Op basis van real-time feedback kan de robot een hoogenergetische interstitiële ultrasoonsonde direct bij de tumor positioneren, voor optimale operatieresultaten – en dus ook optimale resultaten voor de patiënt. Natuurlijk was het niet eenvoudig om een robot te bouwen die kan werken binnen het krachtige magnetische veld dat een MRI-scanner opwekt. Het WPI-team heeft echter een systeem gebouwd dat een ware revolutie kan ontketenen in de behandelingsmogelijkheden van MRI-technologie – ook met dank aan geavanceerde besturingstechniek en piëzo-elektrische positioneringseenheden van FAULHABER.
Bij het ontwerp van operatie-apparatuur komt een hoop kijken. De systemen moeten nauwkeurigheid en herhaalbaarheid leveren, met een extreem hoge resolutie. Er mag geen elektronische ruis ontstaan. En ze moeten absoluut degelijk en betrouwbaar zijn. In het geval van de MRI-robot kwam daar nog een gigantische uitdaging bij voor het team van Fischer: ze moesten al deze eigenschappen leveren in een systeem dat ook nog zou werken in een magnetisch veld van meerdere tesla's sterk.
Het krachtige magnetische veld dat een MRI-scanner genereert, verandert de kleinste ferromagnetische materialen in rondvliegende gevaren. Als een schroefje al problematisch is, denk dan eens aan de standaard componenten voor motion control: motoren met een permanente magneet, tandwielkasten en actuators. Het was vanaf het begin duidelijk dat een standaard actuator geen optie was voor de MRI-robot. De oplossing bleek een piëzo-elektrische toepassing.
Beweging in een magnetische omgeving
Piëzo-elektrische actuators zijn gebaseerd op een piëzo-elektrisch keramiek, dat uitzet als het onder spanning komt. Het probleem is dat de verplaatsing door dit piëzo-effect slechts een fractie van een procent van de componentafmeting bedraagt, terwijl de MRI-robot lineaire verplaatsingen tot wel 100 mm vereist, of een continue rotatie van 360 graden. Het WPI-team vond hiervoor een oplossing: de Piëzo-LEGS-motoren van FAULHABER.
De aandrijvingen bestaan uit een set bimorfe piëzo-elementen – pootjes – die zo zijn gebouwd dat ze onder spanning licht buigen en strekken.
In de praktijk worden ze in afwisselende paren aangedreven, zodat een soort loopbeweging ontstaat. Deze duwt een aandrijfstang naar voren met stapjes van één nanometer, bij snelheden tot 15 mm/seconden. Het principe werkt ook voor roterende bewegingen, dan brengen de pootjes een draaischijf in beweging. Omdat op ieder moment één set van de pootjes in contact is met de actuator, zijn de actuators inherent veilig: zonder stroom remmen ze direct. De motoren leveren een vasthoudkracht tot 10 N.
De WPI-robot bestaat uit één module met vertaling voor X, Y en Z en twee roterende modules die corresponderen met de booghoeken van een hoofdframe. Voor toekomstige ontwerpen worden extra bewegingsvrijheden voorzien, om ook het inbrengen en draaien van een canule en stilet te ondersteunen.
Voor de lineaire beweging gebruikt het WPI-team een combinatie van lineaire piëzo-LEGS-motoren in een directe aandrijving voor het inbrengen van naalden. Voor het indraaien van aluminium-loodschroeven is er een roterende uitvoering. Voor de roterende beweging passen ze speciaal 3D-geprinte poelies toe, met distributieriemen met rubber- of glasvezelversterking.
Hoewel de toegepaste materialen niet zwaar zijn, veroorzaken ze wel meer wrijving dan bij conventionele designs het geval is. Daarom is er een hoger koppel vereist om beweging te genereren. De piëzomotoren kunnen die uitdaging aan. Fischer legt uit: “In heel veel toepassingen heb je genoeg aan een piëzomotor met een directe aandrijving of een relatief kleine poliereductie. Je hebt geen reductieverhouding van 100:1 nodig, zoals met een kleine DC-motor.”
Voor het WPI-project bleek piëzo-LEGS de juiste keus. “Je heb piëzo-elektrische actuators die je hoogstens 1 mm beweging leveren”, vertelt Fischer. “Als je meer wilt, wordt het aanbod erg beperkt. De leveranciers die er zijn, verkopen roterende motoren of modules die je tegen de aandrijfas aanduwt, maar daar moet je dan een volledig nieuw apparaat omheen bouwen. Als het gaat om compacte motoren die al direct compleet zijn, dan heb ik eigenlijk geen concurrentie gezien voor de apparaten van FAULHABER.”
Uitdagingen voor de aansturing
Voor de piëzo-elektrische actuator zijn slechts hele kleine geleidende elektroden nodig, die zowel non-magnetisch zijn als niet-ijzerhoudend. Hierdoor kunnen ze veilig worden gebruikt in de MRI-omgeving. Veilig was alleen nog niet voldoende voor deze toepassing. Alle elektrische ruis van de voedingsspanning of de aandrijfelektronica kan het MRI-beeld verstoren – en dat is niet de bedoeling. “Vaak zie je storende beeldartefacten”, vertelt Fischer. “Elektronische ruis in combinatie met materialen die niet compatibel zijn met een MRI kan het beeld vervormen, en dan verschijnen dingen niet waar je ze verwacht. Dat is een gigantisch probleem als je op basis van dat beeld een interventie uitvoert in iemands hersenen.”
Er was dus gespecialiseerde elektronica nodig. Tegelijkertijd vereist de constructie van de piëzo-elektrische motor een geavanceerde golfvorm voor de aandrijving. Het team van Fischer ontwierp hiervoor een aangepast stuurpakket om de piëzo-elektrische motoren in de MRI-scanner te kunnen gebruiken. Ze programmeerden een FPGA (field-programmable gate array) om de relatieve frequentie en de fase van de golfvormen voor het aandrijfsignaal aan te passen. Snelle DAC's (digital-naar-analog-converters) leveren een nauwkeurige timing van de golfvorm. Lineaire versterkers met een hoge bandbreedte en hoge spanning zorgen ervoor dat de controller precies het juiste aandrijfsignaal kan genereren voor de gewenste beweging. Externe filters nemen de ruis weg en de encoder-feedback maakt een positie- of snelheidsaansturing met gesloten lus mogelijk vanuit een microcontroller die een real-time controlelus uitvoert op een enkel bord. Met een modulaire backplane worden acht van deze borden gecombineerd tot één enkele afgeschermde behuizing, die met de robot in ruimte van de MRI-scanner staat.
Een op maat gemaakt kabelharnas verbindt de controller met de robot. Er zijn tot acht besturingsassen beschikbaar.
De aansturing vormde in dit ontwerp dus een pittige uitdaging, maar het project werd makkelijker gemaakt omdat er een standalone piëzo-motor verkrijgbaar was. Fischer licht toe: “Dat we een gebruiksklare en betrouwbare gesloten actuator hadden, lineair of roterend, was een enorm voordeel. Hierdoor konden de studenten zich echt concentreren op het ontwerp van het mechanische systeem en dat van de controller.”
Het project is echter veel meer dan een operatierobot. Het overkoepelende doel van Fischer: een toolbox ontwikkelen om MRI-compatibele robots te bouwen, met sensoren, actuatoren, controllers en versterkers, inclusief communicatieprotocollen. Fischer: “Als ontwerper kan je een PLC kopen of een motor of een encoder, je sluit ze op elkaar aan en je hebt direct een apparaat dat werkt. Voor medische apparatuur is zoiets er niet en voor MRI-toepassingen al helemaal niet.”
Om de benadering te demonstreren werkt het team aan variaties voor de MRI-robot die verschillende operaties kunnen uitvoeren: nauwkeurige thermische ablatie van diepliggende hersentumoren, plaatsing van elektrodes voor hersenstimulatie ter behandeling van de ziekte van Parkinson, gerichte bioptname van prostaatkankers op basis van MRI-beelden en het toedienen van lokale behandelingen. “We mikken op heel compact en dus heel toepassingsspecifiek. En al die toepassingen zijn gebaseerd op deze motoren”, vertelt Fischer. “Ik heb in mijn lab zo ongeveer iedere piëzomotor die er is. We hebben zelfs geprobeerd om onze eigen motoren te maken. Voor ons waren de actuatoren van FAULHABER MICROMO een uitstekend formaat met uitstekend krachtbereik en uitstekend koppelbereik. Over het algemeen zijn ze ontzettend effectief geweest.”