低频经颅超声神经刺激技术

       低频经颅超声神经刺激是利用低频率的超声波穿过颅骨对局部脑区进行刺激从而影响神经活动的技术。目前已经有大量研究证明经颅超声刺激能双向可逆的使神经活动兴奋或抑制,而且对比其他神经调控技术,经颅超声刺激具有更高的空间分辨率(0.5MHz的聚焦超声刺激半径约3mm),更深的刺激深度(可深于皮下2cm)。并且现有的组化检验显示低频经颅超声神经刺激并没有导致热损伤或在脑组织中引起空化作用。此外,超声波是机械波,故而经颅超声神经刺激不与神经电极技术或磁共振影像技术相干扰,有利于实现经颅超声神经刺激下的神经点活动或神经影像数据的同步记录。

        中心童善保团队通过调整超声刺激的参数,适当选取刺激刺激信号PRF,激活不同类的神经元,从而有选择地实施神经元的兴奋性刺激或者抑制性刺激,实现无创脑调控的目的。特别低,针对抑郁症的干预,以临床TMS干预靶点,即前边缘皮层(PLC)进行兴奋性地干预,从而实现激活该区域的神经活动水平,通过动物模型实验验证了其在动物模型上的有效性,同时蛋白质分析结果显示经颅超声刺激可能是通过增加脑源性神经营养因子(BDNF)而实现抗抑郁作用。最后HE染色结果表明超声刺激脑区无明显损伤或出血,验证了长期经颅超声刺激的安全性。结果表明经颅超声刺激前额叶能改善大鼠的抑郁症状,为抑郁症的治疗提供可能的新途径,并且验证了长期经颅超声刺激的安全性。低频经颅超声神经刺激系统进一步系统通过电气安全性检测后,通过上海精神卫生中心的伦理委员会批准,启动了临床的治疗研究。

经颅超声刺激的构造及参数

血管介入手术机器人

        随着社会发展,心血管疾病(cardiovascular disease ,CVD)已经成为全世界患病率和死亡率最高的疾病,2018年仅我国的CVD患者就达到2.9亿,死亡人数占总死亡人群的31%。经皮冠状动脉介入手术(percutaneous coronary intervention,PCI)是目前治疗CVD的主要治疗方式之一,可以显著延长CVD患者的寿命,降低死亡率。上海作为我国超一线城市之一,人口密度大。随着人口老龄化以及饮食结构改变导致的肥胖率升高,城市居民心血管疾病的发病率也在逐年升高。同时,由于上海集中了国内顶尖的医疗资源,所以在满足城市本身的医疗需求的同时,还要接纳一大批来自全国各地需要接受心血管疾病治疗的患者。上海市的心血管介入水平和介入手术例数都居于全国乃至世界范围内也位居前列。开发有效的心血管介入手术机器人,将有效提高心血管介入手术的水平和效率,节约大量医疗资源,对全国起到引领作用,具有巨大推广价值。传统的介入手术有许多限制。首先,患者和医务人员在手术过程中都会接触到高剂量的X射线辐射。其次,在复杂的微小血管网络中导航非常具有挑战性,因此可能会导致失误。第三,外科医生常常因为不得不穿着沉重的铅衣以减轻辐射暴露而变得疲倦。上海市医疗机构积极与各研究所与高校在人工智能技术、医疗机器人等领域展开合作,理论研究具有较高的水平,并且已在医学领域获得了广泛运用,取得了极佳的效果。上海拥有在心血管领域开发心血管介入机器人应用的雄厚技术实力基础,将理论运用于实践,结合临床需求开发出技术先进、切实有效的介入机器人,对上海市智能医疗领域的开展具有巨大的推动作用,可以带动新的手术器械加工、影像学设备研发等一系列下游产业,具有巨大的社会效益。

        基于以上问题,中心谢叻和顾力栩团队开发出一个实时图像引导主从机器人系统。在该机器人系统中,结合采用渐进驱动法、摩擦轮驱动法和连续驱动法,发挥其优势,并在机器人系统中完成了导丝平移和旋转、 球囊导管平移和造影剂注射等操作。团队设计的远程机器人能实现系统的实时控制,使用更少的手动交互,实现多模态医学影像融合,解决术中冠脉造影中血管和周围组织的低对比、成像复杂背景结构的重叠易导致失误的问题。该系统具有诸多技术突破和优势:(1)解决了术前CTA与术中CAG融合准确性差、实时性差的问题。CTA与CAG为不同模态的冠状动脉影像,并且血管结构复杂稀疏,存在呼吸运动引发的形变,传统方法通过配准来进行CTA与CAG的融合,受血管重叠交叉情况的影响,存在准确性差、实时性差的缺点。该系统运用基于人工智能的CTA/CAG配准方法,抛弃迭代优化的过程,直接获取融合所需的血管结构形变场,具有很强的鲁棒性,实现了术中实时高准确率的信息融合。(2)解决了术中导丝实时定位难的问题。传统方法依赖于医生人工观测,增加了医生的工作量,分散其注意力。该系统运用先进的深度学习检测模型,自动示踪导丝前端位置,为医生介入提供更加直观的视觉信息支持。(3)解决了术中狭窄段检测准确性差、实时性差的问题。传统方法进行狭窄段检测需要进行图像增强、分割、中心线提取等一系列预处理步骤,无法做到实时,且错检、漏检问题严重。该系统提出通过XA造影序列检测冠状动脉狭窄的新框架,运用最新的深度学习目标检测网络,自动学习狭窄段特征,基于原始X光造影图像直接进行狭窄段检测,并利用造影序列的时域信息进行假阳性抑制,兼顾准确性与实时性。

心血管介入手术机器人样机

心血管介入手术机器人样机

脑血管介入手术机器人动物实验

颅颌面整形手术机器人

        整形外科手术主要的治疗对象是各种先、后天因素造成的颅面骨及相应软组织的严重畸形。由于颅颌面部解剖结构复杂,生命感觉器官密布,多数情况下颅颌面手术视野有限,重要神经血管的结构位于骨组织内,或位于后方;同时必须做到容貌和功能兼顾。且整形外科是一门侧重于应用方法学手段解决形态学问题的专业学科,目前仍停留在传统的手工测量、目测估计和拓制模型式手术设计方法上,手术方案受医生个人经验、习惯等主观思维因素影响甚大,不仅效果难以预见,且具有较大的随意性与盲目性,还容易引起医疗纠纷。随着中国整形患者数量的不断增强和整形要求的不断提高,提高整形外科手术精确性和安全性成为整形外科迫切需要解决的问题之一。

        研究基于增强现实的颅颌面整形手术辅助机器人系统,将提高整形外科手术精确性和安全性,提高手术医疗水平。随着我国经济水平的提高,除了先天畸形和创伤的整形需要,美容整形的需求也在在增加,基于增强现实的颅颌面整形手术辅助机器人系统有广阔的市场需求,自主研发的机器人辅助手术系统可以打破国外的垄断,降低医疗费用。

        针对颅颌面整形手术中的解剖结构精细复杂、术野不易暴露、近于盲视等手术问题,搭建了基于咬合板标志物的AR导航系统,中心谢叻团队重点提出了一种Lip ICP匹配算法模型,并优化算法模型的灰度值函数及收敛阈值,通过与其他ICP算法进行仿真实验的比较分析,验证该模型的高匹配精度。

        针对整形手术的结果依赖于医生的临床手术经验及技能,手术中医生因手颤而引起误操作,术中不能及时避开重要的血管神经等问题。自主设计了两款颅颌面整形手术机器人,结合导航系统对狗的下颌骨进行钻孔及截骨实验。提出了机器人的力反馈控制策略,设计了力反馈控制算法,并设计了基于力反馈的多层次安全监测模型,进行了人的下颌骨的临床应用表明:机器人系统运动平稳、定位精确,实现了自动、安全地钻孔及截骨操作;术中能实时监督钻孔的力反馈,增强了手术的安全性。

基于增强现实的整形手术机器人临床手术

髋关节发育不良髋臼精准截骨手术机器人系统

        髋关节发育不良(DDH)基数大、相关统计显示我国患者约2320万。该病治疗棘手、致残率高,且多发于中青年,对社会及家庭影响巨大。传统治疗手段采用骨盆广泛截骨,通过调整骨盆整体角度,改善髋臼与股骨头匹配关系,改善症状。由于骨盆周围临近重要的血管神经,如坐骨神经总干,以及髂血管等,术中一旦损伤风险极大。鉴于以上原因,该手术学习难度大,长期以来临床无法得到广泛推广。本项目通过球形摆锯的独特设计,结合机械臂精确控制,可实现适配于髋臼窝状结构的球形截骨,易于精确调整及固定,可有效减少原骨盆广泛截骨术对骨质结构的干扰,大幅度地降低手术创伤。

        中心郑国焱团队基于以上背景,开发了一款针对髋关节发育不良髋臼精准的截骨手术机器人系统,取得以下突破:(1)基于深度学习技术的全自动影像分割和解剖标记点提取。影像分割和解剖标记点的提取是骨科手术机器人精准手术规划和导航的前提。传统骨科手术机器人系统依赖于手动分割影像数据和人工提取解剖,费时费力,且不具备可重复性,从而是临床转化的一大障碍。我们开发的基于深度学习技术的全自动影像分割和解剖标记点提取技术能够在2分钟内处理大小为512×512×500像素的CT数据,且平均分割精度小于0.35毫米,利于临床转化。(2)个性化手术规划系统:基于分割得到的模型,我们首先开发了全自动髋臼边缘提取算法,实现了包括股骨头覆盖率在内的髋关节形态学参数的全自动计算,实现了精准评估术前关节状态,并在此基础上开发了个性化手术规划系统,可进行术前手术的模拟仿真,确定最优髋臼旋转角度,改善髋臼与股骨头匹配关系。(3)保髋手术机器人系统集成与优化研究:针对机器人的主要功能、模块、接口、参数进行定义,使所开发的手术机器人达到临床手术的要求。根据手术进程,将手术机器人功能分为三大部分:术前准备、术中辅助、术后评估。在术前准备相关功能的设计中,从关节三维模型建模及显示、关节活动度检测、关节稳定性等方面出发,设计术前规划功能;在术中辅助相关功能的设计中,根据手术规程和医疗要求,从便捷性、可视化等方面设计机器人辅助手术操作功能;在术后分析功能的设计中,对手术过程可能涉及到的参数、数据及操作流程进行总结分析,设计术后评估相关软件,为优化手术规划及实施提供参考。

        中心团队在国际上首次建立髋关节发育不良髋臼精准截骨手术机器人系统,包括针对此疾病中核心问题-髋臼覆盖率的术前评估方法,术前规划整体操作软件及流程,术中导航及机械臂控制操作系统及流程,实现适配于髋臼窝状结构的精准球形截骨,解决目前术式创伤大,学习曲线长等突出问题,提高手术的精准性,及操作难度,减小手术创伤,改善疗效;为髋臼手术科学化,规范化进行提供了理论基础;所研制的基于深度学习技术的全自动影像分割和解剖标记点提取算法,除促进本项目的临床转化外,还可以应用于其它关节置换手术机器人系统的开发和临床转化。

髋关节发育不良髋臼精准截骨手术机器人系统

中心郑国焱团队获得2019年全球医疗机器人创新设计大赛唯一金奖

预防深静脉血栓的电刺激仪器

        戴尅戎院士团队通过医工结合,利用数字医学和电刺激原理技术研发了可用于体表的预防深静脉血栓的电刺激仪器。主要创新贡献在于通过研究三类内植的神经电刺激仪器的工作原理,实现了体表可用的电刺激仪器,肌肉泵直接作用于深层静脉,体积小巧使用方便,血流加速效果更佳,物理防栓新选择该研究成果获得了南通市政府和交大联合设立的孵化基金 100 万,为项目继续研究提供了资金保障,也为项目的产业化提供了良好的开端。

电刺激仪器样机