手术机械人激光治头颈肿瘤

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香港中文大学及香港大学的联合研究团队,成功研发一套软体机械人系统,在进行治疗头颈癌的微创手术过程中,配合磁力共振图像导航,经口腔释放激光消融头颈肿瘤。发明已于《Science Robotics》发表。

自中大医学院耳鼻咽喉头颈外科学系、港大工程学院机械工程系及港大牙医学院的专家共同开发一套兼具柔顺性及五个活动自由度的崭新微型系统,令在狭窄的口咽环境内进行激光消融术变得更准确安全。系统已通过多项测试,包括体外组织消融测试,以及在磁力共振图像引导下利用大体头颈模型进行消融测试,证明系统能透过磁力共振测温,监测进行消融术期间的热力扩散,准确控制消融范围。

经口腔微创治疗的挑战

头颈癌一般指口腔、咽喉、鼻咽和鼻腔等头颈部位的癌症;是全球第七位最常见的癌症,每年导致450,000人死亡。 头颈癌可利用激光消融术治疗,但如用此疗法消除长在口咽和喉部的肿瘤,病人必须保持极端的姿势定位(如卷起舌头、张开嘴巴或伸长颈部)才足以将肿瘤暴露在激光之下。因此,现有的激光消融系统并不适用于治疗长在上述部位的肿瘤。磁力共振图像导航本身能为激光消融肿瘤带来好处,医护人员可于术中即时透过立体定向及热力扩散情况评估消融范围,以保护关键结构和确保消融范围恰当。但要把经口腔进行的激光微创治疗迁移到磁力共振环境下,狭窄的空间和强力的磁场(1.5/3T)会令手术定位及操作变得相当困难,因为一般用在机械人的金属部件不适用于磁力共振环境之中。

新机械人系统的特点

通过医生和工程师的紧密合作,团队成功研发出可配合磁力共振应用的软体机械人系统。这是首个能在术中利用实时磁力共振导航,并连续操控激光投射以进行肿瘤消融术的机械人系统。此系统配合了激光光纤,可进行柔顺的内窥镜介入,通过为患者度身订造的口腔固定器,将能量集中在病变位置,准确地为肿瘤进行消融治疗。整套系统具备多个特点,包括:

  • 结构精巧轻盈,能同时提供五个自由度的活动能力;体积较大的驱动系统能置于进行磁力共振扫描的房间外。
  • 系统采用液压方式驱动,采用磁力共振兼容的安全物料制造,能于磁力共振环境下安全运作。
  • 操控激光的部分采用软硬混合结构,方便控制激光转向,同时平衡仪器的坚固度和减少机械人反应迟滞。
  • 系统产生零电磁干扰,容许进行术中磁力共振导航来评估组织对消融产生的反应;这对平衡充分切除肿瘤和保留组织功能两者尤其重要。还可利用磁力共振进行热能成像,在消融的过程中评估组织内的热力扩散,从而即时监控消融范围,确保路径准确。
  • 系统内置学习演算控制器,控制机器人进行非线性移动,并通过激光路径测试验证,平均误差少于200微米。

自主进行激光消融

团队亦利用体外组织和大体头颈模型,验证有关系统于术中进行磁力共振图像导航下激光消融术的成效。结果证明系统能沿着外科医生定下的路线,可自主在组织上进行精确的激光消融。

中大医学院耳鼻咽喉头颈外科学系副教授陈英权医生表示:「我们研发的系统能够让消融激光直接射向病变组织,毋须再被缺乏弹性设计的激光放射仪器局限将病人颈项勉强定位,配合术中磁力共振图像导航,临床医生能于病人进行消融术期间,作出更直接和准确的反应,对保护病变位置附近结构的功能,至关重要。」

关于未来发展,研究团队计划进一步缩小机械人系统的体积。港大工程学院机械工程系副教授郭嘉威博士补充:「通过缩小其体积,我们研发的机械人系统将有可能进入更狭窄的部位,例如鼻腔和鼻窦腔。此外,我们会在系统中加入一些特定的图像序列,以便更迅速将术中的磁力共振图像反馈给机械人,令机械人作出快速反应来控制激光消融过程。」3

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