手术机器人空间定位系统技术原理

6/6手术机器人空间定位系统技术原理

空间定位系统

病灶组织和手术器械的实际位置是手术导航系统的重要数据。一方面，可更新虚拟手术界面中器械的位置，辅助医生准确操作；另一方面，也可作为机器人运动的位置反馈，形成高精度的位置闭环控制。所以，需建立空间定位系统，实时测量和反馈病灶组织和手术器械的空间位置和姿态。根据测量方法，空间定位系统主要可分为机械、影像、电磁和光学定位四类。

（一）机械定位（MechanicalPositioning）

机械定位是最早出现在手术导航系统中的定位方式，顾名思义，需通过特定机械结构实现。最早采用的是框架式定位，也称作框架立体定向仪。病人在局部麻醉后，将一个轻质立体定向框架固定在病人患处附近，去做CT等影像扫描，根据影像确定病灶位置和手术轨迹。但是，该方法的设备笨重，操作不灵活，患者佩戴较痛苦。

随后，机械定位引入机器人技术，结合机械臂控制手术器械的位置和方向，简化了传统的笨重框架。但是，机器人的制造和安装不可避免的存在误差，仅靠机器人自身无法保证手术器械位置的精度，需依靠外部测量设备的校准。

（二）影像定位（Image-GuidedPositioning）

基于影像的空间定位系统是在术中借助超声、X射线或内窥镜等影像系统进行术中成像，观察探针、导管等手术器械或植入物的位置，并辅助医生做出相应调整。

直接观察获得的二维影像，直观性较差，需依靠医生的经验判断手术器械或植入物的位置。也可通过多幅影像进行三维重建，和术前模型配准后，显示当前手术器械或植入物的位置。若使用X射线成像，受电离辐射影响，无法进行多次术中观测，定位实时性较低。

（三）电磁定位（ElectromagneticPositioning）

基于电磁的空间定位系统包含磁场发生器、传感器、放大器和控制器四部分。当传感器进入磁场发生器产生的可控变磁场后，传感器的线圈会产生电势差。电势差由放大器采集并放大后，输入控制器计算传感器在磁场中的位置和姿态，测量精度高于1毫米。由于磁场可安全的穿过人体，故不存在光学测量中避免遮挡光线的约束。

电磁测量使用的传感器最小外径可至0.03mm，可以安装至穿刺针、导管、粒子放疗针等器械中，使医生可以在器械进入人体后继续从屏幕上观察针与病灶的相对位置，提高操作的准确性。但是，若磁场附近的铁磁性物体，会对测量精度产生影响。

（四）光学定位（OpticalPositioning）

基于光学的空间定位系统主要使用可见光和近红外光两个波段，鉴于使用可见光的测量精度易受环境光影响，所以用于手术导航的光学定位多用近红外波段。

定位系统主要由光源、反射靶标和位置传感器构成。光源通常与位置传感器集成在一起，发出近红外光，光接触到反射靶标后进行回归式反射，由位置传感器捕捉到并判断靶标的空间三维坐标，最佳测量精度约为0.2-0.3mm。

反射靶标通常有主动式和被动式靶标两种，前者自身发射红外光，无需光源，可直接由位置传感器捕获定位；后者采用回归式反光材料，可沿相同光路对红外光进行反射，之后由位置传感器捕获定位。

测量固定在刚体上的3个非共线靶标，即可建立刚体局部坐标系，并获得刚体的空间位置和姿态。通常使用4个以上靶标进行空间测量，可分别建立病灶部位、头戴式显示器、手术器械在手术空间的局部坐标系，进一步求出各自的空间位置