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磁共振作为一种重要的成像技术，在软组织和功能成像方面有突出的优势，其时效性也使得术中成像成为可能。但是由于强磁场的存在，给与其配套的手术器材提出了更高的要求。本文为大家盘点了近年来出现的磁共振兼容的手术机器人，一起来看看吧！
一、磁共振，更适合术中实时成像应用
在影像引导手术中，成像技术覆盖了手术全程，影像的质量和时效性往往直接决定了手术治疗和手术效果。常用的术中成像技术包括超声波成像，磁共振成像，CT等。其中超声波（如B超）检查是利用超声波产生回声的原理来检查；CT是X线计算机断层摄影，是用X线束对人体某部进行断层扫描磁共振成像；而磁共振成像（MRI）是利用氢原子核在磁场内所产生的信号经重建成像的一种影像技术。三种成像技术各有长处，合理使用能够使手术获得更好的效果，如CT成像较超声波成像清晰，但超声波成像实时性更好。磁共振成像则兼顾二者优点，且无电离辐射。
二、浅析磁共振术中成像的优点与缺陷
磁共振用于术中成像有以下优点：核磁的成像机制对人体没有电离辐射损伤（与X光相比）；能直接获得三维图像；对软组织结构显示清晰，有利于如血管、神经系统的手术过程。但，磁共振技术也有一些天然的缺陷，由于磁共振需要利用强磁场进行，所以金属对于这一过程影响巨大。在体外的金属制品可能会被吸起，造成意外伤害。同样，体内的金属制品也可能发生错位、失灵等，给患者造成伤害，例如体内的起搏器损坏，固定钢钉错位等。除金属部件发生直接位移外，磁共振成像过程中，铁磁性物质会造成显著伪影，降低动态监测中的图像的诊断价值，同时还可能产生热效应。
金属材料在磁共振中产生的伪影，左：假牙，右：脊柱固定螺钉
另一个问题是磁共振成像系统往往比较狭窄，内部空间很小，这限制了大型器械直接介入手术的可能性。如何在较小的空间里，实现更为复杂和精密的手术是另一个难点。因此适合小范围高精度要求的手术机器人具有非常好的应用前景。总结一下，设计使用核磁兼容的手术器械时，需要考虑到手术器械上涉及的金属材料是否会造成影响，尽量使用金属替代材料，同时也需要提高小型化与自由度的程度，使得在核磁环境下能够进行更为复杂的手术。
三、磁共振兼容材料
由于铁磁性材料在磁场范围内会受到强大的感应力和力矩，并会使得磁场产生巨大扰动，进行材料选择时不能选择这一类材料。现在常用的材料内无铁磁性的有非铁磁性金属和合金、陶瓷和高分子材料。直接使用贵金属往往材料强度达不到，而且价格高昂，因此目前使用合金和高分子材料进行搭配是主流趋势。合金如钛合金和铜合金都可以减少伪影，而高分子材料有尼龙、聚甲醛、聚丙烯等，由于其本身根本不含有金属成分，因此也有较好的效果。现在直接针对核磁环境的新材料研究较少，但是随着高分子技术的进步，获得加工性能和使用性能更好的材料是很有希望的。
聚甲醛材料
四、磁共振兼容手术机器人盘点
在图像引导微创手术中，医生需要根据影像指导手术全程，这对医护人员提出较高的要求。同时核磁设备内部非常狭小，医生操作极为困难，因此使用手术机器人进行手术很有必要，下面就简述一下相关系统的研究进展：
1、Innomotion机器人
Innomotion是一款气动机器人，完全与磁共振兼容，可在磁共振内部提供精确的穿刺。该机器人有6个自由度，可以固定在核磁系统上。该装置经过优化，可用于狭小的磁共振和CT环境。最初的系统较为简单，仅可提供位置引导，即机器人向医生指示穿刺位点和针取向，不能进行实时引导和进针。后续系统进行了升级，增加自由度到7个，并改善了驱动方式。
Innomotion机器人与进行的穿刺
2、LPR机器人
为保证机器人主体在磁共振下不成像，在CT下对成像的影响最小，选用的材料是由尼龙、聚甲醛树脂和环氧树脂，该机器人有5个自由度，分别为位置自由度两个，两个位姿自由度；最后一个为穿刺自由度，采用“鹦鹉嘴”结构，能够实现自动穿刺。LPR定位过程中使用的算法最初是用CT图像开发的。然而，由于制造机器人所用的材料、紧凑的结构以及用于驱动它的远程气动结构，LPR完全兼容MRI。
左：在磁共振中的演示，右：CT图像中的穿刺手术
3、Krieger-Susil系统
前列腺癌，是男性癌症相关死亡的头号杀手。为了实现更精确的活检，Krieger和Susil开发了磁共振图像引导下的机器人辅助装置。到目前为止，该系统已经在美国国家癌症研究所的200多个活检中使用。与其余系统尽量消除器械的影像不同，该系统引入了成像线圈和定位线圈以提高穿刺准确性，观察进针位置。
Krieger-Susil系统中的针头和线圈设计与磁共振影像
4、NeuroArm系统
神经外科手术对于病变定位、分离和切除的精确性要求极高。特别是在脑部肿瘤切除过程中，细微的差别就可能导致非常严重的后果。因此使用手术机器人与磁共振进行联用，能够减小医生的误差，极大改善手术效果。NeuroArm就是这样一个系统，整体系统对磁共振成像无干扰，可以在核磁间进行手术。操作手臂具有多个关节，可完成多维动作，共有双臂8个自由度。压力感受器能够给术者提供实时触觉反馈，且能过滤掉术者手的轻微颤抖，使机械臂前端连接的手术器械如双极电凝和吸引器更加稳定。
由于其出色的性能，现已进入临床。但是该系统较大导致无法进入核磁检测内部，所以无法进行磁共振监控下的实时手术。需要将患者的头部固定进行磁共振成像后平移至手术机器人下方，再进行手术。如果未来能够将该套系统小型化，使得其能够在磁共振成像内部进行操作，将是一个重大的突破。
NeuroArm系统与操作医生（注意手术是在核磁系统外进行）
5、Master-Slave 手术系统
该系统由马里兰大学的Jaydev P. Desai课题组开发用以进行乳腺癌活检，目前尚无官方命名，已经在动物实验中证明了有效性。该系统最大的特点是具有主仆结构，即医生可以在核磁室外操作一个主系统，而在核磁室内具有相似结构的仆从系统（磁共振兼容）可以对患者进行同步操作，完成穿刺检测。而主系统和仆从系统可以通过网络连接，因此无需全部处于同一环境中。这种主仆结构可以将较为复杂的计算、模拟、显示等手术非必须结构放置在核磁室外，而核磁环境内的结构较少，对于材料要求、需求量和复杂程度要求都较低，更利于设计和制造。
以网络连接的Master-Slave 手术系统
结语
磁共振作为重要的医学影像技术之一，目前已经参与了很多医疗决策与手术过程。如果能在手术过程中兼容磁共振成像，则能够极大提高手术精确度和效果，因此这一领域非常值得关注。虽然目前在磁共振下能进行的手术还比较简单（以穿刺类为主）。但相信随着医疗机器人的进步和新材料的进步，未来在磁共振环境下进行复杂手术也会成为可能。
参考资料：[1] http://www.mcip.hokudai.ac.jp[2] 10.3969/j.issn.1000-1093.2013.08.014[3] CNKI:CDMD:2.1012.019682[4]10.1109/EMB.2007.910262[5] 10.1007/s10439-018-2075-x[6] 10.1109/TBME.2004.840497[7] 10.1177/0278364913500365
