MRI向?qū)У氖中g(shù)針介入系統(tǒng)設(shè)計與兼容性研究

王文東, 鄒英杰, 史儀凱, 班超, 袁小慶

(1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 陜西 西安　710072; 2.武警工程大學(xué) 裝備工程學(xué)院, 陜西 西安　710086)

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MRI向?qū)У氖中g(shù)針介入系統(tǒng)設(shè)計與兼容性研究

王文東1, 鄒英杰1, 史儀凱1, 班超2, 袁小慶1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 陜西 西安710072; 2.武警工程大學(xué) 裝備工程學(xué)院, 陜西 西安710086)

摘要：磁共振圖像向?qū)У氖中g(shù)機(jī)器人以其定位精度高、重復(fù)性好等特點在臨床醫(yī)學(xué)中有重要應(yīng)用價值。為研究其開發(fā)過程中的磁共振兼容性和手術(shù)過程力反饋的關(guān)鍵技術(shù)問題，理論分析了渦電流對磁共振圖像的影響，設(shè)計了通用、簡單且滿足磁共振兼容性要求的力反饋系統(tǒng)和針介入手術(shù)系統(tǒng)模型，完成了磁共振兼容性以及圖像向?qū)嶒炘O(shè)計。實驗結(jié)果表明：力反饋系統(tǒng)和手術(shù)針介入系統(tǒng)的磁共振圖像兼容性良好，控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常；超聲波電機(jī)作為一種新的驅(qū)動方式可以用于構(gòu)建MR圖像向?qū)У尼樈槿胧中g(shù)機(jī)器人；在磁共振圖像向?qū)Чδ軠y試中，開發(fā)的手術(shù)針介入系統(tǒng)實現(xiàn)了精確定位。

關(guān)鍵詞：磁共振圖像；手術(shù)機(jī)器人；超聲波電機(jī)；力反饋系統(tǒng)；實驗設(shè)計

磁共振成像(magnetic resonance imaging,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]。手術(shù)機(jī)器人技術(shù)以其高精度和重復(fù)性好的特點，在醫(yī)療行業(yè)具有重要的研究價值[3-4]。MRI結(jié)合機(jī)器人技術(shù)作為手術(shù)向?qū)С蔀閲鴥?nèi)外研究的熱點之一，多個研究單位取得重要成果并提出開發(fā)手術(shù)設(shè)備的關(guān)鍵因素[5-6]。傳統(tǒng)MRI向?qū)中g(shù)中，醫(yī)生需要反復(fù)將病人送入MRI設(shè)備中進(jìn)行精確定位，這樣不僅浪費時間、提高成本，而且會對病人的心理產(chǎn)生一定影響。如果可以設(shè)計基于MR圖像向?qū)У氖中g(shù)機(jī)器人在一次進(jìn)入MRI掃描儀過程中完成定位，將大幅縮短時間、節(jié)約成本。

Fischer等[7]針對閉式高場強(qiáng)的磁共振成像設(shè)備設(shè)計了1臺MRI兼容機(jī)器人操作臂機(jī)構(gòu)，可在受限空間內(nèi)進(jìn)行前列腺的活檢和粒子植入操作。Li等[8]設(shè)計了MRI環(huán)境下的主動脈瓣置換手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)，測試表明負(fù)載環(huán)境導(dǎo)致MRI兼容性降低8.2%。Kokes等[9]設(shè)計了1臺用于射頻消融治療的MRI兼容的扎針機(jī)器人系統(tǒng)，可按系統(tǒng)驅(qū)動要求的速度和位置推動射頻針扎入組織，但難以用于較為復(fù)雜的手術(shù)。綜合分析國內(nèi)外MRI向?qū)У尼樈槿胧中g(shù)機(jī)器人或設(shè)備的研究現(xiàn)狀可知，有待進(jìn)一步解決滿足MRI兼容性和安全性有關(guān)問題，尤其是執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手術(shù)過程力反饋系統(tǒng)的MRI兼容性問題。

MRI兼容性是任何一種在磁共振環(huán)境下使用的設(shè)備必須滿足的重要條件之一，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[10]。目前MRI向?qū)У氖中g(shù)機(jī)器人主要采用液壓或氣壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但在封閉式MRI掃描儀內(nèi)工作時受有限空間的限制，且存在漏油和漏氣問題。采用機(jī)器人完成手術(shù)操作，為確保手術(shù)安全研究手術(shù)力反饋系統(tǒng)可以建立手術(shù)對象和機(jī)器人的虛擬接觸，為醫(yī)生實時監(jiān)控手術(shù)力提供可能。MRI兼容的力傳感器是構(gòu)建MRI向?qū)中g(shù)機(jī)器人力反饋系統(tǒng)的核心，因其重要的應(yīng)用價值已取得初步研究成果，但測量范圍非常小且尚未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用階段。本文的主要目標(biāo)是針對上述問題，構(gòu)建滿足MRI兼容性要求的針介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，并完成圖像向?qū)Чδ軠y試。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1模型設(shè)計

測試平臺是簡化的針介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)模型，主要目標(biāo)是：①測試超聲波電機(jī)在MRI環(huán)境下的驅(qū)動能力和MRI兼容性；②提供力反饋系統(tǒng)的安裝和測試環(huán)境；③驗證本文搭建的針介入手術(shù)系統(tǒng)的MRI向?qū)c定位功能。

本文所設(shè)計的MRI向?qū)У尼樈槿胧中g(shù)系統(tǒng)工作原理如圖1所示，主要包括高磁場區(qū)域、低磁場區(qū)域和操作室(無磁區(qū)域)3個部分。其中力傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)置于高磁場區(qū)域，因此研究兩者的MRI兼容性是設(shè)計針介入手術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖1　MRI向?qū)У尼樈槿胧中g(shù)系統(tǒng)工作原理

工程塑料、鈦合金、銅合金、陶瓷、鋁合金和奧氏體不銹鋼等材料的MRI兼容性較好，可用于構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)?？紤]到材料加工性能和機(jī)械屬性等因素，針對所設(shè)計測試平臺應(yīng)用要求，主要結(jié)構(gòu)選用工程塑料，支撐端和連接件選擇銅合金和奧氏體不銹鋼加工，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇超聲波電機(jī)(PUMR60,South Korea)，傳感器選擇Flexiforce薄膜傳感器(Tekscan,US)。

外置設(shè)備在MRI環(huán)境中所處的位置對MR圖像有一定的影響，為確定外置設(shè)備在MRI環(huán)境中的合理位置，進(jìn)行以下理論分析。當(dāng)縱向梯度Gz與橫向梯度Gx和Gy被同步激勵時，梯度截項隨之產(chǎn)生。MRI掃描儀系統(tǒng)自身的不足和外部干擾會導(dǎo)致磁場扭曲，分析表明整體的扭曲場包括靜態(tài)/動態(tài)兩部分。簡化的Biot-Savart模型顯示，感應(yīng)磁場沿掃描儀軸向方向的強(qiáng)度B0反比于線圈中心到外部點之間的距離，公式描述如下

(1)

基于一組對應(yīng)的位置和磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以通過最小化均方差的方法計算系數(shù)k。在成像區(qū)域以外，由圖2可知，邊界點指掃描儀口徑邊界位置，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨距離的增加迅速減小；當(dāng)距離大于3m時，磁感應(yīng)強(qiáng)度低于0.1T。因此，為避免磁共振掃描儀的強(qiáng)磁場與外置設(shè)備的相互干擾，將控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和操作系統(tǒng)放置于3m以外的位置。

圖2　磁感應(yīng)強(qiáng)度隨距離的變化趨勢

1.2力反饋系統(tǒng)設(shè)計

在手術(shù)過程中，尤其在機(jī)器人輔助的手術(shù)中，測量手術(shù)過程力并構(gòu)建力反饋系統(tǒng)有以下重要性：

1)降低手術(shù)并發(fā)癥的危險，與傳統(tǒng)切口手術(shù)相比，在沒有力反饋系統(tǒng)或者力反饋有誤的機(jī)器人手術(shù)會增加手術(shù)并發(fā)癥的危險;

2)避免對組織施加過度力，在缺少力反饋系統(tǒng)或者力反饋系統(tǒng)有誤的手術(shù)中，有可能施加超過組織承受范圍的力，導(dǎo)致醫(yī)療事故；

3)有助于降低手術(shù)時間，因組織材料的不均勻性，手術(shù)工具與組織的接觸時間有所差異，但接觸時間過長會導(dǎo)致嚴(yán)重的創(chuàng)傷、病人不適、手術(shù)費用增加等問題。

Flexiforce傳感器是一種耐用、壓阻式、超薄型力傳感器，具有靈活性好、適用范圍廣、傳感區(qū)域可調(diào)等特點，尤其是無鐵磁性材料封裝的特點適合于MRI環(huán)境。選擇大容量的電阻以滿足動態(tài)的大范圍輸出電壓，數(shù)據(jù)采集選用NIDAQ(USB6008)采集卡，以實時曲線顯示。采取以下去噪和防干擾措施：傳感器電路板由金屬盒封裝以屏蔽射頻噪聲，屏蔽線與封裝盒之間采用連接插頭以防止干擾傳遞，金屬盒連接到MRI掃描室的接地板以降低噪聲傳遞，采用D-Sub連接頭連接傳感器輸出和數(shù)據(jù)采集板以起到濾波器的作用。

1.3MR圖像質(zhì)量評估方法

在未屏蔽的磁場中梯度線圈產(chǎn)生的磁通量會暴露在周圍的金屬材料之中。在梯度電流脈沖的上升沿和下降沿，由于梯度電流的快速切換，會在瞬間產(chǎn)生較大的磁通變化，在周圍的材料中產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動勢[11]。線圈周圍的金屬材料，包括金屬板、勻場線圈、RF線圈和梯度線圈等，電導(dǎo)率都比較高。感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流分別為

(2)

(3)

式中，φ為磁通量；σ為電導(dǎo)率；B(A)為通過區(qū)域A的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

當(dāng)金屬材料移動時感應(yīng)渦電流為

(4)

感應(yīng)渦電流會產(chǎn)生局部磁場來抵消磁通φ的變化，則實際梯度磁場為

(5)

式中，i(t)為線圈電流；ai(t)為代表電流產(chǎn)生的磁場；ik(t)為流過第k個渦電流環(huán)中的電流；akik(t)為代表ik(t)所產(chǎn)生的磁場。

渦電流用L-R回路表示，在不考慮渦電流環(huán)之間的互感時，根據(jù)基爾霍夫電壓定律則有

(6)

對(5)式進(jìn)行拉氏變換，可得

(7)

將所有的渦電流疊加，可得

(8)

若給線圈注入一個單位階躍電流，磁場的拉氏變換為

(9)

對(9)式做反拉氏變換，時域磁場表達(dá)式為

(10)

由(10)式可知，渦電流是隨時間衰減的電流，它所產(chǎn)生的磁場對原磁場有反作用，使磁共振信號產(chǎn)生相位離散，導(dǎo)致選擇激發(fā)誤差，不能使回波相位重聚，在譜和像中表現(xiàn)為信號的缺失或扭曲。

為了定量計算RSN，定義如下[1]

(11)

式中，Pc為水膜中心40×40區(qū)域內(nèi)像素信號的平均值，Sc為背景信號40×40區(qū)域信號的標(biāo)準(zhǔn)誤差。

實踐證明，在(11)式中SDcorner值受背景圖像區(qū)域選擇影響嚴(yán)重，為了降低該影響，在圖像信號4個頂點選取面積相同的4個區(qū)域，并計算其平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(MSD)，得到

(12)

在每次圖像掃描時，MR成像設(shè)備處理數(shù)據(jù)并輸出圖像，然后由操作人員或醫(yī)學(xué)人員檢查圖像是否受到影響。本文采取如下5個步驟檢驗外置設(shè)備的MRI兼容性。

1) 對照實驗

在設(shè)備放入MRI掃描室之前，將標(biāo)準(zhǔn)水膜放置于指定位置并掃描圖像，作為整個測試實驗的基準(zhǔn)。

2) 斷開連接

如果檢測有圖像質(zhì)量下降，則說明引入的設(shè)備本身存在材料磁化現(xiàn)象或有渦電流產(chǎn)生。

3) 連接但不通電

如果檢測有圖像質(zhì)量下降，則說明系統(tǒng)接線將干擾或噪聲傳遞到MRI掃描區(qū)域并影響圖像質(zhì)量。

4) 通電但不運轉(zhuǎn)

如果檢測有圖像質(zhì)量下降，則說明設(shè)備通電影響圖像質(zhì)量。

5) 驅(qū)動設(shè)備

如果發(fā)現(xiàn)有圖像質(zhì)量下降，則說明設(shè)備驅(qū)動影響圖像質(zhì)量。在該步驟中，如果有電機(jī)操作，則應(yīng)分別完成電機(jī)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)2種狀態(tài)下的MR圖像掃描，進(jìn)一步研究電機(jī)正/反轉(zhuǎn)對MR圖像的影響。

2MRI兼容性分析

2.1力反饋系統(tǒng)MRI兼容性

為驗證本文提出的基于Flexiforce傳感器設(shè)計力反饋系統(tǒng)方法的可行性，在測試整體針介入手術(shù)系統(tǒng)MRI兼容性之前完成力反饋系統(tǒng)MRI兼容性測試，獲取部分MRI測試圖像如圖3所示。采用文獻(xiàn)[10]的方法計算圖3所示圖像信噪比，得到信噪比值在94～103之間，無噪聲和偽影出現(xiàn)，結(jié)果完全滿足醫(yī)學(xué)診斷要求。

圖3　Flexiforce傳感器的MRI兼容性測試圖像

2.2針介入手術(shù)系統(tǒng)MRI兼容性

根據(jù)1.3節(jié)兼容性測試分析步驟，分別完成針介入手術(shù)系統(tǒng)在每個狀態(tài)的MR圖像掃描(見圖4)并計算SNR，結(jié)果如表1所示。由各個狀態(tài)SNR值可知，引入測試平臺使SNR降低約3%，此現(xiàn)象是由測試平臺材料引起的，因為測試平臺選用少量金屬材料，且超聲波電機(jī)封裝材料含有一定的金屬材料，有可能對磁場有輕微的影響；從狀態(tài)圖4b)到狀態(tài)

表1　測試平臺MRI兼容性測試結(jié)果

圖4c)，RSN值從98.22變?yōu)?7.14，即連接但不通電狀態(tài)對MR圖像沒有影響；從狀態(tài)圖4c)到狀態(tài)圖4d)，RSN值從97.14降低至86.53，即系統(tǒng)通電對MR圖像有影響，該影響主要來自通電后產(chǎn)生的渦電流；狀態(tài)圖4d)、圖4e)和圖4f)的RSN值非常接近，即超聲波電機(jī)正反轉(zhuǎn)對MR圖像質(zhì)量無影響。另外，超聲波電機(jī)正反轉(zhuǎn)工作正常，編碼器工作正常，即測試系統(tǒng)不受MRI掃描儀影響。從醫(yī)學(xué)診斷的角度分析上述測試圖像，每個測試狀態(tài)得到16～30個不等的測試圖像，在個別圖層中有小區(qū)域偽影出現(xiàn)，但整體上不影響醫(yī)學(xué)診斷，即認(rèn)為所設(shè)計測試平臺基本滿足MRI兼容性設(shè)計要求，但有負(fù)載工作會導(dǎo)致超聲波電機(jī)MRI兼容性輕微降低。在進(jìn)一步研究中，減少鋁合金或銅合金材料的使用，可以提高信噪比。

圖4　測試平臺的MRI兼容性測試圖像

3圖像向?qū)Фㄎ粶y試

研究針介入手術(shù)系統(tǒng)的目的是在MR圖像向?qū)聦崿F(xiàn)精確定位，本文采取如圖5所示的技術(shù)路線完成定位測試，具體描述如下：

1) 選擇測試對象(此處為硅膠)并將其固定，標(biāo)記目標(biāo)點；

2) 將固定好的測試對象與測試平臺一起放入MRI掃描儀內(nèi)部；

3) 測試對象對焦并設(shè)置掃描參數(shù)；

4) 圖像掃描開始后觀察實時圖像；

5) 根據(jù)觀察到的實時圖像判斷測試平臺是否定位準(zhǔn)確，如果運動軌跡沿著規(guī)劃路徑介入測試對象，則繼續(xù)介入直至達(dá)到預(yù)定介入深度；如果運動發(fā)生偏移，則重新定位；

6) 通過實時圖像追蹤到的手術(shù)工具的位置可以判斷是否達(dá)到預(yù)定介入深度，當(dāng)達(dá)到預(yù)定介入深度時停止測試。

圖5　測試平臺圖像向?qū)?定位測試技術(shù)路線

測試平臺的MR圖像向?qū)Чδ芎投ㄎ痪葴y試在Philips 3.0 環(huán)境中完成。金屬材料可能導(dǎo)致周圍區(qū)域不同程度的偽影，為避免上述問題導(dǎo)致定位異常，選擇塑料材料加工針狀體作為測試工具，其直徑為3 mm、長度為150 mm。選擇該加工長度的原因是盡可能保持目標(biāo)點與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間足夠大的距離，因為根據(jù)圖2的分析，增加距離可以大幅度降低磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而降低對圖像的影響。在圖6a)中，標(biāo)記目標(biāo)點如圖中箭頭所指位置，測試平臺驅(qū)動測試工具向目標(biāo)點運動，通過觀察針尖與目標(biāo)點的距離判斷定位精度。定位測試結(jié)果如圖6b)所示，測試工具在MR圖像的引導(dǎo)下到達(dá)預(yù)定的目標(biāo)點，超聲波電機(jī)在MRI環(huán)境下的可控性能沒有受影響，驗證了MR圖像可以作為針介入手術(shù)向?qū)Х椒ǖ脑O(shè)

想，同時驗證了超聲波電機(jī)作為一種新的驅(qū)動方式可以用于MR圖像向?qū)У尼樈槿胧中g(shù)機(jī)器人。

圖6　MR圖像向?qū)У亩ㄎ还δ軠y試

4結(jié)論

本文設(shè)計了一種MRI向?qū)У氖中g(shù)針介入系統(tǒng)，對磁共振圖像質(zhì)量的評估方法和影響因素進(jìn)行了理論分析，并依據(jù)該方法設(shè)計了通用、簡單且滿足MRI兼容性要求的力反饋系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的MRI兼容性良好，控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常，即不受MRI環(huán)境影響；所提出的基于超聲波電機(jī)和Flexiforce傳感器構(gòu)建MRI向?qū)У尼樈槿胧中g(shù)機(jī)器人方法是可行的；驗證了所設(shè)計的可以實現(xiàn)MRI向?qū)Фㄎ还δ堋Ｎ磥淼墓ぷ髦饕〝U(kuò)展針介入手術(shù)系統(tǒng)模型的自由度，實現(xiàn)任意角度和距離的定位，使其達(dá)到臨床應(yīng)用水平。

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收稿日期：2015-10-22

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(3102015JCS05010)與國家自然科學(xué)基金(51105316)資助

作者簡介：王文東(1984—)，西北工業(yè)大學(xué)講師，主要從事圖像向?qū)c醫(yī)療機(jī)器人研究。

中圖分類號：TP24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號:1000-2758(2016)03-0508-06

Design and Experiement of MRI-Guided Needle Insertion Surgical Robot

Wang Wendong1, Zou Yingjie1, Shi Yikai1, Ban Chao2, Yuan Xiaoqing1

1.School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China 2.Equipment Engineering College, Engineering University of CAPF, Xi′an 710086, China

Abstract:Magnetic Resonance Imaging (MRI)-compatibility and force feedback are critical for developing image-guided needle insertion surgical robot. Due to the limitation of MRI-compatible commercial force sensor, a general and easy assembly force feedback system was proposed to provide solution for needle insertion surgeries. By designing a universal mounting device of Flexiforce sensor, the calculation and MRI-compatibility test were performed in MRI room. A preliminary MRI-guided needle insertion surgical robot which was driven by Ultrasonic motor was esigned with non-ferromagnetic materials. In this paper, the MRI-compatibility test and image guide test of the presented robot were performed in 3.0T MRI scanner. The results show the force feedback system is completely MRI-compatible. Meanwhile, the presented robot successfully reached to the designed target under the guide of MR images in guide test.

Keywords:magnetic resonance imaging; surgical robot; ultrasonic motor; force feedback system; design of experiment