壓電作動磁共振兼容手術(shù)機器人的研究進展

時運來，林瑜陽，張 軍

(南京航空航天大學(xué) 機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

全面建成小康社會的目標(biāo)離不開全民健康這一基礎(chǔ)，而健康事業(yè)是我國目前面臨的一個重大問題。當(dāng)前，在優(yōu)質(zhì)醫(yī)療設(shè)備大多靠進口而進口醫(yī)療器械又很昂貴的現(xiàn)實面前，有待于通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)主流醫(yī)療器械和裝備的國產(chǎn)化，解決看病貴的難題?！笆濉币?guī)劃中，高端醫(yī)療器械和手術(shù)機器人的創(chuàng)新發(fā)展已被列為國家重點發(fā)展的方向之一。

在眾多高端醫(yī)療器械中，基于實時圖像導(dǎo)航的手術(shù)機器人是當(dāng)前研究的重點和熱點之一。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，由成像技術(shù)引導(dǎo)的手術(shù)具有更好的可視性，出色的診斷能力和更好的定位能力。特別是對于腫瘤患者的微創(chuàng)外科手術(shù)而言，粒子劑量放置位置的準(zhǔn)確性與手術(shù)軌跡規(guī)劃的實現(xiàn)程度密切相關(guān)，而手術(shù)軌跡規(guī)劃的精確執(zhí)行依賴于成像技術(shù)的精確導(dǎo)航。當(dāng)前，外科手術(shù)采用的成像手段主要有X線成像(包括CT成像和DSA成像)、超聲波成像(US)和磁共振成像(MRI)。各成像手段各有優(yōu)缺點，其中，MRI技術(shù)與其他成像技術(shù)相比具有獨特的優(yōu)勢。MRI通過在磁場下識別水分子中共振氫原子信號的分布獲得圖像，與X線相比，MRI無電離輻射，不需注射造影劑，不會對患者及操作者帶來放射性傷害。與超聲探測技術(shù)相比，MRI能提供精確的解剖信息，且X線和超聲設(shè)備對病變組織邊緣分辨率低，這兩種影像設(shè)備測量出的癌細(xì)胞病灶點的影像值與病理結(jié)果的匹配度遠(yuǎn)低于MRI檢測結(jié)果的匹配度，在手術(shù)時會殘留許多小面積的病變細(xì)胞，給患者的健康埋下隱患。MRI提供的信息量大，可以直接顯示出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像。目前，影像導(dǎo)航下的介入性手術(shù)所采用的導(dǎo)航方式大多是采用X線影像技術(shù)，該方式雖然把醫(yī)生從惡劣的手術(shù)環(huán)境中解放出來，但患者仍難以避免長時間承受X線輻射的狀況，這于患者而言更是雪上加霜。為此，開展對人體無傷害的MRI導(dǎo)航下的磁共振兼容作動機器人系統(tǒng)的研究非常有意義[1-5]。

醫(yī)療機器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)(包括機構(gòu)、控制、傳感、人機交互和材料等)與傳統(tǒng)機器人無太大差別，但針對受限空間和特殊環(huán)境下的醫(yī)療應(yīng)用，就要擺脫傳統(tǒng)工業(yè)機器人的“影子”，實現(xiàn)機器人“輕量化、精密、靈巧和操作環(huán)境兼容性好”的創(chuàng)新設(shè)計，而此目標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵是機器人驅(qū)動方式的創(chuàng)新?；贛RI導(dǎo)航特性的優(yōu)勢，國外眾多科研機構(gòu)開展了MRI導(dǎo)航微創(chuàng)手術(shù)機器人的研究工作。在磁共振成像環(huán)境中，機器人研究面臨著受限空間下的機器人構(gòu)型和強大磁場下的機器人兼容問題。此兩方面最后均聚焦在一個問題上，即機器人驅(qū)動方式的選擇。磁共振的高磁場環(huán)境下，鐵磁材料形成的渦電流和控制線路所產(chǎn)生的輻射噪聲會影響成像質(zhì)量。因此，含有鐵磁材料的設(shè)備無法使用，傳統(tǒng)電機在高磁場環(huán)境下會因受到磁場干涉的影響而失去控制。目前，適合在磁共振環(huán)境中應(yīng)用的驅(qū)動主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和壓電電機驅(qū)動。其中，壓電電機是一種基于新型原理的特種電機，不同于傳統(tǒng)電磁電機，其無需磁場和繞組，工作所產(chǎn)生的磁場非常小且運行不受磁場影響，具有低速大推力/力矩，質(zhì)量小，慣性小，響應(yīng)快，斷電自鎖和定位精度高的特性。同時，壓電電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，形狀多樣(如圓盤形、方形、圓環(huán)形、圓柱形等)，其效率并不隨電機尺寸的減小而大幅降低。這些特點實現(xiàn)了醫(yī)療機器人“輕量化、精密、靈巧和操作環(huán)境兼容性好”的創(chuàng)新設(shè)計特別需求。

自20世紀(jì)80年代開始，日本、以色列、德國、美國等相繼開始了壓電電機的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并逐步在科學(xué)研究、工業(yè)控制、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。為了滿足MRI導(dǎo)航下醫(yī)療機器人對作動器的需求，德國PI公司、以色列NANOMOTION公司和美國ACTUATED MEDICAL公司專門研究開發(fā)了核磁兼容型壓電電機產(chǎn)品和相應(yīng)的利用該類電機產(chǎn)品開發(fā)的磁共振兼容裝置。自20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)多家高校和研究機構(gòu)進行了壓電電機的研究工作。到目前為止，基于磁共振兼容需求而開展的磁共振兼容壓電電機技術(shù)及其在醫(yī)療機器人方面的應(yīng)用研究工作尚處在萌芽階段。國內(nèi)一些研究機構(gòu)研制的多種類型的醫(yī)療機器人，為了提高操作精度，常采用混合驅(qū)動的方式，除了采用液壓驅(qū)動或氣壓驅(qū)動方式外，部分采用了壓電電機，但由于很難買到國外生產(chǎn)的磁共振兼容壓電電機，往往購買到的壓電電機的磁共振兼容性并不理想，且其電機的結(jié)構(gòu)形式較單一，不能根據(jù)需求進行專門設(shè)計。為此，結(jié)合醫(yī)療發(fā)展的應(yīng)用需求、核磁導(dǎo)航介入機器人對驅(qū)動方式的需求和壓電電機本身特性與結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活的特點，開展一種基于壓電作動驅(qū)動方式的MRI導(dǎo)航介入機器人的研究，將具有重大的研究價值和應(yīng)用價值。

1 磁共振兼容機器人的研究進展

MRI導(dǎo)航機器人的研究始于20世紀(jì)80年代末。第一臺可在強磁場中工作的磁共振兼容機器人由Masamune等于1995年研制成功。機器人系統(tǒng)采用超聲電機驅(qū)動，系統(tǒng)框架由聚對苯二甲酸乙二酯(PET)制成，應(yīng)用于神經(jīng)外科的針刺動作，實驗顯示其總體精度約在3.0 mm[6]。1999年，Chinzei等定義了用于描述設(shè)備MR兼容性的4個區(qū)域，給出設(shè)備影響成像質(zhì)量的6種情況，并提出MR兼容機電系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則[7]。進一步設(shè)計了一種用于協(xié)助微創(chuàng)手術(shù)的磁共振兼容機器人，該機器人采用順磁材料制成，由超聲電機驅(qū)動，傳感器及其電路與MR掃描腔保持一定距離以降低噪聲干擾。該機器人不受強磁場影響，其運動對成像基本無影響，在當(dāng)時顯示出極好的磁共振兼容性[8]。自2000年開始，眾多用于核磁環(huán)境的機電設(shè)備紛紛出現(xiàn)[9-10]，磁共振兼容機電系統(tǒng)的功能范圍得到了擴展，如面向神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)研究用的功能型MRI(fMRI)機電系統(tǒng)[11-13]、面向輔助醫(yī)療裝置的機電系統(tǒng)(如工具定位器)[14]、微創(chuàng)介入機器人系統(tǒng)[15]、用于MRI彈性成像的機械振動器[16]、利用磁場進行藥物輸送的裝置[17]和導(dǎo)管操作裝置[18-21]等。

1.1 磁共振兼容機器人的驅(qū)動方式

在磁共振兼容機器人系統(tǒng)中，常用的作動系統(tǒng)主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和壓電電機驅(qū)動。2002年，Kim等利用電-液壓驅(qū)動開發(fā)了一種用于肝臟微創(chuàng)手術(shù)的磁共振兼容六自由度操作臂[22]，可在磁極間距為450 mm的開放式核磁成像設(shè)備中工作。2008年，Kokes等采用液壓機構(gòu)設(shè)計了一種用于射頻消融治療的單自由度MR兼容針刺機器人[23]，閥體和液壓動力單元及其他核磁不兼容的部件置于控制室內(nèi)，通過液壓線路連接到掃描室內(nèi)，以保證圖像和核磁不兼容部件之間不受影響。液壓驅(qū)動輸出力矩大，慣性小，抗干擾性強，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于手術(shù)機器人的小型化，且由于液體的可壓縮性和液壓閥的非線性特性，液壓驅(qū)動方式僅適用于低頻應(yīng)用場合而不適用于高帶寬控制的場合。

2006年，美國Johns Hopkins大學(xué)研發(fā)了在3T磁場下工作的執(zhí)行前列腺針刺手術(shù)的核磁導(dǎo)航機器人系統(tǒng)，該機器人采用氣動步進馬達驅(qū)動，脈沖輸出均勻，且具有優(yōu)異的磁共振兼容性，可在受限空間下進行前列腺的活檢和粒子植入操作[24]。2008年，Bricault等開發(fā)了一種基于氣動的五自由度穿刺機器人，系統(tǒng)由一個三自由度針夾持器和一個二自由度支架組成，由4個驅(qū)動器在皮帶輪的輔助下實現(xiàn)二自由度支架的運動，每個驅(qū)動器均由兩個活塞缸體組成[25]。氣壓驅(qū)動相較于液壓驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)緊湊、低成本和潔凈的優(yōu)點，氣體的粘度小，流阻和壓力損失少，反應(yīng)速度快，具有良好的自保持能力，但整體剛度低，操作過程中常伴有抖動和過沖現(xiàn)象，控制精度差，移動精度低，不適用于高寬帶控制的場合。

壓電電機是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新型電機，它突破了傳統(tǒng)電磁電機的概念，無繞組和磁路，不依靠電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能量，是一種全新原理和全新結(jié)構(gòu)的電機。其利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化成定子振動能，再將材料的微觀變形通過機械振動放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運動。壓電電機的能量轉(zhuǎn)換過程理論上不產(chǎn)生磁場，不受MR強磁場影響，具有優(yōu)異的磁共振兼容特性，是MR環(huán)境下較理想的驅(qū)動方式。

此外，靜電驅(qū)動利用介電弛豫原理和電容可變原理，不與MRI產(chǎn)生相互干擾，但靜電式電機由三相交流高壓電源驅(qū)動，在外科手術(shù)中難以解決相應(yīng)的電源電路問題[26]。聚合物電致伸縮驅(qū)動采用二元聚合物為原料，不需反饋傳感器的運動控制，構(gòu)建材料為塑料，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可在MR環(huán)境中運行而不影響圖像質(zhì)量，但其性能有待進一步探討[27]。另外，將傳統(tǒng)電機和傳感器、控制單元等核磁不兼容部件置于遠(yuǎn)離磁場的位置，通過柔性軸和電纜傳遞動力和信號，但二者之間動力的傳輸距離較長，難以保證整理的高剛度和高傳動效率[28]。

綜上所述，磁共振兼容機器人驅(qū)動方式的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 MR兼容機器人驅(qū)動方式特性比較

1.2 核磁環(huán)境下壓電作動機器人

自20世紀(jì)90年代始，日本學(xué)者便開展了MRI導(dǎo)航下基于壓電作動器的各種操作機器人的研究[29-36]。2004年，Hata等采用日本Shinsei公司生產(chǎn)的USR60型超聲電機開發(fā)了一種MRI導(dǎo)航下用于肝臟溫?zé)岑煼ǖ娜杂啥柔槾虣C器人[32]。該機器人系統(tǒng)的定位精度達到0.13 mm。整體結(jié)構(gòu)采用不銹鋼、銅和陶瓷材料，機器人工作時，MR成像信噪比(SNR)最大降低了19.4%，具備了較好的MR兼容性。2007年， Mashimo等利用球形超聲電機開發(fā)了一種MRI導(dǎo)航的用于活檢的三自由度機器人[34]，如圖1所示。

圖1 Mashimo等研發(fā)的MRI導(dǎo)航三自由度機器人

針對核磁環(huán)境，對球形超聲電機進行重新設(shè)計，采用非磁性材料，由3個環(huán)形定子和1個球形轉(zhuǎn)子構(gòu)成，直徑為?26 mm。電機在1.5 T的MR環(huán)境下開啟時，MRI設(shè)備的成像SNR降低了27.6%。2008年，Elhawary等采用PiezoLEGS公司生產(chǎn)的壓電作動器開發(fā)了一種用于經(jīng)會陰前列腺穿刺的三自由度機器人[35]，整體結(jié)構(gòu)采用聚甲醛樹脂等材料。機器人工作時，MR成像SNR最大降低了9.1%。2008年，Gregory等針對Shinsei公司、Nanomotion公司的超聲電機驅(qū)動和汽缸驅(qū)動三類機器人驅(qū)動技術(shù)的磁共振兼容性進行成像質(zhì)量對比分析[36]，改變控制器的放置位置和磁場強度，分別測量三類電機的MR成像SNR。實驗結(jié)果表明：氣動驅(qū)動時成像具有較好的SNR，壓電電機驅(qū)動時雖然SNR較低，但可以和掃描儀在適當(dāng)交替工作情況下實現(xiàn)手術(shù)操作功能。

近年來，隨著壓電作動器技術(shù)的逐步成熟，以壓電作動器作為驅(qū)動方式的磁共振兼容手術(shù)機器人得到了廣泛地發(fā)展[37-46]。其中，Khanicheh等設(shè)計了一種基于電流變液的制動裝置和壓電作動器相結(jié)合的微創(chuàng)手術(shù)機器人[37]，實現(xiàn)了對執(zhí)行機構(gòu)輸出力與力矩的可控調(diào)節(jié)及力/觸覺再現(xiàn)。Su等研究了一種基于壓電作動器驅(qū)動的用于前列腺治療的六自由度針刺手術(shù)機器人[38-39](見圖2)，在3 T場強的MRI設(shè)備中，該機器人工作時，對MRI的連續(xù)實時導(dǎo)航未產(chǎn)生任何影響，MR成像SNR損失在2%之內(nèi)。Raoufi等開發(fā)了一種采用超聲電機驅(qū)動的MRI神經(jīng)手術(shù)針刺機器人[40](見圖3)，采用主從機器人操作模式，主平臺為六自由度Stewart平臺，調(diào)整針刺角度和入刺點，從操作手實現(xiàn)針刺和針體轉(zhuǎn)動二自由度運動。該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)手術(shù)中的熱燒灼消融術(shù)、高頻消融術(shù)及目標(biāo)點粒子植入等不同功能。

圖2 Su等研制的壓電電機驅(qū)動用于前列腺治療的微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)

圖3 Raoufi等研制的神經(jīng)外科針刺手術(shù)機器人

2010年，Sato等采用超聲電機開發(fā)了一種二自由度針刺機器人[41]，并采用鋁片和金屬絲網(wǎng)管對超聲電機進行了屏蔽處理，測試結(jié)果顯示，MR成像SNR最大降低了1.2%。2010年， Axel Krieger等采用Nanomotion公司生產(chǎn)的HR型壓電直線電機開發(fā)了一種用于前列腺治療的針刺機器人[42](見圖4)，該針刺機器人采用多臺HR1和HR4型直線壓電電機分別實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)運動和直線運動，電機運行時，MR圖像的SNR降低40%～60%。同年，加拿大Engineering Serverce公司和Toronto大學(xué)聯(lián)合，采用了日本Shinsei公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)型壓電電機開發(fā)了一種核磁成像引導(dǎo)五自由度前列腺手術(shù)針刺機器人[43](見圖5)，在距離磁共振成像設(shè)備內(nèi)腔中心點僅0.3 m的位置，其定位誤差仍低于1.2 mm。

圖4 美國Axel Krieger等利用HR型壓電電機開發(fā)的手術(shù)機器人

圖5 Andrew等研制的手術(shù)機器人

2015年，G Li等研制了一種采用PiezoLEGS公司生產(chǎn)的壓電電機為驅(qū)動裝置的MRI導(dǎo)航下立體定向神經(jīng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)[47](見圖6)，該機器人系統(tǒng)模仿手動立體定向框架的功能和結(jié)構(gòu)，包括3個直線壓電電機驅(qū)動的笛卡爾坐標(biāo)直線運動模塊，2個旋轉(zhuǎn)壓電電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)運動模塊以及1個手動導(dǎo)管引導(dǎo)模塊，機器人與成像設(shè)備同時工作時，系統(tǒng)的SNR變化低于15%，幾何失真低于0.2%，不影響圖像功能，定位精度的均方誤差僅為(1.38±0.45) mm。2015年，F(xiàn)abrizio Sergi等開發(fā)了一種采用行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機驅(qū)動MR兼容的手腕機器人系統(tǒng)[48]，如圖7所示。機器人在MR掃描腔內(nèi)運行軌跡的最大誤差在0.5 mm以內(nèi)，具有較好的跟蹤性能，但成像質(zhì)量有一定降低。

圖6 G Li等研制的針刺機器人

圖7 Fabrizio Sergi等開發(fā)的手腕機器人

2016年，Su等研制了一種壓電電機驅(qū)動的導(dǎo)管插入六自由度機器人[49]，該機器人可以實現(xiàn)與磁共振成像設(shè)備同時工作，且對成像質(zhì)量的影響可忽略不計。2016年，Eslami等研制的一種用于前列腺腫瘤治療的四自由度針刺機器人[50]，也是采用壓電電機進行作動，實驗結(jié)果表明，壓電電機的磁共振兼容性好，且操作精度和可靠性都得到了提高。同年，Tavallaei等對超聲電機驅(qū)動的運動平臺在核磁環(huán)境中的應(yīng)用進行了評估[51]，平臺的定位誤差為(0.025±0.021) mm，且不影響成像質(zhì)量。

目前，國內(nèi)MRI導(dǎo)航介入手術(shù)機器人的研究還處于起步階段。2008年，洪在地等利用超聲電機作為驅(qū)動單元進行了一種用于神經(jīng)外科手術(shù)的核磁導(dǎo)航機器人的開發(fā)嘗試[52]。該機器人采用串、并聯(lián)模式設(shè)計，有3個自由度，采用壓電電機驅(qū)動，可與MRI交替工作。2012年，郭杰等開發(fā)了一種基于氣缸和超聲電機聯(lián)合驅(qū)動的五自由度用于前列腺針刺的手術(shù)機器人[53]，針刺精度達到0.91 mm。孟紀(jì)超等開發(fā)了一種全氣動驅(qū)動的六自由度穿刺定位機器人[54]。Yang和Jiang等設(shè)計了核磁環(huán)境下電機驅(qū)動絲傳動方式的機器人[55-56]。姜杉等對截至2012年的國內(nèi)外主要的磁共振兼容驅(qū)動方式的技術(shù)難點進行了總結(jié)，并指出該領(lǐng)域的發(fā)展方向[57]。目前，國內(nèi)關(guān)于磁共振兼容型壓電電機及其驅(qū)動的MR兼容機器人系統(tǒng)的研究尚未報道。

2 磁共振兼容壓電電機的研究進展

壓電電機無繞組和磁路，不依靠電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能量，原理上適用于核磁環(huán)境的驅(qū)動，但由于其包含由核磁不兼容材料構(gòu)成的零部件，傳統(tǒng)壓電電機在實際運行中依會對核磁成像產(chǎn)生影響。Masamune等開發(fā)了基于超聲電機用于肝癌診斷中活檢針輔助定位的開放式磁共振兼容機器人，但實驗結(jié)果表明超聲電機造成了19.4%的圖像惡化[58]。Larson等開發(fā)了一個由超聲電機驅(qū)動的MRI導(dǎo)航微創(chuàng)乳腺介入治療機器人系統(tǒng)，但電機外殼含有核磁不兼容物質(zhì)，使成像質(zhì)量受到影響，為此，將電機固定于遠(yuǎn)離磁場1 m的位置，解決了噪聲對圖像的干擾[59]。Christoforou等設(shè)計了基于超聲電機的七自由度外科手術(shù)機械臂，并將電機、電源和控制線路置于MRI掃描儀所在空間的一個法拉第籠里，用多層鋁制護套隔離所有導(dǎo)線，并將產(chǎn)生噪聲的部件進行接地保護，實驗結(jié)果表明電機與MRI設(shè)備之間不產(chǎn)生干涉[60-61]。

為此，國外一些公司專門開展了用于核磁環(huán)境的壓電電機的研制工作。以色列Nanomotion公司專門設(shè)計了MR兼容的直線壓電電機，并由此研發(fā)了一種采用16臺HR2型直線壓電電機驅(qū)動的應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)的操作手，如圖8所示。Noliac公司專門開發(fā)了MR兼容的旋轉(zhuǎn)型壓電電機(見圖9)，在磁場強度為3 T的西門子核磁成像設(shè)備中進行的兼容性測試表明：該電機工作時幾乎對成像質(zhì)量無影響，且該電機在工作時也不受高磁場的影響。法國Cedrat Technology公司致力于開發(fā)MR兼容的微型壓電電機(見圖10)。Actuated Medical公司開發(fā)了一種磁共振兼容旋轉(zhuǎn)型壓電電機(見圖11)，在轉(zhuǎn)速為100 r/min時，其輸出力矩達到1.5 N·m，最大堵轉(zhuǎn)力矩達到2 N·m。壓電電機在運行時，對核磁成像會產(chǎn)生一定的影響[36]，為此，多位學(xué)者通過改變電機材料、調(diào)整安放位置等方式，有效降低了壓電電機與核磁圖像之間的干涉[62-63]。2015年，Bannan等開發(fā)了一種應(yīng)用于針刺手術(shù)的磁共振兼容二自由度壓電作動器[64](見圖12)，作動器基于壓電蠕動原理，實現(xiàn)尺寸最小化，輸出力最大化，同時實現(xiàn)微米級刺入精度，其材料為具有較高剛度和強度的鈹銅合金，可實現(xiàn)圖像損壞的最小化，提高成像表現(xiàn)，作動器可實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運動，其直線運動速度可達5.4 mm/s，旋轉(zhuǎn)速度可達10.5 r/min。2016年，美國Soliman A等對加拿大Modus QA 公司生產(chǎn)的壓電電機在磁場強度為3 T的磁共振成像儀的運行效果進行了評估[65]，試驗結(jié)果表明電機運行具有較好的磁共振兼容特性。

圖8 Nanomotion研制的MR兼容直線壓電電機及其驅(qū)動的操作手

圖9 Noliac公司生產(chǎn)的MR兼容旋轉(zhuǎn)型壓電電機及MRI測試

圖10 法國Cedrat Technology開發(fā)MR兼容微型壓電電機

圖11 Actuated Medical公司開發(fā)的MR兼容旋轉(zhuǎn)型壓電電機

圖12 Bannan等研制壓電針刺作動器

3 總結(jié)和展望

綜上所述，國內(nèi)MRI 兼容介入手術(shù)機器人的研究才剛起步，相關(guān)技術(shù)尚不成熟，需要進一步發(fā)展和完善：首先，核磁環(huán)境中機器人組件的磁共振兼容性問題是制約其發(fā)展的關(guān)鍵要素；其次，核磁環(huán)境中操作空間受限問題需要開發(fā)更靈巧的新型機構(gòu)；最后，核磁環(huán)境中機器人臨床手術(shù)的精度問題需進一步提高才能保障手術(shù)的安全性。壓電電機本身具有的結(jié)構(gòu)特征(結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、直接驅(qū)動無需減速機構(gòu))和獨特特性(低磁場產(chǎn)生且工作不受磁場影響，定位精度高，低速大推力/力矩，響應(yīng)速度快)為上述3方面關(guān)鍵技術(shù)問題的解決提供了一個很好的途徑。

近年來,基于壓電電機的磁共振兼容機器人取得了一定的進展，但仍有部分技術(shù)難點有待解決和提高，主要有：

1) 具有良好力學(xué)性能的抗磁性材料的選取及結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2) 合理屏蔽電機運行時渦電流的影響。

3) 保證機器人具有一定精度、靈活性和推力要求的壓電電機的總體設(shè)計。

壓電電機及相應(yīng)手術(shù)機器人磁共振兼容性的提高，可提高醫(yī)生對MRI導(dǎo)航機器人的控制能力，更好地利用MRI導(dǎo)航提高手術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。由此，磁共振兼容壓電作動手術(shù)機器人在臨床手術(shù)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。