寧波材料所在血管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立方面取得進(jìn)展
2015年5月，國(guó)務(wù)院公布的《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃明確提出將大力推動(dòng)高性能醫(yī)療器械和機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展。手術(shù)機(jī)器人已在神經(jīng)外科、腹腔外科、胸外科、骨外科、血管介入、顱面外科等手術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。其依靠現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像的快速發(fā)展有利踐行了“精準(zhǔn)手術(shù)”的理念，結(jié)合了臨床醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、電子技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)以及機(jī)械控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，具有人腦無(wú)法建立的完整三維立體成像能力，可更準(zhǔn)確地設(shè)定靶點(diǎn)，使手術(shù)刀遠(yuǎn)離影像顯示的重要功能區(qū)和血管密集區(qū)，迅速獲取手術(shù)最優(yōu)路徑，提高手術(shù)的安全性。
然而，目前我國(guó)高端醫(yī)療器械逾八成被外國(guó)跨國(guó)企業(yè)壟斷，外國(guó)醫(yī)療器械在我國(guó)大醫(yī)院占有率超過(guò)70%。因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新型手術(shù)機(jī)器人，對(duì)我國(guó)在該領(lǐng)域的突破具有重要意義。相比之下，血管介入手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。由于血管介入手術(shù)的精準(zhǔn)度要求，手術(shù)的前期規(guī)劃就顯得尤為重要，利用三維建模技術(shù)生成血管和周圍關(guān)鍵組織的模型，可以給醫(yī)生提供更為直觀具體的信息，例如，血管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、空間位置、血管的彎曲程度及走向。這些信息都可以減少醫(yī)生診斷過(guò)程中的主觀因素，有利于在手術(shù)規(guī)劃階段發(fā)現(xiàn)血管的異常，從而幫助醫(yī)生選擇合理的手術(shù)路徑與方式，并正確估計(jì)手術(shù)的難易程度。出于手術(shù)路徑規(guī)劃的考慮，外科醫(yī)生需要量化分析血管樹(shù)，這就需要血管樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，且對(duì)血管的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
眼底血管手術(shù)是當(dāng)今最具挑戰(zhàn)的手術(shù)領(lǐng)域之一，主要針對(duì)視網(wǎng)膜靜脈周圍炎、視網(wǎng)膜靜脈阻塞等疾病。手術(shù)為了減少視網(wǎng)膜出血和滲出，需要破壞毛細(xì)血管無(wú)灌注區(qū)，促使新生血管萎縮，減少反復(fù)出血，阻止新生血管性青光眼等以及保護(hù)黃斑區(qū)等。由于眼底血管手術(shù)圖像分辨率及操作精細(xì)度要求高，手術(shù)空間小，操作環(huán)境的可視性差，力反饋信息感知不足，以及醫(yī)生手工操作中生理上的顫抖，手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)等不足導(dǎo)致手術(shù)成功率較低。因此如果能結(jié)合先進(jìn)的醫(yī)療影像設(shè)備并和研究團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的血管結(jié)構(gòu)重建的算法，實(shí)現(xiàn)術(shù)前規(guī)劃與路徑導(dǎo)航，并利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助或代替醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)操作，將會(huì)很好的解決這些問(wèn)題。這不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的革命，也帶動(dòng)了新技術(shù)、新理論的發(fā)展，并且將形成新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
研究團(tuán)隊(duì)近幾年開(kāi)展了眼腦手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究。其中包括提出一種基于dominant sets聚類理論的視網(wǎng)膜血管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法。其核心算法主要包括圖像分割、中心線提取以及圖型中關(guān)鍵點(diǎn)的分類。此方法提出將復(fù)雜區(qū)域信息的無(wú)限周長(zhǎng)主動(dòng)輪廓模型應(yīng)用于視網(wǎng)膜圖像進(jìn)行自動(dòng)分割，從而獲取血管信息。針對(duì)血管分叉位置的復(fù)雜性，結(jié)合視網(wǎng)膜血管的分布規(guī)則，對(duì)血管中心線上不同類型的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行定性分析，最后使用dominant sets聚類理論來(lái)對(duì)血管段的顯著特征分類，建立完整的視網(wǎng)膜血管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，精準(zhǔn)導(dǎo)航打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法在公開(kāi)的數(shù)據(jù)庫(kù)中均取得了良好的效果。
自主開(kāi)發(fā)的視網(wǎng)膜血管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立方法流程
（從左到右：原圖、血管分割結(jié)果、血管中心線建立、圖形建立及分叉點(diǎn)分類和拓?fù)浣?gòu)建立）
（慈溪醫(yī)工所 謝建洋 趙一天）