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精準手術技術趨勢

薛孝亭/ 發布日期:2024/06/26/ 瀏覽次數:86

一、精準手術需求與重要性

目前醫師在執行手術時會面臨著許多挑戰,例如:執行電腦斷層掃描(CT)及X光檢查時會使患者暴露在高輻射環境;患者的呼吸或身體的活動,可能會導致手術時病灶的位置和形狀會與術前檢查結果有所差異;手術器械的操作方式與移動方向常違反直覺;由於操作空間或設備的限制,導致須在患者身上開多個手術傷口等。前述挑戰會嚴重影響著手術的精準度與成效,甚至會增加感染的風險並且危及患者的健康。精準手術能在術前和術中透過先進的視覺化和手術機器人工具等技術,幫助手術醫師準確地識別和定位目標,使其能有效執行複雜的手術;同時能大幅縮小手術傷口,並且降低術後感染的風險。

 

二、精準手術技術類型

精準手術依技術類型可進一步細分成手術視覺化技術、手術機器人以及觸覺回饋感測器等,以下分別介紹各類技術之特性、優勢與挑戰(技術摘要與代表性業者請參閱圖一)。

(一) 手術視覺化
手術視覺化技術涵蓋 AR 手術導航技術、螢光成像技術、定位與追蹤技術等。AR 手術導航為先利用電腦斷層掃描、X光、超音波等醫學影像技術,建構出患者組織的 3D影像,同時透過AR技術將3D影像疊加在患者身上,使醫師得以藉此進行術前規劃,並且在手術時提供導航。螢光成像技術為將能與特定細胞(如癌細胞)、蛋白質或血管等組織結合的顯影劑注射至患者體內,手術時醫師可藉由螢光分布,識別組織類型與血管分布。定位和追蹤技術主要利用紅外光等技術,追蹤導管等手術器械於體內的位置與形狀,幫助醫師確認手術器械穿越組織的路徑,以其功能是否正常。

前述視覺化技術有助於醫師判斷病灶與手術器械的位置,進而得以提升手術的精準度。然而目前顯影劑在水中的穩定性不佳,只能在組織中存留20至30 分鐘,嚴重限制醫師的手術操作時間。另外,迄今AR技術亦無法準確地將影像疊加至患部上,且會干擾醫師的專注力。將定位和追蹤技術與AR技術結合,以提高影像疊加的精準度為具有潛力的發展方向。

(二) 手術機器人
相較於人體骨骼有活動範圍與角度等限制,手術機器人能自由地朝向各方向移動、旋轉,甚至彎曲,同時能透過多關節設計,提高其活動的靈活度,以執行複雜的動作,如順著血管或消化道移動至患部。另外,手術機器人能實現較小的手術傷口,縮短患者復原時間;以及能消除手部顫抖的問題,保持手術過程的穩定性、精確性、持續性,實現高精準度的切除及縫合,並且減少失血,提升醫療人員執行高困難度手術之能力,如微血管吻合手術等。

除了設備成本較高之外,手術機器人由於儀器結構複雜,在消毒上面臨著嚴峻的挑戰,甚至需要特殊設計的消毒機制或繁瑣的消毒步驟,才能減少患者交叉感染的風險。消毒滅菌所需時間與成本,會為醫療機構增加更多的負擔。

(三) 觸覺回饋感測器
觸覺回饋技術能夠使醫師在執行手術時,獲得更細膩的觸覺感知,幫助醫師了解目前的手術狀況,如判斷是否對組織或器官施加額外的壓力;切除過程中是否遇到阻力;評估縫線的鬆緊程度等,使醫師得以更有效率且精準地執行縫合與切除等手術任務,同時減少對健康組織的損傷。

依照感測機制,觸覺回饋感測器可區分為壓電式、電容式和應變式(strain gauge)等類型,其中電容式感測器適合量測微小的形變;應變式感測器可用以測量組織的剛性(stiffness)。然而前述感測器對溫度相當敏感,精準度容易受到溫度變化干擾。此外,在手術儀器設備上將不同類型的感測器整合有一定的難度,且會大幅提高設備成本。

 

三、創新案例介紹

(一) 配備可自由移動之機械手臂和提供3D視覺化影像的手術機器人平台
開發商:南韓meerecompany
南韓meerecompany設計出韓國第一款商業化的手術機器人系統Revo-i。此系統適用於腹腔鏡顯微手術,具備4個可自由移動的多關節機械手臂(每個機械手臂皆具備7個自由度),以及3D高畫質顯示器。相較於其他的手術機器人,Revo-i尺寸相對較小,可以在沒有足夠空間容納大型傳統機器人系統的醫療設施中使用,且此機器人具有可移動底座,能迅速移動與部署至不同的手術室。另外,此系統還可提供手術訓練模擬,協助外科醫師練習縫合、接合等不同的手術模式,提升其操作手術機器人的能力。

(二) 適用於清醒開顱手術的混合實境神經外科手術導航系統
開發商:美國Zeta Surgical
神經外科手術為難度相當高的手術類型,需要透過精準的導航系統引導手術器械穿過大腦脆弱的神經結構,以確保患者安全和治療結果。儘管過去的導航系統已能實現高精準度,但必須在設備齊全的手術室中,將患者麻醉並且將其顱骨固定住,才能避免患者移動造成導航路徑偏移。然而,部分神經系統疾病的治療需立即在急診室進行,或者患者須處於清醒的狀態中才能執行,如運動神經功能障礙手術。Zeta Surgical 利用混合實境、電腦視覺和手術機器人等先進技術,開發了出精準度可達到亞毫米等級的神經外科手術導航系統-Zeta。Zeta的電腦視覺技術能夠於術中即時地分析人臉特徵,實現手術即時追蹤與導航路徑校準(每秒可校準多次),因此,患者能不需要在麻醉以及顱骨被固定之狀態下進行手術。目前此產品已獲得美國FDA許可。

(三) 可深入組織內執行手術的微型手術機器人
開發商:美國Vicarious Surgical
Vicarious Surgical 聚焦於觸覺回饋感測器與微型手術機器人的開發。其設計出的解決方案Vicarious Surgical Robotic System,僅需要1.5公分的手術傷口,即可將兩個微型的機械手臂與3D攝影機伸入組織內進行手術,並且能夠即時模仿醫師上半身的動作,包含手部與頭部的動作,使醫師不需要額外學習一套全新的操作步驟,即能以原來的習慣與動作執行手術。另外,此套解決方案還具備先進的觸覺回饋技術(每個機械手臂有將近30個壓電和電容式感測器),可幫助醫師判斷手術部位周遭組織的壓力、張力等。Vicarious Surgical System 適用於子宮切除、膽囊切除及腹疝氣修補等手術。

 

四、成長機會

精準手術具潛力的發展方向涵蓋:先進觸覺回饋感測器、智慧型手術影像紀錄系統等。觸覺回饋感測器能幫助醫師在手術進行時獲得更加細膩的觸覺感知,然而新型觸覺回饋感測器設計與開發難度相當高,需考量許多因素,包括生物相容性、測量精準度、感測器尺寸、滅菌方式等。與專業的感測器業者(如Tekscan)合作,可望能加速觸覺回饋感測器的發展與突破。另外,手術影像紀錄為手術流程改進的重要資訊。能自動錄影、分析手術流程,並提出改進建議的智慧型手術影像紀錄系統,可幫助醫師精進手術技巧,同時有助於新外科醫師的培訓。

 

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