天大师生研发智能机器人“靶向”治疗癌症

古典文学名着《西游记》中有这样一场情节：朱紫国国王患病，孙悟空为其诊脉，通过“悬丝诊脉”，诊断国王为“双鸟失群”之症。日前，“MRI（核磁仪）导航丝传动乳腺癌近距离粒子植入机器人”在第七届全国大学生创新创业年会上亮相。“我们可以‘悬丝治病’，利用‘丝传动’带动机器人做手术来‘靶向’治疗癌症”。研发者之一、天津大学机械学院本科生毛含舟表示。

近距离粒子植入局部放射治疗是先进的癌症治疗方法，是在X射线、超声波、核磁仪等成像仪器导航下将一定剂量放射性粒子注射至病灶中，使其一直保留在体内持续放射治疗癌症细胞的“靶向”治疗方法，具有微创、副作用小等优势，将是未来癌症手术治疗的发展趋势。但该类手术在操作上还存在一些问题，如放射性粒子对手术医生伤害大，手术技术的参差不齐会影响手术质量的可靠度等，且手术成本也较高。

机构整体展示

手术环境构造

而天大师生研发的这款“核磁仪导航丝传动乳腺癌近距离粒子植入机器人”不仅能够以最微小的创伤达到最好的手术效果，又能避免人工穿刺，保证手术医生的良好工作环境。

在核磁共振仪这样特殊的环境下实施手术，要尽量避免在核磁成像过程中产生“伪影”，以影响成像效果，降低手术精度。天大师生设计了巧妙的“丝传动”。 该机器人的旋转、升降、摇摆、前后进针、推送药物等所有动作都是通过多条高强度的非金属丝的巧妙缠绕来带动。由于是这样 “悬丝诊病”，电机可以放在离核磁共振仪较远的地方，减少“伪影”，也使医生能够“远程”操控，离放射性粒子更远一些。

研发人员经过反复实验，采用了核磁兼容的超声波电机来驱动机器人；用符合力学性能要求且具有“顺磁性”的 pve工程塑料来制造机器人整体；关键部件，如针管针芯等使用钛合金以增加强度和可靠性，轴承、螺栓、螺母等使用了氮化硅陶瓷材料。

手术时，病人将俯卧在核磁共振仪腔体内的病床上，医生通过MRI系统实时检测针刺目标点的位置，将采集到的图像传送至计算机，计算机对图像进行处理后，结合可编程逻辑控制器传送过来的信号，对针刺轨迹路线进行调整，并发送相应指令来控制机器人，从而将放射性粒子准确植入癌变部位。

核磁共振仪腔体的直径约为600mm，机器人的工作空间仅为300mm左右，而且乳房会因挤压而变形，影响针刺目标点。因此，研发人员摒弃了传统的升降、平移等运动结构，设计了“环套乳房全方位旋转穿刺结构”，只需一个旋转自由度即可实现对乳房各个方向的穿刺，再附加一个针刺系统摇摆自由度辅助矫正进针姿态，使针刺的位置误差低于1mm（实验数据）。

该台机器人其实是机械学院师生们研发的第三代产品。“基于核磁图像导航的前列腺针刺手术机器人“和”CT图像导航肺癌近距离粒子植入机器人“，已均由毛含舟的学长，机械学院的本科生、研究生们设计完成。该类型机器人的设计理念与应用领域在中国尚无先例，在国际上亦属于前沿技术和研究热点，曾得到了国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支持计划等项目的支持，已拥有十余项国家授权发明专利。

“这台‘MRI导航丝传动乳腺癌近距离粒子植入机器人’结构上更简单，性能上更优越。“毛含舟的指导教师、天津大学机械学院副教授姜杉介绍说，“它的研发属于机械与医学交叉的前沿学科，除了应用于乳腺实体肿瘤的近距离粒子植入手术，还可应用于MRI导航下的活体组织检测。”

研发人员还希望在今后的研究中继续加以改进。“目前，我们正在实验中继续测试它的性能。”姜杉说，“我们与医院影像部合作研究，目标是让它能够更快应用于临床。”