【创科广场】成像控制集群机械人 介入放射治疗新手段

2021-03-30 09:28
香港中文大学(中大)机械与自动化工程学系副教授张立教授领导研究团队,宣布掌握控制及追踪血管内微型机械人集群的技术,有助针对性治疗。团队提出集群控制及利用超声波成像辅助定位方法,成为微型机械人转化到临牀应用的关键,例如递送标靶药物作局部诊疗。

近年,介入放射学(Interventional Radiology)迅速极为发展,以融合影像诊断和临牀治疗,透过多种影像设备引导和监视,以穿刺针、导管及导丝等他介入器材,通过人体自然孔道或微小的创口,导入人体病变部位作微创治疗;例如治疗脑中风,为脑动脉瘤栓塞作治疗,从导管向血管管腔注射药物。静脉血栓和肺动脉栓塞也使用导管的溶栓技术,死亡率大幅降低,甚至可用于肿瘤针对治疗,减少化疗副作用。

介入放射学以影像诊断学为基础并作为治疗,甚至可望成为与内外科鼎立,三大医学治疗手段之一。不过,要准确操作和控制穿刺针、导管、导丝及介入物,绝不容易,必须丰富的经验。科学家一直研究以微型机械人,应用到生物医学;微型机械人优点,就是体积更加细小,穿越更狭窄空间,例如微丝血管,运送药物到身体指定的深入部位,达致针对性治疗。

积少成多集群移动

不过其微型机械人体积小,甚至只有纳米级大小,每个机械人携带药物有限,须有成千上万同时工作,才能输送足够分量药物。

过去的实验,团队已在简单静态环境,控制微型机械人集群组成及控制移动,以模拟自然界中生物的集群行为,如鸟群、蜂群等活动。不过在人体血管中实际应用,机械人群体的形成、导航以及定位,均受血液流动干扰,面临更大技术挑战。

这项研究中,研究团队采用了多普勒超声波成像技术(ultrasound Doppler imaging guidance),为微型机械人集群在血管动态环境实时导航及定位移动。多普勒超声波成像是一种非入侵性检测方法,通过判断高频声波,经流动红血球反射后频率变化,计算血液流动是否正常。

研究团队将微型机械人注入血管,旋转磁铁驱动下,机械人在血管壁附近形成集群并跟随磁铁运行。血管壁附近血流量较低,对集群组成影响相对较小,机械人粒子之间相互作用较强,集群可逆血流而上或者顺血流而下。

微型机械人集群会随着磁铁转动形成小漩涡,轻微扰乱正常血流及周围红血球运动,因此可透过多普勒超声波成像,多角度实时追踪集群。超声波信号回馈和快速磁力控制,有助在不同环境为微型机械人导航。

介入治疗潜力巨大

张立教授表示:「我们最终目标是将微型机械人技术,应用于转化医学,例如以微创方式,人体的深处进行介入血管治疗。此项目与中大医学院及苏黎世联邦理工学院合作,破解传统医疗手段难以解决的难题。」

参与是次研究的中大医学院影像及介入放射学系系主任余俊豪教授指:「虽然微型机械人技术在血管内介入治疗的应用,尚处于概念性的阶段,但未来在栓塞手术、血流恢复和血管重建等治疗,有很大应用潜力。」

相关研究成果近日于著名国际期刊《科学进展》(Science Advances)上发表。第一作者中大王乾乾博士表示:「研究首次实现在动态环境中,微型机械人集群的控制与成像。我们正通过更多实验去验证将这项技术应用到人体的可行性,并会设计一套自动化系统,结合医学成像技术与磁控系统。」研究获香港研究资助局(RGC)、创新科技署(ITC)、中大周毓浩创新医学技术中心和天石机器人研究所支持。

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