中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)樊瑜波在“2012年世界醫(yī)學(xué)物理與生物醫(yī)學(xué)工程大會(huì)”上曾表示，目前我國(guó)醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約4000億元，并以每年20%速度遞增，是名副其實(shí)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展必定導(dǎo)致專業(yè)人才需求的旺盛。本文的主人公，正是一位醫(yī)療器械研究領(lǐng)域的探索者——華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師楊榮騫。他不僅是從事醫(yī)療器械研究的專業(yè)人才，同時(shí)還致力于相關(guān)人才的培養(yǎng)工作，可謂為該領(lǐng)域的發(fā)展盡心竭力。

博觀而約取厚積而薄發(fā)

自2002年于暨南大學(xué)攻讀碩士學(xué)位起，楊榮騫選擇現(xiàn)代醫(yī)療儀器作為研究方向，不僅在電子信息、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與儀器儀表的理論和設(shè)計(jì)方面打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而且擴(kuò)展了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)知識(shí)，緊密結(jié)合臨床對(duì)醫(yī)學(xué)儀器的需求，負(fù)責(zé)企業(yè)規(guī)劃的多項(xiàng)醫(yī)療器械新產(chǎn)品的研發(fā)，完成了婦產(chǎn)康復(fù)治療儀、LEEP手術(shù)系統(tǒng)等5個(gè)產(chǎn)品的研制。

在上海交通大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，他師從中國(guó)無(wú)創(chuàng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開拓者之一陳亞珠院士從事腫瘤物理治療領(lǐng)域的研究。深入研究實(shí)時(shí)溫度測(cè)量的理論和技術(shù)，提出了基于結(jié)構(gòu)光的三維紅外成像方法，在結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)標(biāo)定、三維表面數(shù)據(jù)快速重建等方面取得了創(chuàng)新性成果。發(fā)表SCI論文4篇、EI論文3篇，獲國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)1項(xiàng)。

進(jìn)入華南理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系任職后，楊榮騫組建和帶領(lǐng)由青年教師、博士生和碩士生組成的科研小組，開展以手術(shù)導(dǎo)航、心功能評(píng)價(jià)和放射治療等為特色方向的理論與應(yīng)用研究，主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金及省、市級(jí)科技項(xiàng)目多項(xiàng)。提出基于配準(zhǔn)的四維心臟圖像全自動(dòng)分割、精確近紅外攝像機(jī)標(biāo)定、標(biāo)記點(diǎn)自動(dòng)提取與立體匹配等新方法，設(shè)計(jì)高精度近紅外光學(xué)定位系統(tǒng)，完成了手術(shù)工具的標(biāo)定、跟蹤定位等算法。發(fā)表學(xué)術(shù)論文25篇，其中SCI論文3篇、EI論文7篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)，其中授權(quán)1項(xiàng)；獲軟件版權(quán)1項(xiàng)。

緊跟前沿科技結(jié)合臨床應(yīng)用

隨著生活水平提高和生活方式變化，人類預(yù)期壽命在延長(zhǎng)，但心血管疾病發(fā)病率和死亡率也在不斷上升，對(duì)國(guó)民健康形成巨大威脅。心血管疾病的早期診斷和預(yù)防已成為全球關(guān)注的重大問題。在心臟醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，常見的有MRI、SPECT、CT、US等，基于不同圖像來(lái)源可重建出不同精度的模型。近年出現(xiàn)的雙源CT（DSCT），為采集清晰動(dòng)態(tài)的心臟圖像提供了可靠的影像學(xué)保障，可實(shí)現(xiàn)在無(wú)需使用β-受體阻滯劑和不受心率影響的情況下對(duì)心臟病患者進(jìn)行成像。CUDA（computeuni fieddevicear chitecture）是建立在圖形處理單元（graphic proces singunit，GPU）基礎(chǔ)之上的通用計(jì)算開發(fā)平臺(tái)，通過它可以將GPU視為一個(gè)并行數(shù)據(jù)計(jì)算的設(shè)備。利用DSCT提供的良好的心臟斷層圖像，結(jié)合GPU并行計(jì)算能力，為可視化心臟輔助診斷系統(tǒng)的研究提供了良好的醫(yī)學(xué)影像學(xué)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)。

緊跟這項(xiàng)前沿科技，楊榮騫主持完成了“基于GPU的心臟DSCT系列圖像精確分割技術(shù)及三維可視化研究”（中央高?；鹈嫔享?xiàng)目），采用基于模板的配準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的四維心臟圖像的全自動(dòng)分割，不僅大大減少了醫(yī)生半自動(dòng)分割圖像的時(shí)間，而且提高了分割精度。通過與廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院放射科密切合作，還獲得了冠脈灌注測(cè)評(píng)和動(dòng)態(tài)心功能評(píng)價(jià)方法等相關(guān)研究的新成果。將進(jìn)一步結(jié)合臨床影像數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)專家知識(shí)，構(gòu)建符合國(guó)人特征的具有臨床應(yīng)用價(jià)值的輔助診斷和評(píng)價(jià)模型。

在腫瘤開顱手術(shù)前，須先進(jìn)行手術(shù)入路規(guī)劃。目前，神經(jīng)外科醫(yī)生一般是根據(jù)影像學(xué)提供的病灶信息，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)，采用定性的方法設(shè)計(jì)勾畫開顱部位。由于對(duì)腫瘤的形態(tài)、尺寸及空間位置不能精確量化，往往造成較大切口引起更大損傷，也可能因反復(fù)探查而拖延術(shù)前計(jì)劃時(shí)間。依靠經(jīng)驗(yàn)定性方式的入路規(guī)劃也不利于術(shù)中腦功能區(qū)保護(hù)和有效完全切除腫瘤。如果采用立體定向頭架或神經(jīng)外科導(dǎo)航系統(tǒng)，則能精確定位腦部腫瘤，且正確引導(dǎo)手術(shù)入路的方向和深度，但費(fèi)用昂貴、操作繁瑣，難于在醫(yī)院普及。

為克服人工經(jīng)驗(yàn)方法的不足，提高定位精確度，減小手術(shù)損傷，保障手術(shù)的有效性和安全性，楊榮騫團(tuán)隊(duì)成功研究一種不依賴昂貴設(shè)備，且操作簡(jiǎn)便，易于掌握的輔助腫瘤開顱手術(shù)入路規(guī)劃方法和軟件，基于術(shù)前檢查獲取的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，確定腫瘤病灶的三維形態(tài)和空間位置，對(duì)腫瘤、頭皮表面和設(shè)定標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行三維可視化重建。在這個(gè)虛擬半透明可視化模型中可直觀地看到腫瘤在頭皮的投影，人機(jī)界面能夠輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)入路規(guī)劃設(shè)計(jì)，以實(shí)際尺寸等比例打印方式輸出規(guī)劃結(jié)果。該項(xiàng)技術(shù)與廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院神經(jīng)外科合作研發(fā)，并得到臨床試用60多例，明顯比人工經(jīng)驗(yàn)方法提高了定位精確度，減小了開顱創(chuàng)口，縮短了入路規(guī)劃時(shí)間。該成果的進(jìn)一步研究發(fā)展，將結(jié)合生物力學(xué)機(jī)理研究有效抑制開顱后腦漂移對(duì)腫瘤定位的影響，把電刺激獲取的腦功能區(qū)位置映射到MRI影像中為醫(yī)生提供更豐富的信息規(guī)劃手術(shù)路徑。

致力導(dǎo)航技術(shù)延伸醫(yī)生視覺

手術(shù)導(dǎo)航為微創(chuàng)手術(shù)提供了重要的輔助手段，從一開始就在神經(jīng)外科中得到應(yīng)用和大力發(fā)展，特別是對(duì)顱腦腫瘤手術(shù)治療而言，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)醫(yī)生的視覺延伸。通過術(shù)前計(jì)劃和虛擬導(dǎo)航輔助制定詳盡的手術(shù)計(jì)劃，指導(dǎo)術(shù)中精確定位，對(duì)提高手術(shù)精確度，保障手術(shù)安全有效，提高手術(shù)效率發(fā)揮了極大作用。手術(shù)導(dǎo)航是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像、雙目視覺、虛擬可視化、立體定向等技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的醫(yī)療儀器系統(tǒng)，目前的手術(shù)導(dǎo)航產(chǎn)品最成熟的技術(shù)主要是在術(shù)中導(dǎo)航精確定位部分，已經(jīng)可以達(dá)到較高的跟蹤定位精度。關(guān)于術(shù)前計(jì)劃部分，主要是虛擬手術(shù)研究領(lǐng)域的相關(guān)進(jìn)展，在CT、MRI圖像融合技術(shù)及應(yīng)用軟件方面取得較好成果，但是還未有機(jī)地融入到手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中。此外，手術(shù)導(dǎo)航的術(shù)后評(píng)估方法已經(jīng)逐漸進(jìn)入研究關(guān)注范圍，但現(xiàn)有進(jìn)展不夠深入，基本未形成示范性有價(jià)值的指導(dǎo)。

鑒于導(dǎo)航技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備中的重要地位和面對(duì)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)提出的挑戰(zhàn)，楊榮騫主持承擔(dān)了“高精度近紅外光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)”（中央高?；鹬攸c(diǎn)項(xiàng)目）和“手術(shù)導(dǎo)航中高精度大視場(chǎng)光學(xué)定位技術(shù)研究”（國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目）。由于光學(xué)定位技術(shù)具有定位精度高，使用靈活，基礎(chǔ)技術(shù)較成熟等優(yōu)勢(shì)，且得到廣泛的應(yīng)用，因而選擇光學(xué)定位技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)并深入開展導(dǎo)航技術(shù)研究。仔細(xì)分析了目前光學(xué)定位技術(shù)存在的兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是光學(xué)成像設(shè)備受攝像機(jī)有效視場(chǎng)限制，使得手術(shù)必須在攝像機(jī)的有效視場(chǎng)范圍內(nèi)完成；二是手術(shù)中光線容易被阻擋。醫(yī)生只能調(diào)整成像設(shè)備或者手術(shù)工具到合理的位置來(lái)完成定位，給實(shí)際使用帶來(lái)了很大的不便。楊榮騫提出創(chuàng)新的能夠自動(dòng)跟蹤手術(shù)工具的大視場(chǎng)高精度近紅外光學(xué)定位技術(shù)，達(dá)到克服上述缺陷的目的。每個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)都通過光學(xué)測(cè)量精確標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了多件手術(shù)工具高精度定位和實(shí)時(shí)跟蹤。基于FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）新設(shè)計(jì)了一種近紅外光學(xué)定位單元，實(shí)現(xiàn)多攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)圖像信號(hào)同步采集，很好地消除了由于圖像采集不同步而產(chǎn)生的抖動(dòng)現(xiàn)象。

通過多年來(lái)對(duì)手術(shù)導(dǎo)航領(lǐng)域的研究，楊榮騫深切體會(huì)到導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的動(dòng)力必須是理工醫(yī)有機(jī)結(jié)合，只有將醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、醫(yī)學(xué)專家經(jīng)驗(yàn)以及具體的臨床診斷治療手段的需求融入到醫(yī)療儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件中，才可能有效解決諸如術(shù)前計(jì)劃、術(shù)中導(dǎo)航和術(shù)后評(píng)估之類的難題。楊榮騫團(tuán)隊(duì)與廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院神經(jīng)外科多年密切合作，借助醫(yī)院優(yōu)秀專家指導(dǎo)、先進(jìn)的醫(yī)療裝備條件及大量臨床診治病例，結(jié)合現(xiàn)代醫(yī)療儀器原理，大大推動(dòng)了神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)平臺(tái)研究，正朝著術(shù)前計(jì)劃、術(shù)中導(dǎo)航和術(shù)后評(píng)估一體化的目標(biāo)努力。在術(shù)前計(jì)劃手術(shù)入路、多模影像融合、微小血管識(shí)別及腦功能區(qū)識(shí)別等方法研究和操作軟件設(shè)計(jì)方面取得明顯的進(jìn)展。

秉持醫(yī)工結(jié)合的理念，楊榮騫團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院合作，開展了關(guān)于光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)在射頻消融治療肝癌中的應(yīng)用。射頻消融是目前在臨床上廣泛應(yīng)用的肝癌治療的有效手段之一。影響射頻消融技術(shù)療效的關(guān)鍵問題是腫瘤位置的定位和靶點(diǎn)精確穿刺問題。雖然患者在術(shù)前可進(jìn)行CT掃描，但在穿刺過程中醫(yī)生無(wú)法直接觀察腫瘤準(zhǔn)確位置，而導(dǎo)致穿刺發(fā)生偏差，需進(jìn)行多次穿刺，增加了患者創(chuàng)傷和治療時(shí)間，降低了消融治療效果。研究證實(shí)，運(yùn)用光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)解決射頻針的快速準(zhǔn)確定位、標(biāo)記點(diǎn)的自動(dòng)匹配和考察呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)器官形變影響等關(guān)鍵問題具有很大優(yōu)勢(shì)。通過研制一種快速準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單的肝癌消融手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)推廣肝癌射頻消融治療技術(shù)和發(fā)展導(dǎo)航技術(shù)都具有重要意義。