背景

“首先不要对病人造成伤害。”希波克拉底在 2000 多年前写下的誓言仍是医疗界遵循的准则。在神经外科手术中，微米级的误差可对大脑造成不可逆的伤害，因此对微创手术的关注不断增加。外科医生不再依赖手术刀和激光，而是用越来越成熟的机器人开展手术。

在欧盟资助的 EDEN2020 项目中，Imperial College London 研究人员开发了一种能够直接将药物输送到大脑肿瘤部位的机器人导管。在项目初期，他们需要紧凑低 EMI 高性能运动控制器和驱动器，用于控制导管的机器人系统。他们发现了 Elmo Motion Control。

阅读本案例研究了解：

  • Elmo 低 EMI 伺服驱动器用于安全可靠机器人神经外科手术的优势
  • 如何用合适的控制器实现多轴技术的高性能
  • Elmo 快速软开关技术 (FASST) 如何实现>99% 效率和几乎可忽略不计的电磁干扰 (EMI)

机器要求

精确引导至大脑的灵活针头，通过术前 MRI 扫描和术中超声波影像生成路径命令，减少组织损伤。PBN 到达肿瘤后，直接向组织输送化疗药物。PBN 由四个联锁纵向塑料段组成，每段有一个药物输送通道，由远端的非铁质电机驱动。通道内还有用于感知形状的光纤缆线。系统将一段向前推动使其在其他段上滑动，针头尖端形成明显弧形，使针头能够通过大脑结构到达深处的肿瘤。

控制机器人导管穿过大脑是一个需要高性能的高难度任务。四轴系统需要高同步和精度，任何误差都可能导致不可逆转的伤害。在低级控制范围，系统需要工作准确度达到 10 μm。

性能只是挑战的一部分。在手术室，组件需要小巧静音，不干扰成像或其他关键手术器械的信号。

运动控制解决方案

  • Gold Twitter 伺服驱动器
  • Platinum Maestro 多轴运动控制器

伺服驱动器

安全是首要考虑的因素，伦敦帝国理工的团队选择 Elmo Gold-Twitter (G-TWI) 伺服驱动器，市面上体积超小的 STO (SIL-3) 认证驱动器。尺寸仅 35 mm x 30 mm，极大减小便携式手术站的尺寸，高效脉宽调制 (PWM) 切换，产生的 EMI 极低，满足 IEC61800-3 和 IEC61326-3-1 国际标准，无需使用外部设备，如 EMI 滤波器。产生和发射的辐射也非常低，适合医疗应用。

控制器的解决方案

系统需要高性能运动控制器，根据闭环反馈和 MRI 及超声波装置输入规划路径。伦敦帝国理工的团队选择Elmo的运动控制器 Platinum Maestro (P-MAS)，可简化运动集成，功能包括简单相互连接所有驱动器，运动算法库，自动先进现场总线支持，包括 EtherCAT、主机（完整冗余支持）和 EtherCAT 从机网络。控制所有驱动器参数，简化维护操作，缩短停机时间。Platinum Maestro 还在 Imperial 项目中提供增强现场总线支持，包括以 250 µs 速率循环的 EtherCAT。

结果

EDEN2020 项目目标远大，需要具有高性能和低 EMI 的小巧可靠组件。Elmo Motion Control Gold Twitter 驱动器和 Platinum Maestro 控制器在紧凑低 EMI 解决方案中提供高性能和可靠性。特殊功能设计针对易用简化集成，节约宝贵的工程资源。“除了 Elmo Motion Control 技术的核心优势，缩短开发时间是我们选择项目控制解决方案的一个关键因素”，项目研究人员 Eloise Matheson 表示。

EDEN2020 项目协调员 Ferdinando Rodriqugez y Baena 教授表示，“系统将能够感知和感觉术中不断变化的大脑解剖结构，准确度、精度和更新速率无人能及”。