超声波电机在医疗领域的应用

超声波电机在医疗领域的应用

王迪 代艾鸿 吴安芙 陈文卓 苏昱

重庆交通大学

摘要：本文主要介绍了一种利用逆压电效应获得驱动力的的新型电机——超声波电机。通过说明超声波电机的特定优点及工作原理，分析并展望了超声波电机在医疗领域等方面的应用。

关键词：超声波电机；医疗领域 ；注射器；内窥镜探头；多自由度关节

1 引言

超声波电动机是一种借助摩擦传递弹性超声波振动来获得驱动力的新型电机，和传统的电磁式电机的工作机理不同，超声波电机内部没有线圈和磁体，不需要通过电磁作用产生驱动力，这使其它具有低速大转矩、体积小、重量轻、无电磁干扰、响应速度快、运行时无噪声、断电自锁等特定优点。

上个世纪八十年代，日本的指田年生首次提出并制造出了一种可应用的驻波型超声波电机。继而，国内外开始投入了很多力量对超声波电机进行应用研究。在过去的几十年里，医疗领域是微电机技术应用最具代表性的领域之一，超声波电机在医疗领域的应用研究也一直都是焦点。人们利用微型超声波电机攻克了一些医疗领域的技术难题。

2 超声波电机的原理

2.1压电效应

一般在电场作用下，某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形，带电粒子发生极化，某些介质也可以在纯机械应力作用下发生极化，并同时在两端表面内出现正负相反的电荷，这种现象称为正压电效应；反之，将电介质置于外电场中，在电场的作用下，这些介质会发生位移，随之电介质发生形变，当电场去掉后变形也消失，这种现象称为逆压电效应，也叫电致伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。

2.2超声波电机的工作原理

超声波电机是基于压电材料的逆压电效应或电致伸缩效应使其电机定子产生微观机械振动，从而使用定子表面质点形成椭圆运动，然后通过定子和转子之间的摩檫力，将电能转换为机械能输出，从而驱动转子的运动。超声波电机内部结构一般由振动体（定子）和移动体（转子）组成，振动体由压电陶瓷和金属弹性材料组成，移动体有弹性体和摩擦材料等组成。

3 医疗领域的发展

随着我国经济的发展和人民生活的改善，医疗服务的需求逐步增加，我国的医疗领域技术也面临着新的挑战。当前，人工智能技术、计算机技术、微电机技术、自动化技术的迅速发展，在众多领域发挥着不可或缺的作用。特别是在医疗领域，这些技术为更加智能化、合理化的医疗设备的设计与制造的出现带来了新的可能。正是这样的发展趋势，超声波电机由于它自身优良特性在医疗领域有了新的用武之地。值得关注的是，超声波电机出现在一些医疗设备的设计与制造中，比如显微注射器、内窥镜探头、手术机器人多自由度关节。

4 超声波电机在医疗领域的应用

4.1注射器

医用磁共振成像（MRI）作为临床诊断重要的方式，为了向医生提供更多的诊断信息，在这个检查过程中常常需要MRI高压注射器推注造影剂来判断病例。而电动机对于MRI高压注射器是重要的关键部件之一，其设计则需满足不能带有影响磁场的部件、在高强度的磁场变化干扰中其部件能正常工作和正常工作时不辐射成像的电磁波，并且电动机在高速转动时还需有大扭矩的输出等基本条件。针对这些难点，超声波电机与传统电机的相比具有一些特定的优势，它可以得到较低转速、输出力矩大，还可以省去减速结构直接带动负载。超声波电机不使用电磁场作为驱动力，在MRI环境下要避免电机产生强电磁的干扰，所以传统的电磁式电机不适合在这种条件下正常工作。因此，超声波电机很好满足于MRI高压注射器的基本要求，为医用磁共振成像的诊断方式提供一种可行、便利的新思路。

另外，针对传统的细胞显微注射问题，人们设计了一款适用于细胞注射的微操机器人。传统的细胞显微注射手动操作复杂，操作时间长后操作人员还会面临生理和心理上的考验，最终影响检测的结果。结合目前的这些问题，微操机器人细胞显微注射可以一定程度上的缓解。考虑细胞显微注射视场小、操作空间狭小、精准度高等问题，微小型显微注射微操作机器人可以减少操作人员的工作量，完成细胞注射，提高细胞注射的精准性。微操机器人，其驱动激励方式有微电机、压电陶瓷、超声波电机等，可以从细胞任意角度驱动微操机器人来完成自动化细胞注射，提高细胞注射效率。

4.2内窥镜探头

医用内窥镜是用来观察人体体内的，它的发展主要经历了四个阶段：硬式内镜阶段、半屈式内镜阶段、光导纤维内镜阶段、电子内镜时代。随着内窥镜在临床医学越来越普及应用以及微电机技术的发展，更加现代化、人性化的内窥镜设计尤为重要。医用超声内窥镜是以电子内窥镜为基础，将超声换能器通过电子内窥镜活检通道插入人体体腔，然后逐步接近目标器官，观察其粘膜表面的病变形态，实现扫描成像。这种内窥镜的探头一般采用小型的电磁式电机来驱动，电机仅通过一根钢丝驱动探头转动，但是这种钢丝的寿命很短，会造成整个探头寿命太短。由于换能器输出信号为毫伏级，极易受到干扰而失真。而且电机由于转速较快，不仅难以达到驱动要求，还需要增加一个减速装置。结合这些问题，人们尝试用微型超声波电机来有效的解决这些痛点。基于超声波电机结构简单、体积小、低噪音、力矩密度大、响应时间快、不受电磁干扰等优良特性，微型超声波电机极其容易小型化，而且不用设置减速带装置，还可以有效的屏蔽电磁干扰使其电机更适合这样的工作环境。这样不仅扩大了内窥镜探头的扫描范围和诊断效率，提高了诊断内窥镜的诊断能力，还可以缓解病人的诊疗压力。

4.3手术机器人

近十多年以来，随着手术机器人技术的不断成熟，机器人辅助完成的外科手术量持续高速增长。借助手术机器人完成的手术可以很大程度上降低手术风险。手术机器人是一种智能的外科手术工具，它主要由三部分构成：医生控制系统，三位腹腔系统，以及由手术机械臂、摄像臂和手术器械组成的移动平台。其中，手术机械臂的多自由度关节是提高手术操作精确度的关键，也是人们一直研究的热点和难点。传统的机器人多自由度关节运动驱动部分一般采用电磁式电机，需要减速机构和制动机构。对于多自由度关节驱动的研究，需要考虑到所需要的驱动扭矩、运行的稳定性、抗干扰能力、响应速度快以及机械结构连接等问题。手术机械臂的关节驱动要有足够大的扭矩，才能有足够的握力握手术器械：手术机械臂运行的稳定性直接会影响到手术过程中操作的正确性；手术机械臂快速响应能力能够像人的手指在短短时间内做出反应以及手指间的配合，才能保证手术操作的准确性。而超声波电机应用于手术机器人多自由度关节，可以有效的解决这些难题。超声波电机对多自由度关节的驱动，简化了关节的结构，提高了手术机器人多自由度关节的控制精度。

5 结语

超声波电机能适用于信息机器、光学仪器、微机器人、医疗仪器、探测系统、精密加工等微型、精细的工作要求。它有着非常诱人的应用前景，随着它的技术越来越完善，在航空航天、光学镜头、汽车制造、医疗器械、住宅设备等领域已得到广泛应用。超声波电机其自身特定优点在医疗领域解决了诸多难题，提高了医疗领域的技术水平。我们可以预知未来超声波电机在医疗领域的发展有着巨大的实用价值和潜能。

参考文献

[1]蔡敏芹. 应用微型超声波电机改进超声内窥镜探头的研究[D].四川大学,2006.

[2]李宪章. 行波超声波电机的位置速度控制及其在机器人多自由度关节中的应用[D].浙江工业大学,2005.

王迪（1999-），男，汉族，四川眉山人，本科，船舶电子电气工程专业，重庆交通大学

二作:代艾鸿(2003-），男，汉族，四川达州人，本科，船舶与海洋工程，重庆交通大学
三作:吴安芙(2002-)，男，汉族，重庆长寿人，本科，船舶电子电气工程专业，重庆交通大学
四作:陈文卓（2003——）男，汉族，四川德阳人，本科，船舶电子电气工程专业，重庆交通大学
五作:苏昱（2001-），男，黎族，海南白沙黎族自治县人，本科，船舶电子电气工程，重庆交通大学