壓電作動磁共振兼容手術機器人的研究進展

時運來，林瑜陽，張 軍

(南京航空航天大學 機械結構力學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離不開全民健康這一基礎，而健康事業是我國目前面臨的一個重大問題。當前，在優質醫療設備大多靠進口而進口醫療器械又很昂貴的現實面前，有待于通過技術創新實現主流醫療器械和裝備的國產化，解決看病貴的難題。“十三五”規劃中，高端醫療器械和手術機器人的創新發展已被列為國家重點發展的方向之一。

在眾多高端醫療器械中，基于實時圖像導航的手術機器人是當前研究的重點和熱點之一。與傳統手術相比，由成像技術引導的手術具有更好的可視性，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外科手術而言，粒子劑量放置位置的準確性與手術軌跡規劃的實現程度密切相關，而手術軌跡規劃的精確執行依賴于成像技術的精確導航。當前，外科手術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)。各成像手段各有優缺點，其中，MRI技術與其他成像技術相比具有獨特的優勢。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。與超聲探測技術相比，MRI能提供精確的解剖信息，且X線和超聲設備對病變組織邊緣分辨率低，這兩種影像設備測量出的癌細胞病灶點的影像值與病理結果的匹配度遠低于MRI檢測結果的匹配度，在手術時會殘留許多小面積的病變細胞，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，影像導航下的介入性手術所采用的導航方式大多是采用X線影像技術，該方式雖然把醫生從惡劣的手術環境中解放出來，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導航下的磁共振兼容作動機器人系統的研究非常有意義[1-5]。

醫療機器人的基礎理論和關鍵技術(包括機構、控制、傳感、人機交互和材料等)與傳統機器人無太大差別，但針對受限空間和特殊環境下的醫療應用，就要擺脫傳統工業機器人的“影子”，實現機器人“輕量化、精密、靈巧和操作環境兼容性好”的創新設計，而此目標實現的關鍵是機器人驅動方式的創新。基于MRI導航特性的優勢，國外眾多科研機構開展了MRI導航微創手術機器人的研究工作。在磁共振成像環境中，機器人研究面臨著受限空間下的機器人構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，即機器人驅動方式的選擇。磁共振的高磁場環境下，鐵磁材料形成的渦電流和控制線路所產生的輻射噪聲會影響成像質量。因此，含有鐵磁材料的設備無法使用，傳統電機在高磁場環境下會因受到磁場干涉的影響而失去控制。目前，適合在磁共振環境中應用的驅動主要有液壓驅動、氣壓驅動和壓電電機驅動。其中，壓電電機是一種基于新型原理的特種電機，不同于傳統電磁電機，其無需磁場和繞組，工作所產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，質量小，慣性小，響應快，斷電自鎖和定位精度高的特性。同時，壓電電機的結構設計靈活，形狀多樣(如圓盤形、方形、圓環形、圓柱形等)，其效率并不隨電機尺寸的減小而大幅降低。這些特點實現了醫療機器人“輕量化、精密、靈巧和操作環境兼容性好”的創新設計特別需求。

自20世紀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業化發展，并逐步在科學研究、工業控制、生物醫學工程、航空航天等領域獲得了應用。為了滿足MRI導航下醫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公司專門研究開發了核磁兼容型壓電電機產品和相應的利用該類電機產品開發的磁共振兼容裝置。自20世紀90年代開始，國內多家高校和研究機構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及其在醫療機器人方面的應用研究工作尚處在萌芽階段。國內一些研究機構研制的多種類型的醫療機器人，為了提高操作精度，常采用混合驅動的方式，除了采用液壓驅動或氣壓驅動方式外，部分采用了壓電電機，但由于很難買到國外生產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，且其電機的結構形式較單一，不能根據需求進行專門設計。為此，結合醫療發展的應用需求、核磁導航介入機器人對驅動方式的需求和壓電電機本身特性與結構設計靈活的特點，開展一種基于壓電作動驅動方式的MRI導航介入機器人的研究，將具有重大的研究價值和應用價值。

1 磁共振兼容機器人的研究進展

MRI導航機器人的研究始于20世紀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。機器人系統采用超聲電機驅動，系統框架由聚對苯二甲酸乙二酯(PET)制成，應用于神經外科的針刺動作，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備MR兼容性的4個區域，給出設備影響成像質量的6種情況，并提出MR兼容機電系統的設計準則[7]。進一步設計了一種用于協助微創手術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，眾多用于核磁環境的機電設備紛紛出現[9-10]，磁共振兼容機電系統的功能范圍得到了擴展，如面向神經系統科學研究用的功能型MRI(fMRI)機電系統[11-13]、面向輔助醫療裝置的機電系統(如工具定位器)[14]、微創介入機器人系統[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]和導管操作裝置[18-21]等。

1.1 磁共振兼容機器人的驅動方式

在磁共振兼容機器人系統中，常用的作動系統主要有液壓驅動、氣壓驅動和壓電電機驅動。2002年，Kim等利用電-液壓驅動開發了一種用于肝臟微創手術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備中工作。2008年，Kokes等采用液壓機構設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，通過液壓線路連接到掃描室內，以保證圖像和核磁不兼容部件之間不受影響。液壓驅動輸出力矩大，慣性小，抗干擾性強，但結構復雜，不利于手術機器人的小型化，且由于液體的可壓縮性和液壓閥的非線性特性，液壓驅動方式僅適用于低頻應用場合而不適用于高帶寬控制的場合。

2006年，美國Johns Hopkins大學研發了在3T磁場下工作的執行前列腺針刺手術的核磁導航機器人系統，該機器人采用氣動步進馬達驅動，脈沖輸出均勻，且具有優異的磁共振兼容性，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等開發了一種基于氣動的五自由度穿刺機器人，系統由一個三自由度針夾持器和一個二自由度支架組成，由4個驅動器在皮帶輪的輔助下實現二自由度支架的運動，每個驅動器均由兩個活塞缸體組成[25]。氣壓驅動相較于液壓驅動具有結構緊湊、低成本和潔凈的優點，氣體的粘度小，流阻和壓力損失少，反應速度快，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世紀末發展起來的一種新型電機，它突破了傳統電磁電機的概念，無繞組和磁路，不依靠電磁相互作用來轉換能量，是一種全新原理和全新結構的電機。其利用逆壓電效應，將電能轉化成定子振動能，再將材料的微觀變形通過機械振動放大和摩擦耦合轉換成轉子或滑塊的宏觀運動。壓電電機的能量轉換過程理論上不產生磁場，不受MR強磁場影響，具有優異的磁共振兼容特性，是MR環境下較理想的驅動方式。

此外，靜電驅動利用介電弛豫原理和電容可變原理，不與MRI產生相互干擾，但靜電式電機由三相交流高壓電源驅動，在外科手術中難以解決相應的電源電路問題[26]。聚合物電致伸縮驅動采用二元聚合物為原料，不需反饋傳感器的運動控制，構建材料為塑料，結構簡單，成本低，可在MR環境中運行而不影響圖像質量，但其性能有待進一步探討[27]。另外，將傳統電機和傳感器、控制單元等核磁不兼容部件置于遠離磁場的位置，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動方式的優缺點如表1所示。

表1 MR兼容機器人驅動方式特性比較

1.2 核磁環境下壓電作動機器人

自20世紀90年代始，日本學者便開展了MRI導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公司生產的USR60型超聲電機開發了一種MRI導航下用于肝臟溫熱療法的三自由度針刺機器人[32]。該機器人系統的定位精度達到0.13 mm。整體結構采用不銹鋼、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了一種MRI導航的用于活檢的三自由度機器人[34]，如圖1所示。

圖1 Mashimo等研發的MRI導航三自由度機器人

針對核磁環境，對球形超聲電機進行重新設計，采用非磁性材料，由3個環形定子和1個球形轉子構成，直徑為?26 mm。電機在1.5 T的MR環境下開啟時，MRI設備的成像SNR降低了27.6%。2008年，Elhawary等采用PiezoLEGS公司生產的壓電作動器開發了一種用于經會陰前列腺穿刺的三自由度機器人[35]，整體結構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公司的超聲電機驅動和汽缸驅動三類機器人驅動技術的磁共振兼容性進行成像質量對比分析[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。實驗結果表明：氣動驅動時成像具有較好的SNR，壓電電機驅動時雖然SNR較低，但可以和掃描儀在適當交替工作情況下實現手術操作功能。

近年來，隨著壓電作動器技術的逐步成熟，以壓電作動器作為驅動方式的磁共振兼容手術機器人得到了廣泛地發展[37-46]。其中，Khanicheh等設計了一種基于電流變液的制動裝置和壓電作動器相結合的微創手術機器人[37]，實現了對執行機構輸出力與力矩的可控調節及力/觸覺再現。Su等研究了一種基于壓電作動器驅動的用于前列腺治療的六自由度針刺手術機器人[38-39](見圖2)，在3 T場強的MRI設備中，該機器人工作時，對MRI的連續實時導航未產生任何影響，MR成像SNR損失在2%之內。Raoufi等開發了一種采用超聲電機驅動的MRI神經手術針刺機器人[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，調整針刺角度和入刺點，從操作手實現針刺和針體轉動二自由度運動。該機器人能夠實現神經手術中的熱燒灼消融術、高頻消融術及目標點粒子植入等不同功能。

圖2 Su等研制的壓電電機驅動用于前列腺治療的微創手術機器人系統

圖3 Raoufi等研制的神經外科針刺手術機器人

2010年，Sato等采用超聲電機開發了一種二自由度針刺機器人[41]，并采用鋁片和金屬絲網管對超聲電機進行了屏蔽處理，測試結果顯示，MR成像SNR最大降低了1.2%。2010年， Axel Krieger等采用Nanomotion公司生產的HR型壓電直線電機開發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了旋轉運動和直線運動，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大學聯合，采用了日本Shinsei公司生產的旋轉型壓電電機開發了一種核磁成像引導五自由度前列腺手術針刺機器人[43](見圖5)，在距離磁共振成像設備內腔中心點僅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型壓電電機開發的手術機器人

圖5 Andrew等研制的手術機器人

2015年，G Li等研制了一種采用PiezoLEGS公司生產的壓電電機為驅動裝置的MRI導航下立體定向神經外科手術機器人系統[47](見圖6)，該機器人系統模仿手動立體定向框架的功能和結構，包括3個直線壓電電機驅動的笛卡爾坐標直線運動模塊，2個旋轉壓電電機驅動的旋轉運動模塊以及1個手動導管引導模塊，機器人與成像設備同時工作時，系統的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，Fabrizio Sergi等開發了一種采用行波型旋轉超聲電機驅動MR兼容的手腕機器人系統[48]，如圖7所示。機器人在MR掃描腔內運行軌跡的最大誤差在0.5 mm以內，具有較好的跟蹤性能，但成像質量有一定降低。

圖6 G Li等研制的針刺機器人

圖7 Fabrizio Sergi等開發的手腕機器人

2016年，Su等研制了一種壓電電機驅動的導管插入六自由度機器人[49]，該機器人可以實現與磁共振成像設備同時工作，且對成像質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等對超聲電機驅動的運動平臺在核磁環境中的應用進行了評估[51]，平臺的定位誤差為(0.025±0.021) mm，且不影響成像質量。

目前，國內MRI導航介入手術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動單元進行了一種用于神經外科手術的核磁導航機器人的開發嘗試[52]。該機器人采用串、并聯模式設計，有3個自由度，采用壓電電機驅動，可與MRI交替工作。2012年，郭杰等開發了一種基于氣缸和超聲電機聯合驅動的五自由度用于前列腺針刺的手術機器人[53]，針刺精度達到0.91 mm。孟紀超等開發了一種全氣動驅動的六自由度穿刺定位機器人[54]。Yang和Jiang等設計了核磁環境下電機驅動絲傳動方式的機器人[55-56]。姜杉等對截至2012年的國內外主要的磁共振兼容驅動方式的技術難點進行了總結，并指出該領域的發展方向[57]。目前，國內關于磁共振兼容型壓電電機及其驅動的MR兼容機器人系統的研究尚未報道。

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換能量，原理上適用于核磁環境的驅動，但由于其包含由核磁不兼容材料構成的零部件，傳統壓電電機在實際運行中依會對核磁成像產生影響。Masamune等開發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，但實驗結果表明超聲電機造成了19.4%的圖像惡化[58]。Larson等開發了一個由超聲電機驅動的MRI導航微創乳腺介入治療機器人系統，但電機外殼含有核磁不兼容物質，使成像質量受到影響，為此，將電機固定于遠離磁場1 m的位置，解決了噪聲對圖像的干擾[59]。Christoforou等設計了基于超聲電機的七自由度外科手術機械臂，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線，并將產生噪聲的部件進行接地保護，實驗結果表明電機與MRI設備之間不產生干涉[60-61]。

為此，國外一些公司專門開展了用于核磁環境的壓電電機的研制工作。以色列Nanomotion公司專門設計了MR兼容的直線壓電電機，并由此研發了一種采用16臺HR2型直線壓電電機驅動的應用于神經外科手術的操作手，如圖8所示。Noliac公司專門開發了MR兼容的旋轉型壓電電機(見圖9)，在磁場強度為3 T的西門子核磁成像設備中進行的兼容性測試表明：該電機工作時幾乎對成像質量無影響，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MR兼容的微型壓電電機(見圖10)。Actuated Medical公司開發了一種磁共振兼容旋轉型壓電電機(見圖11)，在轉速為100 r/min時，其輸出力矩達到1.5 N·m，最大堵轉力矩達到2 N·m。壓電電機在運行時，對核磁成像會產生一定的影響[36]，為此，多位學者通過改變電機材料、調整安放位置等方式，有效降低了壓電電機與核磁圖像之間的干涉[62-63]。2015年，Bannan等開發了一種應用于針刺手術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，實現尺寸最小化，輸出力最大化，同時實現微米級刺入精度，其材料為具有較高剛度和強度的鈹銅合金，可實現圖像損壞的最小化，提高成像表現，作動器可實現直線和旋轉運動，其直線運動速度可達5.4 mm/s，旋轉速度可達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動的操作手

圖9 Noliac公司生產的MR兼容旋轉型壓電電機及MRI測試

圖10 法國Cedrat Technology開發MR兼容微型壓電電機

圖11 Actuated Medical公司開發的MR兼容旋轉型壓電電機

圖12 Bannan等研制壓電針刺作動器

3 總結和展望

綜上所述，國內MRI 兼容介入手術機器人的研究才剛起步，相關技術尚不成熟，需要進一步發展和完善：首先，核磁環境中機器人組件的磁共振兼容性問題是制約其發展的關鍵要素；其次，核磁環境中操作空間受限問題需要開發更靈巧的新型機構；最后，核磁環境中機器人臨床手術的精度問題需進一步提高才能保障手術的安全性。壓電電機本身具有的結構特征(結構設計靈活、直接驅動無需減速機構)和獨特特性(低磁場產生且工作不受磁場影響，定位精度高，低速大推力/力矩，響應速度快)為上述3方面關鍵技術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，但仍有部分技術難點有待解決和提高，主要有：

1) 具有良好力學性能的抗磁性材料的選取及結構設計。

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計。

壓電電機及相應手術機器人磁共振兼容性的提高，可提高醫生對MRI導航機器人的控制能力，更好地利用MRI導航提高手術的準確性和可靠性。由此，磁共振兼容壓電作動手術機器人在臨床手術領域將具有廣泛的應用前景。