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[導(dǎo)讀]由于精度不斷提高,機器人系統(tǒng)已在實驗室、醫(yī)院甚至病人的體內(nèi)得到了實際應(yīng)用。   從藥品研發(fā)實驗室、放射科,到手術(shù)室,機器人應(yīng)用中的嵌入式電機控制技術(shù)正改變著醫(yī)學(xué)研究與醫(yī)療過程。   通過穩(wěn)定、可靠和可

由于精度不斷提高,機器人系統(tǒng)已在實驗室、醫(yī)院甚至病人的體內(nèi)得到了實際應(yīng)用。

  從藥品研發(fā)實驗室、放射科,到手術(shù)室,機器人應(yīng)用中的嵌入式電機控制技術(shù)正改變著醫(yī)學(xué)研究與醫(yī)療過程。
  通過穩(wěn)定、可靠和可重復(fù)地控制高流量的液體分注儀(liquid-handling system)、分析儀(detection reader)、培養(yǎng)皿以及大量的試管和藥瓶,機器人技術(shù)已經(jīng)深深地影響了新藥品研發(fā)的效率。一個線性的電機,實際上被稱作“直”的電機,它帶有一個扁平的定子,能夠產(chǎn)生線性運動而非旋轉(zhuǎn)運動。這種電機對于精確地調(diào)配各種液體很有幫助。除了精確配置各種液體的次微升(sub-microliter)量,這些系統(tǒng)還能一次同時精確地操作和安置大量的試管和藥瓶。伺服電機能足夠精準(zhǔn)地旋轉(zhuǎn)、驅(qū)動和放置大量的試管。
  當(dāng)醫(yī)生在機器人技術(shù)協(xié)助下,對于病患進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷的時候,對定位和運動精確性的要求便大大增加了。比如,磁共振成像(MRI)的質(zhì)量,就很大程度上取決于對MRI機架臺上病患者的適當(dāng)定位。不良的定位會造成最終圖像的傾斜以及數(shù)據(jù)判讀的復(fù)雜化。運動控制系統(tǒng)可以使用多種技術(shù),例如通過分析電機電流偏移和使用位置譯碼器

,來探測出機器是否接觸到了病人,從而可以避免對病人潛在的傷害。
  激光眼科手術(shù)則更能顯現(xiàn)出一點,即如果沒有高精確度的機器的協(xié)助,這一醫(yī)學(xué)過程便不可能存在。這個過程完全依靠精確的運動控制,同時外加間歇性的不同強度的激光脈沖。在進(jìn)行激光眼科手術(shù)時,激光系統(tǒng)必須實時追蹤患者持續(xù)運動的眼球,而眼球的運動速度可能會達(dá)到每秒100次。跟蹤系統(tǒng)必須能夠跟上眼球無意的快速運動,以確保它能指引激光束精確定位到需要改造的角膜部位。
  近幾年,機器人外科助理裝置已經(jīng)有了很大的發(fā)展?,F(xiàn)如今這些裝置甚至能夠支持創(chuàng)口僅為1厘米的心臟穿刺手術(shù)。腹腔鏡外科助理機器人技術(shù),例如Intuitive Surgical的一些裝置,它們并不是讓外科手術(shù)自動化,而是在手術(shù)時有限的外部環(huán)境下,增加了外科醫(yī)生精確操作、解剖以及縫合患者生理組織的能力。該公司的Endowrist儀器,每種都支持一種特定的手術(shù)任務(wù),例如通過提供七種自由度的運動來模仿人的手和手腕的靈活性,來實現(xiàn)夾住和縫合的動作。



Intuitive Surgical 的腹腔鏡機器人系統(tǒng)模仿人的手和手腕靈活性.


  在標(biāo)準(zhǔn)的腹腔鏡外科手術(shù)中,儀器的運動是違反直覺的,就如同看著一面鏡子在做手術(shù)。
  機器人運動控制器會在外科醫(yī)生手、腕的運動和外科儀器間,保持著一種相應(yīng)的眼-手-儀器的順序。這樣就減少了醫(yī)生學(xué)習(xí)使用設(shè)備的負(fù)擔(dān),減小了醫(yī)生的疲勞度,更有利于靈活精確的操作。只要外科醫(yī)生順時針扭動調(diào)節(jié)裝置,機器手就會隨之順時針扭動。同時,運動控制器也會濾除醫(yī)生手的顫動。
 盡管壓電致動器能夠提供十分微小的位移,但I(xiàn)ntuitive Surgical的高級副主席Gary Guthart指出,直流伺服電機足夠簡單,花費很值,而且能夠提供所必需的大驅(qū)動力——手術(shù)刀尖幾磅的力量,以切開組織。
 由于手術(shù)中需要的亞毫米分辨率,機器人技術(shù)正在推動著直流伺服電機分辨率的提高。Intuitive的運動控制系統(tǒng)使用一個1200Hz的控制回路來提供足夠的速度和精確性,從而使儀器運動更快,更自然,以達(dá)到醫(yī)生的期望。
 機器人外科助理裝置的另外一個控制回路為外科醫(yī)生提供了基礎(chǔ)的觸覺反饋。低摩擦的直流伺服電機足夠支持Intuitive Surgical機器人反饋系統(tǒng)。這個反饋系統(tǒng)給外科醫(yī)生提供了與病人的感覺交互。運動控制器在和醫(yī)生的通信交互中構(gòu)造出了觸覺的界限。除了這種環(huán)路感覺外,運動控制系統(tǒng)還使用了硬件看門狗和軟件計算核對,同時使用邏輯一致性檢查以保證安全。系統(tǒng)只需要為錯誤檢查提供一些冗余的感測,并在發(fā)生錯誤時跳入安全模式和通知手術(shù)醫(yī)生或操作者即可。
 以上這些基于運動控制的系統(tǒng),為系統(tǒng)設(shè)計者們提供了成功的先例,促進(jìn)了他們繼續(xù)尋找新的方式,把嵌入式電機控制應(yīng)用到醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療過程之中。

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