衛福部研發技術成果快訊-智能影導式針頭穿刺術
2001-06-09技術名稱
智能影導式針頭穿刺術
執行團隊國立陽明交通大學 郭文娟 特聘教授 團隊
技術摘要
特色與說明
臨床醫療手術中常涉及使用不同類型針頭的組織穿刺步驟的程序。本技術為可使用於針頭內的非侵入式光學切片術，能即時顯示光學針頭針尖所在的組織斷層影像，結合人工智慧影像自動辨識能自動推測穿刺針所在的組織位置，目前已成功開發用於腹腔鏡氣腹建立、硬膜外麻醉手術、以及神經周邊麻醉等目的。
技術強項與優勢
本技術採用非接觸，無游離輻射及不需標定螢光或施打對比劑的光學式斷層影像技術並設計微小光學探頭（直徑0.9毫米），可結合14號～18號針頭提供臨床穿刺程序中即時針尖所視斷層影像，並完成活體動物實驗，證實可大幅提升穿刺準確度與安全性，減少較無經驗的醫師穿刺失誤次數，以及降低併發症及因失誤造成的延長住院時間。
開放哪些合作項目
共同開發、技轉、共同新創公司、產學合作等各種合作模式都可洽談
技術內容
臨床醫療手術中常涉及使用不同類型針頭的組織穿刺步驟的程序，以硬膜外麻醉，腹腔鏡手術和顱骨鑽孔手術為例，這些程序在美國每年可導致至少30,000多例併發症。目前臨床方法缺乏利用影像提供穿刺針自動定位的方式，讓使用者可以依據影像辨識位置將可讓穿刺過程更加安全。我們研發一種光學針頭，可結合臨床上使用的針頭（14號～18號）使用。採用光學斷層影像技術結合此光學探頭(直徑0.9毫米，前端裝置面鏡使光點側向出光)且搭載馬達機構旋轉，進而達到側向光點掃描。雷射光點從光學針頭前端側面射出掃描（圖一所示）。使用者可持光學針頭進行臨床穿刺手術。當光學針插入組織的過程中，光學斷層影系統能即時顯示光學針頭針尖所在的組織斷層影像。因此，利用即時斷層影像，可即時反推測出光學針頭所在的組織位置部位。利用此技術，能克服使用者在臨床的經驗不足以及手感欠佳的情況，目前本團隊已成功開發此技術用於腹腔鏡氣腹建立、硬膜外麻醉手術、以及神經周邊麻醉等目的，並完成活體動物實驗，證實可大幅減少較無經驗的醫師穿刺失誤次數，以及降低併發症及因失誤造成的延長住院時間。
但由於影像識別對每個人都具有主觀的意識判斷。因此我們也將擷取到的影像資料匯整到資料庫，再找出組織的影像特徵，並以機器學習的方式進行影像自動化的分類。最終可以客觀的方式提供針頭所在的位置，以輔助使用者達到準確的穿刺程序，達到精準定位與安全需求，可大幅降低傳統穿刺步驟失敗率及其他併發症。
圖1：光學針探頭系統。
本團隊所開發之探針光學同調斷層掃描術(Needle probe OCT)技術，最早於2015年發表於麻醉學科Top ranking期刊中，我們使用光學探針影像系統結合臨床上使用的硬膜外針頭（18號），進行硬膜外麻醉穿刺術的動物實驗，當使用者持光學探針進行穿刺的過程中，會即時產生光學斷層影像。不同組織結構會有不同的光學影像（圖二所示）。因此，使用者可以利用影像來辨別針頭所在的位置。但由於每個人對影像識別都具有主觀的意識判斷。因此我們將擷取中的影像找出特徵，並且使用接收者操作特徵曲線（receiver operating characteristic curve，ROC曲線）分析有效特徵值（圖三右圖所示）。之後放入五種不同分類法進行分類（圖三左圖所示）找出最佳分類器。最終可以客觀的方式提供針頭所在的位置，以輔助使用者達到準確的穿刺程序，達到個人化精準定位與安全需求，可大幅降低傳統穿刺針失敗率及其他併發症。
圖2：動物實驗-穿刺硬膜外組織中的光學斷層影像。分別為肌肉組織、黃韌帶 (LF)和硬膜外空腔(ES)。
圖3：左圖為流程圖，包括訓練和測試過程。 QSVM：二次支持向量機，LSVM：線性支持向量機，QDA：二次判別分析，LDA：線性判別分析，KNN：K-最近鄰。，右圖為ROC曲線分析不同影像特徵值。
相同的想法可以用於其他醫學領域，例如周邊神經阻斷術，目前也已成功完成動物驗證。周邊神經阻斷術目標是把麻藥打入肌肉與肌肉間的筋膜層，因為周邊神經位於筋膜層中，因此精準把針頭穿刺於筋膜層中是非常重要的。在動物實驗中，使用的超音波可以識別動物腹部的肌肉的三層結構，但在準確定位針尖方面仍受到限制（圖四左圖所示）。當使用我們所發展的光學影像探針系統時，可以發現在光學影像中，肌肉組織和筋膜層影像結構有所不同，肌肉組織、筋膜組織和筋膜間脂肪組織可通過光學影像探針系統進行區分。因此，光學探針系統影像可以作為超音波的輔助引導圖像，以確認針尖位置。儘管我們的研究結果表明光學影導探針系統識別筋膜和周圍組織的可行性以及此類方法可用於臨床實踐，但仍需要對其他周圍神經阻滯和人類受試者進行額外研究。而人工智能輔助可以進一步提高診斷準確性。
圖4：左圖為超音波影像，右圖為肌肉與筋膜層的光學探針系統影像。
在臨床醫學上，穿刺的手術不僅限於硬膜外麻醉手術，還有許多手術需要用到針頭穿刺這個步驟(如圖五)。本技術特點是能實際看到針尖附近的組織結構，因此在年老或困難病人(壓力差小)的人身上有優勢。本技術尤其對於肥胖、脊椎變形、兒童等患者，具有提升穿刺安全性之作用，並可降低併發症來提升服務品質，另藉由AI人工智慧自動辨識影像技術的輔助，也可更準確施行穿刺，目前市面上並無同功能競爭者及產品。
圖5：影導式針頭穿刺技術的應用領域。
團隊簡介
計畫主持人國立陽明交通大學生醫光電研究所 郭文娟 特聘教授/校區副研發長
團隊成員郭文娟、高孟群、丁乾坤、黃逸峰、鄧維儂
技術合作聯絡人郭文娟
電話:02-28267950
Email: kuo@nycu.edu.tw