空間定位系統

病灶組織和手術器械的實際位置是手術導航系統的重要數據。一方面，可更新虛擬手術界面中器械的位置，輔助醫生準確操作；另一方面，也可作為機器人運動的位置反饋，形成高精度的位置閉環控制。所以，需建立空間定位系統，實時測量和反饋病灶組織和手術器械的空間位置和姿態。根據測量方法，空間定位系統主要可分為機械、影像、電磁和光學定位四類。

（一）機械定位（Mechanical Positioning）

機械定位是最早出現在手術導航系統中的定位方式，顧名思義，需通過特定機械結構實現。最早采用的是框架式定位，也稱作框架立體定向儀。病人在局部麻醉后，將一個輕質立體定向框架固定在病人患處附近，去做CT等影像掃描，根據影像確定病灶位置和手術軌跡。但是，該方法的設備笨重，操作不靈活，患者佩戴較痛苦。

隨后，機械定位引入機器人技術，結合機械臂控制手術器械的位置和方向，簡化了傳統的笨重框架。但是，機器人的制造和安裝不可避免的存在誤差，僅靠機器人自身無法保證手術器械位置的精度，需依靠外部測量設備的校準。

（二）影像定位（Image-Guided Positioning）

基于影像的空間定位系統是在術中借助超聲、X射線或內窺鏡等影像系統進行術中成像，觀察探針、導管等手術器械或植入物的位置，并輔助醫生做出相應調整。

直接觀察獲得的二維影像，直觀性較差，需依靠醫生的經驗判斷手術器械或植入物的位置。也可通過多幅影像進行三維重建，和術前模型配準后，顯示當前手術器械或植入物的位置。若使用X射線成像，受電離輻射影響，無法進行多次術中觀測，定位實時性較低。

（三）電磁定位（Electromagnetic Positioning）

基于電磁的空間定位系統包含磁場發生器、傳感器、放大器和控制器四部分。當傳感器進入磁場發生器產生的可控變磁場后，傳感器的線圈會產生電勢差。電勢差由放大器采集并放大后，輸入控制器計算傳感器在磁場中的位置和姿態，測量精度高于1毫米。由于磁場可安全的穿過人體，故不存在光學測量中避免遮擋光線的約束。

電磁測量使用的傳感器最小外徑可至0.03mm，可以安裝至穿刺針、導管、粒子放療針等器械中，使醫生可以在器械進入人體后繼續從屏幕上觀察針與病灶的相對位置，提高操作的準確性。但是，若磁場附近的鐵磁性物體，會對測量精度產生影響。

（四）光學定位（Optical Positioning）

基于光學的空間定位系統主要使用可見光和近紅外光兩個波段，鑒于使用可見光的測量精度易受環境光影響，所以用于手術導航的光學定位多用近紅外波段。

定位系統主要由光源、反射靶標和位置傳感器構成。光源通常與位置傳感器集成在一起，發出近紅外光，光接觸到反射靶標后進行回歸式反射，由位置傳感器捕捉到并判斷靶標的空間三維坐標，最佳測量精度約為0.2-0.3mm。

反射靶標通常有主動式和被動式靶標兩種，前者自身發射紅外光，無需光源，可直接由位置傳感器捕獲定位；后者采用回歸式反光材料，可沿相同光路對紅外光進行反射，之后由位置傳感器捕獲定位。

測量固定在剛體上的3個非共線靶標，即可建立剛體局部坐標系，并獲得剛體的空間位置和姿態。通常使用4個以上靶標進行空間測量，可分別建立病灶部位、頭戴式顯示器、手術器械在手術空間的局部坐標系，進一步求出各自的空間位置和姿態。

基于光學的空間定位系統具有以下優勢：

定位空間大，可覆蓋整個手術區域

系統部件可小型化和集成化

測量精度較高

大溫差下的精度保持性較好