星島日報

【創科廣場】成像控制集群機械人 介入放射治療新手段

2021-03-30 09:28
香港中文大學(中大)機械與自動化工程學系副教授張立教授領導研究團隊,宣布掌握控制及追蹤血管內微型機械人集群的技術,有助針對性治療。團隊提出集群控制及利用超聲波成像輔助定位方法,成為微型機械人轉化到臨牀應用的關鍵,例如遞送標靶藥物作局部診療。

近年,介入放射學(Interventional Radiology)迅速極為發展,以融合影像診斷和臨牀治療,透過多種影像設備引導和監視,以穿刺針、導管及導絲等他介入器材,通過人體自然孔道或微小的創口,導入人體病變部位作微創治療;例如治療腦中風,為腦動脈瘤栓塞作治療,從導管向血管管腔注射藥物。靜脈血栓和肺動脈栓塞也使用導管的溶栓技術,死亡率大幅降低,甚至可用於腫瘤針對治療,減少化療副作用。

介入放射學以影像診斷學為基礎並作為治療,甚至可望成為與內外科鼎立,三大醫學治療手段之一。不過,要準確操作和控制穿刺針、導管、導絲及介入物,絕不容易,必須豐富的經驗。科學家一直研究以微型機械人,應用到生物醫學;微型機械人優點,就是體積更加細小,穿越更狹窄空間,例如微絲血管,運送藥物到身體指定的深入部位,達致針對性治療。

積少成多集群移動

不過其微型機械人體積小,甚至只有納米級大小,每個機械人攜帶藥物有限,須有成千上萬同時工作,才能輸送足夠分量藥物。

過去的實驗,團隊已在簡單靜態環境,控制微型機械人集群組成及控制移動,以模擬自然界中生物的集群行為,如鳥群、蜂群等活動。不過在人體血管中實際應用,機械人群體的形成、導航以及定位,均受血液流動干擾,面臨更大技術挑戰。

這項研究中,研究團隊採用了多普勒超聲波成像技術(ultrasound Doppler imaging guidance),為微型機械人集群在血管動態環境實時導航及定位移動。多普勒超聲波成像是一種非入侵性檢測方法,通過判斷高頻聲波,經流動紅血球反射後頻率變化,計算血液流動是否正常。

研究團隊將微型機械人注入血管,旋轉磁鐵驅動下,機械人在血管壁附近形成集群並跟隨磁鐵運行。血管壁附近血流量較低,對集群組成影響相對較小,機械人粒子之間相互作用較強,集群可逆血流而上或者順血流而下。

微型機械人集群會隨着磁鐵轉動形成小漩渦,輕微擾亂正常血流及周圍紅血球運動,因此可透過多普勒超聲波成像,多角度實時追蹤集群。超聲波信號回饋和快速磁力控制,有助在不同環境為微型機械人導航。

介入治療潛力巨大

張立教授表示:「我們最終目標是將微型機械人技術,應用於轉化醫學,例如以微創方式,人體的深處進行介入血管治療。此項目與中大醫學院及蘇黎世聯邦理工學院合作,破解傳統醫療手段難以解決的難題。」

參與是次研究的中大醫學院影像及介入放射學系系主任余俊豪教授指:「雖然微型機械人技術在血管內介入治療的應用,尚處於概念性的階段,但未來在栓塞手術、血流恢復和血管重建等治療,有很大應用潛力。」

相關研究成果近日於著名國際期刊《科學進展》(Science Advances)上發表。第一作者中大王乾乾博士表示:「研究首次實現在動態環境中,微型機械人集群的控制與成像。我們正通過更多實驗去驗證將這項技術應用到人體的可行性,並會設計一套自動化系統,結合醫學成像技術與磁控系統。」研究獲香港研究資助局(RGC)、創新科技署(ITC)、中大周毓浩創新醫學技術中心和天石機器人研究所支持。

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