MRI系統使用高磁場,手術機器人必須為非金屬材料。

MRI系統使用高磁場,手術機器人必須為非金屬材料。Credit: Rum Bucolic [email protected] CC BY-ND 2.0

手術機器人的需求

醫學用手術機器人的設計目的,主要在取代一些人類因時空的限制而無法做到的工作,例如說機器人可以在很小的空間中運作以精密採樣、遠端操作,或者是執行重複的動作等。舉個例子來說,在生產線上,研發機器人做重複且精密的動作;而美國國防部和Google更設計了一系列機器人,希望可以深入戰地,到達人類去不了的地方。

設計要克服限制

同樣的,在醫療方面,手術機器設備也是基於同樣的動機而設計的,像是能夠在「核磁共振成像」(MRI)的環境下使用的手術機器人就是一個例子,因MRI機器使用強大的磁場,在其運作空間內是不能有金屬器件存在的;另外,這種機器的形狀像一個很短的隧道,除了患者以外,很難有其他人的容身之處,如果想在影像照射的同時,讓醫生同時執行手術,幾乎很難做到。上述這兩點就是空間和環境所造成的限制,那麼能設計一個機器人進去操作手術嗎?

MRI相容手術機器人

美國麻州「伍斯特理工學院」(Worcester Polytechnic Institute, WPI) 的研究員開發了一種能克服以上問題的「MRI相容手術機器人」(MRI compatible robotic surgery tool),專為攝護腺腫瘤的採樣而設計(點這裡看照片)。現行攝護腺腫瘤的採樣,醫師需使用針管分別插入患者的攝護腺的四個部位,在每個部位採樣數次,因為沒有精確影像導引,可以說非常不精準;又或者加入超音波影像,從患者直腸放入超音波探桿,然而因為超音波影像仍不夠清晰,仍須多次採樣來增加樣本數,但每次的針頭插入都增加感染的風險。而專為攝護腺切片手術設計的「MRI相容手術機器人」,零件全為塑膠材料,避開了金屬零件在磁場中的影響,而其驅動裝置為「陶瓷壓電式馬達」(ceramic piezoelectric motors),這種馬達的材料會隨著給予的電壓而產生形變,因此能提供推力或擺動來控制機器人的動作,動作控制的精密度相當高。其實一開始研究團隊使用氣壓式馬達,但發現控制不夠精準,因而採用壓電式馬達。

這個手術機器人整套設計為一個攜帶式的提箱,隨時可以攜帶安置到任何的MRI設備室,操作人員可在外面操控置於MRI機器內的機器人並進行切片。目前這項開發已經和美國Acoustic Medsystems公司合作來商業化。

太空與醫療的相同處

其實醫療和太空機器人的設計,有著同樣的要求,就是要可靠度高、安全、精準。加拿大就將其設計的Canadarm,太空用的機器手臂,改設計為neuroArm做神經手術,另外也改造成在MRI系統中使用,用來做乳癌切片的IGAR,同時也能用在肺、肝、腎腫瘤切片。

MRI影像本身的清晰度和高花費,要應用在這樣的腫瘤切片上,仍有不少疑問。但是這個產品的開發,就其能在高磁場,小空間使用的特性,無疑未來有不少的應用可能。

文章參考:IEEE Spectrum
圖片來源:Rum Bucolic Ape@Flickr   CC BY-ND 2.0
原文參考:Mechatronics, IEEE/ASME Transactions



作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。