试想像如有机械人站在手术床旁,担当医生的手术助理,不但可让手术过程更顺畅,还可减少手术切口及开刀对病人造成的创伤。最近,香港中文大学(中大)医学院外科学系李峥教授及医疗机械人创新技术中心的团队进一步将这个想法实践,研发出一款可用于微创手术的智能磁锚定内窥镜(MAGS内窥镜),为外科医生在手术过程中提供更清晰、不受阻碍及无间断的手术影像,更有助减轻医护人手短缺问题。

人工智能自动追踪 实现免提手术视觉

现时,用于胸腹手术的传统内窥镜呈长杆型结构,末端设有镜头,需要由手术助理全程以人手操控和追踪手术工具位置,为医生提供即时手术影像。然而,传统内窥镜的角度和视野范围有限,亦占据腔内大部分空间,容易跟其他手术器械碰撞。有见及此,李教授将人工智能及机械人技术结合内窥镜,令其可于腔内无线运作并自动追踪目标,提供多角度的手术影像。

置于病人体内的MAGS内窥镜由体外的机械臂以人工智能及磁力操控。

MAGS内窥镜可「贴」在病人胸腔壁或腹腔壁,自动追踪手术工具。系统包括两个部分:负责在体外操作的人工智能机械臂,其末端有一块磁铁,使用时放在病人的胸部外侧;而置于病人体内是一个小巧、呈胶囊形状的磁力内窥镜,它备有LED灯,头尾位置均有磁铁。操作时,内窥镜会在机械臂的磁力引导下,移动至指定的胸壁位置,让医生以较全面的视野观察手术实况。

利用磁力驱动的MAGS内窥镜可透过旋转或滑动以改变镜头视角,提供广阔和多角度视野。当人工智能系统识别出目标,如指定的手术工具时,视觉伺服控制系统会控制磁铁相应地移动镜头跟随目标。李教授解释:「完成这一连串的动作需要预先构建机械臂和磁铁的运动模型以及视觉伺服模型来实现。密集的训练可有效提升人工智能系统自动侦测目标的表现,让医生无须忧虑内窥镜的操作,安心进行手术。」

自动清洁功能 提供更清晰手术影像

MAGS内窥镜立体设计模型图

除此以外,传统内窥镜所需的切入空间较大,往往导致需要一个更大或额外的手术切口,为病人造成额外创伤。MAGS内窥镜不单能避免此情况,亦有助减少内窥镜与其他手术器械发生碰撞,让手术过程更顺畅。另外,手术过程中,相机镜头常被血液遮挡,若使用传统内窥镜,医生便需要暂停手术,从病人体内取出内窥镜进行清洁,这种情况在手术中发生的次数可能高达20次,而MAGS内窥镜则具备自动清洁功能,免却这些麻烦。

MAGS内窥镜设有一条约两毫米阔、连接到相机镜头的冲洗软管。有需要时,可将清水注入管内冲洗相机镜头,再注入干燥的空气,达至体内自动清洁的效果。李教授希望,未来可利用人工智能系统自动识别相机镜头的清晰度,让系统按需要自动启动清洁功能。

回想起MAGS内窥镜的研发历程,李教授笑言过程中难免会遇到困难,挑战之一是组成一支跨学科的专业团队,以平衡研究项目涉及的各项技术范畴,例如机械人、人工智能、磁力控制和设计等。「MAGS内窥镜使用的相机镜头及其成像质量亦是我们一直关注的问题,因为相机镜头愈先进,内窥镜才愈能为手术提供清晰的视野。医疗用相机产业正不断发展,长远而言,将有利MAGS内窥镜的技术提升。」

展开胸部和肺腔手术新一章

李教授预期,未来将有更多智能辅助设备被应用于医疗领域。

磁锚定内窥镜的概念早于14年前由美国的学者提出,及后各地研究团队就不同的侧重点进行研发。李教授说:「我们于2015年开展这个研究,在运用机械人和人工智能技术作MAGS内窥镜的视觉自动追踪方面,是世界领先的研究团队。」

MAGS内窥镜的早期型号主要针对人体腹腔设计。然而,近年肺癌发病率不断攀升,更高踞香港和全球致命癌症的榜首,令团队看到MAGS内窥镜在胸部和肺腔手术应用的潜力。李教授分享:「目前,团队正就这方向努力改良技术,希望日后新开发的型号可以在两至三年内进行动物试验,并在三至四年内进行临床测试,最终通过相关的政府规管。」

MAGS内窥镜于「2021年日内瓦国际发明展」及「2019年环球创新医学工程设计大赛」分别获得铜奖及金奖。