磁共振成像体模目前被广泛用于测试和校准磁共振设备功能。静态体模虽常被用于此目的，但无法充分体现人体在成像过程中的动态运动。为解决这一问题，研究人员开发出运动平台以在体模成像过程中复现解剖运动；然而现有市售设备成本高昂且功能受限。全新设计方案将能实现对多种体模的成像，采用标准化组件制造，并具有成本效益，使其他研究人员也能便捷应用该技术。该初步设计采用压电电机、微控制器及齿轮齿条结构。

一、介绍

01.影响与动机

定量磁共振成像是一种新兴的磁共振技术，可精确测量被扫描组织的特定特征。医疗专业人员能借此实现多种功能，包括监测组织特征随时间的变化、诊断与追踪疾病进展以及评估药物疗效。特别是肝脏定量磁共振成像，能够量化表征肝脏内的脂肪与铁含量。这一技术有助于实现脂肪肝的无创检测与早期诊断。脂肪肝是指患者肝脏中过度堆积脂肪的病症，全球约25%人口受其影响，其中肥胖人群尤为高发。若未及时治疗，脂肪肝可能进一步导致肝损伤、癌症或肝硬化。因此，建立精准有效的定量磁共振成像技术对实现脂肪肝的及时治疗至关重要。

02.现有设计方案

目前市场上有若干用于磁共振成像环境下产生运动的设备，用于验证定量磁共振成像方案。某大学放射科的研究人员开发出一款一维磁共振兼容运动平台，将其与腹部体模结合，评估了成像过程中运动对图像质量及定量指标准确性的影响，具体结果如图1所示。

图1. 运动平台示意图

该设计方案由位于磁共振设备内部的电动线性平台及位于扫描室外的驱动电子系统构成。该电动平台可遵循正弦曲线、谐波、随机或用户自定义轨迹运动。此设备仅用于专项研究，未在市场上开放使用。此外，该设计方案成本高昂，总造价约19，000美元，且专为腹部体模设计。

东莞市富临塑胶原料有限公司是Tekceleo中国独家代理商，为中国客户提供Micronice雾化器、Wavelling压电电机。

另一竞争设计方案为Tekceleo磁共振兼容多模态运动平台。如图2所示，该产品是一种可编程线性运动平台，安装在磁共振扫描孔腔内，可按照用户预设轨迹运行。预设运动轨迹通过微型SD卡载入控制系统。

图2. Tekceleo磁共振兼容运动平台

该产品已申请专利保护，该公司还推出了系列类似运动平台以适应不同解剖部位的运动需求。与前述设计类似，此产品的体模兼容性有限，无法承载大型体模的重量。此外，该产品售价同样高达五位数。另一缺陷在于其电机靠近体模，可能导致信号干扰，进而影响定量磁共振成像数据的准确性与精确度。

Quasar磁共振运动体模是一种磁共振安全的可编程体模。如图3所示，该设备将运动组件直接集成在体模内部。

图3. Quasar磁共振运动体模

该设计方案采用压电电机产生所需运动，主要用于测试深吸气屏气方案。对于需要模拟正常呼吸运动而非屏气的应用场景，该产品的适用性尚不明确。在三种竞争设计方案中，该产品价格最为昂贵，客户收到的报价接近5万美元。除成本因素外，该设计还限制了体模的选用范围，仅能兼容该企业提供的专用套筒。此外，其电机组件邻近体模安装，存在与Tekceleo设计类似的信号干扰隐患。

03.问题陈述

当前用于定量磁共振测试校准的组织体模多为静态人体模型，无法有效模拟呼吸及消化系统等生理活动产生的持续运动。为解决这一问题，需开发一种磁共振兼容设备，既能固定体模又能模拟生理运动，以满足定量磁共振评估需求。

二、背景知识

01.生理与生物学原理

定量磁共振成像通过将像素强度与特定生理参数测量值关联，实现生理特征的可视化呈现。该技术可量化测量的特征包括：核磁共振参数、弛豫时间T1与T2、扩散与灌注速率、水脂比例、铁含量、组织弹性特性、温度、化学成分及化学交换等。图4B行展示了肝脏脂肪分数的定量磁共振成像图，通过对比健康肝脏（最左）与脂肪肝（最右）的差异；C行则显示各肝脏的脂肪百分比，其中脂肪肝的脂肪构成比例达75%。如图所示，定量磁共振成像图采用渐变色阶来表征肝脏样本中不同区域的脂肪浓度分布。

图4. 定量磁共振成像对比健康肝脏与脂肪肝

磁共振扫描过程中的运动会导致运动伪影，从而影响数据的准确性和精确度。目前定量磁共振成像主要依赖屏气技术来缓解此问题。虽然屏气技术成效显著，但并非适用于所有患者群体。部分患者如重症患者、老年人和儿童，往往无法有效完成所需的屏气动作。开发能够补偿呼吸运动的定量磁共振成像方案，将有助于实现更精准、更舒适的肝脏疾病诊断。现有研究已通过外部信号追踪呼吸引发的内脏器官运动，数据显示肝脏因呼吸产生的运动呈正弦波特征。

02.超声电机与扭矩

图5展示了将用于驱动体模承载平台的非磁性压电超声电机。需要注意的是，超声电机可能干扰磁共振设备的射频场，在成像结果中产生图像伪影。因此需将电机与平台间隔磁共振扫描床的全长距离安装，以降低此类伪影。

图5. 非磁性压电超声电机

根据扭矩基本方程 τ = 𝑟𝐹𝑠𝑖𝑛θ，可计算出轴杆的最大轴向半径。已知电机最大扭矩为1.2牛·米，假设整体组件质量不超过9千克，则电机与平台连接轴的轴向半径应为1.4厘米。

03.设计规范

本设计的核心规范是确保磁共振兼容性，既要保证在磁共振室内使用的安全性，又要最大限度减少信号干扰以确保成像准确性。客户提供的初始预算为1000美元，必要时可追加资金。客户特别强调设计的可推广性与易复现性，因此运动平台应尽可能采用简单制造工艺和商用零件，以便其他研究人员（特别是经费有限的机构）能自主进行体模分析。为兼容肝脏体模，平台需至少承载4千克重量，且尺寸不得小于25厘米×35厘米。在运动性能方面，产品应能模拟生理性呼吸模式，即每分钟约8个周期、振幅3厘米的运动。运动需持续保持10-15分钟，且与目标波形的标准偏差不超过5%。更多规范详见附录A。

04.客户信息

客户为威斯康星大学麦迪逊分校医学物理系博士研究生，兼任定量成像方法实验室研究助理。其研究方向聚焦于在肝脏体模上实施、评估及改进抗运动干扰的定量磁共振序列。

三、初步设计方案

01.丝杠传动

首套方案采用丝杠将电机的旋转运动转换为平台的直线运动。当电机旋转时，丝杠螺纹与带螺纹的附件啮合，根据电机转向驱动平台前进或后退。该方案中丝杠长度约为2米，使电机能远离平台以降低图像噪声。

图6. 丝杠传动设计方案

该设计的优势在于可通过调节丝杠螺旋角实现效率变化。增大螺旋角能使运动更平稳，减少摩擦并提高动力传递效率，但同时也需要更大扭矩。另一优点是该机构适用于轻负载场景，符合产品设计规范（附录A）的要求。其缺点在于丝杠可能出现不均匀磨损，导致维护和更换频率增加。

02.苏格兰轭机构

第二套方案采用苏格兰轭机构将电机的旋转运动转换为平台直线运动。电机运转时，圆盘将旋转运动转化为往复运动，其运动轨迹随时间呈现标准正弦曲线。直线运动的方向和距离由销钉在圆盘半径上的位置决定。为在电机与成像平台之间保持足够距离，将采用一组锥齿轮和传动轴实现2米距离的旋转运动传递。

图7. 苏格兰轭设计方案（含一对锥齿轮与传动轴）

该设计的优势在于其扭矩可随摇臂角度位置变化。在行程两端时摇臂处于最长状态，此时产生最大扭矩；在行程中点时摇臂最短，扭矩最小。这种特性与直线运动速度呈反比关系。该方案的缺点在于滑槽可能因摩擦和接触压力而快速磨损。

03.齿轮齿条机构

第三套方案采用齿轮齿条机构将电机的旋转运动转换为平台直线运动。当电机转动时，固定小齿轮与齿条啮合，根据电机转向驱动齿条往复运动。与第二套方案类似，本方案也将采用一组锥齿轮和传动轴实现2米距离的旋转运动传递。

图7. 齿轮齿条设计方案（含一对锥齿轮与传动轴）

该设计方案具有高达98.5%的传动效率，能实现平稳精确的运动。该机构通过调整小齿轮尺寸、传动比和阻尼水平等参数，可灵活适配多种应用场景。其缺点在于需要电机持续换向，会导致电机承受应力。此外，任何安装偏差都可能损坏部件导致故障，因此必须确保零部件加工精度。

四、初步设计评估

01.设计矩阵

表1. 三种原型方案设计矩阵（评估标准列于左侧，浅绿色标注各类别最优方案，深绿色标注最终优选方案）

在完善产品设计规范后，我们制定了评估设计方案有效性的标准体系。设计方案从以下维度进行综合评估：效率（25%）、精度（20%）、加工便捷性（15%）、成本（15%）、可调性（10%）、安全性（10%）及耐久性（5%）。

效率维度： 当前设计方案生成波形的速度和形态主要受压电电机速度与扭矩限制。为实现高效运动转换，该维度权重最高。齿轮齿条机构在三种方案中传动效率最优，在此项获得最高评分。苏格兰轭机构因传动过程中存在较大摩擦而评分较低。丝杠传动方案的摩擦损耗最为显著，传动效率最低，故该项评分垫底。

精度维度： 在受限于压电电机性能的前提下，必须确保波形精度不因传动效率而妥协。设备需能生成多种具有显著区分度的波形。丝杠传动可通过精密螺距设计实现高精度波形，在此项获得最高评分。齿轮齿条机构可通过增加齿密提升波形精度，位列第二。苏格兰轭机构受销钉位置限制，波形生成精度有限，该项评分最低。

加工便捷性： 客户强调设备应便于制造。为使该设计能惠及更多实验室，加工作业需相对简易。三种方案中，丝杠传动制造难度最高：其丝杠部件需采用3D打印，为保障打印质量需垂直定向打印，但受3D打印机垂直高度限制，将影响丝杠总长度，故该项评分最低。苏格兰轭与齿轮齿条结构加工难度相当，均采用全3D打印方案，但前者因耗材更少在此项获得最优评分。

成本维度： 与加工便捷性类似，客户希望控制设备成本以提升普及度。三种方案均采用相同压电电机，其余部件均通过3D打印制造，因此成本差异主要体现于材料消耗量。丝杠传动方案材料用量最少，成本评分最优；苏格兰轭与齿轮齿条方案分列二、三位。

可调性： 设备需能生成多种差异化波形，因此波形调节的便捷性至关重要。此项标准衡量用户调节体模平台输出波形的难易程度。丝杠传动仅受螺杆长度限制，只要波幅在丝杠行程范围内均可实现，在此项获得最高评分。齿轮齿条机构同样受齿条长度制约，但其还需考虑锥齿轮箱内转换旋转平面所需的传动比限制，因此位列第二。苏格兰轭机构受限于销钉安装半径，用户需手动调节销钉位置来改变正弦波形，该项适用性最低。

安全性： 设备必须在磁共振环境中安全运行。鉴于高强度磁场环境，安全性评估尤为关键。三种方案均最大限度减少金属部件使用，主要差异在于人机交互安全性。丝杠与齿轮齿条机构运动部件最少，夹伤风险最低，并列安全性榜首。苏格兰轭机构因运动部件较多，安全性评分相对较低。

耐久性： 设备在满足易制造与低成本的同时，需兼顾耐久性（此标准权重较低）。齿轮齿条与苏格兰轭机构均能在无需润滑的情况下显著降低摩擦，并列耐久性最佳。丝杠机构固有摩擦较大，需定期润滑防磨损，故该项评分最低。

02.最终设计方案

根据综合评估，齿轮齿条方案脱颖而出。该方案在效率维度排名第一，在安全性与耐久性维度并列最优，在精度、加工便捷性和可调性维度均位列第二，仅成本维度排名末位。综合其优势，确定采用该方案推进后续开发。

五、制造与开发流程

01.材料方案

原型机主要采用PLA塑料3D打印制造以降低磁共振干扰。组装完成后将连接压电电机与微控制器，这些电子部件需与设备保持安全距离。所有组件均采用非导电非金属/磁性材料，以确保功能正常运行并延长使用寿命。

02.实施方法

原型部件通过SOLIDWORKS设计，在创客空间完成3D打印。制造完成后将对每个打印部件进行刚性与重量评估。通过检测的PLA塑料部件将进行整体组装，压电电机与微控制器在保持安全距离的前提下连接系统。若需提升运动流畅度，可施加不影响电机运行的润滑剂。

六、测试方案

组装完成的原型机将进行三项核心功能测试。首项测试旨在评估部件运行效能，重点检测驱动平台运动所需的齿轮啮合状况。该测试将在空载条件下进行，通过至少10组试验记录完整行程的转动次数与运行时间，并对采集数据进行比对分析。

第二项测试为负载变化测试，用于评估原型机在不同载荷下的运行性能。将在平台上逐级施加配重，每个重量级别录制至少10组运行视频，直至达到客户指定的最大载荷。所有视频数据将与空载运行视频进行对比分析。

第三项测试聚焦速度变异性，通过预设速度程序检测实际运行速度与理论值的吻合度。每个设定速度需进行至少10组试验，试验期间保持负载恒定。

七、测试结果

截至2023年10月11日，因尚未开展测试，最终原型机的性能数据暂未获得。测试完成后将基于产品设计规范（附录A）进行统计分析，并将观测结果记录于此。

八、讨论分析

测试完成后将在此章节深入探讨实验结果的意义。该设备专为科研场景设计，测试过程及后续应用均不涉及伦理问题。未来将针对误差来源和测试流程优化展开讨论。

九、结论

本项目受威斯康星大学麦迪逊分校医学物理系博士研究生委托，旨在开发具有成本效益且易于推广的磁共振兼容运动平台，以助力研究人员更精准地评估定量磁共振成像方案。当前市面同类产品不仅价格昂贵，且仅适用于特定体模。本技术将显著提升目前无法执行深吸气屏气等现有伪影消除方案的患者群体的诊断可行性。

在多种直线运动实现方案中，齿轮齿条机构凭借其精确可控性、高功率转换效率及优异耐久性成为最优选择。后续工作将推进制造与测试阶段：采用磁共振兼容材料制造平台主体，整合现有电机、电子电路、微控制器及滑轨组件；运行客户提供的波形生成代码驱动平台运动。测试计划涵盖组装功能验证与控制系统评估，原型机通过验证后将在磁共振环境中使用已知脂肪浓度的肝脏体模进行成像精度测试。

东莞市富临塑胶原料有限公司是Tekceleo中国独家代理商，采购Micronice雾化器、Wavelling超声波压电电机请立即联系我们。

邮：li@fulinsujiao.com