時(shí)運(yùn)來(lái)，林瑜陽(yáng)，張 軍

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

全面建成小康社會(huì)的目標(biāo)離不開(kāi)全民健康這一基礎(chǔ)，而健康事業(yè)是我國(guó)目前面臨的一個(gè)重大問(wèn)題。當(dāng)前，在優(yōu)質(zhì)醫(yī)療設(shè)備大多靠進(jìn)口而進(jìn)口醫(yī)療器械又很昂貴的現(xiàn)實(shí)面前，有待于通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)主流醫(yī)療器械和裝備的國(guó)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(jī)器人的創(chuàng)新發(fā)展已被列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。

在眾多高端醫(yī)療器械中，基于實(shí)時(shí)圖像導(dǎo)航的手術(shù)機(jī)器人是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)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(duì)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(shí)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(lài)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(xiàn)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(diǎn)，其中，MRI技術(shù)與其他成像技術(shù)相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。MRI通過(guò)在磁場(chǎng)下識(shí)別水分子中共振氫原子信號(hào)的分布獲得圖像，與X線(xiàn)相比，MRI無(wú)電離輻射，不需注射造影劑，不會(huì)對(duì)患者及操作者帶來(lái)放射性傷害。與超聲探測(cè)技術(shù)相比，MRI能提供精確的解剖信息，且X線(xiàn)和超聲設(shè)備對(duì)病變組織邊緣分辨率低，這兩種影像設(shè)備測(cè)量出的癌細(xì)胞病灶點(diǎn)的影像值與病理結(jié)果的匹配度遠(yuǎn)低于MRI檢測(cè)結(jié)果的匹配度，在手術(shù)時(shí)會(huì)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(xiàn)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(lái)，但患者仍難以避免長(zhǎng)時(shí)間承受X線(xiàn)輻射的狀況，這于患者而言更是雪上加霜。為此，開(kāi)展對(duì)人體無(wú)傷害的MRI導(dǎo)航下的磁共振兼容作動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的研究非常有意義[1-5]。

醫(yī)療機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)(包括機(jī)構(gòu)、控制、傳感、人機(jī)交互和材料等)與傳統(tǒng)機(jī)器人無(wú)太大差別，但針對(duì)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(jī)器人的“影子”，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)，而此目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的創(chuàng)新?；贛RI導(dǎo)航特性的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外眾多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了MRI導(dǎo)航微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究工作。在磁共振成像環(huán)境中，機(jī)器人研究面臨著受限空間下的機(jī)器人構(gòu)型和強(qiáng)大磁場(chǎng)下的機(jī)器人兼容問(wèn)題。此兩方面最后均聚焦在一個(gè)問(wèn)題上，即機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇。磁共振的高磁場(chǎng)環(huán)境下，鐵磁材料形成的渦電流和控制線(xiàn)路所產(chǎn)生的輻射噪聲會(huì)影響成像質(zhì)量。因此，含有鐵磁材料的設(shè)備無(wú)法使用，傳統(tǒng)電機(jī)在高磁場(chǎng)環(huán)境下會(huì)因受到磁場(chǎng)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(dòng)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中，壓電電機(jī)是一種基于新型原理的特種電機(jī)，不同于傳統(tǒng)電磁電機(jī)，其無(wú)需磁場(chǎng)和繞組，工作所產(chǎn)生的磁場(chǎng)非常小且運(yùn)行不受磁場(chǎng)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(shí)，壓電電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，形狀多樣(如圓盤(pán)形、方形、圓環(huán)形、圓柱形等)，其效率并不隨電機(jī)尺寸的減小而大幅降低。這些特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療機(jī)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(jì)特別需求。

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，日本、以色列、德國(guó)、美國(guó)等相繼開(kāi)始了壓電電機(jī)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(mǎn)足MRI導(dǎo)航下醫(yī)療機(jī)器人對(duì)作動(dòng)器的需求，德國(guó)PI公司、以色列NANOMOTION公司和美國(guó)ACTUATED MEDICAL公司專(zhuān)門(mén)研究開(kāi)發(fā)了核磁兼容型壓電電機(jī)產(chǎn)品和相應(yīng)的利用該類(lèi)電機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的磁共振兼容裝置。自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)多家高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了壓電電機(jī)的研究工作。到目前為止，基于磁共振兼容需求而開(kāi)展的磁共振兼容壓電電機(jī)技術(shù)及其在醫(yī)療機(jī)器人方面的應(yīng)用研究工作尚處在萌芽階段。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)研制的多種類(lèi)型的醫(yī)療機(jī)器人，為了提高操作精度，常采用混合驅(qū)動(dòng)的方式，除了采用液壓驅(qū)動(dòng)或氣壓驅(qū)動(dòng)方式外，部分采用了壓電電機(jī)，但由于很難買(mǎi)到國(guó)外生產(chǎn)的磁共振兼容壓電電機(jī)，往往購(gòu)買(mǎi)到的壓電電機(jī)的磁共振兼容性并不理想，且其電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式較單一，不能根據(jù)需求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。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(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)方式的需求和壓電電機(jī)本身特性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，開(kāi)展一種基于壓電作動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式的MRI導(dǎo)航介入機(jī)器人的研究，將具有重大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

1 磁共振兼容機(jī)器人的研究進(jìn)展

MRI導(dǎo)航機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代末。第一臺(tái)可在強(qiáng)磁場(chǎng)中工作的磁共振兼容機(jī)器人由Masamune等于1995年研制成功。機(jī)器人系統(tǒng)采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)框架由聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)制成，應(yīng)用于神經(jīng)外科的針刺動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[7]。進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種用于協(xié)助微創(chuàng)手術(shù)的磁共振兼容機(jī)器人，該機(jī)器人采用順磁材料制成，由超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(jī)器人不受強(qiáng)磁場(chǎng)影響，其運(yùn)動(dòng)對(duì)成像基本無(wú)影響，在當(dāng)時(shí)顯示出極好的磁共振兼容性[8]。自2000年開(kāi)始，眾多用于核磁環(huán)境的機(jī)電設(shè)備紛紛出現(xiàn)[9-10]，磁共振兼容機(jī)電系統(tǒng)的功能范圍得到了擴(kuò)展，如面向神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)研究用的功能型MRI(fMRI)機(jī)電系統(tǒng)[11-13]、面向輔助醫(yī)療裝置的機(jī)電系統(tǒng)(如工具定位器)[14]、微創(chuàng)介入機(jī)器人系統(tǒng)[15]、用于MRI彈性成像的機(jī)械振動(dòng)器[16]、利用磁場(chǎng)進(jìn)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(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式

在磁共振兼容機(jī)器人系統(tǒng)中，常用的作動(dòng)系統(tǒng)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2002年，Kim等利用電-液壓驅(qū)動(dòng)開(kāi)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(kāi)放式核磁成像設(shè)備中工作。2008年，Kokes等采用液壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種用于射頻消融治療的單自由度MR兼容針刺機(jī)器人[23]，閥體和液壓動(dòng)力單元及其他核磁不兼容的部件置于控制室內(nèi)，通過(guò)液壓線(xiàn)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(dòng)輸出力矩大，慣性小，抗干擾性強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于手術(shù)機(jī)器人的小型化，且由于液體的可壓縮性和液壓閥的非線(xiàn)性特性，液壓驅(qū)動(dòng)方式僅適用于低頻應(yīng)用場(chǎng)合而不適用于高帶寬控制的場(chǎng)合。

2006年，美國(guó)Johns Hopkins大學(xué)研發(fā)了在3T磁場(chǎng)下工作的執(zhí)行前列腺針刺手術(shù)的核磁導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人采用氣動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，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(jìn)行前列腺的活檢和粒子植入操作[24]。2008年，Bricault等開(kāi)發(fā)了一種基于氣動(dòng)的五自由度穿刺機(jī)器人，系統(tǒng)由一個(gè)三自由度針夾持器和一個(gè)二自由度支架組成，由4個(gè)驅(qū)動(dòng)器在皮帶輪的輔助下實(shí)現(xiàn)二自由度支架的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器均由兩個(gè)活塞缸體組成[25]。氣壓驅(qū)動(dòng)相較于液壓驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、低成本和潔凈的優(yōu)點(diǎn)，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(guò)程中常伴有抖動(dòng)和過(guò)沖現(xiàn)象，控制精度差，移動(dòng)精度低，不適用于高寬帶控制的場(chǎng)合。

壓電電機(jī)是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，它突破了傳統(tǒng)電磁電機(jī)的概念，無(wú)繞組和磁路，不依靠電磁相互作用來(lái)轉(zhuǎn)換能量，是一種全新原理和全新結(jié)構(gòu)的電機(jī)。其利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化成定子振動(dòng)能，再將材料的微觀變形通過(guò)機(jī)械振動(dòng)放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)。壓電電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程理論上不產(chǎn)生磁場(chǎng)，不受MR強(qiáng)磁場(chǎng)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(dòng)方式。

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

綜上所述，磁共振兼容機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 MR兼容機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式特性比較

1.2 核磁環(huán)境下壓電作動(dòng)機(jī)器人

自20世紀(jì)90年代始，日本學(xué)者便開(kāi)展了MRI導(dǎo)航下基于壓電作動(dòng)器的各種操作機(jī)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(jī)開(kāi)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(jī)器人[32]。該機(jī)器人系統(tǒng)的定位精度達(dá)到0.13 mm。整體結(jié)構(gòu)采用不銹鋼、銅和陶瓷材料，機(jī)器人工作時(shí)，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(jī)開(kāi)發(fā)了一種MRI導(dǎo)航的用于活檢的三自由度機(jī)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(jī)器人

針對(duì)核磁環(huán)境，對(duì)球形超聲電機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用非磁性材料，由3個(gè)環(huán)形定子和1個(gè)球形轉(zhuǎn)子構(gòu)成，直徑為?26 mm。電機(jī)在1.5 T的MR環(huán)境下開(kāi)啟時(shí)，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(dòng)器開(kāi)發(fā)了一種用于經(jīng)會(huì)陰前列腺穿刺的三自由度機(jī)器人[35]，整體結(jié)構(gòu)采用聚甲醛樹(shù)脂等材料。機(jī)器人工作時(shí)，MR成像SNR最大降低了9.1%。2008年，Gregory等針對(duì)Shinsei公司、Nanomotion公司的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)和汽缸驅(qū)動(dòng)三類(lèi)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)的磁共振兼容性進(jìn)行成像質(zhì)量對(duì)比分析[36]，改變控制器的放置位置和磁場(chǎng)強(qiáng)度，分別測(cè)量三類(lèi)電機(jī)的MR成像SNR。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)成像具有較好的SNR，壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)雖然SNR較低，但可以和掃描儀在適當(dāng)交替工作情況下實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作功能。

近年來(lái)，隨著壓電作動(dòng)器技術(shù)的逐步成熟，以壓電作動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)方式的磁共振兼容手術(shù)機(jī)器人得到了廣泛地發(fā)展[37-46]。其中，Khanicheh等設(shè)計(jì)了一種基于電流變液的制動(dòng)裝置和壓電作動(dòng)器相結(jié)合的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人[37]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力與力矩的可控調(diào)節(jié)及力/觸覺(jué)再現(xiàn)。Su等研究了一種基于壓電作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的用于前列腺治療的六自由度針刺手術(shù)機(jī)器人[38-39](見(jiàn)圖2)，在3 T場(chǎng)強(qiáng)的MRI設(shè)備中，該機(jī)器人工作時(shí)，對(duì)MRI的連續(xù)實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)了一種采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的MRI神經(jīng)手術(shù)針刺機(jī)器人[40](見(jiàn)圖3)，采用主從機(jī)器人操作模式，主平臺(tái)為六自由度Stewart平臺(tái)，調(diào)整針刺角度和入刺點(diǎn)，從操作手實(shí)現(xiàn)針刺和針體轉(zhuǎn)動(dòng)二自由度運(yùn)動(dòng)。該機(jī)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(diǎn)粒子植入等不同功能。

圖2 Su等研制的壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)用于前列腺治療的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

圖3 Raoufi等研制的神經(jīng)外科針刺手術(shù)機(jī)器人

2010年，Sato等采用超聲電機(jī)開(kāi)發(fā)了一種二自由度針刺機(jī)器人[41]，并采用鋁片和金屬絲網(wǎng)管對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行了屏蔽處理，測(cè)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(xiàn)電機(jī)開(kāi)發(fā)了一種用于前列腺治療的針刺機(jī)器人[42](見(jiàn)圖4)，該針刺機(jī)器人采用多臺(tái)HR1和HR4型直線(xiàn)壓電電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(jī)開(kāi)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(jī)器人[43](見(jiàn)圖5)，在距離磁共振成像設(shè)備內(nèi)腔中心點(diǎn)僅0.3 m的位置，其定位誤差仍低于1.2 mm。

圖4 美國(guó)Axel Krieger等利用HR型壓電電機(jī)開(kāi)發(fā)的手術(shù)機(jī)器人

圖5 Andrew等研制的手術(shù)機(jī)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(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的MRI導(dǎo)航下立體定向神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[47](見(jiàn)圖6)，該機(jī)器人系統(tǒng)模仿手動(dòng)立體定向框架的功能和結(jié)構(gòu)，包括3個(gè)直線(xiàn)壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)的笛卡爾坐標(biāo)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊，2個(gè)旋轉(zhuǎn)壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊以及1個(gè)手動(dòng)導(dǎo)管引導(dǎo)模塊，機(jī)器人與成像設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，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(kāi)發(fā)了一種采用行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)MR兼容的手腕機(jī)器人系統(tǒng)[48]，如圖7所示。機(jī)器人在MR掃描腔內(nèi)運(yùn)行軌跡的最大誤差在0.5 mm以?xún)?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(jī)器人

圖7 Fabrizio Sergi等開(kāi)發(fā)的手腕機(jī)器人

2016年，Su等研制了一種壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)管插入六自由度機(jī)器人[49]，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)與磁共振成像設(shè)備同時(shí)工作，且對(duì)成像質(zhì)量的影響可忽略不計(jì)。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(jī)器人[50]，也是采用壓電電機(jī)進(jìn)行作動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓電電機(jī)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(duì)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在核磁環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)估[51]，平臺(tái)的定位誤差為(0.025±0.021) mm，且不影響成像質(zhì)量。

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

2 磁共振兼容壓電電機(jī)的研究進(jìn)展

壓電電機(jī)無(wú)繞組和磁路，不依靠電磁相互作用來(lái)轉(zhuǎn)換能量，原理上適用于核磁環(huán)境的驅(qū)動(dòng)，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(jī)在實(shí)際運(yùn)行中依會(huì)對(duì)核磁成像產(chǎn)生影響。Masamune等開(kāi)發(fā)了基于超聲電機(jī)用于肝癌診斷中活檢針輔助定位的開(kāi)放式磁共振兼容機(jī)器人，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲電機(jī)造成了19.4%的圖像惡化[58]。Larson等開(kāi)發(fā)了一個(gè)由超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的MRI導(dǎo)航微創(chuàng)乳腺介入治療機(jī)器人系統(tǒng)，但電機(jī)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(jī)固定于遠(yuǎn)離磁場(chǎng)1 m的位置，解決了噪聲對(duì)圖像的干擾[59]。Christoforou等設(shè)計(jì)了基于超聲電機(jī)的七自由度外科手術(shù)機(jī)械臂，并將電機(jī)、電源和控制線(xiàn)路置于MRI掃描儀所在空間的一個(gè)法拉第籠里，用多層鋁制護(hù)套隔離所有導(dǎo)線(xiàn)，并將產(chǎn)生噪聲的部件進(jìn)行接地保護(hù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電機(jī)與MRI設(shè)備之間不產(chǎn)生干涉[60-61]。

為此，國(guó)外一些公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)展了用于核磁環(huán)境的壓電電機(jī)的研制工作。以色列Nanomotion公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了MR兼容的直線(xiàn)壓電電機(jī)，并由此研發(fā)了一種采用16臺(tái)HR2型直線(xiàn)壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了MR兼容的旋轉(zhuǎn)型壓電電機(jī)(見(jiàn)圖9)，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為3 T的西門(mén)子核磁成像設(shè)備中進(jìn)行的兼容性測(cè)試表明：該電機(jī)工作時(shí)幾乎對(duì)成像質(zhì)量無(wú)影響，且該電機(jī)在工作時(shí)也不受高磁場(chǎng)的影響。法國(guó)Cedrat Technology公司致力于開(kāi)發(fā)MR兼容的微型壓電電機(jī)(見(jiàn)圖10)。Actuated Medical公司開(kāi)發(fā)了一種磁共振兼容旋轉(zhuǎn)型壓電電機(jī)(見(jiàn)圖11)，在轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，其輸出力矩達(dá)到1.5 N·m，最大堵轉(zhuǎn)力矩達(dá)到2 N·m。壓電電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，對(duì)核磁成像會(huì)產(chǎn)生一定的影響[36]，為此，多位學(xué)者通過(guò)改變電機(jī)材料、調(diào)整安放位置等方式，有效降低了壓電電機(jī)與核磁圖像之間的干涉[62-63]。2015年，Bannan等開(kāi)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(dòng)器[64](見(jiàn)圖12)，作動(dòng)器基于壓電蠕動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)尺寸最小化，輸出力最大化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)刺入精度，其材料為具有較高剛度和強(qiáng)度的鈹銅合金，可實(shí)現(xiàn)圖像損壞的最小化，提高成像表現(xiàn)，作動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)5.4 mm/s，旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)10.5 r/min。2016年，美國(guó)Soliman A等對(duì)加拿大Modus QA 公司生產(chǎn)的壓電電機(jī)在磁場(chǎng)強(qiáng)度為3 T的磁共振成像儀的運(yùn)行效果進(jìn)行了評(píng)估[65]，試驗(yàn)結(jié)果表明電機(jī)運(yùn)行具有較好的磁共振兼容特性。

圖8 Nanomotion研制的MR兼容直線(xiàn)壓電電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的操作手

圖9 Noliac公司生產(chǎn)的MR兼容旋轉(zhuǎn)型壓電電機(jī)及MRI測(cè)試

圖10 法國(guó)Cedrat Technology開(kāi)發(fā)MR兼容微型壓電電機(jī)

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

圖12 Bannan等研制壓電針刺作動(dòng)器

3 總結(jié)和展望

綜上所述，國(guó)內(nèi)MRI 兼容介入手術(shù)機(jī)器人的研究才剛起步，相關(guān)技術(shù)尚不成熟，需要進(jìn)一步發(fā)展和完善：首先，核磁環(huán)境中機(jī)器人組件的磁共振兼容性問(wèn)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(wèn)題需要開(kāi)發(fā)更靈巧的新型機(jī)構(gòu)；最后，核磁環(huán)境中機(jī)器人臨床手術(shù)的精度問(wèn)題需進(jìn)一步提高才能保障手術(shù)的安全性。壓電電機(jī)本身具有的結(jié)構(gòu)特征(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、直接驅(qū)動(dòng)無(wú)需減速機(jī)構(gòu))和獨(dú)特特性(低磁場(chǎng)產(chǎn)生且工作不受磁場(chǎng)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(wèn)題的解決提供了一個(gè)很好的途徑。

近年來(lái),基于壓電電機(jī)的磁共振兼容機(jī)器人取得了一定的進(jìn)展，但仍有部分技術(shù)難點(diǎn)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(jì)。

2) 合理屏蔽電機(jī)運(yùn)行時(shí)渦電流的影響。

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

壓電電機(jī)及相應(yīng)手術(shù)機(jī)器人磁共振兼容性的提高，可提高醫(yī)生對(duì)MRI導(dǎo)航機(jī)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(dòng)手術(shù)機(jī)器人在臨床手術(shù)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。