外科醫生在進行腦腫瘤治療時面臨一個困境：他們可以使用磁共振成象（MRI）捕捉超高分辨率的腫瘤圖像，也可以使用超精密的手術器具移除腫瘤，但是他們不能在同一時間做這兩樣事情。
至少以前還不能。
現在，伍斯特理工學院（WPI）教授Greg Fischer正致力于開發一種能夠在磁共振儀內使用（如下圖所示）的外科手術機器人。通過實時反饋，機器人能夠將高強度聚焦超聲探頭準確定位在腫瘤上，以達到最佳的手術效果。當然，要想打造能夠在MRI產生的強磁場環境中工作的機器人并不簡單，不過WPI的團隊做到了，他們利用控制工程和MICROMO的壓電定位器，開發了一套徹底變革MRI治療方式的系統。
設計這套手術裝置的過程充滿了挑戰。在超高分辨率的情況下，系統需要足夠的精確度和可重復度。而且電機需要相當安靜。除此以外，還必須足夠可靠。而且設計MRI機器人，Fischer的團隊還面臨一個巨大的挑戰。以上這些功能需要能在多種特斯拉磁通量的磁環境中正常工作。
在MRI產生的強大的磁場下，即使像螺絲這么小的鐵磁體也可能會產生傷害，更不用說像永磁電機、變速箱、驅動器等運動部件。顯然，MRI機器人必須使用非傳統的驅動器。他們給出的答案是壓電裝置。
磁場下的運動
壓電驅動器利用了壓電陶瓷在外加電壓下產生變形的原理。不過存在的問題是壓電效應產生的位移還不足部件尺寸的百分之一，而MRI機器人需要高達100cm的直線行程以及連續360度的旋轉。
為解決此問題，WPI選用了由一組在外加電壓下，會產生輕微彎曲和變形的陶瓷驅動臂組成的Piezo LEGS電機（如圖1所示）。
圖1. Piezo LEGS電機（下）由對外加電壓會產生不同應變的雙面壓電陶瓷臂（上）組成。
工作時，它們交替驅動的方式（如圖2所示）使驅動桿以納米級的步距，高達15mm/s的速度往前“走”動（或者使轉盤轉動）。由于總有一組陶瓷臂和驅動桿接觸，能夠給電機提供高達10N停止力（加持力？），因此可以將它們認為是本質安全的驅動器（在失去動力時制動）。
WPI機器人由一個可在X,Y,Z方向移動的模塊和2個與頭部框架弧度對應的旋轉模塊組成。未來的設計還會考慮增加自由度以允許插入、旋轉套管和探針。對于直線運動，WPI團隊將直接驅動進針的Piezo LEGS直線電機和驅動鋁制導桿的Piezo LEGS旋轉電機配合使用。對于旋轉運動，使用了3D打印的定制皮帶輪和橡膠/玻纖增強的同步皮帶。
圖2.外加的電壓使雙生的陶瓷臂彎曲和延伸/收縮，從而移動驅動桿向前
雖然材料質量很輕，但是它們產生的摩擦比傳統設計更大，這意味著它們需要更高的扭矩以產生運動來作為壓電馬達的輸出。“在許多的應用中，你可以只需要壓電馬達和直接驅動或者多對一的減速皮帶輪就能解決問題，”Fischer說，“不像買一個小型的直流馬達，還要配100：1齒輪比的減速箱。”
“很多壓電電機能達到的最高精度也只是1mm，”Fischer說。“要想更精確，只有少數公司能做到，它們或銷售旋轉馬達或者是需要你設計周圍整套設備的驅動桿模塊。但是，在我們看來，還沒有公司能和緊湊獨立的MICROMO裝置競爭。”
壓電驅動器使用非磁非鐵的導電電極。這確保了在MRI環境中的使用安全。但是，這還不夠。電源或者驅動電路產生的任何電子噪聲都可能會對圖像產生干擾。“很多時候，你得到的可能只是能看不能用的靜態藝術品。”Fischer說，“電子噪聲以及MRI不兼容的材料能夠明顯扭曲圖像，你所看到的圖像和真實的完全不一樣，重要的是，你需要使用這些圖像來為你的手術做指引。”
顯然，此應用需要專業的電子產品。同時，壓電馬達的特性也意味著需要精密的驅動波形。為解決這個問題，Fischer團隊開發了一套控制模塊來操作MRI中的壓電馬達。他們編制了FPGA來調整驅動信號波形的相對頻率和相位。高速數模轉換器提供精確的波形控制，高帶寬、高壓的直線放大器確保控制器合成產生運動所需的準確的驅動信號。
外部的過濾器去除噪聲，編碼器反饋使單片機的閉環位置或速度控制能夠在單板上運行實時控制回路。模塊化的底架能夠與最多8塊這種電路板一起安裝在屏蔽箱內并與機器人放置在MRI掃描器上。定制的電纜連接機器人和控制器，能夠進行最多8軸的控制。
現有的標準壓電電機大大簡化了整個項目。“這些可靠的現成的驅動器，直線或旋轉的，非常有用。”Fischer說，“它們可以讓我的學生們可以將精力放在機械機構設計和控制設計上。”
但是項目的目標遠不止手術機器人。Fischer的目標是開發MRI兼容的機器人開發套件，包含傳感器，驅動器，控制器，放大器，并用通信協議增強。“在工業應用中，你可以購買PLC，馬達以及編碼器，將它們接起來，馬上就有了一套可用的設備。”他說，“但是對于醫療設備還沒有類似的東西，更不用說MRI了。”
為達到此目的，該團隊正在開發MRI機器人在其它應用的擴展，包括腦深部腫瘤的高精度熱消融，帕金森病的腦深部刺激電極放置，以及針對MRI指引的前列腺癌檢查和局部治療。
“我們的目標很明確，應用也很具體，它們都是基于現有的電機開發的。”他說，“在我的實驗室里，有市場上能夠買到的所有壓電馬達。我們甚至嘗試自己制造。對于我們來說MICROMO驅動器不管是尺寸，力范圍還是力矩范圍，都很合適。總的來說，非常有效。”
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