一种安装在检查床上的主从机器人已实现了在封闭式MRI环境中远程调整穿刺针角度并完成进针。该系统不在扫描仪附近使用电机，而是采用流体驱动传动，面向猪肝活检实验设计，可适配直径60厘米的孔径，保持固定的穿刺针转动中心，并在定位组织时向外科医生提供影像和力反馈。
目录
研究人员构建了什么？
研究人员构建了一套紧凑型远程操作系统，用于在封闭式MRI孔径内引导活检针。系统主要由两部分组成：位于扫描仪外、由操作者手动控制的“主”操作器，以及安装在MRI检查床上的远程驱动“从”机构。主操作器让外科医生能够控制穿刺针的角度和进针过程，而无需在患者附近放置传统电机、光学编码器或复杂的电力电子设备。
从机构采用四连杆结构——一种通过相互连接的连杆传递运动、同时保持受控转动中心的机械结构。该设计为穿刺针角度调整提供两个自由度，使针尖能够在两个相互垂直的平面内改变方向。连杆机构还提供一个固定的运动中心，通常称为远程运动中心，即皮肤进针点附近的转动中心。
流体执行器将操作者的动作传递给从机构。这些执行器使用密封弹性体部件和活塞运动，而不是在MRI环境中布置电机。其摩擦会产生较高的机械阻抗，也就是说，外界非预期作用力不易使穿刺针发生意外移动。
该机构的尺寸针对在直径60厘米MRI孔径内进行的40–70千克猪实验设计。同一架构也可以按直径70厘米的人体MRI孔径进行扩展。
取得了哪些关键结果？
机器人的运动学模型生成了适用于肝活检靶点定位的穿刺针工作空间。在位于皮肤切口下方约10厘米的目标处，针的可用角度范围为：矢状面-40°至21°，轴向面-65.5°至50°。这些范围描述了机构围绕固定进针点重新调整穿刺针方向时所能达到的角度。
研究人员利用MRI扫描检查预测工作空间是否与机器人的实际运动相符。他们扫描了10个静态穿刺针姿态，在图像中手动识别针的位置，并将其与计算得到的可达区域进行比较。所有测试姿态均投影到一根长度为10厘米的穿刺针上，并落在模型工作空间的凸包内部。
另一项执行器测试使用双向阶梯波形考察运动传递性能。测试序列覆盖40毫米距离，沿正向和反向各执行40个1毫米步进。结果显示，主操作器与从机构整体跟踪良好，但在极小位移处存在一个较小的死区。论文摘录未给出该死区的数值。
| 评估项目 | 报告结果 |
|---|---|
| 猪实验所用MRI孔径 | 直径60厘米 |
| 目标猪体重范围 | 40–70千克 |
| 可扩展的人体MRI孔径 | 直径70厘米 |
| 工作空间设计所用目标深度 | 约10厘米 |
| MRI静态工作空间姿态数 | 10 |
| 双向执行器测试 | 40毫米，分为40个1毫米步进 |
| 穿刺针角度，矢状面 | -40°至21° |
| 穿刺针角度，轴向面 | -65.5°至50° |
MRI验证支持了几何可达性，但尚未证明临床穿刺定位精度或诊断性能。
机器人如何工作？
从机构是一种串并联混合机构。“混合”意味着它结合了串联运动和并联运动：前者指一个机构依次跟随另一个机构运动，后者指多个连杆共同承载并约束运动。中央的穿刺针角度调整模块采用四连杆结构，被归类为P-RRR-P机构：两个移动副提供直线运动，三个转动副提供旋转运动。
两个线性执行器驱动一个支撑穿刺针进针模块的球铰。单独来看，这套连杆机构存在约束不足的问题，也就是说，满足同一基本几何关系的构型可能不止一个。通过在改变底板长度的同时固定输入连杆角度，系统便获得完整约束。由此产生的运动经由转动臂传递，用于控制穿刺针方向。
不同于通过电机控制每个关节的传统机械臂，四连杆模块通过转动副之间以及转动副与移动底座之间的相对位移实现自对准。这减少了MRI区域内的主动部件数量，也有助于保持结构紧凑。
由于流体执行器能够提供较高的机械阻抗，穿刺针可以在相对于重力方向存在非零角度时进针。这一特性对活检十分重要：机构既要跟随外科医生的指令，又要抵抗接触或外界扰动造成的意外位移。
操作者首先查看高分辨率三维MRI扫描，选择进针点，并规划避开器官、肋骨和组织层的路径。穿刺针经皮肤手动插入约2–2.5厘米后，外科医生通过主操作器在继续进针的同时调整针的角度。二维MRI反馈在矢状面显示穿刺针和目标位置。
系统还支持力反馈。沿进针轴方向的阻力可以帮助外科医生判断是否接触到组织或附近结构，但报告中的实验没有提供定量的力反馈精度指标。高频前馈抖动可以在指令运动中加入微小振荡信号，从而减小执行器死区。
这对机器人技术为何重要？
MRI引导操作给机器人设计带来了异常棘手的问题。MRI扫描仪具有强磁场、有限空间、患者周围狭窄的操作区域，以及严格的影像兼容性要求。传统电机、编码器和电力电子设备可能造成安全风险，或引入图像噪声与失真。
该系统通过安装在检查床上的结构、流体驱动和机械传动来应对这些限制。固定运动中心尤其有用，因为机器人的转动中心固定在检查床上，而不是直接安装在患者身上。因此，患者移动不会自动改变机器人预设的穿刺针方向，不过呼吸和组织运动仍需要进行补偿。
这一架构的应用可能不止于基础远程操作。论文提出了故障触发式虚拟夹具、远程角度反馈和协同控制等潜在工作模式。虚拟夹具是由软件定义的边界，可防止操作者将机器人移入危险区域。未来的闭环控制可以结合穿刺针位置反馈，在超过一次屏气时长的操作中对运动进行补偿。
对于正在将该方案与二手工业机器人进行比较的采购方和系统集成商而言，关键区别不在于负载能力或循环时间，而在于环境兼容性：MRI系统需要采用非磁性、低失真的机构，并在受限的医疗空间内运行。
有哪些局限和未决问题？
目前报告的验证仍属于早期工程演示，而非临床试验。10个静态MRI姿态证实了测试构型位于建模工作空间内，但这项结果并未测量靶向误差、重复性、进针精度、操作时间或活检质量。
执行器评估发现了一个较小的死区，这可能会降低精细修正时的精度。抖动控制提供了一种缓解方案，但其对穿刺针运动、组织交互和图像稳定性的影响仍需进一步测试。现有结果也没有量化力反馈透明度、MRI图像失真程度，或系统在主动呼吸运动期间的性能。
将系统从直径60厘米的孔径扩展到直径70厘米的人体孔径似乎可行，但这可能改变结构刚度、执行器需求和工作空间密度。未来研究还必须验证无菌操作、临床工作流程集成、故障处理，以及针对穿刺针和组织运动的闭环补偿。
常见问题
这款机器人设计用于支持哪类操作？
主要应用场景是MRI引导下的肝活检，外科医生可以远程操控穿刺针转向并将其推进目标位置。
为什么使用流体执行器，而不是电机？
流体执行器减少了在MRI扫描仪附近使用电机和电力电子设备的需求，同时提供高阻抗的运动传递。
机器人能够实现多大范围的穿刺针运动？
在所述目标深度处，建模工作空间覆盖二维穿刺针角度调整：矢状面为-40°至21°，轴向面为-65.5°至50°。
这项研究是否证明了临床穿刺定位的准确性？
没有。研究通过10个静态MRI姿态验证了工作空间几何关系，并评估了执行器跟踪性能，但没有报告临床穿刺定位精度。
结论
这款主从机器人展示了流体驱动与安装在检查床上的固定转动中心如何让封闭式MRI孔径内的远程穿刺针操作成为可能。该设计满足了关键的空间和兼容性要求，并为未来的MRI辅助操作提供了影像引导控制和基于力的反馈。
MRI安全型流体驱动机器人能否让影像引导活检更加普及？