术，提高了图像、患者、器械空间实时定位的精度和鲁棒性”。智能手术导航定位系统有效增强了医生对手术环境的多层次感知及手术操作的人机协同能力，手术定位精度达毫米级别，这也在一定程度上摆脱了手术实施过程对医生临床经验的依赖。
对肿瘤边界消除效果的评估，是决定微创肿瘤手术成功的关键，也关系到控制并降低术后复发率。针对“微创手术做的好不好？”这关键问题，杨健团队通过对大量患者术前术后影像的智能结构分析，实现了手术前后脏器与肿瘤形态的弹性匹配和全程智能量化评估。这个智能化评估系统可有效辅助医生快速判断手术的成功率。
“中国造”掌握产业主动权
随着人民群众的健康需求和对医疗水平期待的不断提升，以及微创手术技术的不断成熟，手术导航将成为现代医疗技术中最重要环节之一，具有重要的实际应用价值。
“为了购买核心部件，我们平均的采购周期往往需要数个月。”经过多年的研发，虽然微创手术导航定位系统的研究取得了突破，但始终心怀“国之大者”的北理工师生们，并没有感到半点轻松。因为，这一先进系统的大部分零部件还要依赖国外进口，这也意味着手术导航系统“主动权”还没有掌握在中国人自己的手中。面对国外的技术垄断，杨健深刻意识到，关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的，只有把关键核心技术掌握在自己手中，才能从根本上解决制约系统研发问题。
“研制自己的核心部件，做国产替代！”带着这样的目标，近年来，杨健带领团队师生致力于手术导航系统的核心部件国产替代研究，把实现系统“全自主化”作为使命追求。
对于内窥镜颅底外科手术导航系统等多款导航系统来讲，最关键的核心部件就是“眼睛”，这也成了杨建和师生们的突破口。经过多年奋斗，北理工在光学定位和电磁定位核心部件方面取得了重大进展，已经研发了具有完全自主知识产权的光、磁定位系统，实现了小批量试制，产品有望明年量产上市。
“做科研，要注重实际应用价值，要积极将科研成果转化为产品，实实在在用到千千万万患者身上，才能推动行业进步和发展，造福社会。”在杨健看来，开展国产核心部件开发，一方面解决了领域内的关键核心问题，更为重要的是大大降低了成本，这就意味着降低了患者就医的费用。
二十年来，杨健带领团队始终将服务国家、服务人民作为自己的追求，深耕精准诊疗领域，在手术导航、影像引导治疗、导航机器人核心部件等方面取得了突出成绩。2018年8月，（中国）科技公司“多模态图像引导手术导航关键技术及应用”项目，荣获中国图象图形学学会科学技术奖唯一的一等奖。2020年，杨健教授获批国家杰出青年科学基金项目。
科学研究、成果转化、临床应用……硕果累累的背后是北理工人矢志强国、追求卓越的坚实脚步，面向未来，在建设中国特色世界一流大学和全面建设社会主义现代化国家的新征程上，北理工人将书写无愧于时代的精彩篇章。
