手术机器人中超声波电机磁共振兼容性研究

王文东, 史仪凯, 袁小庆, 苏士斌

(西北工业大学 机电学院, 陕西 西安 710072)

磁共振成像(MRI)技术是20世纪80年代应用于临床的影像诊断新技术,可以多方位、多平面、多参数成像,具有优良的软组织分辨力和精确的几何特性,且没有射线危害[1-2]。MRI结合机器人技术精度高和重复性好的特点,在医疗行业中具有重要的研究价值[3-6]。文献[7]描述国外MRI向导手术机器人的发展现状和应用前景,并提出了在MRI环境下设计与开发手术设备的关键因素。

磁共振(MR)兼容性是任何一种在磁共振环境下使用的设备必须满足的条件,它限制了包括机器人在内的医疗设备在磁共振环境下的使用。虽然超声波电机的兼容性不如液压和气压执行机构,但是在封闭式MR扫描环境下开发手术机器人时,超声波电机因其体积小、重量轻、外壳材料MR兼容性好等特点,可以有效节省操作空间、提高控制性能。超声波电机运转过程中会产生电磁干扰,该干扰降低了MR图像质量甚至导致图像畸变,无法用于手术向导[1];导电材料在通电后会产生涡电流,严重影响MR图像。

本文针对MR环境下对手术机器人中超声波电机兼容性的要求,通过对MR扫描序列下超声波电机不同工作状态和安装方式的兼容性测试,提出手术机器人中超声波电机磁共振兼容性的改善方法。

1 兼容性分析

1.1 微创手术机器人兼容性影响因素

MR兼容的设备必须满足:①MR环境下安全使用;②不影响MR图像质量;③以安全有效的方式实现预期目标。按照上述要求,有限的MRI兼容的材料、执行机构、传感器可以应用于MR扫描仪中。

1.1.1 磁场区域

在磁共振成像区域附近或在磁共振成像区域内进行操作,必须考虑以下几个因素[1,7]。

1) 磁攻击:高磁场会攻击强磁性物体,普通的钢弹簧、电机等将不能按期望的要求工作。

2) 磁场不均匀性:磁共振成像要求良好的磁场均匀性。

3) 图像噪音:机器人电源线和外界导线都会产生辐射噪音,严重降低图像质量。

4) 机器人线圈噪音:脉冲信号(共振频率可达到千赫兹)会影响机器人传感器信号,导致机器人行为错误。

5) 磁共振线圈噪音耦合:外部导体可能导致磁共振线圈(特别是接收线圈)产生耦合效应,改变接收线圈特性和降低图像质量。

1.1.2 材料因素

磁性材料因其静态磁场的同质性会导致MR图像扭曲。另外,产生电磁干扰的执行机构不能应用于MR环境中,因为MR扫描仪是一种可以接受微小电磁信号的感应器,进而导致MR扫描功能减弱。理想的MR兼容的材料是非铁磁性材料和非导电性材料,比如塑料、陶瓷、玻璃纤维、碳纤维以及一些合成物。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、轴承和齿轮),在尺寸较小并采取恰当的安装位置避开目标成像区域时,不会引起重要影响或者图形畸变。另外,材料的磁化率和电导率对MR兼容性亦有影响。

1.1.3 涡电流

涡电流的产生也是一种导致MR不兼容或者兼容性差的重要因素。有一些材料是非铁磁性的,比如铝,但因其导电性会在材料内部产生涡电流,该涡电流会导致材料发热进而影响图像质量,甚至存在一定的安全问题。

超声波电机作为一种重要的执行机构在MR环境下使用,还与超声波电机的安装方式和离成像区域的距离等因素有直接关系。

1.2 信噪比

图像信噪比(RSN)是医用磁共振系统性能的重要指标,是各种认证机构对磁共振设备进行技术评判的量化指标。在过去的20年中,磁共振成像系统信噪比评估方法得到发展[8]。

[A][J]=[IM]

(1)

式中：[J]为网格电流密度矩阵;对于单位电流激励[IM]=[0,0,…0,1]。用毕奥萨法尔定律积分得到负载内的磁感应强度分布B为

(2)

式中：Δw、Δl分别为宽度方向和长度方向剖分尺寸。

根据矢量位计算得到负载内涡流损耗功率Psample为：

(3)

式中矢量位A为：

(4)

按照下式计算所述RF线圈的信噪比RSN为

(5)

式中：Reff为线圈等小噪声电阻,Reff=Rcoil+Rsample,Rcoil为线圈自电阻,Rsample为涡流损耗电阻,分别如(6)式、(7)式所示

(6)

(7)

2 测试方法

2.1 测试系统

2.1.1 材料选择

磁共振兼容性与材料属性密切相关,一些非铁金属、陶瓷、塑料和合成材料是非磁性的,奥氏体不锈钢(300系列)既不是铁磁性材料也不是顺磁性材料。这些材料的磁兼容性范围是10-1～10-3。钛、铜和铝也是常见的MR兼容性材料,但不是理想的顺磁性材料。另外,选择材料时亦须考虑其刚度和硬度等特性。综合考虑以上因素,本文选用聚甲醛树脂和铝6061作为支撑和框架材料。

2.1.2 电机和解码器

磁共振兼容的解码器是光纤的典型应用。通过光纤,信号易于传送到成像室外,避免了将电子设备带入成像室内,增强了系统的可行性。本文选用光纤解码器,信号通过光纤传递到控制室(与MR扫描室分离)的计算机进行处理;采用日本Shinsei Kogyo Corp公司的超声波电机作为测试对象,其型号为USR60-E3N和USR30-E3N。

2.2 单超声波电机测试

本节内容为验证超声波电机的安装方式对磁共振兼容性的影响提供实验依据。测试环境为Philips 3.0T磁共振扫描仪,扫描对象是硫酸铜水膜,用Philips自带的柔性垫圈将水膜和超声波电机支撑和固定。扫描方法及相关参数如表1所示。

表1 扫描方法及相关参数

根据表1的扫描方法与测试序列,本部分测试对象超声波电机型号为USR60-E3N,设计了预调试、超声波电机轴平行径向面安装、超声波电机轴垂直径向面安装的兼容性测试方案,径向面的定义如图1所示,该图中超声波电机的安装方式为垂直安装。其中,电机平行和垂直安装分别包括电机断电、通电不工作、正常工作3种状态。

图1 单超声波电机的安装示意图

2.3 多超声波电机测试

本节内容测试多个超声波电机同时工作时的MR图像,分析该状态下磁共振兼容性,为提高兼容性设计提供实验依据。采用2.2节的测试环境和表1的MR扫描方法和参数。多超声波电机测试实验装置如图2所示,由1个USR60-E3N(编号1)和5个USR30-E3N(编号2-6)组成,超声波电机安装方式为平行和垂直混合安装。

图2 多超声波电机安装示意图

3 结果与分析

3.1 预调测试

为确保磁共振仪工作正常且无周围环境干扰,首先进行预调测试,即被测装置和控制器置于MRI扫描室外。2-D FSE T2扫描方式下预调试与平行安装方式下通电但不工作的对比扫描图像如图3所示。对比结果显示,预调试环境下MR扫描仪工作正常,扫描图像清晰,无周围环境干扰。

图3 2-D FSE T2序列下预调试和空载测试图像

3.2 单超声波电机

3.2.1 平行安装测试

超声波电机及控制器在通电后会产生磁效应以及涡电流可能会引入干扰,为此分别测试了电机在断电、通电但不工作和正常工作3种方式下的MRI图像。安装要求:电机轴平行于床体中心线;中心点与电机板之间的距离为13 cm。以2-D FGRE(轴向)扫描方式为例,图4给出了通电但不工作和正常工作的测量图像。2-D FSE T2在电机通电但不工作的扫描方式下出现了轻微干扰,该干扰产生的原因是超声波电机固定不稳定,在扫描过程中出现滑动或者振动,导致扫描过程中出现信息丢失,具体表现为图3b)右上角无像素生成。

在图4中,3种测试方式所获得的图像非常完整,3个图像无明显差别。即在超声波电机平行与床体中心线安装时,3种工作方式都不会产生明显干扰,即满足磁共振兼容性要求。

3.2.2 垂直安装测试

将电机轴垂直于床体中心线安装,分别测试了中心点与电机板之间的距离为11 cm、16 cm、通电和断电等情况下的图像,其结果显示图像受到不同程度干扰。中心点与电机板之间的距离为11 cm电机负载时的几种测试序列的图像如图5所示。

图4 平行安装时2-D FGRE(轴向)扫描图像

图5 垂直安装时轴向扫描图像

在图5中,扫描图像受影响较为严重,具体表现为:左下部分出现大面积阴影。即电机轴垂直与床体中心线放置时,无论电机通断都造成图像扭曲,兼容性较差,无法满足要求。其可能的原因是该电机本身具有导电性,其导电材料在该放置方式下产生了涡电流。涡电流对MR设备的影响非常明显,是在设计兼容性设备时必须避免的因素。对比3.2.1和3.2.2节测试结果,3.2.1节的电机安装方式可以获得更好的扫描图像。使用超声波电机作为执行机构开发MRI向导的手术机器人时,应避免电机轴与床体中心线垂直的安装方式以获取更高质量的扫描图像。

3.3 多超声波电机测试

根据图2所示的安装方式,扫描仪中心点与电机5安装板之间的距离为14 cm,完成表1各序列下MR图像扫描,得到2-D FGRE、2-D FSE T2和2-D FIESTA扫描方法(轴向和径向)以及3D FSPGR扫描方法的MR图像,部分结果如图6和7所示。

对图6和图7的结果分析如下:

1) 在2-D FSET2扫描方式下,有轻微干扰出现,具体表现为磁共振图像中出现阴影;

2) 径向和轴向图像清晰,无干扰出现(文中未给出图像);

3) 在2-D FIESTA扫描方式下,有轻微干扰出现,具体表现为图6下方部分像素丢失和图7上方有阴影出现。

图6 多超声波电机径向扫描图像(2-D FIESTA) 图7 多超声波电机轴向扫描图像(2-D FIESTA)

4 结 论

结合本文实验和超声波电机在手术机器人中的应用,本文提出以下提高超声波电机磁共振兼容性的途径:(1)选择本文所述的超声波电机平行安装方式,避免本文实验的垂直安装方式;(2)在无法避免垂直安装方式时,设计可自动或遥控旋转超声波电机的安装端,可以根据要求调整超声波电机角度以提高磁共振兼容性;(3)在条件允许的前提下,尽可能加大安全距离。

在Philips 3T扫描仪环境下,完成了2-D FGRE、2-D FSE T2、2-D FIESTA和3DFSPGR扫描方法下图像扫描,获得相应扫描序列下的信噪比;分析了不同测试方案下的图像兼容性,总结了影响超声波电机磁共振兼容性的两个因素:安全距离和安装方式;最后提出了用于手术机器人的超声波电机兼容性提高方法。未来的工作重点是将该超声波电机应用于手术机器人,测试其手术机器人整体磁共振兼容性和超声波电机在手术机器人中应用的可行性。

参考文献：

[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] 清华大学. 一种计算磁共振成像RF线圈信噪比的方法[P]. 中国: CN2000110241368.6. 中华人民共和国知识产权局

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)