【當科學遇上醫療】從機械手臂看 跨科合作的前景

撰文: 蕭曉華     攝影: 譚志榮、周耀恩 部分圖片由受訪者提供

12 Jun 2017

科學改變技術,技術改變醫療,醫療改變生命。

二十多年前,「大國手大傷口」是外科醫生的金科玉律,一把刀、線、鉸剪,打開大道口進行手術,若遇上困難,就將切口開大一點,看清楚一點。

今天,微創手術讓外科醫學出現翻天巨變。腹腔鏡,應用高清技術;機械臂,則像外科醫生的手放進人體內進行手術;還有自然腔道內窺鏡手術,更是毋須開刀。

這些改變,關鍵就是科技應用,發展醫療工程,不純是醫學理論,還需要跨學科跨專業的合作。

中大醫學院助理院長及外科學系教授趙偉仁形容,二十多年間,手術科技發展就如火箭飛上月球一樣迅速。開腹年代,外科醫學是行師徒制,當年打結縫針沒有規範,「一個傷口,有人習慣縫一針,有人會縫三針,有人喜歡用絲線,有人則偏愛貓腸線,各師各法。」

微創手術的演變

廿六年前,香港醫學專科學院成立後,將外科訓練制度化,現在要成為外科專科醫生,六年醫學院畢業,再加六年外科訓練,學習基本執刀、執鉸剪的正確手勢,以及駁腸、駁筋的正確方法。「也不是每個手術也懂,受訓期間規定每半年要做一百個手術,主刀的比例隨年資增加,定期接受考核。」

他就是由醫專系統訓練出來的外科醫生。「我94年本科畢業,剛巧是開腹和微創手術交接時期。情況類似菲林和數碼相機的交替年代,我這一輩有打電子遊戲機經驗,較易上手,其實,拿兩把剪鉗,在電視下操作,相當困難。」

微創手術得以發展,源於當時推出了有足夠解像度的微型攝影機,可以把人體內清晰的影像投射至屏幕。

1990年6月,中文大學外科學系的鍾尚志教授與李國章教授,剛巧到倫敦出席醫學會議,發現醫療儀器公司展出一套微創手術儀器,他們馬上明白,微創手術是一個重要的新概念,能減少手術前後流血和感染的情況,而且傷口細小,病人身體功能亦能迅速恢復。

「當時所有現貨已被訂購一空,李國章幸運地買到最後一台。儀器到手,鍾尚志開班教學,最初用豬做實驗。雖然開腹的傳統技術根深柢固,但微創手術很快被病人接受。不過,很多病人誤會,微創手術等於小手術。其實,無論是微創或開腹手術,手術本質和步驟一樣,所以微創手術跟與傳統開放式手術的風險一致。」

2003年,趙偉仁到日本學習先進的胃癌治療技術,名為內視鏡黏膜下剝離術(ESD)。「傳統開腹手術,需要把部分胃部切除。ESD則不用任何切口,經口腔引入內視鏡將胃腫瘤切除。由於沒有體外的傷口,亦可以保留器官,胃腸功能不受影響。」

趙偉仁至今感念,世界胃癌權威、日本的井上晴洋教授如何將技術傳授予他。「師傅巡房和開會,全程用日文,我不懂日文,但從旁學習,每日工作十四小時。我不算聰明,但夠勤力。日本人就是pay attention to details,才會做得好,功夫是捱回來的。」他的努力,也取得井上晴洋的信任,讓他在2004年把相關儀器引進到中大。

不過,這個手術技術要求極高,因為內視鏡原先的設計,不是用來進行手術,只是用來觀察人體內部器官的病變;內視鏡手術要從口腔引入內視鏡和手術刀,等於只剩下單手做切割手術。「即使有豐富內視鏡經驗的醫生,第一次利用豬隻做實習時,穿孔機會率超過60%,所以醫生必須接受適當的培訓,但即使如此,仍有可能併發出血和穿孔,所以技術至今無法普及。」

醫生與工程師合作無間

趙偉仁說:「ESD技術面世後,內窺鏡發展得好厲害,轉化到深層次,由幾個窿變成一個窿,進而發展到從天然孔道進入體內的無創手術。」「自然腔道內窺鏡手術」就是利用一枝內藏內窺鏡和剪鉗等手術儀器的軟鏡,經自然腔道進入體內,毋須開刀。目前醫學界已成功進行經胃道切除膽囊以及經陰道切除盲腸的無創手術。

外科醫生亦開始主動邀請跨學科專家進行合作。2011年,中大聯同新加坡工程師研發出內視鏡機械人,並成功完成五宗ESD手術。「不過,機械人設計未盡完善,左右方不能對調,而且機械臂遮蓋了內視鏡部分視線,所以需要重新設計。」目前執世界牛耳的是美國發明的達芬奇機械臂,內設雙鏡頭,提供比肉眼更清晰的立體影像,機械臂有十三關節,比人手更靈活,適合做極複雜的手術,可說是為外科手術翻出了新的一頁。

中大的外科醫生與時俱進,一直尋求推展和應用新科技。「開頭的腹腔鏡,是看得到,但畫面如七十年代電視一樣,為了提升影像,我們跟生產力促進局合作,研發出腹腔鏡煙霧驅散器,保持鏡頭清晰。」

近年,趙偉仁亦與中大機械與自動化工程學系的系主任任揚教授合作。

兩人在中大的網球場上認識,閒談間,趙偉仁知道任揚教授正研究機械人寫中文、做藝術。趙偉仁便提出利用有關技術進行手術的可能性,因為兩者都牽涉一些細緻的活動和準確性。任揚十分認同,工程科技應該更廣泛地應用在醫療層面。「應用科技對醫療的幫助好大。」

「醫生擁有臨牀經驗,知道應用科技可如何改良。工程師有他們的技術,知道如可轉化,解決病人問題。問題在醫生手中,答案在工程師手裏。」趙偉仁說,希望有關合作同時能推動本土高端科技的研發與應用。

中大團隊憑內窺鏡機械人奪獎

他們第一個合作計劃,就是改善內視鏡黏膜下剝離術(ESD)現存的技術限制。「例如腫瘤超過2厘米,原有技術不能一次性切除,要分幾次,中間可能留下若干癌細胞,導致復發機會較高。剝離技術要在黏膜下層做分離,肌肉層下面的漿膜層只有3毫米厚度,如果刺穿腸胃道,會好大件事。

「初期設計的機械臂,太幼,不夠力;後來太粗,又放不入。除了粗幼,我們還要決定是否讓機械人擁有更多智慧(自動化),是否可以自行切割,決定落刀和力度,當然要把當中的誤差計算在內,其他譬如機械臂的拉扯方法,也是一門學問。」任揚說,經一輪反覆研發設計,最後的機械臂成品,直徑只有3.8毫米,可於細小狹窄空間內進行複雜動作。機械臂可向五個方向移動,前後左右,均無問題,不過,整個研發時間長達三年。

中大教授和學生團隊的心血並沒有白費,這個「內窺鏡手術機械人」最終奪得全球首個「環球創新醫學工程設計大賽」金獎。團隊成員之一、中大機械與自動化工程學系博士生劉家駿,三年前接手這項研究,他說:「香港很少大學進行內窺鏡機械臂研究,甚至連醫療工程也是新的研究項目。我們事前閱讀了大量資
料,知道ESD在醫學數據雖然有效,但好多醫生未能操作自如。」

劉家駿說,研究過程漫長,「組裝、摩打、設計,也要自己想辦法。準確控制剪鉗的力度和距離需要很多理論支持,因入面好多線,加上累積的誤差,要用數學模擬測試。」他說最難忘是用活豬進行實驗。「進入了豬胃,封閉環境,操控情況非常不同,失敗了,只好再試。」

後來加入的中大機械與自動化工程學系碩士生梁潤誼,則學到如何跟醫生溝通,明白醫生治病的需要和困難,以及如何解決真正會在醫療上碰到的難題。「傳統ESD的內窺鏡是鏡頭與工具連在一起,即鏡頭往哪個方向,工具就會跟隨該方向。我們的設計是『手同眼分開』,前端鏡頭及兩隻機械臂可分開獨立操控,更有利於醫生操作。」

他們均希望能將設計產品化,可是需求的貨量不足,投資有限,成本相對變得不菲。「我們不樂觀,這設計曾讓外國醫療公司看過,他們覺得很厲害,但醫療產品必須通過很多程序。」劉家駿說。

他說,創新科技署目前正鼓勵學校和公司合作,但本地生產醫療產品的公司不多。這也影響他們畢業後的發展。「醫療工程需要精細的零件,但香港缺乏這些零件,所以不得不從外國購買或訂製,等候時間很長,偏偏科研要跟時間競賽,往往我們想好了的,人家已經開始製造了。」梁潤誼說。

 

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