本文是一篇发表于 IEEE Robotics & Automation Magazine 的系统性综述（Survey），于2024年6月28日在线发表，现收录于2025年6月刊。文章作者包括 Ziting Liang, Lukas Lindenroth, Ryman Hashem, Steve Bandula, Danail Stoyanov 和 Agostino Stilli。该综述系统梳理了用于肝脏和肾脏介入治疗的磁共振成像（MRI）引导穿刺机器人（needle insertion robots）的最新研究进展，旨在识别该领域面临的挑战、发展趋势及现存的研究空白。

文章首先阐述了研究的临床背景。肝脏和肾脏在人体解毒与废物代谢中发挥关键作用，但肝癌和肾癌仍是重大健康威胁。在影像引导的肿瘤诊断与治疗中，MRI凭借优异的软组织对比度（soft tissue contrast）、无电离辐射以及多角度成像能力，在肿瘤边界显示、术中监测尤其是冷冻治疗中具有显著优势。经皮穿刺活检（percutaneous needle biopsy）是肿瘤诊断的金标准，而经皮穿刺消融（percutaneous ablation）如射频消融、微波消融和冷冻消融是治疗肝、肾肿瘤的重要手段。然而，MRI扫描孔径（bore）狭窄且深，导致临床医生在孔内定位和驱动穿刺针极为困难。因此，研究者们开发了MRI兼容的机器人系统，以协助医生在有限空间内完成穿刺操作。

综述进一步总结了肝、肾介入手术所面临的特殊解剖与操作挑战。首先，肝脏和肾脏解剖结构复杂，包含丰富的血管、胆管及脂肪组织，且个体差异大，肋骨和邻近器官进一步增加了手术复杂性。其次，机器人需要在狭窄的MRI扫描孔内与患者共存，其结构体积、重量与工作空间之间存在矛盾。再次，呼吸运动和器官移动会显著影响穿刺精度，并可能在MRI图像中引入伪影，因而运动补偿技术至关重要。

在方法学上，本文采用系统综述方法，以Google Scholar为文献来源，检索式包括了“MR guided”“MRI guided”“needle insertion”和“robotic”等关键词。检索于2023年7月完成，初步得到1260篇文献。经过严格的纳入与排除标准筛选，排除非英文文献、学位论文、会议摘要、其他影像模态（如CT、超声）研究、其他器官（如前列腺、乳腺）机器人以及不涉及穿刺机器人的研究后，最终纳入84篇研究文献，其中包括36篇针对肝脏和肾脏的MRI兼容机器人研究和40篇具有潜在应用价值的机器人研究。

文章的核心内容之一是提出了MRI引导肝、肾介入机器人的临床与技术需求。在精度方面，穿刺针尖端的可接受误差约为3毫米，消融手术的安全边界（safety margin）通常为5至10毫米。临床常用穿刺针规格为G15至G18，穿刺力在肝脏约为2牛，在肾脏约为2.75至2.8牛。典型穿刺深度为50至150毫米，平均深度约95毫米，穿刺角度通常为±45°，在特定情况下可扩展至±60°。MRI扫描孔径通常为60至70厘米，这极大限制了机器人与患者共存的工作空间。呼吸运动可导致肝脏位移达3.2至4.4厘米，因此软硬件层面的呼吸运动补偿对于提高手术效率与安全性具有关键作用。此外，设备需符合ASTM F2503标准，分为MR安全（MR Safe）、MR条件（MR Conditional）和MR不安全（MR Unsafe）三类。

综述的主体部分对机器人系统进行了分类讨论。根据安装方式，机器人分为地面式（ground-based）、台架式（table-mounted）、体表式（body-mounted）和穿刺驱动器（needle driver）四类。地面式机器人便于移动，但体积较大，多用于开放式MRI；台架式机器人固定在扫描床上，可随患者一起移动，常采用拱形结构；体表式机器人直接固定在患者皮肤上，能随呼吸同步运动，有利于运动补偿，但需要严格控制重量和固定稳定性；穿刺驱动器则常与其他定位机构结合。文章列举了大量代表性系统，如TIMC实验室的轻量穿刺机器人（LPR）、哈佛医学院的双环机构、帝国理工学院的串并联混合气动机器人等，并对比了它们的驱动方式、自由度、运动链结构、传感与控制策略。

在传感与控制方面，由于MRI环境对电磁干扰的限制，传统电气编码器无法使用，光学编码器成为主流选择。光学跟踪系统如Polaris可用于术中导航，但存在遮挡问题。MRI图像本身也可作为位置反馈手段，通过水、油或稀释钆螯合物等MRI标记物实现机器人位姿估计。此外，介电弹性体传感器（DES）等新型传感技术展现了应用潜力。力反馈在遥操作中对于确保穿刺安全至关重要，液压传动和全人力驱动系统可实现1：1力反馈。控制策略方面，遥操作是主流方式，PID控制、滑模控制（sliding mode control）、自适应与预测控制等均被用于气动机器人的位置控制。远程运动中心（RCM）机制被广泛用于实现绕穿刺点的旋转。实验结果显示，多数系统可将误差控制在3毫米以内，满足临床需求。

对于具有潜在应用价值的机器人，文章按“躯干其他区域”“其他类型穿刺”“非躯干区域”和“非MRI兼容”四类进行了讨论。例如，Innomotion系统是首个商业化的MRI兼容介入机器人，虽已停产但其拱形臂与悬臂机构对后续设计影响深远。约翰斯·霍普金斯大学开发的PneuStep气动步进电机驱动的多连杆RCM机器人、香港大学开发的软体液压机器人等均展示了在肝、肾介入中的应用潜力。

最后，综述总结了该领域的发展趋势与挑战。尽管经历了多年发展，机器人架构变化缓慢，笛卡尔基座与弧形结构仍是主流设计。MRI兼容性限制了高性能电动执行器和传感器的使用，超声波电机和压电电机虽精度高但成本昂贵，液动步进电机如PneuStep展现出替代潜力。未来研究应聚焦于更紧凑的结构设计、高性能低成本MRI兼容执行器、实时图像引导导航及呼吸运动补偿等方向。

该综述的学术价值在于系统梳理了MRI引导肝、肾穿刺机器人的研究进展，明确了临床需求与技术指标，揭示了结构设计、驱动、传感与控制中的关键问题，并提出了可行的研究方向。其应用价值在于为医学工程、机器人学及介入放射学领域的研究者提供了全面的参考框架，有助于推动MRI引导介入机器人的临床转化。文章亮点在于对机器人分类的系统性、对传感与控制方法的深入比较，以及对具有潜在应用价值但非针对肝、肾的机器人系统的挖掘，拓展了该领域的研究视野。