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

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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

09-09-2021

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。

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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。

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。

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。

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。

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。

文章出處: 香港中文大學

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