mri兼容机械装置技术的研究现状与进展

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1、 1MRI 兼容机械装置技术的研究现状与进展兼容机械装置技术的研究现状与进展 赵明 2007 年 11 月 一、引言一、引言 MRI 成像引导介入治疗融 MRI 成像技术和介入诊断和治疗技术于一体，具 有多方位成像、多切面定位、组织对比分辨率高、无电离辐射、不用对比剂即可 显示血液流动、可测评温度变化等特点。 该技术虽然最早出现在上世纪 80 年代，但一开始受手术空间小（磁体大而 笨重、医生接触患者不方便或很难接触） 、成像速度低、强磁场和伪影阻碍介入 手术器械工作等因素的困扰和制约，发展缓慢。有鉴于此，开放式磁体系统的开 发和改进、超高速扫描序列的开发、MRI 兼容机械装置的发明和应用成为业

2、界 公认的实现 MRI 成像引导介入治疗并促进其发展的三项关键技术。 近年来，随着上述三项关键技术的逐一突破，以及其它商务和技术因素的影 响（例如因 MRI 成像设备技术的飞速发展而导致的功能拓展、MRI 设备降价、 普及所带来的应用面扩大等） ，MRI 成像引导介入治疗技术的应用和研究迅速兴 起，并成为介入治疗医学中的一大热点。 当然，从商务角度看，MRI 成像设备制造领域内的竞争激烈也为 MRI 成像 引导介入治疗技术的兴起起到了推波助澜的作用， 并直接促进了一些实验室技术 的产品化，和一些成熟产品的商品化。 作为实现 MRI 成像引导介入治疗的关键技术之一，MRI 兼容机械装置技术 是指

3、人们在长期的研究和开发实践过程中发现和总结出来的那些与 MRI 兼容机 械装置的设计、 制造、 应用和维护相关的共性技术。 包括材料性能、 元器件选择、 加工制造工艺、机构设计、运动检测与控制等多方面。该技术与新材料、机电一 体化技术、计算机技术等的发展密切相关，随着各种相关技术的发展，而得到不 断的改进和应用。 目前，运用 MRI 兼容机械装置技术。人们已成功发明和制造出多种不同类 型的 MRI 兼容机械装置，并将之用于临床或试验研究。这些 MRI 兼容机械装置 不仅涵盖了各种不同类型的微型精密机械、 主从式机械手和多自由度手术机器人 等，而且它们的临床应用也涉及到组织穿刺活检、肿瘤消融治疗

4、、血管介入等多 方面，并正在应用的深度和广度上持续拓展，发展非常快速和活跃，前景广阔。 本文就近年来有关 MRI 兼容机械装置技术及其临床应用方面的研究介绍如 下。 二、二、MRI 兼容机械装置技术的发展过程兼容机械装置技术的发展过程 综观 MRI 兼容机械装置技术的发展过程，可以明显地看到其呈阶段性发展 的特点。迄今为止，主要表现为三个阶段：即从适应医生的需要，到减轻医生操 作的劳动负荷，再到操作过程的自动化、信息化、柔性化和智能化。而符合 MRI 兼容性要求的材料的发展和应用则是其主线，贯穿于三个阶段。 （1）适应医生需要的阶段 2早期开发的开放式 MRI 成像引导介入治疗装置，由于成像功

5、能的限制，大 都是外科医生实施手术操作或治疗操作 （如乳房肿瘤组织穿刺活检） 的辅助装置。 例如在 GE 公司 90 年代早期开发的 MRI 成像引导介入手术装置 0.5T Signa SP/i 中，医生对患者某一部位的手术操作和 MRI 成像同步进行，医生通过术中成像 可观察到肉眼不能直接见到的手术野， 改进手术过程。 这些装置虽融合介入诊断、 治疗及 MRI 成像引导等技术于一体，但手术或治疗过程依然需要医生亲自动手 实施，因而不能解决医生因劳累、手颤动等带来的问题。而且由于手术操作空间 小等因素，限制了医生的工作。 在该阶段，MRI 兼容机械技术研究的重点是开发和研制适合在高场强磁场 环

6、境中使用的手术和治疗器械（例如手术刀、止血钳、穿刺针、导管、导丝、支 架等） ，以满足医生的需要。而寻找和研制符合 MRI 兼容性要求的材料、以及与 这些材料相关的加工工艺的研究则成为重点中的重点。 此后，有关材料的研究一直在持续着，并逐渐成为支持 MRI 兼容机械装置 技术发展的基础和先导。下文将重点介绍。 （2）减轻医生操作的劳动负荷的阶段 为了解决医生在手术实施过程中存在的问题， 减轻他们在手术操作的劳动负 荷并能发挥他们在经验、智力等方面的优势，做到随机应变，以实现精准治疗和 稳定治疗。由医生亲自操作控制的主从式机械手（Master-Slave Manipulator）等 自动或半自动

7、机械装置或器械被发明出来逐步引入外科手术。这类机械手系统 中，目前已成功商品化的主要有美国 Intuitive Surgical 公司开发的达芬奇（Da Vinci）系统和 Computer Motion 公司开发的 ZEUS 系统。 以开发于 2000 年的达芬奇系统为例，该系统的造价虽达百万美元，但却具 有人手无法相比的稳定性及精确度，已用于侵入式手术。医生可通过该系统内置 的立体影像摄影机，观察和拍摄患者的状况，然后通过手动操作控制台旁的操纵 杆，控制机械手臂运动；需要时可将机械手臂连接各种精密手术器械，从而实现 不同的手术操作。 这类主从式机械手装置和系统依然存在很多缺点和问题。首先，

8、它们大都是 由外科医生亲自操作控制和智能自主控制相结合的独立系统， 不能直接应用患者 数据和多类别（Modality）图像含有的丰富信息，需要实现与医疗成像设备和信 息传输设备的集成。其次，人们一般认为外科医生的眼睛在手术过程中很重要， 但是事实上由于视觉的限制，会产生一些问题。例如，呈现在眼前的一些肿瘤看 上去却像健康组织，一些恶性肿瘤会被健康组织挡住而不易发现。另外，这类主 从式机械手装置和系统需要医生就近观察和实施手术，还不能实现远距离手术。 最后，大多数系统所采用的机电元器件和制造零部件所用的材料不满足 MRI 兼 容性要求，不能置于 MRI 系统中使用。 因而在该阶段，MRI 兼容机

9、械技术研究的重点是对已有的机械手装置和系 统进行 MRI 兼容性改造或重新设计；并按照临床应用的新要求，开发和研制新 的自动或半自动机械装置或器械 （例如用于乳房组织穿刺活检的多自由度机械手 等） 。 机电一体化技术被大量应用于这些自动或半自动机械装置或器械的研制， 而 寻找和研制符合 MRI 兼容性要求的驱动元器件、传动元器件以及与这些元器件 相关的材料和制造工艺的研究则成为关键。 3（3）操作过程的自动化、信息化、柔性化和智能化的阶段 近年来，MRI 成像引导介入治疗装置的发展已日趋完善，并日益呈现出自 动化、信息化、柔性化和智能化的特点。MRI 实时成像引导与手术机器人的结 合成为构造各

10、类不同 MRI 成像引导介入治疗装置的最佳方案。一方面，MRI 实 时成像引导可以为手术机器人提供精准导航和实时导航。手术之前，手术机器人 可以按照术前成像，计划和编制其在手术过程中的运动轨迹。手术过程中，手术 机器人可以按照术中成像，实时发现和辨别目标器官产生的变形，并依照变形的 量值进行运动轨迹的调整；另一方面，手术机器人成为 MRI 成像引导介入治疗 中的最佳执行装置。多自由度手术机器人可以支持多种手术或治疗方式（例如高 能聚焦超声治疗、激光治疗、微波热疗等） ，可以夹持多种不同类型的精密治疗 器械，灵巧、稳定、连续、持久、快速地完成多种高难度动作。 MRI 兼容机械技术研究的重点也随之

11、转向多自由度 MRI 兼容手术机器人的 研究和已有器械和装置的功能扩充和“柔性化” 、 “智能化”改造。 按照临床应用的要求，与常规的外科手术机器人的结构设计和控制相比，多 自由度 MRI 兼容手术机器人及其成像引导系统需要特殊设计。 首先，它要具有 MRI 兼容性。所用的大部分元器件必须重新设计，并采用 MRI 兼容性材料来制造完成。 其次，还要具有多类别（Modality）影像检查设备的兼容性。事实上，单纯 满足 MRI 兼容性要求的外科手术机器人并不是完全符合经济要求和临床需求的 设备。一方面、外科手术机器人购置和维护费用昂贵，只有提高它的使用效率， 才能近早实现回报；另一方面，临床介入

12、治疗的发展在朝着多类别联合诊断和成 像引导治疗的方向发展。因此，理想的外科手术机器人不仅要兼容 MRI，而且 还要兼容 CT、X-RAY 等不同类别的影像检查设备，满足它们各自的特殊需要， 实现跨平台、联合的目标。影像检查设备的兼容性对手术机器人的设计提出了挑 战，设计者必须要考虑各种不同类型的影像设备的图像获取、安全、人机交互以 及其它所有对影像检查设备的功能不形成冲突的要素。 最后，就未来的发展方向来说，包含 MRI 成像引导介入治疗在内的成像引 导介入治疗将会是一个系统的、连续的、多类别（Modality）的卫生保健系统， 涵盖了术前计划（pre-op planning） ，术中的成像引

13、导和手术导航，术后看护，以 及其它相关事项。 手术机器人将会成为一个复杂的生物医学信息系统中的一个要 素，将会成为计算机集成手术系统的一部分，专门设计在手术室内工作。 三、三、MRI 兼容机械装置与医生、患者之间的“人机”关系兼容机械装置与医生、患者之间的“人机”关系 上述的各种不同类型的 MRI 兼容机械装置，无论其多么精密、多么复杂和 “智能化” ，本质上还是器械，都是外科医生对患者实施手术和治疗所用的工具， 是医生手的延伸、眼睛的延伸、体力、耐力和思维判断能力的延伸。从这些器械 设计和使用的一开始，就必须考虑其在 MRI 磁体这样一个特殊的环境下，人机 之间的关系，解决有关“人机工程学”

14、问题，实现人机兼容。 首先，多数 MRI 兼容机械装置的人机兼容，都是在其发展的过程中逐步完 善和解决的。比如乳房肿瘤组织穿刺活检用的机械装置，就是从最初那些只能简 单地辅助医生实施穿刺定位用的网格状台架，发展到今天的多自由度机械手。 其次，MRI 成像引导介入治疗是个系统工程，涉及多方面。就 MRI 磁体间 而言，不仅要满足 MRI 扫描的要求，而且更要按照手术室的标准和要求进行改 造和建设，满足灯光、通信、麻醉、医用废弃物处理等要求。因此，MRI 兼容4机械装置必须满足与其配合使用的其它装置和器械的要求，与它们兼容。 第三，无论 MRI 兼容机械装置和技术多先进、多可靠，依然不能脱开外科

15、医生的操作和控制。 不能忽视医生的经验和他们解决复杂问题， 驾驭全局的能力。 四、四、MRI 兼容机械装置技术的特点兼容机械装置技术的特点 （1） MRI 兼容性要求高 以图 1 所示的 MRI 成像引导前列腺治疗装置为例，目前已经实用化的各种 不同类型的 MRI 兼容机械装置，无论是微型精密机械、主从式机械手，还是多 自由度手术机器人， 其用于实施介入手术或治疗操作的机构部分都必须要在磁体 腔内的成像区域内精密、准确地按控制要求完成工作，除此以外的其它重要部分 （如驱动电机等）也要就近安置在磁体腔出口区域，以利于传动链的缩短和两者 的有效结合，因此其整体必须具有高度的 MRI 兼容性。它们的

16、 MRI 兼容性要求 比常见的 MRI 接收线圈等的 MRI 兼容性要求还要严格，具体地说，一方面该类 机械装置及其运动不能对 MRI 成像造成任何不利的影响；另一方面，该类机械 装置在磁场下工作是安全有效的，能实现预期功能，不会对患者和操作员造成意 外伤害。例如不会因磁场的吸引而使某些机构发生错误或意外的运动，不会对某 些电气元件造成电干扰，不会因电磁感应而使一些电气元件产生过热。 图 1 MRI兼容机械装置的MRI兼容性要求的实现除了是满足MRI成像引导的必 要条件外，还具有其它意义。那就是在实现该兼容性的基础上，其它类别 （Modality）设备的兼容性问题将在此基础上易于解决。这对实现跨平台，联合 各种不同类别的影像检查技术一起工作非常有利。 （2） MRI 兼容机械装置技术是典型的机电一体化技术， 具有 “柔性” 和 “自 动化” 、 “智能化”的特点。它一方面要代替外科医生实现精确、稳定而灵巧的手 术操作，消除手术过程中的一些传统影响（例如由于医生手的颤动等因素而带来 的影响） ；另一方面，则要像医生那样会思