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2021年9月9日

中大港大成功開發磁力共振圖像導航手術機械人系統 經口腔準確利用激光消融頭頸癌腫瘤

2021年9月9日
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中大和港大最近成功研發了一套「軟體機械人系統」,在進行治療頭頸癌的微創手術過程中,系統可配合磁力共振圖像導航,經口腔釋放激光消融頭頸癌腫瘤。
左起:港大工程學院機械工程系博士生方格先生、副教授郭嘉威博士、中大醫學院耳鼻咽喉 – 頭頸外科學系副教授陳英權醫生、名譽臨床導師陳寶玲醫生,以及港大牙醫學院牙科物質學副教授徐傑漢博士。

這次開發的軟體機械人系統,是醫生與工程師合作的一個成功例子。

陳英權醫生表示,配合術中磁力共振圖像導航,臨床醫生能夠在為病人進行消融術期間,作出更直接和準確的反應,這對保護病變位置附近結構的功能,至關重要。

郭嘉威博士相信,日後可進一步縮小機械人系統的體積,令其可進入如鼻腔和鼻竇腔等更狹窄的部位。

是次研發的嶄新微型系統,兼具柔順性及五個活動自由度,令在狹窄的口咽環境內進行激光消融術變得更準確和安全。

香港中文大學(中大)和香港大學(港大)的聯合研究團隊,最近成功研發了一套「軟體機械人系統」,在進行治療頭頸癌的微創手術過程中,系統可配合磁力共振圖像導航,經口腔釋放激光消融頭頸癌腫瘤。來自中大醫學院耳鼻咽喉─頭頸外科學系、港大工程學院機械工程系及港大牙醫學院的專家們,共同開發了這套兼具柔順性及五個活動自由度的嶄新微型系統,令在狹窄的口咽環境內進行激光消融術變得更準確和安全。系統已通過多項測試,包括體外組織消融測試,以及在磁力共振圖像引導下利用大體頭頸模型進行消融測試,證明系統能透過磁力共振測溫,監測進行消融術期間的熱力擴散,準確控制消融範圍。這項發明近期已於國際期刊Science Robotics發表。

將磁力共振引導的激光消融術 應用在經口腔微創治療的挑戰

頭頸癌一般指口腔、咽喉、鼻咽和鼻腔等頭頸部位的癌症;是全球第七位最常見的癌症,每年導致 450,000 人死亡。

頭頸癌可利用激光消融術治療,但如用此療法消除長在口咽和喉部的腫瘤,病人必須保持極端的姿勢定位(如捲起舌頭、張開嘴巴或伸長頸部)才足以將腫瘤暴露在激光之下。因此,現有的激光消融系統並不適用於治療長在上述部位的腫瘤。磁力共振圖像導航本身能為激光消融腫瘤帶來莫大好處,醫護人員可於術中即時透過立體定向及熱力擴散情況評估消融範圍,以保護關鍵結構和確保消融範圍恰當。但要把經口腔進行的激光微創治療遷移到磁力共振環境下,狹窄的空間和強力的磁場(1.5/3T) 會令手術定位及操作變得相當困難,因為一般用在機械人的金屬部件不適用於磁力共振環境中。

新研發的機械人系統具有多個特點

通過醫生和工程師的緊密合作,上述團隊成功研發出可配合磁力共振應用的軟體機械人系統。這是首個能在術中利用實時磁力共振導航,並連續操控激光投射以進行腫瘤消融術的機械人系統。此系統配合了激光光纖,可進行柔順的內窺鏡介入,通過為患者度身訂造的口腔固定器,將能量集中在病變位置,準確地為腫瘤進行消融治療。整套系統具備多個特點,包括:

  • 結構精巧輕盈(直徑12毫米x 長度100毫米、重量約200克),能同時提供五個自由度的活動能力;體積較大的驅動系統能置於進行磁力共振掃描的房間外。
  • 系統採用液壓方式驅動,採用磁力共振兼容的安全物料製造,能於磁力共振環境下安全運作。
  • 操控激光的部分採用軟硬混合結構,方便控制激光轉向,同時平衡儀器的堅固度和減少機械人反應遲滯。
  • 系統產生零電磁干擾,容許進行術中磁力共振導航來評估組織對消融產生的反應;這對平衡充分切除腫瘤和保留組織功能兩者尤其重要。還可利用磁力共振進行熱能成像,在消融的過程中評估組織內的熱力擴散,從而即時監控消融範圍,確保消融準確路徑。
  • 系統內置學習演算控制器,控制機器人進行非線性移動,並已通過激光路徑測試驗證,平均誤差少於200微米。

團隊另利用體外組織和大體頭頸模型,驗證有關系統於術中進行磁力共振圖像導航下激光消融術的成效。結果證明系統能沿着外科醫生定下的路線,可自主在組織上進行精確的激光消融。

中大醫學院耳鼻咽喉─頭頸外科學系副教授陳英權醫生表示:「我們研發的系統能夠讓消融激光直接射向病變組織,毋須再被設計缺乏彈性的激光放射儀器局限,將病人頸項勉強定位。配合術中磁力共振圖像導航,臨床醫生能夠在為病人進行消融術期間,作出更直接和準確的反應,這對保護病變位置附近結構的功能,至關重要。」

關於未來發展,研究團隊計劃進一步縮小機械人系統的體積。港大工程學院機械工程系副教授郭嘉威博士補充:「通過縮小其體積,我們研發的機械人系統將有可能進入更狹窄的部位,例如鼻腔和鼻竇腔。此外,我們會在系統中加入一些特定的圖像序列,以便更快地將術中的磁力共振圖像反饋給機械人,令機械人作出快速反應來控制激光消融過程。」

參與是次合作的單位另包括:港大放射診斷學系、威爾斯親王醫院神經外科、中大機械與自動化工程學系,以及史丹福大學頭頸外科。



中大和港大最近成功研發了一套「軟體機械人系統」,在進行治療頭頸癌的微創手術過程中,系統可配合磁力共振圖像導航,經口腔釋放激光消融頭頸癌腫瘤。<br />
左起:港大工程學院機械工程系博士生方格先生、副教授郭嘉威博士、中大醫學院耳鼻咽喉 – 頭頸外科學系副教授陳英權醫生、名譽臨床導師陳寶玲醫生,以及港大牙醫學院牙科物質學副教授徐傑漢博士。

中大和港大最近成功研發了一套「軟體機械人系統」,在進行治療頭頸癌的微創手術過程中,系統可配合磁力共振圖像導航,經口腔釋放激光消融頭頸癌腫瘤。
左起:港大工程學院機械工程系博士生方格先生、副教授郭嘉威博士、中大醫學院耳鼻咽喉 – 頭頸外科學系副教授陳英權醫生、名譽臨床導師陳寶玲醫生,以及港大牙醫學院牙科物質學副教授徐傑漢博士。

 

這次開發的軟體機械人系統,是醫生與工程師合作的一個成功例子。

這次開發的軟體機械人系統,是醫生與工程師合作的一個成功例子。

 

陳英權醫生表示,配合術中磁力共振圖像導航,臨床醫生能夠在為病人進行消融術期間,作出更直接和準確的反應,這對保護病變位置附近結構的功能,至關重要。

陳英權醫生表示,配合術中磁力共振圖像導航,臨床醫生能夠在為病人進行消融術期間,作出更直接和準確的反應,這對保護病變位置附近結構的功能,至關重要。

 

郭嘉威博士相信,日後可進一步縮小機械人系統的體積,令其可進入如鼻腔和鼻竇腔等更狹窄的部位。

郭嘉威博士相信,日後可進一步縮小機械人系統的體積,令其可進入如鼻腔和鼻竇腔等更狹窄的部位。

 

是次研發的嶄新微型系統,兼具柔順性及五個活動自由度,令在狹窄的口咽環境內進行激光消融術變得更準確和安全。

是次研發的嶄新微型系統,兼具柔順性及五個活動自由度,令在狹窄的口咽環境內進行激光消融術變得更準確和安全。

 

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