Design and Characterization of MRI-compatible Plastic Ultrasonic Motor

要約

精密な外科手術には、磁気共鳴画像法 (MRI) を使用した術中の画像ガイダンスが役立つ場合があります。
しかし、MRI の強力な磁場、高速切り替え勾配、および限られた空間のため、外科医を支援するための MR 誘導ロボット システムが必要になります。
圧電アクチュエータは、さまざまな用途に逆圧電効果を利用することで、MRI 環境で使用できます。
圧電超音波モーター (USM) は、MRI 対応アクチュエーターの 1 つのタイプであり、これらのロボットを高速応答時間、コンパクトさ、シンプルな構成で駆動できます。
圧電モーターは主に非強磁性材料で作られていますが、MRI の傾斜磁場による渦電流の生成により磁場の歪みが生じ、画像アーチファクトが発生する可能性があります。
MRI の磁場と渦電流によって生成される磁場の相互作用によるモーターの振動は、画像アーティファクトを引き起こし、画質をさらに低下させる可能性があります。
この研究では、より高度な MRI 互換性を備えたプラスチック圧電超音波 (USM) モーターが開発され、予備的な最適化によって導入されました。
複数のパラメータ、つまり歯の数、ノッチのサイズ、エッジのベベルまたはストレート、および表面仕上げレベルのパラメータが実験の予圧力に対して使用されました。結果は、48 個の歯、0.39 mm の薄い歯ノッチ、ベベルエッジと表面を使用することを示唆しました。
約1000番のサンドペーパーを使用して仕上げると、回転速度とトルクの両方で優れた出力が得られました。
この組み合わせでは、低予圧時に最高回転数が436.6665rpmに達し、予圧が約500gの時に最高トルクが0.0348Nmに達しました。

要約(オリジナル)

Precise surgical procedures may benefit from intra-operative image guidance using magnetic resonance imaging (MRI). However, the MRI’s strong magnetic fields, fast switching gradients, and constrained space pose the need for an MR-guided robotic system to assist the surgeon. Piezoelectric actuators can be used in an MRI environment by utilizing the inverse piezoelectric effect for different application purposes. Piezoelectric ultrasonic motor (USM) is one type of MRI-compatible actuator that can actuate these robots with fast response times, compactness, and simple configuration. Although the piezoelectric motors are mostly made of nonferromagnetic material, the generation of eddy currents due to the MRI’s gradient fields can lead to magnetic field distortions causing image artifacts. Motor vibrations due to interactions between the MRI’s magnetic fields and those generated by the eddy currents can further degrade image quality by causing image artifacts. In this work, a plastic piezoelectric ultrasonic (USM) motor with more degree of MRI compatibility was developed and induced with preliminary optimization. Multiple parameters, namely teeth number, notch size, edge bevel or straight, and surface finish level parameters were used versus the prepressure for the experiment, and the results suggested that using 48 teeth, thin teeth notch with 0.39mm, beveled edge and a surface finish using grit number of approximate 1000 sandpaper performed a better output both in rotary speed and torque. Under this combination, the highest speed reached up to 436.6665rpm when the prepressure was low, and the highest torque reached up to 0.0348Nm when the prepressure was approximately 500g.

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