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醫(yī)療器械

磁共振引導(dǎo)的手術(shù)機器人

星之球激光 來源:未知2014-07-01 我要評論(0 )   

外科醫(yī)生在進行腦腫瘤治療時面臨一個困境:他們可以使用磁共振成象(MRI)捕捉超高分辨率的腫瘤圖像,也可以使用超精密的手術(shù)器具移除腫瘤,但是他們不能在同一時間做這...

外科醫(yī)生在進行腦腫瘤治療時面臨一個困境:他們可以使用磁共振成象(MRI)捕捉超高分辨率的腫瘤圖像,也可以使用超精密的手術(shù)器具移除腫瘤,但是他們不能在同一時間做這兩樣事情。

至少以前還不能。

現(xiàn)在,伍斯特理工學(xué)院(WPI)教授Greg Fischer正致力于開發(fā)一種能夠在磁共振儀內(nèi)使用(如下圖所示)的外科手術(shù)機器人。通過實時反饋,機器人能夠?qū)⒏邚姸染劢钩曁筋^準(zhǔn)確定位在腫瘤上,以達到最佳的手術(shù)效果。當(dāng)然,要想打造能夠在MRI產(chǎn)生的強磁場環(huán)境中工作的機器人并不簡單,不過WPI的團隊做到了,他們利用控制工程和MICROMO的壓電定位器,開發(fā)了一套徹底變革MRI治療方式的系統(tǒng)。

設(shè)計這套手術(shù)裝置的過程充滿了挑戰(zhàn)。在超高分辨率的情況下,系統(tǒng)需要足夠的精確度和可重復(fù)度。而且電機需要相當(dāng)安靜。除此以外,還必須足夠可靠。而且設(shè)計MRI機器人,F(xiàn)ischer的團隊還面臨一個巨大的挑戰(zhàn)。以上這些功能需要能在多種特斯拉磁通量的磁環(huán)境中正常工作。

在MRI產(chǎn)生的強大的磁場下,即使像螺絲這么小的鐵磁體也可能會產(chǎn)生傷害,更不用說像永磁電機、變速箱、驅(qū)動器等運動部件。顯然,MRI機器人必須使用非傳統(tǒng)的驅(qū)動器。他們給出的答案是壓電裝置。

磁場下的運動

壓電驅(qū)動器利用了壓電陶瓷在外加電壓下產(chǎn)生變形的原理。不過存在的問題是壓電效應(yīng)產(chǎn)生的位移還不足部件尺寸的百分之一,而MRI機器人需要高達100cm的直線行程以及連續(xù)360度的旋轉(zhuǎn)。

為解決此問題,WPI選用了由一組在外加電壓下,會產(chǎn)生輕微彎曲和變形的陶瓷驅(qū)動臂組成的Piezo LEGS電機(如圖1所示)。

圖1. Piezo LEGS電機(下)由對外加電壓會產(chǎn)生不同應(yīng)變的雙面壓電陶瓷臂(上)組成。

工作時,它們交替驅(qū)動的方式(如圖2所示)使驅(qū)動桿以納米級的步距,高達15mm/s的速度往前“走”動(或者使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動)。由于總有一組陶瓷臂和驅(qū)動桿接觸,能夠給電機提供高達10N停止力(加持力?),因此可以將它們認(rèn)為是本質(zhì)安全的驅(qū)動器(在失去動力時制動)。

WPI機器人由一個可在X,Y,Z方向移動的模塊和2個與頭部框架弧度對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)模塊組成。未來的設(shè)計還會考慮增加自由度以允許插入、旋轉(zhuǎn)套管和探針。對于直線運動,WPI團隊將直接驅(qū)動進針的Piezo LEGS直線電機和驅(qū)動鋁制導(dǎo)桿的Piezo LEGS旋轉(zhuǎn)電機配合使用。對于旋轉(zhuǎn)運動,使用了3D打印的定制皮帶輪和橡膠/玻纖增強的同步皮帶。

圖2.外加的電壓使雙生的陶瓷臂彎曲和延伸/收縮,從而移動驅(qū)動桿向前

雖然材料質(zhì)量很輕,但是它們產(chǎn)生的摩擦比傳統(tǒng)設(shè)計更大,這意味著它們需要更高的扭矩以產(chǎn)生運動來作為壓電馬達的輸出。“在許多的應(yīng)用中,你可以只需要壓電馬達和直接驅(qū)動或者多對一的減速皮帶輪就能解決問題,”Fischer說,“不像買一個小型的直流馬達,還要配100:1齒輪比的減速箱。”

 “很多壓電電機能達到的最高精度也只是1mm,”Fischer說。“要想更精確,只有少數(shù)公司能做到,它們或銷售旋轉(zhuǎn)馬達或者是需要你設(shè)計周圍整套設(shè)備的驅(qū)動桿模塊。但是,在我們看來,還沒有公司能和緊湊獨立的MICROMO裝置競爭。”

壓電驅(qū)動器使用非磁非鐵的導(dǎo)電電極。這確保了在MRI環(huán)境中的使用安全。但是,這還不夠。電源或者驅(qū)動電路產(chǎn)生的任何電子噪聲都可能會對圖像產(chǎn)生干擾。“很多時候,你得到的可能只是能看不能用的靜態(tài)藝術(shù)品。”Fischer說,“電子噪聲以及MRI不兼容的材料能夠明顯扭曲圖像,你所看到的圖像和真實的完全不一樣,重要的是,你需要使用這些圖像來為你的手術(shù)做指引。”

顯然,此應(yīng)用需要專業(yè)的電子產(chǎn)品。同時,壓電馬達的特性也意味著需要精密的驅(qū)動波形。為解決這個問題,F(xiàn)ischer團隊開發(fā)了一套控制模塊來操作MRI中的壓電馬達。他們編制了FPGA來調(diào)整驅(qū)動信號波形的相對頻率和相位。高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供精確的波形控制,高帶寬、高壓的直線放大器確??刂破骱铣僧a(chǎn)生運動所需的準(zhǔn)確的驅(qū)動信號。

外部的過濾器去除噪聲,編碼器反饋使單片機的閉環(huán)位置或速度控制能夠在單板上運行實時控制回路。模塊化的底架能夠與最多8塊這種電路板一起安裝在屏蔽箱內(nèi)并與機器人放置在MRI掃描器上。定制的電纜連接機器人和控制器,能夠進行最多8軸的控制。

現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)壓電電機大大簡化了整個項目。“這些可靠的現(xiàn)成的驅(qū)動器,直線或旋轉(zhuǎn)的,非常有用。”Fischer說,“它們可以讓我的學(xué)生們可以將精力放在機械機構(gòu)設(shè)計和控制設(shè)計上。”

但是項目的目標(biāo)遠(yuǎn)不止手術(shù)機器人。Fischer的目標(biāo)是開發(fā)MRI兼容的機器人開發(fā)套件,包含傳感器,驅(qū)動器,控制器,放大器,并用通信協(xié)議增強。“在工業(yè)應(yīng)用中,你可以購買PLC,馬達以及編碼器,將它們接起來,馬上就有了一套可用的設(shè)備。”他說,“但是對于醫(yī)療設(shè)備還沒有類似的東西,更不用說MRI了。”

為達到此目的,該團隊正在開發(fā)MRI機器人在其它應(yīng)用的擴展,包括腦深部腫瘤的高精度熱消融,帕金森病的腦深部刺激電極放置,以及針對MRI指引的前列腺癌檢查和局部治療。

 “我們的目標(biāo)很明確,應(yīng)用也很具體,它們都是基于現(xiàn)有的電機開發(fā)的。”他說,“在我的實驗室里,有市場上能夠買到的所有壓電馬達。我們甚至嘗試自己制造。對于我們來說MICROMO驅(qū)動器不管是尺寸,力范圍還是力矩范圍,都很合適??偟膩碚f,非常有效。” 

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