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讲座回顾——术中 MRI 导航的智能机器人系统

讲座回顾——术中 MRI 导航的智能机器人系统

  • 2020.05.22
  • 新闻
5月20日,AIRS邀请香港大学机械工程系郭嘉威教授带来主题为“术中MRI导航的智能机器人系统”的直播讲座,以下为讲座回顾。

        5月20日,AIRS有幸请到了香港大学机械工程系郭嘉威教授给我们带来主题为“术中MRI导航的智能机器人系统”的直播讲座。作为港中大的校友,郭教授本科硕士毕业之后先后在英国帝国理工大学完成博士学位和博士后研究,于2014年加入香港大学任教。讲座由我院孙正隆教授担任主持人,孙教授同时也是香港中文大学(深圳)理工学院助理教授。

        讲座上,郭教授首先感谢了AIRS的邀请,并表示,自己人生中第一节机器人课就是由徐扬生院长教授的,是徐院长为他开启了机器人兴趣的大门,使自己进入到机器人研究的行列。同时,他也表示非常欣赏AIRS名字中的“for Society”,表明了无论是人工智能还是机器人应用,都是为了造福社会。

        在演讲中,郭教授首先简单介绍了微创手术(Minimally Invasive Surgery, MIS),以当前最成功的商业案例——达芬奇手术机器人为例,展示了机器人手术的优势。谈到手术机器人的历史进程,郭教授以手机的演变史为例,认为这个领域方兴未艾,具有非常广阔的发展前景。

        接着郭教授介绍了核磁共振(Magnetic Resonance Imaging, MRI)这项医疗影像技术的优势:即能够准确地可视化并区分包括人类大脑结构细节在内的,不同器官组织的结构。然而这一技术对环境要求也很高,这也导致传统的电机驱动和其他光学或电磁导航方式无法应用在核磁共振的术中介入过程中。因此,在核磁共振的极端环境中实现术中导航和驱动,对机器人技术在这类介入手术中的应用提出巨大的挑战。

        郭教授在提及机器人的定义时,引用了徐院长在教授自己的第一节机器人课时提到的“机器人与机器的区别”,是“需要驱动、感知、和决策”。郭教授还介绍了核磁共振兼容的手术机器人的局限与挑战,并列举了一些国际知名科研团队在这方面做出的贡献。他认为,对MRI术中介入手术机器人的规划包括四个方面:紧凑机器人设计与驱动、核磁共振中传感信息获取、术中影像的实时分析和柔性机器人精准控制,并从这四个方面来展开他的工作介绍。

        在核磁共振安全驱动方式方面,郭教授先是介绍了团队在2014年研发的气动非铁磁材质的步进驱动器,展示了其可以实现核磁共振下的驱动这一功能。但在医疗领域,精准控制是非常必要的,而气动传送在性能上会呈现出非线性的动态关系而很难进一步提升精度。郭教授说,受到他太太的启发,他对这种驱动单元的设计重新进行了定义,明确了一系列的设计需求。

        按照这个设计需求理念,郭教授开始应用液压驱动的方式,重新设计了新的驱动机构以降低摩擦力,提升了性能。郭教授介绍了应用这一新的驱动单元,其团队针对一项脑深处电刺激手术(Deep Brain Stimulation)所开展的系统研发,该项目有望为帕金森病症的治疗带来飞跃。

        有了驱动单元设计,还需要对术中机器人进行实时追踪导航。通过植入多个其团队研发的无线源的毫米级RF线圈作为标记点,核磁共振成像中的实时追踪便可以实现。据郭教授介绍,该手术机器人于2018年在临床尸体实验上进行了验证,定位精度达到 2 毫米内。该项研究不仅获得2018年机器人顶会ICRA的最佳论文奖,同时该项研究的主要成员,郭教授的“开山大弟子”郭子彦博士,还获选为《麻省理工学院技术评论》(MIT Technology Review)亚太地区35岁以下最佳创新人士(Innovators under 35 for the Asia Pacific Region)。

        郭教授还提到了他针对包括心血管导管消融手术(用于治疗心率不齐)、经口激光消融手术(用于治疗口咽处早期癌变)等几种手术所设计的核磁共振兼容原型机,展现了他对研发MRI兼容的机器人系统的热情,并表示会把这件事当做毕生的科研目标来实现。

        最后,他感谢了团队的研究人员和学生,以及合作的国际团队。之后郭教授与线上参与讲座的听众展开了友好的互动,并对相关问题进行了回答。

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