压电作动磁共振兼容手术机器人的研究进展

时运来，林瑜阳，张 军

(南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016)

0 引言

全面建成小康社会的目标离不开全民健康这一基础，而健康事业是我国目前面临的一个重大问题。当前，在优质医疗设备大多靠进口而进口医疗器械又很昂贵的现实面前，有待于通过技术创新实现主流医疗器械和装备的国产化，解决看病贵的难题。“十三五”规划中，高端医疗器械和手术机器人的创新发展已被列为国家重点发展的方向之一。

在众多高端医疗器械中，基于实时图像导航的手术机器人是当前研究的重点和热点之一。与传统手术相比，由成像技术引导的手术具有更好的可视性，出色的诊断能力和更好的定位能力。特别是对于肿瘤患者的微创外科手术而言，粒子剂量放置位置的准确性与手术轨迹规划的实现程度密切相关，而手术轨迹规划的精确执行依赖于成像技术的精确导航。当前，外科手术采用的成像手段主要有X线成像(包括CT成像和DSA成像)、超声波成像(US)和磁共振成像(MRI)。各成像手段各有优缺点，其中，MRI技术与其他成像技术相比具有独特的优势。MRI通过在磁场下识别水分子中共振氢原子信号的分布获得图像，与X线相比，MRI无电离辐射，不需注射造影剂，不会对患者及操作者带来放射性伤害。与超声探测技术相比，MRI能提供精确的解剖信息，且X线和超声设备对病变组织边缘分辨率低，这两种影像设备测量出的癌细胞病灶点的影像值与病理结果的匹配度远低于MRI检测结果的匹配度，在手术时会残留许多小面积的病变细胞，给患者的健康埋下隐患。MRI提供的信息量大，可以直接显示出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像。目前，影像导航下的介入性手术所采用的导航方式大多是采用X线影像技术，该方式虽然把医生从恶劣的手术环境中解放出来，但患者仍难以避免长时间承受X线辐射的状况，这于患者而言更是雪上加霜。为此，开展对人体无伤害的MRI导航下的磁共振兼容作动机器人系统的研究非常有意义[1-5]。

医疗机器人的基础理论和关键技术(包括机构、控制、传感、人机交互和材料等)与传统机器人无太大差别，但针对受限空间和特殊环境下的医疗应用，就要摆脱传统工业机器人的“影子”，实现机器人“轻量化、精密、灵巧和操作环境兼容性好”的创新设计，而此目标实现的关键是机器人驱动方式的创新。基于MRI导航特性的优势，国外众多科研机构开展了MRI导航微创手术机器人的研究工作。在磁共振成像环境中，机器人研究面临着受限空间下的机器人构型和强大磁场下的机器人兼容问题。此两方面最后均聚焦在一个问题上，即机器人驱动方式的选择。磁共振的高磁场环境下，铁磁材料形成的涡电流和控制线路所产生的辐射噪声会影响成像质量。因此，含有铁磁材料的设备无法使用，传统电机在高磁场环境下会因受到磁场干涉的影响而失去控制。目前，适合在磁共振环境中应用的驱动主要有液压驱动、气压驱动和压电电机驱动。其中，压电电机是一种基于新型原理的特种电机，不同于传统电磁电机，其无需磁场和绕组，工作所产生的磁场非常小且运行不受磁场影响，具有低速大推力/力矩，质量小，惯性小，响应快，断电自锁和定位精度高的特性。同时，压电电机的结构设计灵活，形状多样(如圆盘形、方形、圆环形、圆柱形等)，其效率并不随电机尺寸的减小而大幅降低。这些特点实现了医疗机器人“轻量化、精密、灵巧和操作环境兼容性好”的创新设计特别需求。

自20世纪80年代开始，日本、以色列、德国、美国等相继开始了压电电机的产业化发展，并逐步在科学研究、工业控制、生物医学工程、航空航天等领域获得了应用。为了满足MRI导航下医疗机器人对作动器的需求，德国PI公司、以色列NANOMOTION公司和美国ACTUATED MEDICAL公司专门研究开发了核磁兼容型压电电机产品和相应的利用该类电机产品开发的磁共振兼容装置。自20世纪90年代开始，国内多家高校和研究机构进行了压电电机的研究工作。到目前为止，基于磁共振兼容需求而开展的磁共振兼容压电电机技术及其在医疗机器人方面的应用研究工作尚处在萌芽阶段。国内一些研究机构研制的多种类型的医疗机器人，为了提高操作精度，常采用混合驱动的方式，除了采用液压驱动或气压驱动方式外，部分采用了压电电机，但由于很难买到国外生产的磁共振兼容压电电机，往往购买到的压电电机的磁共振兼容性并不理想，且其电机的结构形式较单一，不能根据需求进行专门设计。为此，结合医疗发展的应用需求、核磁导航介入机器人对驱动方式的需求和压电电机本身特性与结构设计灵活的特点，开展一种基于压电作动驱动方式的MRI导航介入机器人的研究，将具有重大的研究价值和应用价值。

1 磁共振兼容机器人的研究进展

MRI导航机器人的研究始于20世纪80年代末。第一台可在强磁场中工作的磁共振兼容机器人由Masamune等于1995年研制成功。机器人系统采用超声电机驱动，系统框架由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)制成，应用于神经外科的针刺动作，实验显示其总体精度约在3.0 mm[6]。1999年，Chinzei等定义了用于描述设备MR兼容性的4个区域，给出设备影响成像质量的6种情况，并提出MR兼容机电系统的设计准则[7]。进一步设计了一种用于协助微创手术的磁共振兼容机器人，该机器人采用顺磁材料制成，由超声电机驱动，传感器及其电路与MR扫描腔保持一定距离以降低噪声干扰。该机器人不受强磁场影响，其运动对成像基本无影响，在当时显示出极好的磁共振兼容性[8]。自2000年开始，众多用于核磁环境的机电设备纷纷出现[9-10]，磁共振兼容机电系统的功能范围得到了扩展，如面向神经系统科学研究用的功能型MRI(fMRI)机电系统[11-13]、面向辅助医疗装置的机电系统(如工具定位器)[14]、微创介入机器人系统[15]、用于MRI弹性成像的机械振动器[16]、利用磁场进行药物输送的装置[17]和导管操作装置[18-21]等。

1.1 磁共振兼容机器人的驱动方式

在磁共振兼容机器人系统中，常用的作动系统主要有液压驱动、气压驱动和压电电机驱动。2002年，Kim等利用电-液压驱动开发了一种用于肝脏微创手术的磁共振兼容六自由度操作臂[22]，可在磁极间距为450 mm的开放式核磁成像设备中工作。2008年，Kokes等采用液压机构设计了一种用于射频消融治疗的单自由度MR兼容针刺机器人[23]，阀体和液压动力单元及其他核磁不兼容的部件置于控制室内，通过液压线路连接到扫描室内，以保证图像和核磁不兼容部件之间不受影响。液压驱动输出力矩大，惯性小，抗干扰性强，但结构复杂，不利于手术机器人的小型化，且由于液体的可压缩性和液压阀的非线性特性，液压驱动方式仅适用于低频应用场合而不适用于高带宽控制的场合。

2006年，美国Johns Hopkins大学研发了在3T磁场下工作的执行前列腺针刺手术的核磁导航机器人系统，该机器人采用气动步进马达驱动，脉冲输出均匀，且具有优异的磁共振兼容性，可在受限空间下进行前列腺的活检和粒子植入操作[24]。2008年，Bricault等开发了一种基于气动的五自由度穿刺机器人，系统由一个三自由度针夹持器和一个二自由度支架组成，由4个驱动器在皮带轮的辅助下实现二自由度支架的运动，每个驱动器均由两个活塞缸体组成[25]。气压驱动相较于液压驱动具有结构紧凑、低成本和洁净的优点，气体的粘度小，流阻和压力损失少，反应速度快，具有良好的自保持能力，但整体刚度低，操作过程中常伴有抖动和过冲现象，控制精度差，移动精度低，不适用于高宽带控制的场合。

压电电机是20世纪末发展起来的一种新型电机，它突破了传统电磁电机的概念，无绕组和磁路，不依靠电磁相互作用来转换能量，是一种全新原理和全新结构的电机。其利用逆压电效应，将电能转化成定子振动能，再将材料的微观变形通过机械振动放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。压电电机的能量转换过程理论上不产生磁场，不受MR强磁场影响，具有优异的磁共振兼容特性，是MR环境下较理想的驱动方式。

此外，静电驱动利用介电弛豫原理和电容可变原理，不与MRI产生相互干扰，但静电式电机由三相交流高压电源驱动，在外科手术中难以解决相应的电源电路问题[26]。聚合物电致伸缩驱动采用二元聚合物为原料，不需反馈传感器的运动控制，构建材料为塑料，结构简单，成本低，可在MR环境中运行而不影响图像质量，但其性能有待进一步探讨[27]。另外，将传统电机和传感器、控制单元等核磁不兼容部件置于远离磁场的位置，通过柔性轴和电缆传递动力和信号，但二者之间动力的传输距离较长，难以保证整理的高刚度和高传动效率[28]。

综上所述，磁共振兼容机器人驱动方式的优缺点如表1所示。

表1 MR兼容机器人驱动方式特性比较

1.2 核磁环境下压电作动机器人

自20世纪90年代始，日本学者便开展了MRI导航下基于压电作动器的各种操作机器人的研究[29-36]。2004年，Hata等采用日本Shinsei公司生产的USR60型超声电机开发了一种MRI导航下用于肝脏温热疗法的三自由度针刺机器人[32]。该机器人系统的定位精度达到0.13 mm。整体结构采用不锈钢、铜和陶瓷材料，机器人工作时，MR成像信噪比(SNR)最大降低了19.4%，具备了较好的MR兼容性。2007年， Mashimo等利用球形超声电机开发了一种MRI导航的用于活检的三自由度机器人[34]，如图1所示。

图1 Mashimo等研发的MRI导航三自由度机器人

针对核磁环境，对球形超声电机进行重新设计，采用非磁性材料，由3个环形定子和1个球形转子构成，直径为∅26 mm。电机在1.5 T的MR环境下开启时，MRI设备的成像SNR降低了27.6%。2008年，Elhawary等采用PiezoLEGS公司生产的压电作动器开发了一种用于经会阴前列腺穿刺的三自由度机器人[35]，整体结构采用聚甲醛树脂等材料。机器人工作时，MR成像SNR最大降低了9.1%。2008年，Gregory等针对Shinsei公司、Nanomotion公司的超声电机驱动和汽缸驱动三类机器人驱动技术的磁共振兼容性进行成像质量对比分析[36]，改变控制器的放置位置和磁场强度，分别测量三类电机的MR成像SNR。实验结果表明：气动驱动时成像具有较好的SNR，压电电机驱动时虽然SNR较低，但可以和扫描仪在适当交替工作情况下实现手术操作功能。

近年来，随着压电作动器技术的逐步成熟，以压电作动器作为驱动方式的磁共振兼容手术机器人得到了广泛地发展[37-46]。其中，Khanicheh等设计了一种基于电流变液的制动装置和压电作动器相结合的微创手术机器人[37]，实现了对执行机构输出力与力矩的可控调节及力/触觉再现。Su等研究了一种基于压电作动器驱动的用于前列腺治疗的六自由度针刺手术机器人[38-39](见图2)，在3 T场强的MRI设备中，该机器人工作时，对MRI的连续实时导航未产生任何影响，MR成像SNR损失在2%之内。Raoufi等开发了一种采用超声电机驱动的MRI神经手术针刺机器人[40](见图3)，采用主从机器人操作模式，主平台为六自由度Stewart平台，调整针刺角度和入刺点，从操作手实现针刺和针体转动二自由度运动。该机器人能够实现神经手术中的热烧灼消融术、高频消融术及目标点粒子植入等不同功能。

图2 Su等研制的压电电机驱动用于前列腺治疗的微创手术机器人系统

图3 Raoufi等研制的神经外科针刺手术机器人

2010年，Sato等采用超声电机开发了一种二自由度针刺机器人[41]，并采用铝片和金属丝网管对超声电机进行了屏蔽处理，测试结果显示，MR成像SNR最大降低了1.2%。2010年， Axel Krieger等采用Nanomotion公司生产的HR型压电直线电机开发了一种用于前列腺治疗的针刺机器人[42](见图4)，该针刺机器人采用多台HR1和HR4型直线压电电机分别实现了旋转运动和直线运动，电机运行时，MR图像的SNR降低40%～60%。同年，加拿大Engineering Serverce公司和Toronto大学联合，采用了日本Shinsei公司生产的旋转型压电电机开发了一种核磁成像引导五自由度前列腺手术针刺机器人[43](见图5)，在距离磁共振成像设备内腔中心点仅0.3 m的位置，其定位误差仍低于1.2 mm。

图4 美国Axel Krieger等利用HR型压电电机开发的手术机器人

图5 Andrew等研制的手术机器人

2015年，G Li等研制了一种采用PiezoLEGS公司生产的压电电机为驱动装置的MRI导航下立体定向神经外科手术机器人系统[47](见图6)，该机器人系统模仿手动立体定向框架的功能和结构，包括3个直线压电电机驱动的笛卡尔坐标直线运动模块，2个旋转压电电机驱动的旋转运动模块以及1个手动导管引导模块，机器人与成像设备同时工作时，系统的SNR变化低于15%，几何失真低于0.2%，不影响图像功能，定位精度的均方误差仅为(1.38±0.45) mm。2015年，Fabrizio Sergi等开发了一种采用行波型旋转超声电机驱动MR兼容的手腕机器人系统[48]，如图7所示。机器人在MR扫描腔内运行轨迹的最大误差在0.5 mm以内，具有较好的跟踪性能，但成像质量有一定降低。

图6 G Li等研制的针刺机器人

图7 Fabrizio Sergi等开发的手腕机器人

2016年，Su等研制了一种压电电机驱动的导管插入六自由度机器人[49]，该机器人可以实现与磁共振成像设备同时工作，且对成像质量的影响可忽略不计。2016年，Eslami等研制的一种用于前列腺肿瘤治疗的四自由度针刺机器人[50]，也是采用压电电机进行作动，实验结果表明，压电电机的磁共振兼容性好，且操作精度和可靠性都得到了提高。同年，Tavallaei等对超声电机驱动的运动平台在核磁环境中的应用进行了评估[51]，平台的定位误差为(0.025±0.021) mm，且不影响成像质量。

目前，国内MRI导航介入手术机器人的研究还处于起步阶段。2008年，洪在地等利用超声电机作为驱动单元进行了一种用于神经外科手术的核磁导航机器人的开发尝试[52]。该机器人采用串、并联模式设计，有3个自由度，采用压电电机驱动，可与MRI交替工作。2012年，郭杰等开发了一种基于气缸和超声电机联合驱动的五自由度用于前列腺针刺的手术机器人[53]，针刺精度达到0.91 mm。孟纪超等开发了一种全气动驱动的六自由度穿刺定位机器人[54]。Yang和Jiang等设计了核磁环境下电机驱动丝传动方式的机器人[55-56]。姜杉等对截至2012年的国内外主要的磁共振兼容驱动方式的技术难点进行了总结，并指出该领域的发展方向[57]。目前，国内关于磁共振兼容型压电电机及其驱动的MR兼容机器人系统的研究尚未报道。

2 磁共振兼容压电电机的研究进展

压电电机无绕组和磁路，不依靠电磁相互作用来转换能量，原理上适用于核磁环境的驱动，但由于其包含由核磁不兼容材料构成的零部件，传统压电电机在实际运行中依会对核磁成像产生影响。Masamune等开发了基于超声电机用于肝癌诊断中活检针辅助定位的开放式磁共振兼容机器人，但实验结果表明超声电机造成了19.4%的图像恶化[58]。Larson等开发了一个由超声电机驱动的MRI导航微创乳腺介入治疗机器人系统，但电机外壳含有核磁不兼容物质，使成像质量受到影响，为此，将电机固定于远离磁场1 m的位置，解决了噪声对图像的干扰[59]。Christoforou等设计了基于超声电机的七自由度外科手术机械臂，并将电机、电源和控制线路置于MRI扫描仪所在空间的一个法拉第笼里，用多层铝制护套隔离所有导线，并将产生噪声的部件进行接地保护，实验结果表明电机与MRI设备之间不产生干涉[60-61]。

为此，国外一些公司专门开展了用于核磁环境的压电电机的研制工作。以色列Nanomotion公司专门设计了MR兼容的直线压电电机，并由此研发了一种采用16台HR2型直线压电电机驱动的应用于神经外科手术的操作手，如图8所示。Noliac公司专门开发了MR兼容的旋转型压电电机(见图9)，在磁场强度为3 T的西门子核磁成像设备中进行的兼容性测试表明：该电机工作时几乎对成像质量无影响，且该电机在工作时也不受高磁场的影响。法国Cedrat Technology公司致力于开发MR兼容的微型压电电机(见图10)。Actuated Medical公司开发了一种磁共振兼容旋转型压电电机(见图11)，在转速为100 r/min时，其输出力矩达到1.5 N·m，最大堵转力矩达到2 N·m。压电电机在运行时，对核磁成像会产生一定的影响[36]，为此，多位学者通过改变电机材料、调整安放位置等方式，有效降低了压电电机与核磁图像之间的干涉[62-63]。2015年，Bannan等开发了一种应用于针刺手术的磁共振兼容二自由度压电作动器[64](见图12)，作动器基于压电蠕动原理，实现尺寸最小化，输出力最大化，同时实现微米级刺入精度，其材料为具有较高刚度和强度的铍铜合金，可实现图像损坏的最小化，提高成像表现，作动器可实现直线和旋转运动，其直线运动速度可达5.4 mm/s，旋转速度可达10.5 r/min。2016年，美国Soliman A等对加拿大Modus QA 公司生产的压电电机在磁场强度为3 T的磁共振成像仪的运行效果进行了评估[65]，试验结果表明电机运行具有较好的磁共振兼容特性。

图8 Nanomotion研制的MR兼容直线压电电机及其驱动的操作手

图9 Noliac公司生产的MR兼容旋转型压电电机及MRI测试

图10 法国Cedrat Technology开发MR兼容微型压电电机

图11 Actuated Medical公司开发的MR兼容旋转型压电电机

图12 Bannan等研制压电针刺作动器

3 总结和展望

综上所述，国内MRI 兼容介入手术机器人的研究才刚起步，相关技术尚不成熟，需要进一步发展和完善：首先，核磁环境中机器人组件的磁共振兼容性问题是制约其发展的关键要素；其次，核磁环境中操作空间受限问题需要开发更灵巧的新型机构；最后，核磁环境中机器人临床手术的精度问题需进一步提高才能保障手术的安全性。压电电机本身具有的结构特征(结构设计灵活、直接驱动无需减速机构)和独特特性(低磁场产生且工作不受磁场影响，定位精度高，低速大推力/力矩，响应速度快)为上述3方面关键技术问题的解决提供了一个很好的途径。

近年来,基于压电电机的磁共振兼容机器人取得了一定的进展，但仍有部分技术难点有待解决和提高，主要有：

1) 具有良好力学性能的抗磁性材料的选取及结构设计。

2) 合理屏蔽电机运行时涡电流的影响。

3) 保证机器人具有一定精度、灵活性和推力要求的压电电机的总体设计。

压电电机及相应手术机器人磁共振兼容性的提高，可提高医生对MRI导航机器人的控制能力，更好地利用MRI导航提高手术的准确性和可靠性。由此，磁共振兼容压电作动手术机器人在临床手术领域将具有广泛的应用前景。