外科醫(yī)生在進(jìn)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(jī)器人。通過實(shí)時反饋，機(jī)器人能夠?qū)⒏邚?qiáng)度聚焦超聲探頭準(zhǔn)確定位在腫瘤上，以達(dá)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(qiáng)磁場環(huán)境中工作的機(jī)器人并不簡單，不過WPI的團(tuán)隊(duì)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(jì)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(jī)需要相當(dāng)安靜。除此以外，還必須足夠可靠。而且設(shè)計(jì)MRI機(jī)器人，F(xiàn)ischer的團(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(jī)、變速箱、驅(qū)動器等運(yùn)動部件。顯然，MRI機(jī)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(yùn)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(jī)器人需要高達(dá)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(jī)（如圖1所示）。

圖1. Piezo LEGS電機(jī)（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(dá)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(jī)提供高達(dá)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(jī)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(jì)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(yùn)動，WPI團(tuán)隊(duì)將直接驅(qū)動進(jìn)針的Piezo LEGS直線電機(jī)和驅(qū)動鋁制導(dǎo)桿的Piezo LEGS旋轉(zhuǎn)電機(jī)配合使用。對于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使用了3D打印的定制皮帶輪和橡膠/玻纖增強(qiáng)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(jì)更大，這意味著它們需要更高的扭矩以產(chǎn)生運(yùn)動來作為壓電馬達(dá)的輸出。“在許多的應(yīng)用中，你可以只需要壓電馬達(dá)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(dá)，還要配100：1齒輪比的減速箱。”

 “很多壓電電機(jī)能達(dá)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(dá)或者是需要你設(shè)計(jì)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(dú)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(shí)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(dá)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套控制模塊來操作MRI中的壓電馬達(dá)。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保控制器合成產(chǎn)生運(yùn)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(jī)的閉環(huán)位置或速度控制能夠在單板上運(yùn)行實(shí)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(jī)器人放置在MRI掃描器上。定制的電纜連接機(jī)器人和控制器，能夠進(jìn)行最多8軸的控制。

現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)壓電電機(jī)大大簡化了整個項(xiàng)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(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)上。”

但是項(xiàng)目的目標(biāo)遠(yuǎn)不止手術(shù)機(jī)器人。Fischer的目標(biāo)是開發(fā)MRI兼容的機(jī)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(qiáng)。“在工業(yè)應(yīng)用中，你可以購買PLC，馬達(dá)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(dá)到此目的，該團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)MRI機(jī)器人在其它應(yīng)用的擴(kuò)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(jī)開發(fā)的。”他說，“在我的實(shí)驗(yàn)室里，有市場上能夠買到的所有壓電馬達(dá)。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。”