磁共振成像（核磁共振成像）是断层成像的一种，它利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体信息。该项技术已用于全身各系统的成像诊断，效果最佳的是颅脑，及其脊髓、心脏大血管、关节骨骼、软组织及盆腔等。

然而，外科医生在治疗脑癌时通常会遇到一大难题，尽管他们能通过核磁共振成像来捕捉具有超高分辨率的肿瘤图像，也能使用超精密的手术器械来切除肿瘤，但这两项操作无法同时进行，至少以前是不可行的。目前，美国伍斯特理工学院的教授Greg Fischer正在开发一种可用于核磁共振成像机器的手术机器人。

Faulhaber压电电机助力解决磁共振成像治疗瓶颈

该机器人可在实时反馈的引导下，将高能量、间质聚焦的超声探头精确地定位在肿瘤上，为患者带来理想的治疗效果。当然，要打造一个能在磁共振设备产生的高磁场内操作的机器人并非易事。不过，凭借复杂的控制工程和Faulhaber压电电机，WPI团队已建立一套系统，有望彻底改变磁共振成像治疗瓶颈。

该手术器械在设计过程中充满挑战，系统不仅需要高精度，可重复性强，超高分辨率，保持安静的电子环境，还必须安全可靠。Fischer的团队在开发核磁共振成像机器人时，面临着另一大挑战：系统需在多磁场中工作，并实现以上所有特性。

即便是螺丝钉等很小的铁磁物体，核磁共振成像机器产生的强大磁场也会对其产生影响，更不用说永磁电机、齿轮箱和致动器等设备了。显然，核磁共振成像机器人从一开始就必须采用非传统的驱动，而它们就是Faulhaber压电电机。

可在磁场中运动

Faulhaber压电电机基于施加电压后膨胀的压电陶瓷，但问题是压电效应引起的位移只是元件尺寸的百分之一，而核磁共振成像机器人需要高达约100毫米的线性行程或360度连续旋转。WPI团队在Faulhaber的LEGS压电陶瓷电机中找到了解决方案。

该装置由一组双晶驱动支腿组成，在施加电压后会略微弯曲和延伸。

施加在仿生腿上的电压会使其弯曲、伸展或收缩，从而向前移动驱动杆

事实上，它们是交替驱动的，因此，能以15毫米/秒的速度及纳米级步距向前“推动”驱动杆前进（或在旋转时转动圆盘）。由于一组支腿在任何时候都始终与致动器接触，因此它们本身就是安全的致动器（在无动力时提供制动），其中电机可提供高达10N的失速力（保持力）。

WPI机器人由一个具有X、Y、Z平移的模块和两个旋转模块组成，它们与头部框架的弧角相对应，未来还将在设计中包括更多的自由度，以便套管和管心针插入和旋转。

为产生线性运动，WPI团队将Faulhaber直线型LEGS压电陶瓷电机（用于插入针的直接驱动）和旋转LEGS压电陶瓷电机（用于驱动铝制丝杠）组合起来使用。对于旋转运动，他们使用3D打印的定制皮带轮和橡胶或玻璃纤维增强的同步带。

尽管它们的质量较小，但与传统设计相比，这些材料产生的摩擦力更大，这意味着它们需要更高的扭矩来驱动，而压电电机能够提供其所需的动力。“许多应用都可以通过压电电机和直接驱动或皮带轮减速比来实现，”Fischer 说道。“您无需像使用小型直流电机那样需要100:1的减速比。”

LEGS压电陶瓷电机是WPI项目正确的解决方案。“有些压电电机最多只能提供1毫米的驱动。”Fischer说道。“除此之外，真的只有少数几家公司能做到。在这些公司中，有些销售旋转电机或用于推动驱动杆的模块，你还需要设计出整个定制设备。在紧凑型和独立型电机方面，我还没有看到能和Faulhaber驱动媲美的产品。”

控制挑战

压电电机只需要非常小的导电电极（非磁性有色金属），因此可在核磁共振成像环境中安全使用。然而，在这些应用中，仅确保安全是不够的，电源或驱动电子设备产生的电噪声都有可能导致图像失真。“很多时候，你会看到静态伪影。”Fischer 说道。“电子噪声以及与核磁共振成像不兼容的材料都有可能导致图像扭曲，随之产生严重后果。”

很显然，该应用需要专用的电子技术。同时，压电电机的特性意味着它还需要复杂的驱动波形。为此，Fischer的团队开发出一个定制控制包，用于在核磁共振成像扫描仪中操作压电电机。他们还编程了一个现场可编程门阵列（又称FPGA）来调整驱动信号波形的相对频率和相位。高速数模转换器提供了精确的波形时间控制，而高带宽的高压线性放大器允许控制器合成产生运动所需的精确驱动信号。外部滤波器可消除噪声，编码器反馈可在单板上运行实时控制回路的微控制器，实现闭环位置或速度控制。模块化背板最多可将八块这样的单板组成一个单独的屏蔽外壳，与机器人一起安装在核磁共振成像扫描仪内，可通过定制的电缆线束将控制器与机器人连接起来，最多可控制八个轴。

独立的压电电机让这个项目变得更简单，而随时可用的可靠的封闭式直线型性或旋转型压电电机让这一挑战变成可能。”Fischer说道。“它确实能让学生更专注于机械机构和控制器设计。”

不过，该项目不仅限于手术机器人。Fischer的目标是开发一个工具箱，用于开发与核磁共振成像兼容的机器人，并集成传感器、致动器、控制器和放大器，并通过通信协议增强。“在许多行业，你可以购买PLC、电机或编码器，把它们连接在一起，然后集成所需的装置。但医疗设备上不会出现这类情况，更不用说核磁共振成像了。”

为了演示这种方法，该团队正在研究核磁共振成像机器人的多种应用，包括：深部脑癌的高精度热消融、帕金森病的深部脑刺激电极置入，以及核磁共振引导下的前列腺癌活检和局部治疗的靶疗疗法。“我的实验室里几乎有市场上所有的压电电机，我们甚至还尝试自己制造。对我们而言，FAULHABER已经能满足我们的需求了，其微驱动系统非常紧凑，同时拥有更佳的作用力范围和扭矩范围。总的来说，它们非常高效。”