香港中文大學（中大）醫學院及香港大學（港大）機械工程學系的跨學科團隊開發了一款互動式多階段機械人定位器，可於進行立體定位神經外科手術時，利用術中磁力共振影像（MRI）引導機械人定位以調節插管或刺針，為腦腫瘤和柏金遜症等多種神經系統疾病提供更準確及更有效的治療。該系統經人體標本和頭骨模型測試驗證，初步結果為未來臨床研究、以至臨床應用奠定了堅實的基礎。研究結果已在頂尖國際學術期刊《Advanced Science》上發表。

中大與港大的跨學科團隊開發了一款互動式多階段機械人定位器，可於進行立體定位神經外科手術時，利用術中磁力共振影像（MRI）引導機械人定位以調節插管或刺針，為腦腫瘤和柏金遜症等多種神經系統疾病提供更準確及更有效的治療。

 

圖為中大醫學院外科學系腦外科組主任及名譽臨床副教授陳達明醫生（左一）、港大工程學院機械工程系副教授郭嘉威教授 （右一），及研究團隊其他成員合照。

機械人結構輕巧 透過軟體機械人微調配合手動操作

通過醫生與工程師的密切合作，團隊研發的機械人定位器可協助外科醫生進行以術中MRI引導的立體定位神經外科手術，尤其是涉及插管或針刺靶向的干預程序，例如活檢、注射、消融、導管放置及腦深層刺激手術（deep brain stimulation）。

該機械人結構輕巧，直徑97 毫米、高度81毫米、重量僅203克，其頭骨安裝結構適用於大部分標準造影用的頭部線圈。系統可分兩個使用階段：

階段一：由外科醫生進行互動式手動調節

外科醫生先根據術前影像將機械人定位器按已計劃的軌跡定向，系統內置的光纖照明會實時自動顯示與計劃軌跡之間存在的角度誤差。當外科醫生將定位器移動到接近計劃軌跡且誤差少於5度的位置，系統會被遠端鎖定。

階段二：透過精確、靈敏和高解像度的軟體機械人定位，自動微調

系統及後自動將手術器械導軌定位到計劃軌跡。其中，在有限元分析（FEA）的力學數值分析方法指導下，液壓驅動器的結構設計得到充分優化，從而實現器械導軌的自動化精確定位（誤差少於0.2度）。

港大工程學院機械工程系副教授郭嘉威教授補充：「系統在不同使用階段都可透過線驅動煞停機件和顆粒阻塞等軟體機械人機制，進行穩妥的方向鎖定。而其深度鎖止器可輔助設定手術器械（譬如探針和電極）探入的深度。外科醫生再透過機械人定位器，手動放入器械以進行活檢和注射等程序，並透過隨後的 MRI來監測手術過程。」

為達到最高的瞄準精確度，團隊亦為系統設計了微型無線全向追蹤標記，協助機械人系統在MRI下進行三維定向及定位。整個系統由適用於磁力共振的材料製成，不會產生電磁干擾，容許進行術中MRI導航來評估手術成效。

中大醫學院外科學系腦外科組主任及名譽臨床副教授陳達明醫生表示：「新研發的系統可以消除傳統立體定位的固有誤差（即框架精度、影像融合差異和測量誤差等），從而提高儀器放置的精確度，確保手術結果。隨著手術時間縮短，患者的舒適度和滿意度也隨之提高。這種互動式多階段機械人定位器現正準備進行臨床測試，而香港首個術中磁振造影 （iMRI）系統將於2024年第三季投入使用。未來五年內，香港將安裝兩至三個 iMRI 系統。」

附件

更多有關是次合作研發項目的資料

是次研發項目的其他合作者包括威爾斯親王醫院、中大生物醫學工程學系、倫敦大學學院（University College London, UCL）和約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University, JHU）的臨床和工程專家。項目的臨床前試驗亦得到了醫療機械人創新技術中心（Multi-scale Medical Robotics Center, MRC）的大力支持。團隊利用MRC的MRI設施，為系統進行頭骨模型和人體標本測試，驗證其臨床工作流程和人體解剖學的可行性。結果表明，機械人的精確度達到了少於三毫米的誤差。相關系統原型已申請專利並受知識產權保護。

圖解互動式多階段機械人定位器運作流程。