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Vol. 4 / Jan. 2010
磁共振图像引导微创治疗机器人
周辉邹超刘新
摘 要本文介绍磁共振成像(MRI)引导下微创治疗机器人的发展现状和设计中应着重考虑的磁共振兼容问题。设计和分析
MRI兼容性微创治疗器械测试的相关实验。提出使用无磁超声波电机作为执行机构驱动部件,对机器人采用位置、速度双
闭环广义预测控制方法,以及机器人控制系统的设计。
关键词磁共振引导;机器人;控制系统
1 引言
传统的外科开放式手术正朝着微创治疗的方向发题。结构兼容性问题是指在MRI有限空间内,能完成
展。创伤小、恢复快的微创治疗手段越来越受到人们机器人结构合理设计。磁兼容问题是指在MRI环境
的欢迎。微创治疗机器人系统相对于人手操作微创治下,机器人不会对医生和患者造成伤害,工作状态不
疗来说,具有长时间可重复,稳定性好的特点,这弥受主磁场、梯度场和射频场的影响,不会显著地降低
补了由于医生长时间手术而引起疲劳导致治疗质量下图像质量。
降的不足。近年来,医疗机器人在临床的应用得到很
为了保证磁场的均匀性,无论是开放式还是封
大的发展,其中典型的代表是美国Intuitive Surgical
闭式MRI设备,留给MRI治疗机器人的操作空间十分
公司开发的Da puter Motion公司
有限,如图1所示。另外一方面,作为MRI治疗机器
开发的ZEUS系统。微创治疗常借助于图像引导进行
人,必然要求它能模仿人手完成各种动作,这样机器
精确定位,这些技术包括X射线、超声、CT和MRI。
人就需要有足够的自由度,不仅需要平动还需要转
MRI引导下的微创手术是20世纪80年代开始应用于临
动。结构工程师在设计的时候需要综合考虑各种因素
床的影像诊断新技术。它与X射线、CT相比具有无电
设计出在有限空间能有效工作的机器人。针对MRI环
磁辐射伤害,能多方位、多平面、多参数的成像,
境和具体手术类型的操作特点,研究合适的机器人特
具有优良的软组织分辨能力,对于组织的早期病变具
种构型是未来研究的一个热点。
有很强的检测能力。正是由于这些优点,磁共振成像
(MRI)引导下微创手术机器人已成为一个重要研究方
向。在MRI引导治疗中,医生的操作空间及视野范围
都十分有限,设计合理的机器人能弥补徒手操作精度
低的缺陷,所以具有很大的研究价值和应用前景[1]。
机器人之所以在MRI环境下还没有得到广泛的应
用,主要是因为受到MRI兼容性和快速成像方法的限(a) 封闭式MRI设备(b) 开放式MRI设备
制,只有实现了术中实时成像,才能真正提高手术的图1 常见的两种MRI设备
精度和安全性;良好的MRI兼容性能避免因为伪影等
ASTM(美国材料实验协会)标准指出,磁兼容设
因素而导致的定位误差和手术误操作。MRI引导下微
备首先必须是MRI安全的,即不会对病人和其他设备
创治疗机器人的研究需要以上两方面关键技术的突
产生攻击的危险,其次在MRI环境下工作不会对成像
破。
质量产生影响,而且自身不受到磁场的影响能按照设
2 MRI引导机器人兼容性关键问题计要求执行操作,这就限制了普通的机器人在MRI下
的应用。在MRI环境下,具有一定磁导率的材料会受