淺談機電一體化技術的發展及其在醫療儀器中的應用

倪磊，李素琳

（克拉瑪依市中心醫院 設備科，新疆克拉瑪依 834000）

淺談機電一體化技術的發展及其在醫療儀器中的應用

倪磊，李素琳

（克拉瑪依市中心醫院 設備科，新疆克拉瑪依 834000）

本文對機電一體化技術進行綜合概述，探討其網絡化、智能化、微型化和綠色化的發展方向以及對人才的要求。論述了機電一體化技術在醫療儀器中的應用及發展趨勢。

機電一體化技術；醫療儀器；智能化；網絡化

現代科學技術的不斷發展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發展階段。現代化醫療儀器作為機電一體化應用技術的一個重要分支，為醫學技術的快速發展提供了重要的技術基礎。

1 機電一體化的概念與特征

機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱，涵蓋了“技術”和“產品”兩個方面，是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術，而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、拼湊。機械工程技術由純機械發展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大的體力[1]。但是機電一體化技術賦予系統自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制、自動診斷與保護等功能，即機電一體化技術不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸。機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區別是智能化。機電一體化系統主要由機械裝置、執行裝置、動力源、傳感器、計算機等五個要素構成。

2 機電一體化的發展概況

20世紀60年代以來，人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能，刺激了機械產品與電子技術的結合。20世紀70年代，計算機技術、控制技術的發展，為機電一體化技術的發展奠定了技術基礎。20世紀80年代末期，機電一體化技術在世界范圍內得到比較廣泛的承認。20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段。一方面，除了光學、通信技術等，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面建模、分析和集成方法的應用，使機電一體化技術達到前所未有的高度。

我國是從20世紀80年代初才開始機電一體化的研究和應用，雖然取得了一定成果，但與歐美、日本等先進國家相比仍有很大差距。

3 機電一體化的主要發展方向[2-4]

⑴ 智能化“智能化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。

⑵ 模塊化 由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、環境接口的機電一體化產品單元是一項十分復雜但又是非常重要的事。

⑶ 網絡化 由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監視技術方興未艾，而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。

⑷ 微型化 微型化指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢，國際上稱其為微電子機械系統(MEMS)。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。

⑸ 綠色化 綠色化主要是指在其設計、制造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環境保護和人類健康的要求，對生態環境無害或危害極少，資源利用率極高。

⑹ 系統化 系統化的表現特征之一就是系統體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統可以靈活組態，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現之二是通信功能的大大加強，一般除RS232外，還有RS485、DCS。

4 機電一體化技術在醫療儀器中的應用

4.1 機電一體化技術與診斷儀器[6,7]

隨著醫學技術的進步，單純靠傳統的以望、聞、問、切為主的經驗診斷方法已經不能適應現代醫學的要求。目前，醫療診斷儀器主要包括X光機、計算機斷層掃描設備、血管造影設備、心電圖機、腦電圖機、肌電圖機、超聲診斷設備、核磁共振、正電子計算機斷層掃描設備等。

血管造影設備是繼CT以后在國際上出現的又一類新的成像設備。它在注入的造影劑尚未到達病灶之前的某一瞬間將有關的圖像信息數字化并輸入到圖像存儲器中，之后又將造影劑到達病灶后的數字圖像數據寫入存儲器，最后將兩組圖像相對位置的像素數據做減法運算，并將其結果以模擬信息顯示在熒光屏上，從而獲得血管分布圖。

磁共振成像是利用射頻電磁波對置于磁場中的含有自旋不為零的原子核的物質進行激發，發生核磁共振，用感應線圈采集共振信號，按一定數學方法建立的數字圖像。磁共振有多個成像參數，能提供豐富的診斷信息，無輻射危險，安全可靠，已成為重要的診斷儀器之一。

4.2 機電一體化技術與臨床檢驗儀器[8,9]

隨著生物學的發展，人們對疾病的認識已經超越了細胞病理階段，進入分子水平，到20世紀80年代末，已飛躍到基因的新領域。由于某些新興學科的相互滲透，形成了現代醫學必不可少的臨床血液學、臨床化學、臨床免疫學和臨床細菌學系統。與之相應的血細胞分析儀、生化分析儀、血氣分析儀、電解質分析儀、免疫類儀器等臨床檢驗儀器應運而生。

20世紀50年代初，庫爾特發明了粒子計數技術的專利，并制造了世界上第一臺血細胞分析儀。血細胞分析儀是指對一定體積內血細胞數量及異質性進行分析的儀器，它涉及生物化學、機械、電子、光學、計算機和信息等技術，是典型的機電一體化醫療設備。

4.3 機電一體化技術與監護儀器[10]

醫院對病人的監護，以心電和腦電為主，在計算機技術的支持下，具有記憶、凍結、趨勢顯示和分析功能，能對病人的某些重要生理指標進行長時間連續監控，為醫護人員提供病人的生命體征信息，協助醫護人員進行診斷和治療。

4.4 機電一體化技術與治療器械

隨著科學技術地進步，各種治療器械不斷涌現。國外推出的伽瑪刀，不用開顱就可以割除病人的腦瘤，國內已有醫院開展此種手術。由瑞士洛桑工學院科學家布克哈特和格勞澤爾開發的機器人“米內爾”，成功地把一根2mm粗的導管插入病人顱內，從長在腦里的囊腫中抽出液體，成為世界上首次用機器人做的腦部手術。近期在我國某醫院也出現了第一例利用機器人來為患者做膽囊切除手術。這個機器人名叫宙斯，它不同于工業流水線上的機器人，不像人們想像的那樣先設計好程序，再按照程序做。它需要貫徹醫生的操作意圖，對各種特殊情況進行處理。首先必須識別醫生手的動作，然后轉化成電子信號，再通過光纜將這些信號傳到機械臂上，機械手進行識別后轉化成夾、鉗、止血等具體的動作。在聲控方面，手術前主刀醫生先在工程師的指導下，把簡單的指令發音(如停止、開始、向前、向后等)用英語錄入機器人的“大腦”(語音識別系統)。手術時只要按照預先錄入的發音向機器人發出指令，機器人便會按照指令操作。這種技術結合了電學、數控、精密機械,在標準程序下，只需要一個醫生進行操作，手術臺上有一到兩位護士進行協助就可以了。用機器人做手術使得醫生從繁重的體力手術中解脫出來，醫生通過屏幕操作觀察以便有更多的精力來注重手術的細節，獲得比以往手術更好的效果。

5 結束語

機電一體化技術經過這么多年的發展已經取得了豐碩的成果，其產品的品種不斷增多，水平也不斷提高。不但對世界經濟的發展起到了巨大的作用，而且給人們的生活帶來很大的方便和享受。隨著科學特別是微電子技術、精密機械技術和材料科學的發展，機電一體化技術必將獲得新的突破，引起更大的生產變革和社會變革，會朝著網絡化、智能化、微型化和綠色化的方向發展，為社會的進步和人類生活水平的提高起到巨大的推動作用。

綜上所述,機電一體化的出現不是孤立的，它是許多科學技術發展的結晶，是社會生產力發展到一定階段的必然要求。當然，與機電一體化相關的技術還有很多，并且隨著科學技術的發展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術的廣闊發展前景也將越來越光明。

[1] 李建勇.機電一體化技術[M].北京:科學出版社,2004.

[2] 李運華.機電控制[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[3] 高鐘毓.機電控制工程[M].北京:清華大學出版社,2002.

[4] 鄭堤.機電一體化設計基礎[M].北京:北京機械工業出版社，2007.

[5] 張訓文.機電一體化系統設計與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2006.

[6] 王溶泉,彭明辰.醫用大型X線機系統[M].北京:人民軍醫出版社,1995.

[7] 潘屏男,李樹祥,等.現代大型醫療設備[M].北京:中國醫藥科技出版社,2002.

[8] 彭黎明,等.檢驗醫學自動化及臨床應用[M].北京:人民衛生出版社,2003.

[9] 陶義訓,吳文俊.醫學檢驗儀器導論[M].上海:科學技術出版社,2002.

[10] 夏黎明,等.多參數監護儀的基本性能及應用[J].醫療設備信息,2007(10):56-57.

Discussion on the Mechatronics Development and Its Application in Medical Devices

NI Lei,LI Su-lin
(Equipment Department,Central
Hospital of Karamay, Karamay Xinjiang 834000,China)

This paper introduces the mechatronics technique,also analyses its networking, intelligentization,micromation,greenization and demands on talents,and discusses the application and development trend of mechatronics technique in medical devices.

mechatronics technique;medical devices; intelligentization; networking

R319

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.02.020

1674-1633(2010)02-0050-02

2009-05-15

2009-09-16

作者郵箱：nlmao2007@sina.com