锻造能“听”清眼疾的高精设备

2024-03-21 09:47:03 来源：科技日报

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眼眸深邃似海、璨如星河，中国医学科学院生物医学工程研究所眼科诊疗技术研发团队（以下简称“团队”）正是眼眸“侦探”。该团队不久前被授予“国家卓越工程师团队”称号。

别看人眼只有8克左右，却是最复杂的器官之一。“眼睛是非常精细的浅表小器官，对其进行成像检测要求设备具有很高的分辨率。只有精益求精，眼睛中的疾患才能尽数‘显形’。”3月18日，团队负责人、中国医学科学院医学与健康创新工程项目首席专家杨军向科技日报记者介绍，超声成像的分辨率过去比光学成像低很多。随着团队近年来在高频、甚高频设备及关键技术上的不断突破，超声成像正在给眼科诊疗带来变革，使其逐步进入精细诊疗时代。

坚持原创，拿下首台“中国制造”

上世纪80年代，一个数据让当时的团队负责人王延群坐不住了：全国眼科超声诊断仪仅有30多台。这些超声诊断仪集中分布在几个大城市，且全部为进口。

“作为医学超声领域的科研人员，我们的研究要面向国家需求。”杨军回忆道，王延群老师带领医学超声工程研究室的一批科研人员，立即多方查阅眼科超声领域相关资料，开展了包括眼科临床情况、电子器件和压电材料基础等方面的调研，积极筹备眼科超声设备的设计研制工作。

然而，由于当时科技水平的制约，临床B超设备的工作频率大致在3.5兆赫兹—5兆赫兹（MHz），个别设备的工作频率能到7.5MHz，实现10MHz以上的超声成像在我国更是空白。

“眼病是常见病、多发病，白内障、青光眼等眼病如果无法得到诊疗，致盲风险很大。我们当时的信念就是，让普通人也能通过B超检查眼睛。”杨军说。

有了明确的目标，团队下决心“从零出发”。“我们最先攻克的是10MHz超声换能器。这是一种将电能转化为超声能的装置，可解决产生高频超声的难题。”杨军介绍，由于行业基础为零，研发工艺、材料供给等环节都要团队自己搞定。

团队跑遍了全国多个生产压电材料和相关部件的单位，在持续调研中提出设计数据及工艺要求，带着这些需求又不断寻找合作单位。最终，他们与国内厂家合作攻关，经过反复试验，研制出符合眼科小巧要求的10MHz超声换能器。

“然而，超声成像的灵敏度与分辨率是一对‘矛盾体’：超声频率越高，其分辨率越高，但由于高频超声穿透力降低，导致成像灵敏度变差。”杨军说。

为此，团队需要攻克一个又一个难关。从解决高频超声发射效率低的问题，到提高高频超声接收信噪比，从实现器件运行速度和采样速度双提升，到解决眼轴自动测量准确度差……每一个难关的攻破都是一项原创技术的积累。这些在当时成就了眼科超声领域的首台“中国制造”，并在多年后成就了这支“国家卓越工程师团队”的举重若轻。

独树一帜，研制“天花板”产品

眼科超声设备的快速发展让不少“黑科技”普惠大众。如为近视眼激光手术和角膜移植手术“做规划”的角膜测厚仪，可精准测量角膜厚度，测量精度达微米级。“在实现高频超声的发射与接收技术之后，研发角膜测厚仪的技术难度总体不算大。”杨军告诉记者，有了原创核心技术做支撑，团队持续跟踪技术前沿，不断“刷新”眼科超声成像设备的频率：20MHz的角膜测厚仪，测量精度可达5微米；50MHz的超声生物显微镜，分辨率达到40微米。

“近年来，超声生物显微镜因采用较高频率，其图像分辨率实现了质的飞跃，堪比低倍光学显微镜。”杨军介绍，用“听声辨图”的方式实现了视觉级成像，该技术也是目前医学超声成像领域中高频成像分支的“天花板”。

为研制适应国际市场竞争的“天花板”产品，团队用深厚的工程技术功底满足临床需求。“在临床上，扇形扫描可以在保持探头小巧的同时放大‘显微镜’的视野，但不如线性扫描的反射好控制；而线性扫描更适合眼前部结构的诊断，但只能通过增加探头大小增加视野。”杨军说，团队经过大量的临床一线调研工作发现，当前的进口设备采用不同的扫描形式，应用时各有局限。结合临床实际，团队明确“大型设备采用线性扫描，便携式设备采用扇形扫描”的思路，研制了各有所长的两类超声生物显微镜。

团队还将人工智能应用于眼科超声影像采集中。“我们通过深度学习算法，在纷杂的图像中筛选出特征部位，实现了基于眼科超声生物显微镜图像的自动检测、分类诊断、智能分割等。”杨军表示，他们已经成长为涵盖超声、微电子、计算机、机械设计等多个领域的跨学科团队，目前仍在磁驱动探头、眼科诊疗人工智能模型等方面进行持续探索。一步步解决遇到的技术难题已成为团队的科研常态。