手術(shù)機(jī)器人中超聲波電機(jī)磁共振兼容性研究

王文東, 史儀凱, 袁小慶, 蘇士斌

(西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 陜西 西安 710072)

磁共振成像(MRI)技術(shù)是20世紀(jì)80年代應(yīng)用于臨床的影像診斷新技術(shù),可以多方位、多平面、多參數(shù)成像,具有優(yōu)良的軟組織分辨力和精確的幾何特性,且沒有射線危害[1-2]。MRI結(jié)合機(jī)器人技術(shù)精度高和重復(fù)性好的特點(diǎn),在醫(yī)療行業(yè)中具有重要的研究價(jià)值[3-6]。文獻(xiàn)[7]描述國外MRI向?qū)中g(shù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景,并提出了在MRI環(huán)境下設(shè)計(jì)與開發(fā)手術(shù)設(shè)備的關(guān)鍵因素。

磁共振(MR)兼容性是任何一種在磁共振環(huán)境下使用的設(shè)備必須滿足的條件,它限制了包括機(jī)器人在內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備在磁共振環(huán)境下的使用。雖然超聲波電機(jī)的兼容性不如液壓和氣壓執(zhí)行機(jī)構(gòu),但是在封閉式MR掃描環(huán)境下開發(fā)手術(shù)機(jī)器人時(shí),超聲波電機(jī)因其體積小、重量輕、外殼材料MR兼容性好等特點(diǎn),可以有效節(jié)省操作空間、提高控制性能。超聲波電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生電磁干擾,該干擾降低了MR圖像質(zhì)量甚至導(dǎo)致圖像畸變,無法用于手術(shù)向?qū)1];導(dǎo)電材料在通電后會產(chǎn)生渦電流,嚴(yán)重影響MR圖像。

本文針對MR環(huán)境下對手術(shù)機(jī)器人中超聲波電機(jī)兼容性的要求,通過對MR掃描序列下超聲波電機(jī)不同工作狀態(tài)和安裝方式的兼容性測試,提出手術(shù)機(jī)器人中超聲波電機(jī)磁共振兼容性的改善方法。

1 兼容性分析

1.1 微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人兼容性影響因素

MR兼容的設(shè)備必須滿足:①M(fèi)R環(huán)境下安全使用;②不影響MR圖像質(zhì)量;③以安全有效的方式實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。按照上述要求,有限的MRI兼容的材料、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器可以應(yīng)用于MR掃描儀中。

1.1.1 磁場區(qū)域

在磁共振成像區(qū)域附近或在磁共振成像區(qū)域內(nèi)進(jìn)行操作,必須考慮以下幾個(gè)因素[1,7]。

1) 磁攻擊:高磁場會攻擊強(qiáng)磁性物體,普通的鋼彈簧、電機(jī)等將不能按期望的要求工作。

2) 磁場不均勻性:磁共振成像要求良好的磁場均勻性。

3) 圖像噪音:機(jī)器人電源線和外界導(dǎo)線都會產(chǎn)生輻射噪音,嚴(yán)重降低圖像質(zhì)量。

4) 機(jī)器人線圈噪音:脈沖信號(共振頻率可達(dá)到千赫茲)會影響機(jī)器人傳感器信號,導(dǎo)致機(jī)器人行為錯誤。

5) 磁共振線圈噪音耦合:外部導(dǎo)體可能導(dǎo)致磁共振線圈(特別是接收線圈)產(chǎn)生耦合效應(yīng),改變接收線圈特性和降低圖像質(zhì)量。

1.1.2 材料因素

磁性材料因其靜態(tài)磁場的同質(zhì)性會導(dǎo)致MR圖像扭曲。另外,產(chǎn)生電磁干擾的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能應(yīng)用于MR環(huán)境中,因?yàn)镸R掃描儀是一種可以接受微小電磁信號的感應(yīng)器,進(jìn)而導(dǎo)致MR掃描功能減弱。理想的MR兼容的材料是非鐵磁性材料和非導(dǎo)電性材料,比如塑料、陶瓷、玻璃纖維、碳纖維以及一些合成物。MR兼容性研究表明,采用MR非兼容性材料加工的零部件(比如螺栓、軸承和齒輪),在尺寸較小并采取恰當(dāng)?shù)陌惭b位置避開目標(biāo)成像區(qū)域時(shí),不會引起重要影響或者圖形畸變。另外,材料的磁化率和電導(dǎo)率對MR兼容性亦有影響。

1.1.3 渦電流

渦電流的產(chǎn)生也是一種導(dǎo)致MR不兼容或者兼容性差的重要因素。有一些材料是非鐵磁性的,比如鋁,但因其導(dǎo)電性會在材料內(nèi)部產(chǎn)生渦電流,該渦電流會導(dǎo)致材料發(fā)熱進(jìn)而影響圖像質(zhì)量,甚至存在一定的安全問題。

超聲波電機(jī)作為一種重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在MR環(huán)境下使用,還與超聲波電機(jī)的安裝方式和離成像區(qū)域的距離等因素有直接關(guān)系。

1.2 信噪比

圖像信噪比(RSN)是醫(yī)用磁共振系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),是各種認(rèn)證機(jī)構(gòu)對磁共振設(shè)備進(jìn)行技術(shù)評判的量化指標(biāo)。在過去的20年中,磁共振成像系統(tǒng)信噪比評估方法得到發(fā)展[8]。

[A][J]=[IM]

(1)

式中：[J]為網(wǎng)格電流密度矩陣;對于單位電流激勵[IM]=[0,0,…0,1]。用畢奧薩法爾定律積分得到負(fù)載內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布B為

(2)

式中：Δw、Δl分別為寬度方向和長度方向剖分尺寸。

根據(jù)矢量位計(jì)算得到負(fù)載內(nèi)渦流損耗功率Psample為：

(3)

式中矢量位A為：

(4)

按照下式計(jì)算所述RF線圈的信噪比RSN為

(5)

式中：Reff為線圈等小噪聲電阻,Reff=Rcoil+Rsample,Rcoil為線圈自電阻,Rsample為渦流損耗電阻,分別如(6)式、(7)式所示

(6)

(7)

2 測試方法

2.1 測試系統(tǒng)

2.1.1 材料選擇

磁共振兼容性與材料屬性密切相關(guān),一些非鐵金屬、陶瓷、塑料和合成材料是非磁性的,奧氏體不銹鋼(300系列)既不是鐵磁性材料也不是順磁性材料。這些材料的磁兼容性范圍是10-1～10-3。鈦、銅和鋁也是常見的MR兼容性材料,但不是理想的順磁性材料。另外,選擇材料時(shí)亦須考慮其剛度和硬度等特性。綜合考慮以上因素,本文選用聚甲醛樹脂和鋁6061作為支撐和框架材料。

2.1.2 電機(jī)和解碼器

磁共振兼容的解碼器是光纖的典型應(yīng)用。通過光纖,信號易于傳送到成像室外,避免了將電子設(shè)備帶入成像室內(nèi),增強(qiáng)了系統(tǒng)的可行性。本文選用光纖解碼器,信號通過光纖傳遞到控制室(與MR掃描室分離)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理;采用日本Shinsei Kogyo Corp公司的超聲波電機(jī)作為測試對象,其型號為USR60-E3N和USR30-E3N。

2.2 單超聲波電機(jī)測試

本節(jié)內(nèi)容為驗(yàn)證超聲波電機(jī)的安裝方式對磁共振兼容性的影響提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。測試環(huán)境為Philips 3.0T磁共振掃描儀,掃描對象是硫酸銅水膜,用Philips自帶的柔性墊圈將水膜和超聲波電機(jī)支撐和固定。掃描方法及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 掃描方法及相關(guān)參數(shù)

根據(jù)表1的掃描方法與測試序列,本部分測試對象超聲波電機(jī)型號為USR60-E3N,設(shè)計(jì)了預(yù)調(diào)試、超聲波電機(jī)軸平行徑向面安裝、超聲波電機(jī)軸垂直徑向面安裝的兼容性測試方案,徑向面的定義如圖1所示,該圖中超聲波電機(jī)的安裝方式為垂直安裝。其中,電機(jī)平行和垂直安裝分別包括電機(jī)斷電、通電不工作、正常工作3種狀態(tài)。

圖1 單超聲波電機(jī)的安裝示意圖

2.3 多超聲波電機(jī)測試

本節(jié)內(nèi)容測試多個(gè)超聲波電機(jī)同時(shí)工作時(shí)的MR圖像,分析該狀態(tài)下磁共振兼容性,為提高兼容性設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。采用2.2節(jié)的測試環(huán)境和表1的MR掃描方法和參數(shù)。多超聲波電機(jī)測試實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,由1個(gè)USR60-E3N(編號1)和5個(gè)USR30-E3N(編號2-6)組成,超聲波電機(jī)安裝方式為平行和垂直混合安裝。

圖2 多超聲波電機(jī)安裝示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 預(yù)調(diào)測試

為確保磁共振儀工作正常且無周圍環(huán)境干擾,首先進(jìn)行預(yù)調(diào)測試,即被測裝置和控制器置于MRI掃描室外。2-D FSE T2掃描方式下預(yù)調(diào)試與平行安裝方式下通電但不工作的對比掃描圖像如圖3所示。對比結(jié)果顯示,預(yù)調(diào)試環(huán)境下MR掃描儀工作正常,掃描圖像清晰,無周圍環(huán)境干擾。

圖3 2-D FSE T2序列下預(yù)調(diào)試和空載測試圖像

3.2 單超聲波電機(jī)

3.2.1 平行安裝測試

超聲波電機(jī)及控制器在通電后會產(chǎn)生磁效應(yīng)以及渦電流可能會引入干擾,為此分別測試了電機(jī)在斷電、通電但不工作和正常工作3種方式下的MRI圖像。安裝要求:電機(jī)軸平行于床體中心線;中心點(diǎn)與電機(jī)板之間的距離為13 cm。以2-D FGRE(軸向)掃描方式為例,圖4給出了通電但不工作和正常工作的測量圖像。2-D FSE T2在電機(jī)通電但不工作的掃描方式下出現(xiàn)了輕微干擾,該干擾產(chǎn)生的原因是超聲波電機(jī)固定不穩(wěn)定,在掃描過程中出現(xiàn)滑動或者振動,導(dǎo)致掃描過程中出現(xiàn)信息丟失,具體表現(xiàn)為圖3b)右上角無像素生成。

在圖4中,3種測試方式所獲得的圖像非常完整,3個(gè)圖像無明顯差別。即在超聲波電機(jī)平行與床體中心線安裝時(shí),3種工作方式都不會產(chǎn)生明顯干擾,即滿足磁共振兼容性要求。

3.2.2 垂直安裝測試

將電機(jī)軸垂直于床體中心線安裝,分別測試了中心點(diǎn)與電機(jī)板之間的距離為11 cm、16 cm、通電和斷電等情況下的圖像,其結(jié)果顯示圖像受到不同程度干擾。中心點(diǎn)與電機(jī)板之間的距離為11 cm電機(jī)負(fù)載時(shí)的幾種測試序列的圖像如圖5所示。

圖4 平行安裝時(shí)2-D FGRE(軸向)掃描圖像

圖5 垂直安裝時(shí)軸向掃描圖像

在圖5中,掃描圖像受影響較為嚴(yán)重,具體表現(xiàn)為:左下部分出現(xiàn)大面積陰影。即電機(jī)軸垂直與床體中心線放置時(shí),無論電機(jī)通斷都造成圖像扭曲,兼容性較差,無法滿足要求。其可能的原因是該電機(jī)本身具有導(dǎo)電性,其導(dǎo)電材料在該放置方式下產(chǎn)生了渦電流。渦電流對MR設(shè)備的影響非常明顯,是在設(shè)計(jì)兼容性設(shè)備時(shí)必須避免的因素。對比3.2.1和3.2.2節(jié)測試結(jié)果,3.2.1節(jié)的電機(jī)安裝方式可以獲得更好的掃描圖像。使用超聲波電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)開發(fā)MRI向?qū)У氖中g(shù)機(jī)器人時(shí),應(yīng)避免電機(jī)軸與床體中心線垂直的安裝方式以獲取更高質(zhì)量的掃描圖像。

3.3 多超聲波電機(jī)測試

根據(jù)圖2所示的安裝方式,掃描儀中心點(diǎn)與電機(jī)5安裝板之間的距離為14 cm,完成表1各序列下MR圖像掃描,得到2-D FGRE、2-D FSE T2和2-D FIESTA掃描方法(軸向和徑向)以及3D FSPGR掃描方法的MR圖像,部分結(jié)果如圖6和7所示。

對圖6和圖7的結(jié)果分析如下:

1) 在2-D FSET2掃描方式下,有輕微干擾出現(xiàn),具體表現(xiàn)為磁共振圖像中出現(xiàn)陰影;

2) 徑向和軸向圖像清晰,無干擾出現(xiàn)(文中未給出圖像);

3) 在2-D FIESTA掃描方式下,有輕微干擾出現(xiàn),具體表現(xiàn)為圖6下方部分像素丟失和圖7上方有陰影出現(xiàn)。

圖6 多超聲波電機(jī)徑向掃描圖像(2-D FIESTA) 圖7 多超聲波電機(jī)軸向掃描圖像(2-D FIESTA)

4 結(jié) 論

結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)和超聲波電機(jī)在手術(shù)機(jī)器人中的應(yīng)用,本文提出以下提高超聲波電機(jī)磁共振兼容性的途徑:(1)選擇本文所述的超聲波電機(jī)平行安裝方式,避免本文實(shí)驗(yàn)的垂直安裝方式;(2)在無法避免垂直安裝方式時(shí),設(shè)計(jì)可自動或遙控旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)的安裝端,可以根據(jù)要求調(diào)整超聲波電機(jī)角度以提高磁共振兼容性;(3)在條件允許的前提下,盡可能加大安全距離。

在Philips 3T掃描儀環(huán)境下,完成了2-D FGRE、2-D FSE T2、2-D FIESTA和3DFSPGR掃描方法下圖像掃描,獲得相應(yīng)掃描序列下的信噪比;分析了不同測試方案下的圖像兼容性,總結(jié)了影響超聲波電機(jī)磁共振兼容性的兩個(gè)因素:安全距離和安裝方式;最后提出了用于手術(shù)機(jī)器人的超聲波電機(jī)兼容性提高方法。未來的工作重點(diǎn)是將該超聲波電機(jī)應(yīng)用于手術(shù)機(jī)器人,測試其手術(shù)機(jī)器人整體磁共振兼容性和超聲波電機(jī)在手術(shù)機(jī)器人中應(yīng)用的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yu N B, Gassert R, Riener R. Mutual Interferences and Design Principles for Mechatronic Devices in Magnetic Resonance Imaging[J]. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 2011, 6(4): 473-488

[2] Elhawary H, Tse Z T H, Hamed A, et al. The Case for MR-Compatible Robotics: a Review of the State of the Art[J]. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 2008, 4(2): 105-113

[3] Krieger A, Susil R C, Menard C, et al. Design of a Novel MRI Compatible Manipulator for Image Guided Prostate Interventions[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2005, 52(2): 306-313

[4] Arata J, Tada Y, Kozuka H, Wada T, et al. Neurosurgical Robotic System for Brain Tumor Removal[J]. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 2011, 6(3): 375-385

[5] Rajh M, Glodez S, Flasker J, et al. Design and Analysis of an fMRI Compatible Haptic Robot[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2011, 27(2): 267-275

[6] Hribar A, Munih M. Developmet and Testing of fMRI-Compatible Haptic Interface[J]. Robotica, 2010, 28: 259-265

[7] Gassert R, Burdet E, Chinzei K. Opportunities and Challenges in MR-Compatible Robotics[J]. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, 2008, 27(3): 15-22

[8] 清華大學(xué). 一種計(jì)算磁共振成像RF線圈信噪比的方法[P]. 中國: CN2000110241368.6. 中華人民共和國知識產(chǎn)權(quán)局

Tsinghua University. A Novel Method for Calculating SNR of RF Coil in Magnetic Resonance Imaging[P]. China, CN2000110241368.6. State Intellectual Property Office of the P.R.C (in Chinese)