嵌入式電機(jī)控制系統(tǒng)在醫(yī)療行業(yè)中應(yīng)用

由于精度不斷提高，機(jī)器人系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院甚至病人的體內(nèi)得到了實(shí)際應(yīng)用。

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)療過程。

通過穩(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)動而非旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這種電機(jī)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(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，對于病患進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷的時(shí)候，對定位和運(yùn)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(jī)架臺上病患者的適當(dāng)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(fù)雜化。運(yùn)動控制系統(tǒng)可以使用多種技術(shù)，例如通過分析電機(jī)電流偏移和使用位置譯碼器，來探測出機(jī)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(diǎn)，即如果沒有高精確度的機(jī)器的協(xié)助，這一醫(yī)學(xué)過程便不可能存在。這個(gè)過程完全依靠精確的運(yùn)動控制，同時(shí)外加間歇性的不同強(qiáng)度的激光脈沖。在進(jìn)行激光眼科手術(shù)時(shí)，激光系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)追蹤患者持續(xù)運(yùn)動的眼球，而眼球的運(yùn)動速度可能會達(dá)到每秒100次。跟蹤系統(tǒng)必須能夠跟上眼球無意的快速運(yùn)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(jī)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(jī)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(shí)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(wù)，例如通過提供七種自由度的運(yùn)動來模仿人的手和手腕的靈活性，來實(shí)現(xiàn)夾住和縫合的動作。

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)動是違反直覺的，就如同看著一面鏡子在做手術(shù)。

機(jī)器人運(yùn)動控制器會在外科醫(yī)生手、腕的運(yùn)動和外科儀器間，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)針扭動調(diào)節(jié)裝置，機(jī)器手就會隨之順時(shí)針扭動。同時(shí)，運(yùn)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I(xiàn)ntuitive Surgical的高級副主席Gary Guthart指出，直流伺服電機(jī)足夠簡單，花費(fèi)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(jī)器人技術(shù)正在推動著直流伺服電機(jī)分辨率的提高。Intuitive的運(yùn)動控制系統(tǒng)使用一個(gè)1200Hz的控制回路來提供足夠的速度和精確性，從而使儀器運(yùn)動更快，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交互。運(yùn)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(yùn)動控制系統(tǒng)還使用了硬件看門狗和軟件計(jì)算核對，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(yī)生或操作者即可。

以上這些基于運(yùn)動控制的系統(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)療過程之中。