醫療機械人先鋒造福醫患
公佈於2021年02月10日

歐國威教授是2002年裘槎獎學金得主,亦是國際認可的醫療及手術機械人科技先鋒,為失去腿部的人士成功跨出一大步。

他參與發明的革命性機械腳踝義肢(robotic ankle foot prosthesis)成為世界領先的商業產品——PowerFoot One。最近,他又參與設計一個細小機械人輔助導管(robot-assisted catheter),協助外科醫生進行肺結節活體組織切片以篩檢癌症。

歐教授於美國麻省理工學院修畢機械工程博士課程後,在矽谷企業工作8年,學習行內專業知識。他現為香港中文大學機械與自動化工程學系副教授,熱愛研究工作,目前正尋找手術機械人的研究新方向。

歐教授對機械人研究的興趣源於他在香港中文大學修讀學士學位時一節啟發性的課堂,該課堂由現任香港中文大學(深圳)校長徐揚生教授教導。

徐教授當年剛從美國回港加入香港中文大學時,曾向學生講解他的機械人學(robotics)工作。對歐教授而言,那是一次改變他生命的經歷——他看過徐在美國卡内基梅隆大學(Carnegie Mellon University)完成組裝的各類機械人片段後,激發他對機械人熱烈的興趣,同時亦讓他的職業生涯道路變得清晰起來。

歐教授在香港中文大學修畢碩士課程後,到麻省理工學院花超過7年的時間攻讀博士課程。他和指導教授休赫爾教授創造了突破性的機械腳踝義肢原型,模仿生物腳踝的活動,開創了歐教授的職業方向。

歐教授說:「我們找到舊有文獻,顯示操作傳統義肢比操作人體四肢需要多三成的力量。」麻省理工學院的研究團隊投放大量時間,研發一款輕巧而又能夠提供足夠力量的機械,他說:「這是一項挑戰。」

在眾多截肢者身上測試機械腳踝義肢原型後,研究人員發現原型比傳統被動型義肢節省兩成步行代謝成本(metabolic cost)。此外,原型能夠讓使用者走得更快、更有力,並能夠在不同步速下保持自然的步態。

麻省理工學院的機械腳踝義肢獲《時代雜誌》選為2007年度最佳發明之一,其後由電子公司iWalk, Inc生產。

成功完成博士課程後,歐教授注意到機械人改善手術治療的無限可能,決定專注手術應用的研究工作。他又選擇踏足業界,加入位於加州矽谷中心森尼維爾市的直覺手術公司(Intuitive Surgical, Inc)。

直覺手術公司是研發機械人手術系統的領航者,而該公司的達文西系統(da Vinci system)是首批獲得美國食品藥品監督管理局(FDA)認可的機械人輔助微創手術系統。

雖然公司獲得權威認證,但歐教授表示加入業界是一個「艱難的決定」。他才剛離開學術界,就發現業界與學術界存在巨大差異,他在公司主要研究如何把機械人製作成適合用家使用的穩定商業產品,而不是製作樣本或用以驗證的概念模型。

不過,歐教授最大的目標是在現實生活中應用機械人科技,所以他還是接受了直覺手術公司的挑戰突破不可能。他說:「我只知道他們想製作一個全新版本的達文西系統,所以我們在2008年做的……就是想辦法突破手術機械人的極限。」

隨後的8年,他協助公司創造了兩個新的達文西平台——ION及單創口(Single-Site)。其中達文西ION是一個全新的平台,為診斷早期肺癌而設計,並於2019年2月獲批成爲商業產品。

ION系統由細小的機械輔助導管組成,讓醫生得以在肺外周邊區域進行準確的肺結節活體組織切片。精準的機械輔助導管外圍直徑少於4毫米,從人體自然腔道進入身體後可以90度全方位轉動,使外科醫生能夠引導導管穿過細小和曲折的氣管,到達肺結節。

2019年9月起,美國加州El Camino Health的外科醫生開始為病人提供機械人肺結節活體組織切片檢查。

然而,早在2016年時歐教授已經決定出任現時香港中文大學機械與自動化工程學系的職位,他表示:「我們必須持續在業界及學術界學習,因此我決定重返學術界。」

歐教授在香港中文大學的主要目標是要製作一個低成本的手術機械人,提高外科醫生和病人接觸機械人手術科技的機會。

他説:「這是我的個人愛好和任務。現在製作一個普通的手術機械人的成本就像製造一部法拉利賽車一樣高昂,窒礙了公衆享受機械人手術帶來的好處。我相信我們需要更努力去研發手術機械人系統中的寶馬或本田,讓更多病人能夠檢視這個科技。」

具體來說,歐教授正研究更精準的機械人,用以進入細小、密閉的竇腔(sinus cavity)以進行耳朵、鼻子和喉嚨(耳鼻喉)手術。要達到目的,他正著手研發更小型的機械人和不同類型的工具,以高準繩度進入和修補體內組織,同時減低創傷和間接傷害。

歐教授表示,以被動卻靈活的導管為例,它的準繩度較低,只適合打開球囊等工作:「但如果我們為導管加添電動的控制功能,使操作更精準,就可以提高手術工具的性能。」

歐教授解釋,未來只需要利用病人的自然腔道進行手術,再無需要開刀,而且整個手術過程將會全自動化。事實上,他預測某些耳鼻喉手術可以於5年內做到上述的效果,其他類型的機械人手術則需要20至25年。

為了推動這個醫療革命,歐教授與香港中文大學的趙偉仁教授合作,一同擔任香港科學園創新香港計劃旗下的「醫療機械人創新技術中心」聯席主任。中心將於2020年啟用,旨在縮小工程知識和臨床專業之間的差距,並鼓勵創新。歐教授和趙教授早前已與國外大學簽署合作協議,當中包括約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)、倫敦帝國學院(Imperial College London)以及蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)。

創新香港是一項港幣100億的資助計劃,支持本地及海外的頂尖大學提升香港的研發能力,並加快生產研發成果的產品和技術轉移。歐教授說:「我可以把業界的經驗帶回學術界。」這次終於可以協助香港科研邁出一大步。

歐國威教授現任香港中文大學的機械與自動化工程學系副教授。加入香港中文大學之前,他是直覺手術公司產品開發部的系統分析經理。歐教授分別於1997年及1999年在香港中文大學取得機械與自動化工程學系的工程學士學位及哲學碩士學位。他於2002年取得裘槎獎學金,到美國麻省理工學院進修,並於2007年完成博士課程。歐教授是超過12篇經過同行評審的手稿和會議期刊的作者和聯席作者,而且有逾20項申請中的專利。他的發明和研究曾刊登於各大媒體,包括《紐約時報》和《科技評論》(Technology Review)。他獲獎無數,包括2007年美國機械工程師學會大學生機械設計比賽(Student Mechanism Design Competition)第一名、2010年直覺手術公司解難獎,以及2011年直覺手術公司發明家獎。歐教授於2002年取得裘槎獎學金。

廷伸閱讀:

  1. 歐國威教授的個人專頁(裘槎基金會):https://scholars.croucher.org.hk/scholars/au-kwok-wai-samuel
  2. 歐國威教授的個人專頁(香港中文大學):https://www4.mae.cuhk.edu.hk/peoples/au-kwok-wai-samuel/