嵌入式電機控制系統在醫療行業(yè)中應用

由于精度不斷提高，機器人系統已在實(shí)驗室、醫院甚至病人的體內得到了實(shí)際應用。

從藥品研發(fā)實(shí)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(zhù)醫學(xué)研究與醫療過(guò)程。

通過(guò)穩定、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(gè)線(xiàn)性的電機，實(shí)際上被稱(chēng)作“直”的電機，它帶有一個(gè)扁平的定子，能夠產(chǎn)生線(xiàn)性運動(dòng)而非旋轉運動(dòng)。這種電機對于精確地調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，這些系統還能一次同時(shí)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、驅動(dòng)和放置大量的試管。

當醫生在機器人技術(shù)協(xié)助下，對于病患進(jìn)行醫學(xué)診斷的時(shí)候，對定位和運動(dòng)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(huì )造成最終圖像的傾斜以及數據判讀的復雜化。運動(dòng)控制系統可以使用多種技術(shù)，例如通過(guò)分析電機電流偏移和使用位置譯碼器，來(lái)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)則更能顯現出一點(diǎn)，即如果沒(méi)有高精確度的機器的協(xié)助，這一醫學(xué)過(guò)程便不可能存在。這個(gè)過(guò)程完全依靠精確的運動(dòng)控制，同時(shí)外加間歇性的不同強度的激光脈沖。在進(jìn)行激光眼科手術(shù)時(shí)，激光系統必須實(shí)時(shí)追蹤患者持續運動(dòng)的眼球，而眼球的運動(dòng)速度可能會(huì )達到每秒100次。跟蹤系統必須能夠跟上眼球無(wú)意的快速運動(dòng)，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(dòng)化，而是在手術(shù)時(shí)有限的外部環(huán)境下，增加了外科醫生精確操作、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(wù)，例如通過(guò)提供七種自由度的運動(dòng)來(lái)模仿人的手和手腕的靈活性，來(lái)實(shí)現夾住和縫合的動(dòng)作。

Intuitive Surgical 的腹腔鏡機器人系統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(dòng)是違反直覺(jué)的，就如同看著(zhù)一面鏡子在做手術(shù)。

機器人運動(dòng)控制器會(huì )在外科醫生手、腕的運動(dòng)和外科儀器間，保持著(zhù)一種相應的眼－手－儀器的順序。這樣就減少了醫生學(xué)習使用設備的負擔，減小了醫生的疲勞度，更有利于靈活精確的操作。只要外科醫生順時(shí)針扭動(dòng)調節裝置，機器手就會(huì )隨之順時(shí)針扭動(dòng)。同時(shí)，運動(dòng)控制器也會(huì )濾除醫生手的顫動(dòng)。

盡管壓電致動(dòng)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(jiǎn)單，花費很值，而且能夠提供所必需的大驅動(dòng)力——手術(shù)刀尖幾磅的力量，以切開(kāi)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(dòng)著(zhù)直流伺服電機分辨率的提高。Intuitive的運動(dòng)控制系統使用一個(gè)1200Hz的控制回路來(lái)提供足夠的速度和精確性，從而使儀器運動(dòng)更快，更自然，以達到醫生的期望。

機器人外科助理裝置的另外一個(gè)控制回路為外科醫生提供了基礎的觸覺(jué)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。這個(gè)反饋系統給外科醫生提供了與病人的感覺(jué)交互。運動(dòng)控制器在和醫生的通信交互中構造出了觸覺(jué)的界限。除了這種環(huán)路感覺(jué)外，運動(dòng)控制系統還使用了硬件看門(mén)狗和軟件計算核對，同時(shí)使用邏輯一致性檢查以保證安全。系統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(shí)跳入安全模式和通知手術(shù)醫生或操作者即可。

以上這些基于運動(dòng)控制的系統，為系統設計者們提供了成功的先例，促進(jìn)了他們繼續尋找新的方式，把嵌入式電機控制應用到醫學(xué)研究和醫療過(guò)程之中。