手術機械人激光治頭頸腫瘤

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香港中文大學及香港大學的聯合研究團隊,成功研發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,配合磁力共振圖像導航,經口腔釋放激光消融頭頸腫瘤。發明已於《Science Robotics》發表。

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共同開發一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。

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之中。

新機械人系統的特點

通過醫生和工程師的緊密合作,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,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,確保路徑準確。
  • 系統內置學習演算控制器,控制機器人進行非線性移動,並通過激光路徑測試驗證,平均誤差少於200微米。

自主進行激光消融

團隊亦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。結果證明系統能沿著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,毋須再被缺乏彈性設計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,臨床醫生能於病人進行消融術期間,作出更直接和準確的反應,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,以便更迅速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。」3

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