核磁共振滚珠丝杠滚珠丝杆

比如说核磁共振
只要涉及到精密移位的机械都会用到滚珠丝杠
那东西加工的误差在千分之一毫米
微创外科手术是在病人身体上开一个小孔 ， 借 助三维重构和规划软件平 台， 医生将器械经过小切 口进入人体进行治疗或诊断�6�8 。与普通打开式手术 相比， 微创外科手术对健康组织创伤很小 ， 能减少病 人痛苦， 缩短伤口愈合和住院时间， 减少疤痕并节省 开 支。与人 类 相 比 ， 机 器 人 具 有 定 位 准 确 、 状 态 稳 定 、 灵巧性 强、 工作范 围大、 不怕 辐射 和感染 等优 点 。核磁共振成像( MRI) 是 20 世纪 80 年代应用 于临床的影像诊断新技术。MRI 能够多方位 、 多平 面、 多参数成像， 有优良的软组织分辨力并具有精确 几何学特性； 与 x 射 线及 CT 相 比， MRI 无电离辐 收稿 日期 ： 2007． 10-23， 修 回日期：2008-03-03。 * 通讯作者。 E-mail ： hon d A20 0 2@sina． tom 射 ， 对病人和医生都没有伤害。相比其它成像方式 ， 由于 MRI 在 微 创 手 术操 作 中具 有 的 优点 ， 因此 ， 医 生 和工程 师们决定 将 机器 人技 术移 植 到 MRI 中去 ， 具有无辐射 、 多方位成像 、 优 良的软组织分辨力、 精 确定位、 工作时间长等优点的核磁共振图像引导机 器人的辅助微创外科手术应运而生 ， 它代表着微创 手术 在 当今 至今后 一段很 长时 间内的发展 方向 。 目前核 磁共振 兼 容 机器 人技 术 的研 究 主要 有 ： 受 限空 间下的机器 人构 型研究 和核 磁共振兼 容技术 研究 。受限空间的机器人构型研究主要是研究适合 在开放式和闭式核磁共振成像设备里工作的机器人 构型 ； 核磁共振兼容技术研究主要是围绕如何采取 有效的方法解决机器人与成像设备的兼容问题。目 维普资讯 http://www.cqvip.com 6 2 2中国生物医学工程学报27 卷前器 人 方 面 的研 究本 高用晚本综 述 从 功能 和 核磁 共振兼 容性等方 面 详细介绍 了核 磁 共振兼容手 术 机 器 人 的研 究 现 状对 比了核 磁 共振兼 容手 术 机 器 人 研 发 的关 键 技 术 。最 后 提 出了核磁 共振兼 容手术机 器人 的研 究方 向 。，美 国、 日本等发 达 国家都 在开 展 核磁共振兼容 机， 并陆续 报道过一些 产 品，但 由于 成、技术不 成熟，在 手术 中仍然 没 有得 到广泛 的应。 我 国的核磁 共振兼 容机 器人 的技 术研 究起 步较， 研 究成果鲜有报道。， 分 析 和1核磁 共振 兼容 的机器 人 研 究现状M adha v a n 等 人 指 出 医 疗 机 器 人 有 两 种 大 的 分类方法种是 功能性 分类类面对 核磁 共振 兼容机 器人 进 行分类三 种类 型 是 ：辅 助 机 器 人系统 。辅 助 机器 人辅助机 器 人 的作 用 是 引导 手术工 具不 主 动参与手术操 作 。计 了台核 磁 共 振 兼 容 外 科 辅 助 机 器 人所示的主体结构悬 挂在外科 医 生 头部 上 方挂进入 手术工作 空 间工作 空 间选 用 术 中核磁 共 振 成 像设 备 ( G E 的 s ig na”，第一，第二 种是技 术性 分。 在此，采用 了 Ja n i 的分类方法H ’， 即 基 于 技术 层。 机 器人 可分 为、 操 作 机 器 人 和 机 器 人1． 1，在 手 术 中c hi n z e i 和 H a ta 在 2003 年设一b 0， 如 图 l。 这 台机 器 人 是 针 对 前 列 腺 微 创 手 术 而 设 计，可 以 定位 和 引 导 导 管或 激 光定 位 器 。 机 器 人 的， 两 个 刚性 臂 悬， 新 颖 的结 构 形 式 占据 很 小 的，并且 满 足 核 磁 共振兼 容 要 求 。 成 像设 备S P／ i 型 的0． 5T 核磁 成像 设 备 )状 的磁极， 它 有一对 平 行 布 置 的 面 圈 形，磁 极 间距 560 舢。图 l机 器 人的机 械 结构F ig． 1M e c lla n ic a I c o n置 igll啪 6 0 n forar ot -0t为了达 到核磁 共振兼容要 求件 由顺磁 材料如钛 合 金 和 塑料等加工 而 成， 机 器 人 的所有 部，使用 无磁性 的超 声 波 电 机 ( 日本 东 京 的 Shi n s e i 公 司 生 产 )直接 驱 动滚珠 丝 杠作 为动 力感器 的信号传递 到成像室外进行处 理机 器人 有 5 个 自由度台单元 ( 见 图 2 )(Y H D 50) 或铍铜合金 制造 而 成c hi n z e i 和 H a ta 还 通 过 测 量信噪 比(s NR ) 和 磁场强 度的致性来研 究机 器人 的核磁 共振兼容性果发 现 s NR 值 变 化 为 1接受 的变化 值 )与成像体有 1种结构是核磁兼 容 的 。 然 而的下 降， 并通 过 光纤 将 位 置 传。 图 l 所示 的， 每 个 自由度 均有 线性 驱 动平， 平 台单元 的 机 械 机 构 由 不 锈 钢，有合适 的磁 敏感性 。一。 测试结． 6 ％～1． 8 ％， 小 于 10 ％ ( 可。 在这 种结构 中 ，马达 和 机 器人 主体～2 m 的距 离， 在 这 个 距 离 条件 下， 这， 长 的臂 可 能导 致 刚度，影 响 了机 器 人 的操作精度 。超声波 电机限位传感器滚珠丝杆直线导轨图 2线 性 运 动 平 台F ig． 2L i n e rm 州 0 nta b k为 了 增 强 核 磁 共 振 的 兼 容 性个 将 马 达 置 于 远 离 成像 区 域 的 远程 执行 机构开 放式核磁成像系统设 计 的助 工 具够执行 3 个 方 向 的旋 转 运 动 和 3 个 方 向 的 直 线 运动 。 在远 程执行机 构 的帮助 下，K 0 s e k i 等 人 在2003 年 开 发 了一№ 0( 见 图 3)，它是 针 对 G E 的 0． 5T S ig aSP， 作 为手 术 操 作 中的辅。 远 程 执行 机 构使 用 了杠杆 和 平行 机 构， 能， 可 以 用 普 通 的 马 达图 3杠杆和 平 行机构F ig．3L ev e r age 蚰 dpar aJl e logr岫m e c llan i锄维普资讯 http://www.cqvip.com 4 期洪 在 地 等 ：核磁 共振兼 容手术 机 器 人 研 究代替昂贵的马达构 也 给成像区 域腾 出更 多的操作空 间 。G r e即 r y 等于 2006 年设 计 了操作臂机 构磁 成像设 备设 计 的的活检 和粒 子 植 入 操 作特殊 的机 构 设 计 实 现 垂 直 和 水 平 方 向 的平 动 和 转动 。 研究者对所选 的材 料 和 传感器 ( 包括 光 学 解 码器 ) 进行 了核磁共振兼容测试高场 强 的核磁 共振成像设 备是兼容 的 。， 如超 声波 电机， 同时， 远 程 执行 机一台核 磁 共 振 兼 容”‘( 见 图 4)， 它 是 针 对 闭 式 高场 强 的 核， 可 在 受 限 的空 间 里 进 行 前 列 腺。 系统 采 用 气 动 驱 动， 利用，测试 结果 显 示 它们与图 4机 器 人 机 构ng． 4C o mpleter o botI 眦haJ Iisrn1． 2操作机 器 人操作机 器 人 是 能独 立 完成手 术操作 的过程 中能 主 动 地 执 行 手 术 操 作个 多 自由度 的的操作臂度的多关 节压 舌 板 装 置 和，在 手 术。0 k a m o t o 等 人 在2003 年 开发 了一、用 于 颅 脑 微 创 手 术台 10 自由台支 撑 它 的 6 自由度¨ ’，如 图 5 所示。 操作臂包 含一一S CA R A 型机 械臂铝材臂不但能够确保脑部 区 域 的安 全具进入 脑部非手术 区 以 造 成 危 险具 提供更大的操作空 间 。 在动力方 面节使用 了超声波 电机套系统 的 成 像 设 备 为 0， 压 舌板 和 S C A R A 机 器人， 主要 由、不锈钢 和超 声 波 电 机 加工 装配 而 成 的 。 操 作， 防止 其它 手 术工， 而 且 也 为微 创工， 操 作臂 的关， 而 压 舌板 使 用 液 压 驱 动 。 这． 3T 开 放 式 核 磁 成 像 设 备图 5脑 收缩 操作臂 图ng．5B 岫r e t r a c t眦IlipIIIato rsys tem( H it a c hi 医疗公 司 )小 型 的多 自由度压 舌 板 ( 见 图 6 ) 设 计 合 理。， 厚2 m m，宽 7 m m，长 130 m m个关 节 运 动时。 压 舌板 仅 由一个液压 缸 驱动这样它可 从脑部安全拔 出 。 在 机 械臂 的帮助下舌 板能够在 成像区 域 几 米 外 的空 间 (0进 行操作，在其 中一， 其余关 节 均 可 以 锁住，， 压． 5 高斯线外 )，因此 降低 了 系统 的核磁 共振兼容性要 求 。图 6压 舌 板 和 具 驱 动 单 兀F ig． 6Aspa t u Iaa n d its d rivingtI 】 【 Iit鼬 m 等于 2002 年 开 发 了用 于 肝 微 创 手 术 的核磁共振兼容操作臂旧“川， 如图 7 所 示。 系统 ( 体积 为90 m m×14 0 m mx 4 50 m m ) 是 具 有 6 个 自由度 的操 作个远距 离移动 中心 机 构距 4 50 m m 的开 放 式 核 磁 共 振 成像 设 备 里 工 作 。 操作臂 由电动力 。 为 了获得 更 好 的核 磁 共 振 兼 容超声 波 电机 和非强 磁性材料 。 测试发 现所 选 择 的材料对核磁共振成像 质量 的影 响很 小臂能够与核磁 共振成像 扫描 同时进行工 作 。臂，它带有一，能够在磁极 间一液压 驱 动，它能够提供 肝 手术 中所需 要 的， 机 器 人 使 用，所 设 计 的操 作图 7磁 共 振 兼 容 手 术 机 器 人F ig．7M R-c o mpa廿bIes u呼c aI r o botK ri e即r 指 出前列 腺 手 术通 常是 在 超 声 图像 下经 穿直肠 引导 治疗 完成 的 ，但是 经 直 肠 超 声 治疗 不能提供足 够 的精 度 和 分 辨率像在 扫描 前列 腺 软 组 织 的分 辨率 比 c T 更 高，�6�8’。由于 核 磁 共 振 成， 因此维普资讯 http://www.cqvip.com 6 24中国生物医学工程学报27 卷从核磁共振 图像能够更清楚地 看到前列腺里 的癌组织的前 列 腺介 入 治疗操作臂包括台 引 导 装 置 和 直 肠 护 套台下作小使用容方 面统 的核磁共振兼容性 要求 的构材料选 用 了塑料 。。K ri eger 等于 2005 年 开 发 了核 磁 共 振 图像 引 导�6�8’， 如 图 8 所 示。 操 作臂一、 植 入 平 台、 定 位 平、柔性把柄 和 架 置。 在 高场 强 环 境 和 医 生 的控 制，操作臂具有毫米 级 的操作精度，能够用作 活检操、基准坐 标定 位 和 引导 治疗 操 作 。 操 作 臂体 积 较，在开 放式和 闭式 的成像设 备 受 限 空 间 内均 能够，并 已 开 展 了相 关 的 临床 试 验。 在 核 磁 共 振兼，研 究者是 通 过 选 择 合适 的结 构 材 料 达 到 系，如在精确成像 区 内 ，结图 8核 磁 共振 成像 环 境 下 图像 引导 前 列 腺 介入 操作臂F ig． 8Am a Ilipllla t o rfor’帅 age ．glIid e dpr 0 S ta tei n te r v e n tjo n s核磁共 振 成 像 系统 是 乳 房 肿 瘤 检 查 的有 效 工具 。 IJar s o n 等于 200 4 年介绍 了在核 磁共振 成像 引导下 用 于 乳 腺 活 检 和 介 入 治 疗 系统机 器 人 通 过用 户 图像 界 面 进 行 控 制共振引导规划 和 运 动监控功能 。 图 9 显 示 了乳房治疗系统 的主 要 部件臂机具 有 6 个 自由度探针按要 求 以各个方 向插 入 乳房组 织 内部用 了 四个超声波 电机 ( 日本 东 京 Shi n s e i 公 司 )安装在距 核磁共 振 成 像 中心 1 米 以外 的地 方了 由于包含导 电材料 而 产生 的图像 伪 影 问题机 轴的末端还 安装有光学传感器均是无 磁性和不 导 电的 ，如高密度聚 乙烯塑料丙烯酸经 鼻神经 手 术是个 最 典 型 的微 创手 术 之K 0 s e k i 等 于 2002 年 开 发 了所示 。 操作臂具 有 两 个旋转 自由度和度“引， 如 图 9 所 示。，具 有 实 时 的磁， 它 包 括一个 病 人 床、 探 针 操 作、乳房支 撑 装 置、 探 针 引 导、 机 械 连 杆、 超 声 波 电、 电机 控制器、 电源线 和光学解 码 器。 探针 机 械臂，是个辅助治疗设 备， 可 以帮助活 检。 系统使， 电机，避 免，在 电。 系统使用 的材料、纯 的、天 然缩 醛树脂、纤维玻璃、特氟隆和丙烯酸 。一一。一个 操 作 臂¨ 引， 如 图 10个移动 自由一，能够在狭小 的成像设备( 日立 的 A IR IS 0． 3T 开放图 9乳 腺 治 疗 系 统F jg． 9T 1 0 t a I b r e ast t r e a t m e n tsys tej【 I I式核磁 共振 成像 系统间把持 和 引导 内窥镜人 使用 了 经 核磁 共振兼 容测试 过 的材料马达 u s R 60关节都设 计 了手刹 系统 。，上 下 磁 极 的间距 为4 30 m m ) 空。 对 于 操作 臂 部 件， K o s e k i 等、 马 达 ( 超声．s 3 N) 和 传感 器， 由 于 安 全 原 因， 在 每 个图 10经 鼻 操 作 臂F jg． 10T r a Il sl 脚I m a llipIIla to rM aLs a m u n e 等 于 200 1 年 也 介 绍 了成像引导 的 穿 刺 机 器 人足核 磁共振兼容要 求其它 非 强 磁 金属 材 料 如 铜 制 成 的电机作 为驱 动 。一个核 磁 共 振为 了 满““， 如 图 l I 所 示。， 机 器 人 的本 体 由铝 材 和一些，并 且 利用 超 声 波M ic ha e Im u n t e n e r 等 于 2006 年 开 发 了 首 个 能 自动完成 近 距 离 粒 子 植 入 治 疗 的 核 磁 共 振 兼 容 机 器人缘 的材料加工 而 成 的为核磁 共 振 兼 容 机 器 人 设 计 的 气 动 马 达究 者 还 进行 了许多临床试验来测试 机 器人 的精度和核磁共振成像 的兼 容性能够在 闭式高场强 (7T ) 的核磁 共振成像设备里 自动地 高精度工 作干扰行精度 测 试( 0¨ ’“引，如 图 12 所 示。 机 器 人 完 全 由无 磁 性 和 绝，关键 核 心 技 术 是 使 用 了 专 门¨ 卜” ’。 研，测 试 结果 显 示 机 器 人 完 全，机 器 人 与核 磁 共 振 成像 设 备不 相 互，两者具 有 很 强 的兼容性 。 在 人 体仿 制 品 上 进， 测 试 结 果 显 示 主 粒 子 的 植 入 误 差 为． 72 ± 0． 36 ) m m。维普资讯 http://www.cqvip.com 4 期洪在地 等 ：核磁 共振 兼 容手术机 器 人 研 究图 11穿刺 机 器 人 系 统及 核磁 共 振 成像 设 备图F ig． 1lR 0 boticsys t e mforn e e d le i n s e r tiO n j n M R Igan tr y图 12机 器 人 系统F． g．12R 0 boticSyste m1． 3机 器 人 系统N e u m A R M( 见 图 13) 是 最 著 名 的 核 磁 共 振 兼 容机器人 系统之的 ，能够执行 图像 引导 的 活 检或者交 互 式 控 制 的微创手术器人 系统共 有 8 个 自由度 ( 包括工 具 )容要求像设备 中测 试 过为 了将外界与机 器 人 接 触 状 态 反 馈 到 控 制 单 元端执行器还嵌入个光学 的 3 自由度 力传感器个可 以控制操作臂 的工 作站通 过 视觉工作站利用 双 目视 觉 技 术 观 看手术 目标来 自手术 区域 的核 磁 共 振 图像信 息器人 控制参数 。 机 器 人 的控 制单元 ( 见 图 14 ) 包 括手握式力反馈控制器知道操作中的机 器人 与病人 接触力 的大小 。 为 了获得 系统的核磁共振兼容一， 是 专 门针 对 神 经 手 术操 作 而 设 计。 。”驯。N e u m A R M 是一个具 有 多机 械 手 的机，机 械 手 都是 基 于 s c A R A 操 作 臂设 计 的，。 为 了确保核 磁 共振 兼，操作臂 的材料都在 1． 5．T 和 3．T 核磁共振成， 并 选 用 核 磁 共 振 兼 容 的传 感 器 。， 末一。N e u r o A R M 有一， 它、 听 觉 和 触 觉 的 反 馈 信 息 来 控 制操 作 臂 。， 同时 收到，并 自动更 新 机，控 制器 的力 反 馈 信息使 医 生，N e u m A R M 使用 了核 磁共振图 13N e u r o A It M 机械构型F ig． 13N e u r 0 A R M’sm e c h a n ． cal c O n 矗g IIr a 戗 o n兼容 的材料璃 复合材料 和 塑料 等 。、马达 和解码 器，材料 主要 有铝材、钛、玻图 14N e l l r o A It M 控 制 单 元F． g． 14N e u r 0 A R M’sc o nt r o Iu IIitT aiim a 等 于 2003 年 开 发 了的 主从操 作臂 系统在开 放 式核 磁 共 振 成像 系统 ( 日立 的 0型 的开放式核磁 共振成像设备 ) 下使用 的手术工 具 以在操作室 里 获得 更好 的利用率 。 系统有多个核磁共振兼容 的操作臂分显 示 了它 的优越 性的场合 下执行操作收到来 自核 磁 共 振 成像等) 和操作 台的信息操作臂( 见 图 16) 的基 座 材 料 是 铝合金钛振兼容要 求 。 臂 的运 动是 由置 于操作臂基 座 或长臂末端 的马达 驱 动 的及 运 动是 如何传递 到操作臂末端 的 。 在操作臂 的核磁 共振兼容测试 时一个 核 磁 共 振 兼 容m “， 如 图 15 所 示 。 系 统 是 设 计． 3TA IR IS II，可 以互 换，在复杂轨迹操作下，充， 它 能够 在 医 生 很 难灵 巧 操作， 比如伤口缝 合 。 在手术 时， 医生、 其 他 资 源 ( 如 光 学 内窥 镜，并通 过 控制 台驱 动 整 个 系统 。，工 具 材料是，其它部件是工 程塑料，这些 材料都能满 足核磁共， 而 在 T aiim a 等人 的研 究 中没 提，手术工 具 的针 尖 置 于 距 充 满氯维普资讯 http://www.cqvip.com 6 26中国生物医学工程学报27 卷化物 的塑料 水 模 20 m m 远状 态下扫 描 水模 照 片 。 测 试 结 果 显 示 了 s N R 值 无明显 下 降(s E 成像 ) 和 §，并 在 操 作臂 的 不 同工 作， 当机 器人 运 动时，s NR 值仅仅 下 降4． 2 ％． 3 ％ ( G R E 成像 ) 。图 15操 作 臂 及 整个 核 磁 共振 成像 操 作 室 图F碴． 15M a n ipIlIa to rsys te mi n s talIe dinM R IeqIlip pedOpe r a tio nth e a t e r图 16操 作 输入 设 备 和 核 磁 共 振 兼 容 机 器 人 臂FIg ．16oper a tio ni叩u t d e V i c ea nd M Rc o mpa 曲 Ier o bota r m2核磁 共振 兼容机器 人 的关键 技术目前，在核磁 共振成像 环 境 中 ，手术机 器 人研究会 出现 两 个 问题 ：1) 在有 限 的空 间里 操作机 器 人 ；2)核磁 共振 兼 容研究 中 ，除 了需要 研 究 普 通 手术 机 器 人 的 关 键 技术外研 究 内容 。构 型无论 是水平 开 放 式 核 磁 共 振 成 像设 备直 开放式 核磁共 振 成像 设 备像设备生 足够工 作空 间 的前 提 下较小 的工 作空 间 内工 作 。 再次术至有 时需要 从 医 生 不 易实现 的位置 操纵手术器械进旺。。�6�8。 因 此 在 核 磁 共 振 兼 容 机 器 人，还 要研 究 自身关键技 术，以 下论述 自身关键技术2． 1， 还 是垂，甚 至 闭式 核 磁 共 振 成， 留给手术操作者 的空 间都很狭小，在保证 医，辅 助 手术 机 器人 只能 在， 利用 机 器 人 实施 手，要 求机器 人能模仿人 的手臂 和手 的各种动作，甚入病 人 体 内 ，所 以 要 求 机 器 人 机 构 要 有 足 够 的 自由度 。 例 如机 器 人 的结 构 是 90 m m满 足要 求 。 对 于 面 向微 创 手 术 的 医 疗 外科 机 器 人其结构也 由手腕 和手 臂 两 部 分 组 成的作用 是 ：1)将手 腕 末端 和 手 术器 械定位 到切 点 ；2)对 手 术 器 械定 向两 个作 用 在 运 动方 式 ( 理 想 情 况 下向是旋转运 动 ) 和 在 手 术 中应 用 都不 相 同。个合 理 的设计应 不 仅 能 完 成 这 两 项 任 务少 手臂关节 和手 腕 关 节在 运 动 中的相 互 依赖 。 为 了达 到这目的腕 ) 应 采用 分离 的结构，东京 大 学 研 制 的 6 自由度 外科 手 术操 作×140 m m×4 50 m m∽’ �6�8 ’， 即 可，， 在 微 创 手 术 中， 使 其 穿过 切 点 到 达 手 术 部 位。 这，定 位 是 移 动，定因 此一， 而 且 能 减一，定位结构 ( 如手臂 ) 和定 向结 构 ( 如手，使其在运 动 上 独 立。 不 仅 如此其运 动也 最好独 立高手 术安 全 性医 疗 外科 机 器人构 型器人 构 型 的优缺点设 计 的般要 求 。 针对 核磁 共振 成像 环 境下 和具 体手术类 型 的操作特 点也 是 未来研 究 的热点 。核磁 共振 兼容机 器人 机 构材料核 磁 共 振兼容是 研 究在核磁 共振 成像 环 境 下工作 的机 器 人 的 又技 术难题机 器 人会有 干扰 噪声或失 真干涉 的影 响而 失去 控 制 。工 程 塑料料 可 分别用来制造 机 器 人 的各个 不 同部件 。 但是有些 通 常认 为是顺磁 的物 质像 的 明显 失真材 料应该 具有 完全 匹 配 的磁 化率因此 倾 向不 使 用 金 属 器 械然 而度工 性 等 。 因此这 些 问题机 器人 驱 动部 件目前波 电机图 12 ) 。 超声 波 马 达 具 有 重 量 轻控制特性 好等特点出力矩 大，对 于 手臂 和手 腕 本身各个 自由度 的移 动或转 动，， 这 样 可 以 方 便 医 生 的操 作 和 提。 刘 达”。’等研 究 了 面 向微 创 手 术 的， 分 析 了 多种适 合 外科 手 术 机， 总 结 出 了 医 疗 外科 手 术 机 器 人一， 研 究 合适 的 机 器 人 特 种 构 型2． 22． 2． 1一。 使用 顺 磁性 材料制造，机 器人 可 与核 磁 共振兼 容，核磁 共振 图像不， 而 且 机 器 人 也 不 会 受 到 电 磁般 来 说一，钛 合金、 陶瓷、、铂、铜合 金、铝 合金 和 非 磁 性 不 锈 钢 等材， 也 可 能 引 起 核 磁 共 振 图，故 不 能使 用。 理 想 的核 磁 共 振兼 容，并且 电导率为零。， 而 用 塑 料 或 陶 瓷 制 成 。，在实际应用 中还 有很 多其它 问题，如材 料 的强、可 靠性、 组 织 生 物 学 相 容性、 可 消毒 性 以 及 可 加，在设 计 机 器 人 机 构 时应 该 全 面 考 虑。2． 2． 2，适合 于核 磁 共 振 成 像环 境 的 驱 动有 超 声‘ 巧 ’( 见 图 17)，液 压 驱 动m ’和 气 压 驱 动n ’( 见、 惯 性 小、 响应 快、，但是价格 昂贵 ；液压 驱 动具 有输、惯 性小 等特 点，但是 结构 复 杂，不 利 于 手维普资讯 http://www.cqvip.com 4 期洪在地 等 ：核磁 共振兼 容手 术 机 器 人研 究6 2 7术机 器人 的小 型 化 ；气 动 马 达 控 制 特 性 差杂 。目前 大部分 机 器 人使用 上 述三 种方式有 系统将传统 马达的位 置 以减 小磁场 的影 响 。 后 者 的问题 是 两 个磁 场的相互 干扰尽管会降低传动机 构 的设 计要 求 就 会 明 显 提 高 ， 如何 减 小振 动及提高传动效率等问题需要 着重考虑 。， 制 造 复， 当然，也” “。 ’( 见 图 3) 放置 在离 磁 场较 远，但仍然存在 ；而 且 对 于 动力图 17超 声 波 电机F ig． 17U It r 踟nicm o to r超声波 电机 ( 如 图 17)， 它 突破传统 电 磁 电机 的概念而 是 利用压 电陶瓷 的逆 效应 和超 声 振 动微观 变形 通 过 机 械共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块 的宏 观 运 动 。因 此 超声波 电机 可 以制作 成完全无 磁 性 的个 主 要 问题 是生 产厂 家很 少贵 。图 18 显 示个能传递旋转 和直线运 动 的 主驱 动装置压 驱 动 。 如果将单元 的材料和 工作介质选 择 为核磁共振兼 容 的 ， 那 整 个 系 统 完 全 可 以 实 现 核 磁 共 振兼容 。，没 有磁场， 不 依 靠 电磁 相 互 作 用 来 转换 能量，， 将 材 料 的， 不 产 生 磁 场 和 电场 。 超声 波 电 机 的一， 因此 很难 获得，也 很 昂一．从， 主动部分 由普通 电机带动，从 动部分 由液控 制室蔽层震 转 ■ 出(b)图 18主-从 驱 动单元 。 (a )直线的 ；(b)旋 转 的F ig． 18M 幽 瞳 e r - s Ia v e d—v eu njt． (a )Hn e a r ；(b)m t a tio 啮 I2． 2． 3传感器作为 反馈数据，机 器人 总是需要 自己 的位置、接触力等信息感器手臂合成 为可 能 。 有时使用 基 于 核磁共振成像 的跟 踪方法 来获得设备和操 作臂 的位 置 空 间信息时候的跟 踪方法将更 准 确 。 其 次 ， 为 了 了解 机 器 人 与病人 的接触关系和检 查 病 人 组 织 特性 等部配 置 力或力矩传感 器是很 必 要 的 。发 了个核磁 共振兼 容 的 光 学二轴 力 传感 器19 所 示力的测量个 好 处 是 能 够 实 现 多 轴 力 测 量 。， 基 于 这 个原 因，需要 设 计不 同类 型 的传个 很 精确 的传感 器 嵌 入 机 器 人。 首先，利用一，将使核磁共 振 成 像 的 空 间 信息 与它 的信息融， 但 在很 多， 由于 核磁 共振 成像 的可 能误 差，基 于 机 械原 理， 在 机 器 人 内T ada∽ �6�8等人 开一， 如 图。 传感器可 以 植 入 不 同的机 械设 备， 实 现 对， 其 中一R oge r了设 计学传感器来检测柔 性铰 的位移在力矩 的测量 中 ， 将反 射物 体 固定 在 聚 合物做成 的扭转梁 上测 出 了力矩 的值他¨。 ’ 0等对核磁兼 容机 器 人 力一力矩 传感 器进 行， 如图 20 所 示。 在 力 的测 量 中 ， 通 过 使用 光，从 而达 到力 的测量 ；， 当梁上 施 加 力 矩， 反 射 角发 生 改 变， 间接。传图 19核磁 共振 兼 容 的二 轴 力传 感 器F ig． 19M Rc o mp a帅 le 2-a 】 ds fb r c e ．s e n s o r扭转弹簧( b )放射物体应用力矩图 20力-力 矩 传 感 器 的 系 统 图 。(b) 力矩 测量技术(a ) 力 传 磁 器 技 术 ；F蟾． 20s c№ mt ic．衄 ag e0ffor c e t orques e Il s o r s．Ia )tec h n o Io科0ffor c es e 脚r s； ( b )t o rqu em 朗 s u r e m e n tt e c h niqu e此 外在加热或 冷冻 治疗 中 ， 温 度传感 器 是 必 须s a Il l s e t 掣个基 于光纤 的核磁 共振兼的 。圳介 绍 了一维普资讯 http://www.cqvip.com 628 中 国生物 医学工程学报 27 卷 容的温度测量系统 ， 利用这种传感器，使在核磁共 振成像设备里测试肝组织 内部的温度是可能的。核 磁共振兼容的传感 器是光纤 的典型应用 ， 在光纤的 帮助下， 信号是很容易传递到成像室外的， 并且避免 了将电子设备带入成像室内， 增强了系统的安全性 。 3 核磁共振兼容 的机器人 的发展方 向 目前对核磁共振图像导航的机器人辅助微创外 科 手术 系统 的研 究还 处 于初 始 阶段 ， 各 个层 面 的技 术都还有待提高和完善。首先 ， 针对在核磁共振成 像环境下受限空间的特点， 研究新的机器结构 ， 如冗 余度机器人和多灵巧手指等， 是拓宽机器人辅助外 科的应用范围， 提高机器人在受限空间的灵活性 ， 推 动机 器人 在 核 磁 共 振 环 境 下使 用 的重 要 条 件 。其 次 ， 包括机 器人 在 内的手 术 器 械 的核 磁共 振兼 容 性 是 另一重 要 问题 ， 从 器械材料 选取 、 核磁共 振兼 容性 测试 、 有效性验证到临床实验的各个步骤都必须时 刻考虑与核磁共振成像兼容的问题， 使用严格符合 要求的手术 器械是手术安 全有效进行 的保证。再 次 ， 术野图像的采集 、 传输和后期处理， 术前规划和 模 拟定位 ， 术 中实 时导 航 和手 术 机 器人 控 制 等技 术 都需要结合硬件进一步深入研究裂纹的一种方法。德国 DOM 机器设备公司、 日本玉川机械的粉末冶金成形压机都有这种功能， 并可随机提供上模冲压紧装置附件。在粉末压坯的整个脱模过程中， 借助于上模冲压紧装置对压坯在轴向施加适当的压缩力， 在一些场合下， 可防止粉末压坯中产生裂纹。（2） 下模冲尺寸修正法在设计形状复杂的工件压坯的压制成形模具时，必须将下模冲的弹性变形量考虑进去， 并且在设计下模冲时给予修正。否则， 粉末压坯中就可能产生裂纹。（3） 降低压制模具工作面的粗糙度值由于模具的内腔和下冲模的工作表面是由线切割得来的， 其表面粗糙度值在 1. 6 µm 左右， 因此， 需要对这些表面进行抛光处理， 使其粗糙度值达到 0. 025～0. 012 µm。模具的上冲模是压制 S 形返向槽的关键零件， 是利用紫铜电极在电火花加工机床上加工出来的， 表面粗糙度为 1. 6 µm。因为返向器的 S 形返向槽表面粗糙度值应为 1. 6 µm， 因此对上冲模也应该进行抛光处理， 使其表面粗糙度值达到 0. 012 µm 以下，在防止压坯裂纹的同时， 更好地提高 S 形回珠槽的表面质量。4 结语 粉末冶金返向器的研制成功， 不仅满足了生产需求， 而且打破了粉末冶金不能用于滚珠丝杠副的禁忌，促进了新材料、 新工艺的应用， 收到了良好① 传动机构：考虑与伺服系统相关的精度、稳定性、快速响应等伺服特性② 导向机构：考虑低速爬行现象③ 执行机构：考虑灵敏度、精确度、重复性、可靠性2.2传动机构1、传动机构的种类：齿轮传动机构、滚珠丝杠副、滑动丝杠副、同步带传动副、间歇机构、绕性传动机构2、传动机构的特点：传动精度要高、 响应速度要快、稳定性高3、传动机构的基本要求：