王文東, 史儀凱, 袁小慶, 蘇士斌

(西北工業(yè)大學 機電學院, 陜西 西安 710072)

磁共振成像(MRI)技術是20世紀80年代應用于臨床的影像診斷新技術,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)合機器人技術精度高和重復性好的特點,在醫(yī)療行業(yè)中具有重要的研究價值[3-6]。文獻[7]描述國外MRI向?qū)中g機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和應用前景,并提出了在MRI環(huán)境下設計與開發(fā)手術設備的關鍵因素。

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

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

1 兼容性分析

1.1 微創(chuàng)手術機器人兼容性影響因素

MR兼容的設備必須滿足:①MR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現(xiàn)預期目標。按照上述要求,有限的MRI兼容的材料、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器可以應用于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)進行操作,必須考慮以下幾個因素[1,7]。

1) 磁攻擊:高磁場會攻擊強磁性物體,普通的鋼彈簧、電機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:機器人電源線和外界導線都會產(chǎn)生輻射噪音,嚴重降低圖像質(zhì)量。

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

5) 磁共振線圈噪音耦合:外部導體可能導致磁共振線圈(特別是接收線圈)產(chǎn)生耦合效應,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)性會導致MR圖像扭曲。另外,產(chǎn)生電磁干擾的執(zhí)行機構(gòu)不能應用于MR環(huán)境中,因為MR掃描儀是一種可以接受微小電磁信號的感應器,進而導致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?shù)陌惭b位置避開目標成像區(qū)域時,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,但因其導電性會在材料內(nèi)部產(chǎn)生渦電流,該渦電流會導致材料發(fā)熱進而影響圖像質(zhì)量,甚至存在一定的安全問題。

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

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,是各種認證機構(gòu)對磁共振設備進行技術評判的量化指標。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載內(nèi)的磁感應強度分布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)矢量位計算得到負載內(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,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 電機和解碼器

磁共振兼容的解碼器是光纖的典型應用。通過光纖,信號易于傳送到成像室外,避免了將電子設備帶入成像室內(nèi),增強了系統(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)的計算機進行處理;采用日本Shinsei Kogyo Corp公司的超聲波電機作為測試對象,其型號為USR60-E3N和USR30-E3N。

2.2 單超聲波電機測試

本節(jié)內(nèi)容為驗證超聲波電機的安裝方式對磁共振兼容性的影響提供實驗依據(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支撐和固定。掃描方法及相關參數(shù)如表1所示。

表1 掃描方法及相關參數(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型號為USR60-E3N,設計了預調(diào)試、超聲波電機軸平行徑向面安裝、超聲波電機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,該圖中超聲波電機的安裝方式為垂直安裝。其中,電機平行和垂直安裝分別包括電機斷電、通電不工作、正常工作3種狀態(tài)。

圖1 單超聲波電機的安裝示意圖

2.3 多超聲波電機測試

本節(jié)內(nèi)容測試多個超聲波電機同時工作時的MR圖像,分析該狀態(tài)下磁共振兼容性,為提高兼容性設計提供實驗依據(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)。多超聲波電機測試實驗裝置如圖2所示,由1個USR60-E3N(編號1)和5個USR30-E3N(編號2-6)組成,超聲波電機安裝方式為平行和垂直混合安裝。

圖2 多超聲波電機安裝示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 預調(diào)測試

為確保磁共振儀工作正常且無周圍環(huán)境干擾,首先進行預調(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序列下預調(diào)試和空載測試圖像

3.2 單超聲波電機

3.2.1 平行安裝測試

超聲波電機及控制器在通電后會產(chǎn)生磁效應以及渦電流可能會引入干擾,為此分別測試了電機在斷電、通電但不工作和正常工作3種方式下的MRI圖像。安裝要求:電機軸平行于床體中心線;中心點與電機板之間的距離為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固定不穩(wěn)定,在掃描過程中出現(xiàn)滑動或者振動,導致掃描過程中出現(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個圖像無明顯差別。即在超聲波電機平行與床體中心線安裝時,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

將電機軸垂直于床體中心線安裝,分別測試了中心點與電機板之間的距離為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。中心點與電機板之間的距離為11 cm電機負載時的幾種測試序列的圖像如圖5所示。

圖4 平行安裝時2-D FGRE(軸向)掃描圖像

圖5 垂直安裝時軸向掃描圖像

在圖5中,掃描圖像受影響較為嚴重,具體表現(xiàn)為:左下部分出現(xiàn)大面積陰影。即電機軸垂直與床體中心線放置時,無論電機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本身具有導電性,其導電材料在該放置方式下產(chǎn)生了渦電流。渦電流對MR設備的影響非常明顯,是在設計兼容性設備時必須避免的因素。對比3.2.1和3.2.2節(jié)測試結(jié)果,3.2.1節(jié)的電機安裝方式可以獲得更好的掃描圖像。使用超聲波電機作為執(zhí)行機構(gòu)開發(fā)MRI向?qū)У氖中g機器人時,應避免電機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 多超聲波電機測試

根據(jù)圖2所示的安裝方式,掃描儀中心點與電機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 多超聲波電機徑向掃描圖像(2-D FIESTA) 圖7 多超聲波電機軸向掃描圖像(2-D FIESTA)

4 結(jié) 論

結(jié)合本文實驗和超聲波電機在手術機器人中的應用,本文提出以下提高超聲波電機磁共振兼容性的途徑:(1)選擇本文所述的超聲波電機平行安裝方式,避免本文實驗的垂直安裝方式;(2)在無法避免垂直安裝方式時,設計可自動或遙控旋轉(zhuǎn)超聲波電機的安裝端,可以根據(jù)要求調(diào)整超聲波電機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)了影響超聲波電機磁共振兼容性的兩個因素:安全距離和安裝方式;最后提出了用于手術機器人的超聲波電機兼容性提高方法。未來的工作重點是將該超聲波電機應用于手術機器人,測試其手術機器人整體磁共振兼容性和超聲波電機在手術機器人中應用的可行性。

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