眼眸深邃似海、璨如星河，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所眼科診療技術(shù)研發(fā)團隊（以下簡稱“團隊”）正是眼眸“偵探”。該團隊不久前被授予“國家卓越工程師團隊”稱號。
別看人眼只有8克左右，卻是最復(fù)雜的器官之一。“眼睛是非常精細的淺表小器官，對其進行成像檢測要求設(shè)備具有很高的分辨率。只有精益求精，眼睛中的疾患才能盡數(shù)‘顯形’。”3月18日，團隊負責(zé)人、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康創(chuàng)新工程項目首席專家楊軍向科技日報記者介紹，超聲成像的分辨率過去比光學(xué)成像低很多。隨著團隊近年來在高頻、甚高頻設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)上的不斷突破，超聲成像正在給眼科診療帶來變革，使其逐步進入精細診療時代。
堅持原創(chuàng)，拿下首臺“中國制造”
上世紀(jì)80年代，一個數(shù)據(jù)讓當(dāng)時的團隊負責(zé)人王延群坐不住了：全國眼科超聲診斷儀僅有30多臺。這些超聲診斷儀集中分布在幾個大城市，且全部為進口。
“作為醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域的科研人員，我們的研究要面向國家需求。”楊軍回憶道，王延群老師帶領(lǐng)醫(yī)學(xué)超聲工程研究室的一批科研人員，立即多方查閱眼科超聲領(lǐng)域相關(guān)資料，開展了包括眼科臨床情況、電子器件和壓電材料基礎(chǔ)等方面的調(diào)研，積極籌備眼科超聲設(shè)備的設(shè)計研制工作。
然而，由于當(dāng)時科技水平的制約，臨床B超設(shè)備的工作頻率大致在3.5兆赫茲—5兆赫茲（MHz），個別設(shè)備的工作頻率能到7.5MHz，實現(xiàn)10MHz以上的超聲成像在我國更是空白。
“眼病是常見病、多發(fā)病，白內(nèi)障、青光眼等眼病如果無法得到診療，致盲風(fēng)險很大。我們當(dāng)時的信念就是，讓普通人也能通過B超檢查眼睛。”楊軍說。
有了明確的目標(biāo)，團隊下決心“從零出發(fā)”。“我們最先攻克的是10MHz超聲換能器。這是一種將電能轉(zhuǎn)化為超聲能的裝置，可解決產(chǎn)生高頻超聲的難題。”楊軍介紹，由于行業(yè)基礎(chǔ)為零，研發(fā)工藝、材料供給等環(huán)節(jié)都要團隊自己搞定。
團隊跑遍了全國多個生產(chǎn)壓電材料和相關(guān)部件的單位，在持續(xù)調(diào)研中提出設(shè)計數(shù)據(jù)及工藝要求，帶著這些需求又不斷尋找合作單位。最終，他們與國內(nèi)廠家合作攻關(guān)，經(jīng)過反復(fù)試驗，研制出符合眼科小巧要求的10MHz超聲換能器。
“然而，超聲成像的靈敏度與分辨率是一對‘矛盾體’：超聲頻率越高，其分辨率越高，但由于高頻超聲穿透力降低，導(dǎo)致成像靈敏度變差。”楊軍說。
為此，團隊需要攻克一個又一個難關(guān)。從解決高頻超聲發(fā)射效率低的問題，到提高高頻超聲接收信噪比，從實現(xiàn)器件運行速度和采樣速度雙提升，到解決眼軸自動測量準(zhǔn)確度差……每一個難關(guān)的攻破都是一項原創(chuàng)技術(shù)的積累。這些在當(dāng)時成就了眼科超聲領(lǐng)域的首臺“中國制造”，并在多年后成就了這支“國家卓越工程師團隊”的舉重若輕。
獨樹一幟，研制“天花板”產(chǎn)品
眼科超聲設(shè)備的快速發(fā)展讓不少“黑科技”普惠大眾。如為近視眼激光手術(shù)和角膜移植手術(shù)“做規(guī)劃”的角膜測厚儀，可精準(zhǔn)測量角膜厚度，測量精度達微米級。“在實現(xiàn)高頻超聲的發(fā)射與接收技術(shù)之后，研發(fā)角膜測厚儀的技術(shù)難度總體不算大。”楊軍告訴記者，有了原創(chuàng)核心技術(shù)做支撐，團隊持續(xù)跟蹤技術(shù)前沿，不斷“刷新”眼科超聲成像設(shè)備的頻率：20MHz的角膜測厚儀，測量精度可達5微米；50MHz的超聲生物顯微鏡，分辨率達到40微米。
“近年來，超聲生物顯微鏡因采用較高頻率，其圖像分辨率實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，堪比低倍光學(xué)顯微鏡。”楊軍介紹，用“聽聲辨圖”的方式實現(xiàn)了視覺級成像，該技術(shù)也是目前醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域中高頻成像分支的“天花板”。
為研制適應(yīng)國際市場競爭的“天花板”產(chǎn)品，團隊用深厚的工程技術(shù)功底滿足臨床需求。“在臨床上，扇形掃描可以在保持探頭小巧的同時放大‘顯微鏡’的視野，但不如線性掃描的反射好控制；而線性掃描更適合眼前部結(jié)構(gòu)的診斷，但只能通過增加探頭大小增加視野。”楊軍說，團隊經(jīng)過大量的臨床一線調(diào)研工作發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的進口設(shè)備采用不同的掃描形式，應(yīng)用時各有局限。結(jié)合臨床實際，團隊明確“大型設(shè)備采用線性掃描，便攜式設(shè)備采用扇形掃描”的思路，研制了各有所長的兩類超聲生物顯微鏡。
團隊還將人工智能應(yīng)用于眼科超聲影像采集中。“我們通過深度學(xué)習(xí)算法，在紛雜的圖像中篩選出特征部位，實現(xiàn)了基于眼科超聲生物顯微鏡圖像的自動檢測、分類診斷、智能分割等。”楊軍表示，他們已經(jīng)成長為涵蓋超聲、微電子、計算機、機械設(shè)計等多個領(lǐng)域的跨學(xué)科團隊，目前仍在磁驅(qū)動探頭、眼科診療人工智能模型等方面進行持續(xù)探索。一步步解決遇到的技術(shù)難題已成為團隊的科研常態(tài)。
眼眸深邃似海、璨如星河，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所眼科診療技術(shù)研發(fā)團隊（以下簡稱“團隊”）正是眼眸“偵探”。該團隊不久前被授予“國家卓越工程師團隊”稱號。
別看人眼只有8克左右，卻是最復(fù)雜的器官之一。“眼睛是非常精細的淺表小器官，對其進行成像檢測要求設(shè)備具有很高的分辨率。只有精益求精，眼睛中的疾患才能盡數(shù)‘顯形’。”3月18日，團隊負責(zé)人、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康創(chuàng)新工程項目首席專家楊軍向科技日報記者介紹，超聲成像的分辨率過去比光學(xué)成像低很多。隨著團隊近年來在高頻、甚高頻設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)上的不斷突破，超聲成像正在給眼科診療帶來變革，使其逐步進入精細診療時代。
堅持原創(chuàng)，拿下首臺“中國制造”
上世紀(jì)80年代，一個數(shù)據(jù)讓當(dāng)時的團隊負責(zé)人王延群坐不住了：全國眼科超聲診斷儀僅有30多臺。這些超聲診斷儀集中分布在幾個大城市，且全部為進口。
“作為醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域的科研人員，我們的研究要面向國家需求。”楊軍回憶道，王延群老師帶領(lǐng)醫(yī)學(xué)超聲工程研究室的一批科研人員，立即多方查閱眼科超聲領(lǐng)域相關(guān)資料，開展了包括眼科臨床情況、電子器件和壓電材料基礎(chǔ)等方面的調(diào)研，積極籌備眼科超聲設(shè)備的設(shè)計研制工作。
然而，由于當(dāng)時科技水平的制約，臨床B超設(shè)備的工作頻率大致在3.5兆赫茲—5兆赫茲（MHz），個別設(shè)備的工作頻率能到7.5MHz，實現(xiàn)10MHz以上的超聲成像在我國更是空白。
“眼病是常見病、多發(fā)病，白內(nèi)障、青光眼等眼病如果無法得到診療，致盲風(fēng)險很大。我們當(dāng)時的信念就是，讓普通人也能通過B超檢查眼睛。”楊軍說。
有了明確的目標(biāo)，團隊下決心“從零出發(fā)”。“我們最先攻克的是10MHz超聲換能器。這是一種將電能轉(zhuǎn)化為超聲能的裝置，可解決產(chǎn)生高頻超聲的難題。”楊軍介紹，由于行業(yè)基礎(chǔ)為零，研發(fā)工藝、材料供給等環(huán)節(jié)都要團隊自己搞定。
團隊跑遍了全國多個生產(chǎn)壓電材料和相關(guān)部件的單位，在持續(xù)調(diào)研中提出設(shè)計數(shù)據(jù)及工藝要求，帶著這些需求又不斷尋找合作單位。最終，他們與國內(nèi)廠家合作攻關(guān)，經(jīng)過反復(fù)試驗，研制出符合眼科小巧要求的10MHz超聲換能器。
“然而，超聲成像的靈敏度與分辨率是一對‘矛盾體’：超聲頻率越高，其分辨率越高，但由于高頻超聲穿透力降低，導(dǎo)致成像靈敏度變差。”楊軍說。
為此，團隊需要攻克一個又一個難關(guān)。從解決高頻超聲發(fā)射效率低的問題，到提高高頻超聲接收信噪比，從實現(xiàn)器件運行速度和采樣速度雙提升，到解決眼軸自動測量準(zhǔn)確度差……每一個難關(guān)的攻破都是一項原創(chuàng)技術(shù)的積累。這些在當(dāng)時成就了眼科超聲領(lǐng)域的首臺“中國制造”，并在多年后成就了這支“國家卓越工程師團隊”的舉重若輕。
獨樹一幟，研制“天花板”產(chǎn)品
眼科超聲設(shè)備的快速發(fā)展讓不少“黑科技”普惠大眾。如為近視眼激光手術(shù)和角膜移植手術(shù)“做規(guī)劃”的角膜測厚儀，可精準(zhǔn)測量角膜厚度，測量精度達微米級。“在實現(xiàn)高頻超聲的發(fā)射與接收技術(shù)之后，研發(fā)角膜測厚儀的技術(shù)難度總體不算大。”楊軍告訴記者，有了原創(chuàng)核心技術(shù)做支撐，團隊持續(xù)跟蹤技術(shù)前沿，不斷“刷新”眼科超聲成像設(shè)備的頻率：20MHz的角膜測厚儀，測量精度可達5微米；50MHz的超聲生物顯微鏡，分辨率達到40微米。
“近年來，超聲生物顯微鏡因采用較高頻率，其圖像分辨率實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，堪比低倍光學(xué)顯微鏡。”楊軍介紹，用“聽聲辨圖”的方式實現(xiàn)了視覺級成像，該技術(shù)也是目前醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域中高頻成像分支的“天花板”。
為研制適應(yīng)國際市場競爭的“天花板”產(chǎn)品，團隊用深厚的工程技術(shù)功底滿足臨床需求。“在臨床上，扇形掃描可以在保持探頭小巧的同時放大‘顯微鏡’的視野，但不如線性掃描的反射好控制；而線性掃描更適合眼前部結(jié)構(gòu)的診斷，但只能通過增加探頭大小增加視野。”楊軍說，團隊經(jīng)過大量的臨床一線調(diào)研工作發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的進口設(shè)備采用不同的掃描形式，應(yīng)用時各有局限。結(jié)合臨床實際，團隊明確“大型設(shè)備采用線性掃描，便攜式設(shè)備采用扇形掃描”的思路，研制了各有所長的兩類超聲生物顯微鏡。
團隊還將人工智能應(yīng)用于眼科超聲影像采集中。“我們通過深度學(xué)習(xí)算法，在紛雜的圖像中篩選出特征部位，實現(xiàn)了基于眼科超聲生物顯微鏡圖像的自動檢測、分類診斷、智能分割等。”楊軍表示，他們已經(jīng)成長為涵蓋超聲、微電子、計算機、機械設(shè)計等多個領(lǐng)域的跨學(xué)科團隊，目前仍在磁驅(qū)動探頭、眼科診療人工智能模型等方面進行持續(xù)探索。一步步解決遇到的技術(shù)難題已成為團隊的科研常態(tài)。
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