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Los motores piezoeléctricos alimentan al robot de resonancia magnética

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El movimiento en un entorno magnético

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Los cirujanos que tratan el cáncer de cerebro se enfrentan a un enigma: Pueden capturar imágenes de ultra alta resolución del tumor usando la Resonancia Magnética (MRI) o pueden usar herramientas quirúrgicas ultra precisas para remover el tumor, pero no pueden hacer ambas cosas al mismo tiempo. Al menos no podían hacerlo antes. Hoy, el profesor Greg Fischer del Instituto Politécnico de Worcester, está ocupado desarrollando un robot quirúrgico diseñado para ser usado dentro de una máquina de resonancia magnética.

Guiado por la retroalimentación en tiempo real, el robot puede posicionar una sonda de ultrasonido de alta energía, enfocada intersticialmente, exactamente en el tumor, proporcionando resultados quirúrgicos óptimos y un resultado ideal para el paciente. Por supuesto, construir un robot que pueda operar dentro de los altos campos magnéticos generados por una unidad de resonancia magnética no fue fácil, pero con la sofisticada ingeniería de controles y los posicionadores piezoeléctricos de FAULHABER, el equipo de WPI ha construido un sistema que promete revolucionar las posibilidades de tratamiento de la resonancia magnética.

El proceso de diseño de dispositivos quirúrgicos está lleno de desafíos. Los sistemas deben ser precisos y repetibles, con una resolución ultra alta. Tienen que ser eléctricamente silenciosos. Sobre todo, deben ser fiables. En el caso del robot de resonancia magnética, el equipo de Fischer se enfrentó a otro enorme desafío: ofrecer todas estas características en un sistema que también puede funcionar en campos magnéticos multi-tesla.

El poderoso campo magnético generado por una máquina de resonancia magnética hace peligroso incluso pequeños objetos ferromagnéticos como tornillos, y mucho menos, dispositivos de movimiento como motores de imanes permanentes, cajas de engranajes y actuadores. Era obvio desde el principio que el robot de resonancia magnética tenía que basarse en una actuación no tradicional. La respuesta demostró ser un dispositivo piezoeléctrico.

El movimiento en un entorno magnético

Los actuadores piezoeléctricos se basan en una cerámica piezoeléctrica que se expande bajo un voltaje aplicado. El problema es que el desplazamiento introducido por el efecto piezoeléctrico es sólo una fracción de un porcentaje del tamaño del componente, mientras que el robot de resonancia magnética requería hasta unos 100 mm de recorrido lineal o una rotación continua de 360 grados. El equipo de WPI encontró la solución en los motores Piezo LEGS de FAULHABER.

Las unidades consisten en un conjunto de patas de tracción bimórficas que están construidas de manera que bajo un voltaje aplicado, se flexionan ligeramente y se extienden.

En la práctica, se conducen en parejas alternas de manera que "caminan" una barra de tracción hacia adelante en pasos de nanómetros a velocidades tan altas como 15 mm/seg (o giran un disco en el caso de movimiento de rotación). Dado que un par de patas es el que siempre está en contacto con el actuador en cualquier momento, son actuadores intrínsecamente seguros (que proporcionan el frenado cuando están sin energía) con los motores proporcionan una fuerza de parada (fuerza de retención) de hasta 10 N.

El robot WPI consiste en un módulo con traslación X, Y, Z y dos módulos rotativos que corresponden a los ángulos de arco de un marco de cabeza. Los diseños futuros incluirán grados de libertad adicionales para permitir la inserción y rotación de la cánula y el estilete.

Para generar un movimiento lineal, el equipo de WPI utiliza una combinación de motores Piezo LEGS lineales en un accionamiento directo para la inserción de agujas y motores Piezo LEGS rotativos para accionar tornillos de plomo de aluminio. Para el movimiento rotatorio, usan poleas personalizadas impresas en 3D y correas dentadas reforzadas con goma o fibra de vidrio.

Aunque las masas involucradas son pequeñas, los materiales generan mayor fricción que los diseños convencionales, lo que significa que requieren un mayor par para producir el movimiento, y los piezomotores lo entregan. "En muchas aplicaciones, se puede conseguir con un motor piezoeléctrico y un accionamiento directo o una reducción de polea de varias a una", dice Fischer. "No necesitas reducciones de relación de engranajes 100:1 como las que podrías necesitar con un pequeño motor de corriente continua."

Piezo LEGS resultó ser la solución correcta para el proyecto WPI. "Hay actuadores piezoeléctricos que te darán como mucho 1mm de movimiento", dice Fischer. "Más allá de eso, sólo hay unas pocas empresas. De ellas, venden motores rotativos o módulos que se empujan contra la varilla de accionamiento, pero hay que diseñar todo un dispositivo a medida en torno a él. En términos de motores compactos y autónomos, no he visto ninguna competencia, en realidad, para los dispositivos FAULHABER."

Desafíos de control

El actuador piezoeléctrico requiere sólo electrodos conductores muy pequeños que son tanto no magnéticos como no ferrosos; esto hace que sea seguro para su uso en el entorno de la resonancia magnética. Sin embargo, en esta aplicación, la seguridad no era suficiente. Cualquier ruido eléctrico generado por la fuente de alimentación o la electrónica del actuador tiene el potencial de distorsionar la imagen, lo que anularía el propósito. "Muchas veces se obtienen artefactos similares a la estática", dice Fischer. "El ruido electrónico junto con materiales no compatibles con la resonancia magnética pueden distorsionar la imagen y entonces las cosas no aparecerán donde esperas, lo cual es un gran, gran problema si estás tratando de guiar una intervención basada en las imágenes."

Claramente, la aplicación requería electrónica especializada. Al mismo tiempo, la naturaleza del motor piezoeléctrico requería una forma de onda de accionamiento sofisticada. En respuesta, el equipo de Fischer desarrolló un paquete de control personalizado para operar motores piezoeléctricos en el escáner de resonancia magnética. Programaron una matriz de puertas programable en el campo (más conocida como FPGA) para ajustar la frecuencia relativa y la fase de las formas de onda de la señal de accionamiento. Los convertidores digitales-analógicos de alta velocidad ofrecen un control temporal preciso de la forma de onda, y los amplificadores lineales de alto voltaje y gran ancho de banda permiten que el controlador sintetice la señal de accionamiento exacta necesaria para producir el movimiento. Los filtros externos eliminan el ruido, y la retroalimentación del codificador permite el control de la posición o la velocidad en lazo cerrado desde un microcontrolador que ejecuta un lazo de control en tiempo real en una sola placa. Una placa base modular combina hasta ocho de estas placas en una sola caja blindada que reside dentro de la sala del escáner de resonancia magnética con el robot. Un arnés de cableado personalizado conecta el controlador con el robot hasta ocho ejes de control.

No era un desafío de control para los débiles de corazón, pero el proyecto se simplificó con la disponibilidad de un motor piezoeléctrico autónomo. "Tener un actuador cerrado fiable, listo para funcionar, lineal o rotativo, ha sido una gran ventaja", dice Fischer. "Ha permitido a los estudiantes centrarse en el diseño del mecanismo mecánico y el diseño del controlador." Pero el proyecto va más allá del robot quirúrgico. El objetivo de Fischer es desarrollar una caja de herramientas para desarrollar robots compatibles con la resonancia magnética que incorporen sensores, actuadores, controladores y amplificadores mejorados con protocolos de comunicación. "En esta industria, puedes comprar un PLC o un motor o un codificador, conectarlos todos juntos, e inmediatamente tienes un dispositivo que funciona", dice. "No hay nada realmente así para los dispositivos médicos y definitivamente no hay nada parecido para la resonancia magnética."

Para demostrar el enfoque, el equipo está trabajando en variaciones del robot de resonancia magnética para varias aplicaciones, entre ellas: ablación térmica de alta precisión del cáncer cerebral profundo, colocación de electrodos de estimulación cerebral profunda para la enfermedad de Parkinson, y biopsia de cáncer de próstata guiada por resonancia magnética y administración de terapia localizada. "Estamos apuntando a aplicaciones muy compactas, muy específicas, y todas están basadas en estos motores", dice. "Tengo casi todos los motores piezoeléctricos del mercado en mi laboratorio. Incluso hemos tratado de hacer el nuestro. Para nosotros, los actuadores FAULHABER eran de un tamaño muy bueno, con buenos rangos de fuerza y muy buenos rangos de par. En general, han sido muy eficaces"