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   空間定位系統(tǒng)

病灶組織和手術(shù)器械的實(shí)際位置是手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)。一方面，可更新虛擬手術(shù)界面中器械的位置，輔助醫(yī)生準(zhǔn)確操作；另一方面，也可作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的位置反饋，形成高精度的位置閉環(huán)控制。所以，需建立空間定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測量和反饋病灶組織和手術(shù)器械的空間位置和姿態(tài)。根據(jù)測量方法，空間定位系統(tǒng)主要可分為機(jī)械、影像、電磁和光學(xué)定位四類。

（一）機(jī)械定位（Mechanical Positioning）

機(jī)械定位是最早出現(xiàn)在手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的定位方式，顧名思義，需通過特定機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。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(gè)輕質(zhì)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(jù)影像確定病灶位置和手術(shù)軌跡。但是，該方法的設(shè)備笨重，操作不靈活，患者佩戴較痛苦。

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

（二）影像定位（Image-Guided Positioning）

基于影像的空間定位系統(tǒng)是在術(shù)中借助超聲、X射線或內(nèi)窺鏡等影像系統(tǒng)進(jìn)行術(shù)中成像，觀察探針、導(dǎo)管等手術(shù)器械或植入物的位置，并輔助醫(yī)生做出相應(yīng)調(diào)整。

直接觀察獲得的二維影像，直觀性較差，需依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)判斷手術(shù)器械或植入物的位置。也可通過多幅影像進(jìn)行三維重建，和術(shù)前模型配準(zhǔn)后，顯示當(dāng)前手術(shù)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(jìn)行多次術(shù)中觀測，定位實(shí)時(shí)性較低。

（三）電磁定位（Electromagnetic Positioning）

基于電磁的空間定位系統(tǒng)包含磁場發(fā)生器、傳感器、放大器和控制器四部分。當(dāng)傳感器進(jìn)入磁場發(fā)生器產(chǎn)生的可控變磁場后，傳感器的線圈會(huì)產(chǎn)生電勢差。電勢差由放大器采集并放大后，輸入控制器計(jì)算傳感器在磁場中的位置和姿態(tài)，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(xué)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(dǎo)管、粒子放療針等器械中，使醫(yī)生可以在器械進(jìn)入人體后繼續(xù)從屏幕上觀察針與病灶的相對(duì)位置，提高操作的準(zhǔn)確性。但是，若磁場附近的鐵磁性物體，會(huì)對(duì)測量精度產(chǎn)生影響。

（四）光學(xué)定位（Optical Positioning）

基于光學(xué)的空間定位系統(tǒng)主要使用可見光和近紅外光兩個(gè)波段，鑒于使用可見光的測量精度易受環(huán)境光影響，所以用于手術(shù)導(dǎo)航的光學(xué)定位多用近紅外波段。

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

反射靶標(biāo)通常有主動(dòng)式和被動(dòng)式靶標(biāo)兩種，前者自身發(fā)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(duì)紅外光進(jìn)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(gè)非共線靶標(biāo)，即可建立剛體局部坐標(biāo)系，并獲得剛體的空間位置和姿態(tài)。通常使用4個(gè)以上靶標(biāo)進(jìn)行空間測量，可分別建立病灶部位、頭戴式顯示器、手術(shù)器械在手術(shù)空間的局部坐標(biāo)系，進(jìn)一步求出各自的空間位置和姿態(tài)。

基于光學(xué)的空間定位系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

定位空間大，可覆蓋整個(gè)手術(shù)區(qū)域

系統(tǒng)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