香港中文大学（中大）医学院及香港大学（港大）机械工程学系的跨学科团队开发了一款互动式多阶段机器人定位器，可於进行立体定位神经外科手术时，利用术中磁力共振影像（MRI）引导机器人定位以调节插管或刺针，为脑肿瘤和柏金逊症等多种神经系统疾病提供更准确及更有效的治疗。该系统经人体标本和头骨模型测试验证，初步结果为未来临床研究、以至临床应用奠定了坚实的基础。研究结果已在顶尖国际学术期刊《Advanced Science》上发表。

中大与港大的跨学科团队开发了一款互动式多阶段机器人定位器，可於进行立体定位神经外科手术时，利用术中磁力共振影像（MRI）引导机器人定位以调节插管或刺针，为脑肿瘤和柏金逊症等多种神经系统疾病提供更准确及更有效的治疗。

 

图为中大医学院外科学系脑外科组主任及名誉临床副教授陈达明医生（左一）、港大工程学院机械工程系副教授郭嘉威教授 （右一），及研究团队其他成员合照。

机器人结构轻巧 透过软体机器人微调配合手动操作

通过医生与工程师的密切合作，团队研发的机器人定位器可协助外科医生进行以术中MRI引导的立体定位神经外科手术，尤其是涉及插管或针刺靶向的干预程序，例如活检、注射、消融、导管放置及脑深层刺激手术（deep brain stimulation）。

该机器人结构轻巧，直径97 毫米、高度81毫米、重量仅203克，其头骨安装结构适用於大部分标准造影用的头部线圈。系统可分两个使用阶段：

阶段一：由外科医生进行互动式手动调节

外科医生先根据术前影像将机器人定位器按已计划的轨迹定向，系统内置的光纤照明会实时自动显示与计划轨迹之间存在的角度误差。当外科医生将定位器移动到接近计划轨迹且误差少於5度的位置，系统会被远端锁定。

阶段二：透过精确、灵敏和高解像度的软体机器人定位，自动微调

系统及后自动将手术器械导轨定位到计划轨迹。其中，在有限元分析（FEA）的力学数值分析方法指导下，液压驱动器的结构设计得到充分优化，从而实现器械导轨的自动化精确定位（误差少於0.2度）。

港大工程学院机械工程系副教授郭嘉威教授补充：「系统在不同使用阶段都可透过线驱动煞停机件和颗粒阻塞等软体机械人机制，进行稳妥的方向锁定。而其深度锁止器可辅助设定手术器械（譬如探针和电极）探入的深度。外科医生再透过机器人定位器，手动放入器械以进行活检和注射等程序，并透过随后的 MRI来监测手术过程。」

为达到最高的瞄准精确度，团队亦为系统设计了微型无线全向追踪标记，协助机器人系统在MRI下进行三维定向及定位。整个系统由适用於磁力共振的材料制成，不会产生电磁干扰，容许进行术中MRI导航来评估手术成效。

中大医学院外科学系脑外科组主任及名誉临床副教授陈达明医生表示：「新研发的系统可以消除传统立体定位的固有误差（即框架精度、影像融合差异和测量误差等），从而提高仪器放置的精确度，确保手术结果。随著手术时间缩短，患者的舒适度和满意度也随之提高。这种互动式多阶段机器人定位器现正准备进行临床测试，而香港首个术中磁振造影 （iMRI）系统将於2024年第三季投入使用。未来五年内，香港将安装两至三个 iMRI 系统。」

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更多有关是次合作研发项目的资料

是次研发项目的其他合作者包括威尔斯亲王医院、中大生物医学工程学系、伦敦大学学院（University College London, UCL）和约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University, JHU）的临床和工程专家。项目的临床前试验亦得到了医疗机械人创新技术中心（Multi-scale Medical Robotics Center, MRC）的大力支持。团队利用MRC的MRI设施，为系统进行头骨模型和人体标本测试，验证其临床工作流程和人体解剖学的可行性。结果表明，机器人的精确度达到了少於三毫米的误差。相关系统原型已申请专利并受知识产权保护。

图解互动式多阶段机器人定位器运作流程。