磁共振作為一種重要的成像技術，在軟組織和功能成像方面有突出的優勢，其時效性也使得術中成像成為可能。但是由于強磁場的存在，給與其配套的手術器材提出了更高的要求。本文為大家盤點了近年來出現的磁共振兼容的手術機器人，一起來看看吧！

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一、磁共振，更適合術中實時成像應用

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在影像引導手術中，成像技術覆蓋了手術全程，影像的質量和時效性往往直接決定了手術治療和手術效果。常用的術中成像技術包括超聲波成像，磁共振成像，CT等。其中超聲波（如B超）檢查是利用超聲波產生回聲的原理來檢查；CT是X線計算機斷層攝影，是用X線束對人體某部進行斷層掃描磁共振成像；而磁共振成像（MRI）是利用氫原子核在磁場內所產生的信號經重建成像的一種影像技術。三種成像技術各有長處，合理使用能夠使手術獲得更好的效果，如CT成像較超聲波成像清晰，但超聲波成像實時性更好。磁共振成像則兼顧二者優點，且無電離輻射。

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二、淺析磁共振術中成像的優點與缺陷

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磁共振用于術中成像有以下優點：核磁的成像機制對人體沒有電離輻射損傷（與X光相比）；能直接獲得三維圖像；對軟組織結構顯示清晰，有利于如血管、神經系統的手術過程。但，磁共振技術也有一些天然的缺陷，由于磁共振需要利用強磁場進行，所以金屬對于這一過程影響巨大。在體外的金屬制品可能會被吸起，造成意外傷害。同樣，體內的金屬制品也可能發生錯位、失靈等，給患者造成傷害，例如體內的起搏器損壞，固定鋼釘錯位等。除金屬部件發生直接位移外，磁共振成像過程中，鐵磁性物質會造成顯著偽影，降低動態監測中的圖像的診斷價值，同時還可能產生熱效應。

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金屬材料在磁共振中產生的偽影，左：假牙，右：脊柱固定螺釘

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另一個問題是磁共振成像系統往往比較狹窄，內部空間很小，這限制了大型器械直接介入手術的可能性。如何在較小的空間里，實現更為復雜和精密的手術是另一個難點。因此適合小范圍高精度要求的手術機器人具有非常好的應用前景。總結一下，設計使用核磁兼容的手術器械時，需要考慮到手術器械上涉及的金屬材料是否會造成影響，盡量使用金屬替代材料，同時也需要提高小型化與自由度的程度，使得在核磁環境下能夠進行更為復雜的手術。

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三、磁共振兼容材料

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由于鐵磁性材料在磁場范圍內會受到強大的感應力和力矩，并會使得磁場產生巨大擾動，進行材料選擇時不能選擇這一類材料。現在常用的材料內無鐵磁性的有非鐵磁性金屬和合金、陶瓷和高分子材料。直接使用貴金屬往往材料強度達不到，而且價格高昂，因此目前使用合金和高分子材料進行搭配是主流趨勢。合金如鈦合金和銅合金都可以減少偽影，而高分子材料有尼龍、聚甲醛、聚丙烯等，由于其本身根本不含有金屬成分，因此也有較好的效果。現在直接針對核磁環境的新材料研究較少，但是隨著高分子技術的進步，獲得加工性能和使用性能更好的材料是很有希望的。

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聚甲醛材料

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四、磁共振兼容手術機器人盤點

在圖像引導微創手術中，醫生需要根據影像指導手術全程，這對醫護人員提出較高的要求。同時核磁設備內部非常狹小，醫生操作極為困難，因此使用手術機器人進行手術很有必要，下面就簡述一下相關系統的研究進展：

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1、Innomotion機器人

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Innomotion是一款氣動機器人，完全與磁共振兼容，可在磁共振內部提供精確的穿刺。該機器人有6個自由度，可以固定在核磁系統上。該裝置經過優化，可用于狹小的磁共振和CT環境。最初的系統較為簡單，僅可提供位置引導，即機器人向醫生指示穿刺位點和針取向，不能進行實時引導和進針。后續系統進行了升級，增加自由度到7個，并改善了驅動方式。

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Innomotion機器人與進行的穿刺

2、LPR機器人

為保證機器人主體在磁共振下不成像，在CT下對成像的影響最小，選用的材料是由尼龍、聚甲醛樹脂和環氧樹脂，該機器人有5個自由度，分別為位置自由度兩個，兩個位姿自由度；最后一個為穿刺自由度，采用“鸚鵡嘴”結構，能夠實現自動穿刺。LPR定位過程中使用的算法最初是用CT圖像開發的。然而，由于制造機器人所用的材料、緊湊的結構以及用于驅動它的遠程氣動結構，LPR完全兼容MRI。

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左：在磁共振中的演示，右：CT圖像中的穿刺手術

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3、Krieger-Susil系統

前列腺癌，是男性癌癥相關死亡的頭號殺手。為了實現更精確的活檢，Krieger和Susil開發了磁共振圖像引導下的機器人輔助裝置。到目前為止，該系統已經在美國國家癌癥研究所的200多個活檢中使用。與其余系統盡量消除器械的影像不同，該系統引入了成像線圈和定位線圈以提高穿刺準確性，觀察進針位置。

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Krieger-Susil系統中的針頭和線圈設計與磁共振影像

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4、NeuroArm系統

神經外科手術對于病變定位、分離和切除的精確性要求極高。特別是在腦部腫瘤切除過程中，細微的差別就可能導致非常嚴重的后果。因此使用手術機器人與磁共振進行聯用，能夠減小醫生的誤差，極大改善手術效果。NeuroArm就是這樣一個系統，整體系統對磁共振成像無干擾，可以在核磁間進行手術。操作手臂具有多個關節，可完成多維動作，共有雙臂8個自由度。壓力感受器能夠給術者提供實時觸覺反饋，且能過濾掉術者手的輕微顫抖，使機械臂前端連接的手術器械如雙極電凝和吸引器更加穩定。

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由于其出色的性能，現已進入臨床。但是該系統較大導致無法進入核磁檢測內部，所以無法進行磁共振監控下的實時手術。需要將患者的頭部固定進行磁共振成像后平移至手術機器人下方，再進行手術。如果未來能夠將該套系統小型化，使得其能夠在磁共振成像內部進行操作，將是一個重大的突破。

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NeuroArm系統與操作醫生（注意手術是在核磁系統外進行）

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5、Master-Slave 手術系統

該系統由馬里蘭大學的Jaydev P. Desai課題組開發用以進行乳腺癌活檢，目前尚無官方命名，已經在動物實驗中證明了有效性。該系統最大的特點是具有主仆結構，即醫生可以在核磁室外操作一個主系統，而在核磁室內具有相似結構的仆從系統（磁共振兼容）可以對患者進行同步操作，完成穿刺檢測。而主系統和仆從系統可以通過網絡連接，因此無需全部處于同一環境中。這種主仆結構可以將較為復雜的計算、模擬、顯示等手術非必須結構放置在核磁室外，而核磁環境內的結構較少，對于材料要求、需求量和復雜程度要求都較低，更利于設計和制造。

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以網絡連接的Master-Slave 手術系統

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結語

磁共振作為重要的醫學影像技術之一，目前已經參與了很多醫療決策與手術過程。如果能在手術過程中兼容磁共振成像，則能夠極大提高手術精確度和效果，因此這一領域非常值得關注。雖然目前在磁共振下能進行的手術還比較簡單（以穿刺類為主）。但相信隨著醫療機器人的進步和新材料的進步，未來在磁共振環境下進行復雜手術也會成為可能。

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