嵌入式電機控制系統(tǒng)在醫(yī)療行業(yè)中應用

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)得到了實際應用。

從藥品研發(fā)實驗室、放射科，到手術(shù)室，機器人應用中的嵌入式電機控制技術(shù)正改變著醫(yī)學研究與醫(yī)療過程。

通過穩(wěn)定、可靠和可重復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地旋轉(zhuǎn)、驅(qū)動和放置大量的試管。

當醫(yī)生在機器人技術(shù)協(xié)助下，對于病患進行醫(yī)學診斷的時候，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，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。

在標準的腹腔鏡外科手術(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，保持著一種相應的眼－手－儀器的順序。這樣就減少了醫(yī)生學習使用設(shè)備的負擔，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Intuitive 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，促進了他們繼續(xù)尋找新的方式，把嵌入式電機控制應用到醫(yī)學研究和醫(yī)療過程之中。