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從藥品研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、放射科,到手術(shù)室,機(jī)器人應(yīng)用中的嵌入式電機(jī)控制技術(shù)正改變著醫(yī)學(xué)研究與醫(yī)療過(guò)程。
通過(guò)穩(wěn)定、可靠和可重復(fù)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(jī)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)線性的電機(jī),實(shí)際上被稱(chēng)作“直”的電機(jī),它帶有一個(gè)扁平的定子,能夠產(chǎn)生線性運(yùn)動(dòng)而非旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)對(duì)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(shí)精確地操作和安置大量的試管和藥瓶。伺服電機(jī)能足夠精準(zhǔn)地旋轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)和放置大量的試管。
當(dāng)醫(yī)生在機(jī)器人技術(shù)協(xié)助下,對(duì)于病患進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷的時(shí)候,對(duì)定位和運(yùn)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(duì)MRI機(jī)架臺(tái)上病患者的適當(dāng)定位。不良的定位會(huì)造成最終圖像的傾斜以及數(shù)據(jù)判讀的復(fù)雜化。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以使用多種技術(shù),例如通過(guò)分析電機(jī)電流偏移和使用位置譯碼器
Intuitive Surgical 的腹腔鏡機(jī)器人系統(tǒng)模仿人的手和手腕靈活性.
在標(biāo)準(zhǔn)的腹腔鏡外科手術(shù)中,儀器的運(yùn)動(dòng)是違反直覺(jué)的,就如同看著一面鏡子在做手術(shù)。
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)在外科醫(yī)生手、腕的運(yùn)動(dòng)和外科儀器間,保持著一種相應(yīng)的眼-手-儀器的順序。這樣就減少了醫(yī)生學(xué)習(xí)使用設(shè)備的負(fù)擔(dān),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(shí)針扭動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,機(jī)器手就會(huì)隨之順時(shí)針扭動(dòng)。同時(shí),運(yùn)動(dòng)控制器也會(huì)濾除醫(yī)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I(xiàn)ntuitive Surgical的高級(jí)副主席Gary Guthart指出,直流伺服電機(jī)足夠簡(jiǎn)單,花費(fèi)很值,而且能夠提供所必需的大驅(qū)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(jī)器人技術(shù)正在推動(dòng)著直流伺服電機(jī)分辨率的提高。Intuitive的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)更快,更自然,以達(dá)到醫(yī)生的期望。
機(jī)器人外科助理裝置的另外一個(gè)控制回路為外科醫(yī)生提供了基礎(chǔ)的觸覺(jué)反饋。低摩擦的直流伺服電機(jī)足夠支持Intuitive Surgical機(jī)器人反饋系統(tǒng)。這個(gè)反饋系統(tǒng)給外科醫(yī)生提供了與病人的感覺(jué)交互。運(yùn)動(dòng)控制器在和醫(yī)生的通信交互中構(gòu)造出了觸覺(jué)的界限。除了這種環(huán)路感覺(jué)外,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)還使用了硬件看門(mén)狗和軟件計(jì)算核對(duì),同時(shí)使用邏輯一致性檢查以保證安全。系統(tǒng)只需要為錯(cuò)誤檢查提供一些冗余的感測(cè),并在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)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(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng),為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們提供了成功的先例,促進(jìn)了他們繼續(xù)尋找新的方式,把嵌入式電機(jī)控制應(yīng)用到醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療過(guò)程之中。
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