秉持“医工结合”服务现代医疗

中国生物医学工程学会理事长樊瑜波在“2012年世界医学物理与生物医学工程大会”上曾表示，目前我国医疗器械产业市场规模约4000亿元，并以每年20%速度递增，是名副其实的朝阳产业。产业的飞速发展必定导致专业人才需求的旺盛。本文的主人公，正是一位医疗器械研究领域的探索者――华南理工大学材料科学与工程学院副教授、硕士生导师杨荣骞。他不仅是从事医疗器械研究的专业人才，同时还致力于相关人才的培养工作，可谓为该领域的发展尽心竭力。

博观而约取厚积而薄发

自2002年于暨南大学攻读硕士学位起，杨荣骞选择现代医疗仪器作为研究方向，不仅在电子信息、计算机应用与仪器仪表的理论和设计方面打下坚实的基础，而且扩展了基础医学知识，紧密结合临床对医学仪器的需求，负责企业规划的多项医疗器械新产品的研发，完成了妇产康复治疗仪、LEEP手术系统等5个产品的研制。

在上海交通大学攻读博士学位期间，他师从中国无创医学领域开拓者之一陈亚珠院士从事肿瘤物理治疗领域的研究。深入研究实时温度测量的理论和技术，提出了基于结构光的三维红外成像方法，在结构光系统标定、三维表面数据快速重建等方面取得了创新性成果。发表SCI论文4篇、EI论文3篇，获国家发明专利授权1项。

进入华南理工大学生物医学工程系任职后，杨荣骞组建和带领由青年教师、博士生和硕士生组成的科研小组，开展以手术导航、心功能评价和放射治疗等为特色方向的理论与应用研究，主持承担国家自然科学基金及省、市级科技项目多项。提出基于配准的四维心脏图像全自动分割、精确近红外摄像机标定、标记点自动提取与立体匹配等新方法，设计高精度近红外光学定位系统，完成了手术工具的标定、跟踪定位等算法。发表学术论文25篇，其中SCI论文3篇、EI论文7篇；申请国家发明专利6项，其中授权1项；获软件版权1项。

紧跟前沿科技结合临床应用

随着生活水平提高和生活方式变化，人类预期寿命在延长，但心血管疾病发病率和死亡率也在不断上升，对国民健康形成巨大威胁。心血管疾病的早期诊断和预防已成为全球关注的重大问题。在心脏医学影像领域，常见的有MRI、SPECT、CT、US等，基于不同图像来源可重建出不同精度的模型。近年出现的双源CT（DSCT），为采集清晰动态的心脏图像提供了可靠的影像学保障，可实现在无需使用β-受体阻滞剂和不受心率影响的情况下对心脏病患者进行成像。CUDA（computeuni fieddevicear chitecture）是建立在图形处理单元（graphic proces singunit，GPU）基础之上的通用计算开发平台，通过它可以将GPU视为一个并行数据计算的设备。利用DSCT提供的良好的心脏断层图像，结合GPU并行计算能力，为可视化心脏辅助诊断系统的研究提供了良好的医学影像学和计算机基础。

紧跟这项前沿科技，杨荣骞主持完成了“基于GPU的心脏DSCT系列图像精确分割技术及三维可视化研究”（中央高校基金面上项目），采用基于模板的配准技术实现创新的四维心脏图像的全自动分割，不仅大大减少了医生半自动分割图像的时间，而且提高了分割精度。通过与广州总医院放射科密切合作，还获得了冠脉灌注测评和动态心功能评价方法等相关研究的新成果。将进一步结合临床影像数据和医学专家知识，构建符合国人特征的具有临床应用价值的辅助诊断和评价模型。

在肿瘤开颅手术前，须先进行手术入路规划。目前，神经外科医生一般是根据影像学提供的病灶信息，结合自己的经验，采用定性的方法设计勾画开颅部位。由于对肿瘤的形态、尺寸及空间位置不能精确量化，往往造成较大切口引起更大损伤，也可能因反复探查而拖延术前计划时间。依靠经验定性方式的入路规划也不利于术中脑功能区保护和有效完全切除肿瘤。如果采用立体定向头架或神经外科导航系统，则能精确定位脑部肿瘤，且正确引导手术入路的方向和深度，但费用昂贵、操作繁琐，难于在医院普及。

为克服人工经验方法的不足，提高定位精确度，减小手术损伤，保障手术的有效性和安全性，杨荣骞团队成功研究一种不依赖昂贵设备，且操作简便，易于掌握的辅助肿瘤开颅手术入路规划方法和软件，基于术前检查获取的医学影像数据，确定肿瘤病灶的三维形态和空间位置，对肿瘤、头皮表面和设定标志点进行三维可视化重建。在这个虚拟半透明可视化模型中可直观地看到肿瘤在头皮的投影，人机界面能够辅助医生进行手术入路规划设计，以实际尺寸等比例打印方式输出规划结果。该项技术与广州总医院神经外科合作研发，并得到临床试用60多例，明显比人工经验方法提高了定位精确度，减小了开颅创口，缩短了入路规划时间。该成果的进一步研究发展，将结合生物力学机理研究有效抑制开颅后脑漂移对肿瘤定位的影响，把电刺激获取的脑功能区位置映射到MRI影像中为医生提供更丰富的信息规划手术路径。

致力导航技术延伸医生视觉

手术导航为微创手术提供了重要的辅助手段，从一开始就在神经外科中得到应用和大力发展，特别是对颅脑肿瘤手术治疗而言，实现了手术医生的视觉延伸。通过术前计划和虚拟导航辅助制定详尽的手术计划，指导术中精确定位，对提高手术精确度，保障手术安全有效，提高手术效率发挥了极大作用。手术导航是现代医学影像、双目视觉、虚拟可视化、立体定向等技术与计算机应用技术有机结合构成的医疗仪器系统，目前的手术导航产品最成熟的技术主要是在术中导航精确定位部分，已经可以达到较高的跟踪定位精度。关于术前计划部分，主要是虚拟手术研究领域的相关进展，在CT、MRI图像融合技术及应用软件方面取得较好成果，但是还未有机地融入到手术导航系统中。此外，手术导航的术后评估方法已经逐渐进入研究关注范围，但现有进展不够深入，基本未形成示范性有价值的指导。

鉴于导航技术在现代医疗设备中的重要地位和面对关键技术难点提出的挑战，杨荣骞主持承担了“高精度近红外光学导航技术”（中央高校基金重点项目）和“手术导航中高精度大视场光学定位技术研究”（国家自然科学基金项目）。由于光学定位技术具有定位精度高，使用灵活，基础技术较成熟等优势，且得到广泛的应用，因而选择光学定位技术构建系统并深入开展导航技术研究。仔细分析了目前光学定位技术存在的两个主要缺点：一是光学成像设备受摄像机有效视场限制，使得手术必须在摄像机的有效视场范围内完成；二是手术中光线容易被阻挡。医生只能调整成像设备或者手术工具到合理的位置来完成定位，给实际使用带来了很大的不便。杨荣骞提出创新的能够自动跟踪手术工具的大视场高精度近红外光学定位技术，达到克服上述缺陷的目的。每个摄像机的内外部参数都通过光学测量精确标定，实现了多件手术工具高精度定位和实时跟踪。基于FPGA（现场可编程门阵列）新设计了一种近红外光学定位单元，实现多摄像机的动态图像信号同步采集，很好地消除了由于图像采集不同步而产生的抖动现象。

通过多年来对手术导航领域的研究，杨荣骞深切体会到导航技术进一步发展的动力必须是理工医有机结合，只有将医学基础知识、医学专家经验以及具体的临床诊断治疗手段的需求融入到医疗仪器系统设计和应用软件中，才可能有效解决诸如术前计划、术中导航和术后评估之类的难题。杨荣骞团队与广州总医院神经外科多年密切合作，借助医院优秀专家指导、先进的医疗装备条件及大量临床诊治病例，结合现代医疗仪器原理，大大推动了神经外科手术导航技术平台研究，正朝着术前计划、术中导航和术后评估一体化的目标努力。在术前计划手术入路、多模影像融合、微小血管识别及脑功能区识别等方法研究和操作软件设计方面取得明显的进展。

秉持医工结合的理念，杨荣骞团队与中山大学附属肿瘤医院合作，开展了关于光学导航技术在射频消融治疗肝癌中的应用。射频消融是目前在临床上广泛应用的肝癌治疗的有效手段之一。影响射频消融技术疗效的关键问题是肿瘤位置的定位和靶点精确穿刺问题。虽然患者在术前可进行CT扫描，但在穿刺过程中医生无法直接观察肿瘤准确位置，而导致穿刺发生偏差，需进行多次穿刺，增加了患者创伤和治疗时间，降低了消融治疗效果。研究证实，运用光学导航技术解决射频针的快速准确定位、标记点的自动匹配和考察呼吸运动对器官形变影响等关键问题具有很大优势。通过研制一种快速准确、操作简单的肝癌消融手术导航系统，对推广肝癌射频消融治疗技术和发展导航技术都具有重要意义。