淺談機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展及其在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用

倪磊，李素琳

（克拉瑪依市中心醫(yī)院 設(shè)備科，新疆克拉瑪依 834000）

淺談機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展及其在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用

倪磊，李素琳

（克拉瑪依市中心醫(yī)院 設(shè)備科，新疆克拉瑪依 834000）

本文對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行綜合概述，探討其網(wǎng)絡(luò)化、智能化、微型化和綠色化的發(fā)展方向以及對(duì)人才的要求。論述了機(jī)電一體化技術(shù)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)。

機(jī)電一體化技術(shù)；醫(yī)療儀器；智能化；網(wǎng)絡(luò)化

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段?，F(xiàn)代化醫(yī)療儀器作為機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)重要分支，為醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 機(jī)電一體化的概念與特征

機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來(lái)所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱，涵蓋了“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個(gè)方面，是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合技術(shù)，而不是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡(jiǎn)單組合、拼湊。機(jī)械工程技術(shù)由純機(jī)械發(fā)展到機(jī)械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機(jī)械，其主要功能依然是代替和放大的體力[1]。但是機(jī)電一體化技術(shù)賦予系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)處理信息、自動(dòng)顯示記錄、自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制、自動(dòng)診斷與保護(hù)等功能，即機(jī)電一體化技術(shù)不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸。機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別是智能化。機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由機(jī)械裝置、執(zhí)行裝置、動(dòng)力源、傳感器、計(jì)算機(jī)等五個(gè)要素構(gòu)成。

2 機(jī)電一體化的發(fā)展概況

20世紀(jì)60年代以來(lái)，人們自覺(jué)不自覺(jué)地利用電子技術(shù)的初步成果來(lái)完善機(jī)械產(chǎn)品的性能，刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合。20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代末期，機(jī)電一體化技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)。20世紀(jì)90年代后期，開始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段。一方面，除了光學(xué)、通信技術(shù)等，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；另一方面建模、分析和集成方法的應(yīng)用，使機(jī)電一體化技術(shù)達(dá)到前所未有的高度。

我國(guó)是從20世紀(jì)80年代初才開始機(jī)電一體化的研究和應(yīng)用，雖然取得了一定成果，但與歐美、日本等先進(jìn)國(guó)家相比仍有很大差距。

3 機(jī)電一體化的主要發(fā)展方向[2-4]

⑴ 智能化“智能化”是對(duì)機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。

⑵ 模塊化 由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。

⑶ 網(wǎng)絡(luò)化 由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。

⑷ 微型化 微型化指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)際上稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

⑸ 綠色化 綠色化主要是指在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷毀的生命過(guò)程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類健康的要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少，資源利用率極高。

⑹ 系統(tǒng)化 系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強(qiáng)，一般除RS232外，還有RS485、DCS。

4 機(jī)電一體化技術(shù)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用

4.1 機(jī)電一體化技術(shù)與診斷儀器[6,7]

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，單純靠傳統(tǒng)的以望、聞、問(wèn)、切為主的經(jīng)驗(yàn)診斷方法已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的要求。目前，醫(yī)療診斷儀器主要包括X光機(jī)、計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備、血管造影設(shè)備、心電圖機(jī)、腦電圖機(jī)、肌電圖機(jī)、超聲診斷設(shè)備、核磁共振、正電子計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備等。

血管造影設(shè)備是繼CT以后在國(guó)際上出現(xiàn)的又一類新的成像設(shè)備。它在注入的造影劑尚未到達(dá)病灶之前的某一瞬間將有關(guān)的圖像信息數(shù)字化并輸入到圖像存儲(chǔ)器中，之后又將造影劑到達(dá)病灶后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器，最后將兩組圖像相對(duì)位置的像素?cái)?shù)據(jù)做減法運(yùn)算，并將其結(jié)果以模擬信息顯示在熒光屏上，從而獲得血管分布圖。

磁共振成像是利用射頻電磁波對(duì)置于磁場(chǎng)中的含有自旋不為零的原子核的物質(zhì)進(jìn)行激發(fā)，發(fā)生核磁共振，用感應(yīng)線圈采集共振信號(hào)，按一定數(shù)學(xué)方法建立的數(shù)字圖像。磁共振有多個(gè)成像參數(shù)，能提供豐富的診斷信息，無(wú)輻射危險(xiǎn)，安全可靠，已成為重要的診斷儀器之一。

4.2 機(jī)電一體化技術(shù)與臨床檢驗(yàn)儀器[8,9]

隨著生物學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)已經(jīng)超越了細(xì)胞病理階段，進(jìn)入分子水平，到20世紀(jì)80年代末，已飛躍到基因的新領(lǐng)域。由于某些新興學(xué)科的相互滲透，形成了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)必不可少的臨床血液學(xué)、臨床化學(xué)、臨床免疫學(xué)和臨床細(xì)菌學(xué)系統(tǒng)。與之相應(yīng)的血細(xì)胞分析儀、生化分析儀、血?dú)夥治鰞x、電解質(zhì)分析儀、免疫類儀器等臨床檢驗(yàn)儀器應(yīng)運(yùn)而生。

20世紀(jì)50年代初，庫(kù)爾特發(fā)明了粒子計(jì)數(shù)技術(shù)的專利，并制造了世界上第一臺(tái)血細(xì)胞分析儀。血細(xì)胞分析儀是指對(duì)一定體積內(nèi)血細(xì)胞數(shù)量及異質(zhì)性進(jìn)行分析的儀器，它涉及生物化學(xué)、機(jī)械、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)和信息等技術(shù)，是典型的機(jī)電一體化醫(yī)療設(shè)備。

4.3 機(jī)電一體化技術(shù)與監(jiān)護(hù)儀器[10]

醫(yī)院對(duì)病人的監(jiān)護(hù)，以心電和腦電為主，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，具有記憶、凍結(jié)、趨勢(shì)顯示和分析功能，能對(duì)病人的某些重要生理指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)控，為醫(yī)護(hù)人員提供病人的生命體征信息，協(xié)助醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行診斷和治療。

4.4 機(jī)電一體化技術(shù)與治療器械

隨著科學(xué)技術(shù)地進(jìn)步，各種治療器械不斷涌現(xiàn)。國(guó)外推出的伽瑪?shù)?，不用開顱就可以割除病人的腦瘤，國(guó)內(nèi)已有醫(yī)院開展此種手術(shù)。由瑞士洛桑工學(xué)院科學(xué)家布克哈特和格勞澤爾開發(fā)的機(jī)器人“米內(nèi)爾”，成功地把一根2mm粗的導(dǎo)管插入病人顱內(nèi)，從長(zhǎng)在腦里的囊腫中抽出液體，成為世界上首次用機(jī)器人做的腦部手術(shù)。近期在我國(guó)某醫(yī)院也出現(xiàn)了第一例利用機(jī)器人來(lái)為患者做膽囊切除手術(shù)。這個(gè)機(jī)器人名叫宙斯，它不同于工業(yè)流水線上的機(jī)器人，不像人們想像的那樣先設(shè)計(jì)好程序，再按照程序做。它需要貫徹醫(yī)生的操作意圖，對(duì)各種特殊情況進(jìn)行處理。首先必須識(shí)別醫(yī)生手的動(dòng)作，然后轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)，再通過(guò)光纜將這些信號(hào)傳到機(jī)械臂上，機(jī)械手進(jìn)行識(shí)別后轉(zhuǎn)化成夾、鉗、止血等具體的動(dòng)作。在聲控方面，手術(shù)前主刀醫(yī)生先在工程師的指導(dǎo)下，把簡(jiǎn)單的指令發(fā)音(如停止、開始、向前、向后等)用英語(yǔ)錄入機(jī)器人的“大腦”(語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng))。手術(shù)時(shí)只要按照預(yù)先錄入的發(fā)音向機(jī)器人發(fā)出指令，機(jī)器人便會(huì)按照指令操作。這種技術(shù)結(jié)合了電學(xué)、數(shù)控、精密機(jī)械,在標(biāo)準(zhǔn)程序下，只需要一個(gè)醫(yī)生進(jìn)行操作，手術(shù)臺(tái)上有一到兩位護(hù)士進(jìn)行協(xié)助就可以了。用機(jī)器人做手術(shù)使得醫(yī)生從繁重的體力手術(shù)中解脫出來(lái)，醫(yī)生通過(guò)屏幕操作觀察以便有更多的精力來(lái)注重手術(shù)的細(xì)節(jié)，獲得比以往手術(shù)更好的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)電一體化技術(shù)經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展已經(jīng)取得了豐碩的成果，其產(chǎn)品的品種不斷增多，水平也不斷提高。不但對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了巨大的作用，而且給人們的生活帶來(lái)很大的方便和享受。隨著科學(xué)特別是微電子技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)必將獲得新的突破，引起更大的生產(chǎn)變革和社會(huì)變革，會(huì)朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、微型化和綠色化的方向發(fā)展，為社會(huì)的進(jìn)步和人類生活水平的提高起到巨大的推動(dòng)作用。

綜上所述,機(jī)電一體化的出現(xiàn)不是孤立的，它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。當(dāng)然，與機(jī)電一體化相關(guān)的技術(shù)還有很多，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互融合的趨勢(shì)將越來(lái)越明顯，機(jī)電一體化技術(shù)的廣闊發(fā)展前景也將越來(lái)越光明。

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Discussion on the Mechatronics Development and Its Application in Medical Devices

NI Lei,LI Su-lin
(Equipment Department,Central
Hospital of Karamay, Karamay Xinjiang 834000,China)

This paper introduces the mechatronics technique,also analyses its networking, intelligentization,micromation,greenization and demands on talents,and discusses the application and development trend of mechatronics technique in medical devices.

mechatronics technique;medical devices; intelligentization; networking

R319

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.02.020

1674-1633(2010)02-0050-02

2009-05-15

2009-09-16

作者郵箱：nlmao2007@sina.com