哈工程学子打造治病救人“火眼金睛”!
如何精准找到肌肉内部的病灶
实现高效注射给药
是治疗脑卒中患者
肌肉痉挛并发症的关键所在
哈工程智能学院4位研究生的科创成果
用于脑卒中靶肌穿刺治疗
与技能评估的智能医疗导航系统
为实现“药到病除”的理想治疗效果
提供了一双“火眼金睛”
解决了这一长期困扰医学界的难题
在前不久的“华为杯”
第五届中国研究生人工智能创新大赛中
获得一等奖
入围全国十五强
图:“智声医疗”团队合影
随着我国逐步进入老龄化社会,每年新增脑卒中患者达250万人,严重威胁人们的健康。脑卒中患者中约80%~90%有不同程度的肌肉痉挛,传统治疗脑卒病多采用肌肉靶向治疗,由于病灶隐于皮下组织,肉眼无法观测,手术精准度和安全性都面临挑战,肌肉精准穿刺是靶向治疗的关键。
哈工程学生科创团队研发的智能医疗导航系统,结合AI技术,重新设计穿刺设备的外形结构,内部进行了算法创新。系统将定位刚体分别固定在超声探头和针管上,通过刚体的反射信号使双方建立位置关系并准确定位,能够帮助医务人员准确找到藏在皮下组织下方的病灶,给予精准用药注射,使治疗更加安全、快捷、精准。
中国研究生人工智能创新大赛颁奖现场
师生合力定策
2020年,哈工程智能学院栾宽了解到在日常治疗脑卒中靶肌穿刺治疗时,目前的二维超声引导技术存在空间位置不直观、成像模糊、实际操作难度大等问题,临床医生希望学校在该方向能有所突破,解决医疗过程中的实际问题。
栾宽指导丁世宇、孙镕、张策、王一铭4位学生着手研究这一医疗领域中亟待解决的难题。
4位学生查阅大量资料后发现,在传统的脑卒中靶肌穿刺治疗过程中主要有以下弊端:一是治疗过程需要注射、影像等多科室医疗人员相互配合;二是传统注射技术,因为穿刺针注射肌肉时角度受限,医生观察界面有限,容易出现误差;三是二维超声成像模糊,穿刺针引导轨迹未知,无法将药物注射到深层次的小肌肉中。
经过文献调研、与临床医师深入交流,在栾宽带领下,学生们找到了脑卒中靶肌穿刺治疗的技术核心——“精准引导+精准注射”,为疾病治疗打造一双“火眼金睛”。
铸造“金睛”炼就本领
中国研究生人工智能创新大赛团队成员介绍项目
“做‘真科研’研究‘真问题’,才能炼就‘真本领’,栾老师经常对我们说这句话”,丁世宇说,“智能医疗导航系统能在比赛中脱颖而出,是因为它研究的是现实医疗行业亟需解决的问题。”
一项技术的革新要经历无数次的磨炼才能实现,这个过程需要团队成员的相互协作,从研一到研三,将近3年的时间,4位学生勇攀科研高峰,如同经历“九九八十一难”的考验与磨炼。
丁世宇是队长,负责项目统筹,技术实现、论文撰写、系统展示等。张策是团队的技术员,根据系统需求编写程序,以技术手段将团队成员的想法还原。王一铭负责作品设计,找同类技术算法,进行算法对比试验,用以验证项目的先进性和创新性。孙镕负责前沿理论设计,需要从大量的资料中筛选团队能够用到的技术、背景等,辅助团队顺利推进试验。“任何一个岗位都很重要,我们就是彼此的左膀右臂,缺一不可。”丁世宇说,项目的成功与每个人的努力不可分割。
“精准引导+精准注射”是该项目的技术核心,而“精准”便是团队成员需要攻克的主要难题,“为了能达到‘精准’,我们试过很多算法,直至误差值越来越小。”技术员张策介绍。为了保证高精度,团队尝试使用双目光学定位仪,将注射针和超声探头匹配到同一坐标系,使双方建立联系,通过测试发现注册精度不稳定,难以满足实际需要。通过反复试验,在老师的指导下,团队发现采用“3D打印辅助注册的方法”,确实可以将空间误差从2cm的降至0.2mm。但传统优化算法中容易出现的随机性高、局部优化困难、算法速度慢等问题仍亟待解决,最终团队采用“多策略麻雀搜索算法”,对不同类型穿刺指标数据的预测的准确率达到0.989,较同行业同类产品精度0.86、0.94,数值上大大提升。
“技术的突破就像打怪兽闯关,需要每个人相互协作、团结一致,才能取得成功。”张策回忆说:“每个算法的推进都需要对代码重新编写、修改,有时需要几天、甚至更长的时间,队友们帮我查阅资料、寻找灵感、相互鼓励。”
红色线是穿刺针引导轨迹,绿色线是已经完成的路径,红绿两条线几乎完全重合,穿刺针顺利达到目标肌肉位置,医生便开始注射标记物,大家静静地等待结果。 “找到了!”试验的医师赞叹道:“注射位置准确,实验对象无其他损伤,产品系统安全性高,有较高的临床实用性!”队员们都开心地笑了出来,“经过成百上千次的模拟仿真与活体试验,又闯过了一关,我们距离心中梦想越来越近了。”王一铭激动地说。
应用前景广阔
“AI智能超声引导系统实用性强,为现实的医疗提供技术支持,对于医务从业人员的考核与测评功能,更具有广泛的市场前景。”比赛现场,专家评价说。
AI智能超声引导系统准确的定位和引导功能,可同时完成影像识别、超声检测、引导注射等任务,以往需要二三个科室协同完成的工作,现在1名医师就可以胜任,大大节省了医疗资源紧缺,为城乡智慧医疗贡献了人工智能技术;除此,其准确的评估功能,还为医疗人员培训,医师技术的测评与检验提供了技术支持。
“不断优化系统,使其适用于不同临床场景,如脑卒中康复治疗、活体组织检查等,都是团队接下来的研究方向。”指导教师栾宽说。
“医学与人工智能的深度融合是未来医学进步的重要方向之一,用所学的知识,为更多的医生配上治病救人‘火眼金睛’,这也是我们青年一代需要探索的方向。”团队成员表示。
全球首创!
HEUer让牡蛎军团变身“海洋卫士”!
历史性突破!特等奖+3!
全国第九!哈工程再捧“优胜杯”!
保研直博、亮相央视!
这位哈工程学子逆袭逐梦!
自研校庆70周年智能小车,
这是属于哈工程“金榜”毕业生的硬核浪漫!
哈尔滨工程大学
— heu19530901 —
撰文 | 高露凡 赵琳琳
排版 | 沈也桢
编辑、责编 | 霍萍
审核 | 吕冬诗 金声